1.1 Акустичне зондування

Для реалізації ідеї вертикального акустичного зондування (АЗ) атмосфери з землі необхідно пристрій , що складається з наступних систем:

• передавача (випромінювача) , що виробляє акустичні імпульси ;

• приймача , що приймає слабкі відбиті від атмосфери сигнали і підсилює їх до величини , що дозволяє подальшу обробку і використання;

• реєструючих пристроїв і пристроїв обробки;999

• антени або антен, які здійснюють направлене випромінювання і прийом сигналів

Метод акустичного зондування має ряд обмежень. Одним з основних є існуючий високий рівень шумів технічного походження, на тлі яких відбитий сигнал важко виділити. Найбільш ефективним засобом боротьби з шумами є збільшення потужності випромінюваного сигналу. Другий засіб – це максимально можлива монохромність випромінюваного сигналу, а також достатня вузька смуга пропускання приймального пристрою.

1.2 Радіоакустичне зондування атмосфери

Радіоакустичне зондування атмосфери засноване на радіолокації розповсюджується в ат999999мосфері звукової хвилі, де отримання відбитого сигналу можливо в силу неповного відображення радіохвилі від акустичних коливань, які модулюють в атмосфері щільність повітря і, отже, створюють неоднорідності діелектричної проникності.

Достатній для обробки і реєстрації рівень відбитого радіосигналу може бути отриманий лише в разі виконання певних умов. По-перше, необхідно відображення від «цуга» акустичних хвиль довжиною Nss при Ns 1 , по-друге, потрібне виконання умови Брегга

e  2s sin , (1.7)

де e – довжина електромагнітної хвилі; s – довжина хвилі акустичних коливань;  – кут між фронтом акустичної хвилі і напрямком розповсюдження радіохвилі.

Дотримання умови Брегга призводить до того, що радіохвилі, відбиті від різних ділянок акустичної хвилі, складаються синфазно, і амплітуда відбитого сигналу збільшується. Крім явища когерентного складання розсіяних звуком радіохвиль для РАЗ характерно фокусуюче дія рухомих звукових фронтів, які являють собою протяжні сферообразные відбивачі. Відбитий радіосигнал в результаті цього являє собою пучок сферичних сходяться біля поверхні Землі хвиль. Фокусування електромагнітних коливань та їх синфазне складання при відбитті від різних ділянок акустичної хвилі можуть забезпечити значні енергетичні переваги методу, однак для цього потрібне виконання певних умов, що накладаються на апаратуру і параметри сигналів випромінювання.

Вплив неоднорідностей атмосфери на звукові хвилі набагато значніше, ніж на електромагнітний сигнал. В задачі можна знехтувати впливом неоднорідностей атмосфери на розповсюдження радіовипромінювання і обмежитися їх впливом тільки на параметри звукового сигналу. При цьому звукові коливання виступають своєрідним датчиком, а радіохвилі – переносником інформації, що робить метод радіоакустичного зондування досить чутливим до змін метеопараметрів в атмосфері і захищеним від негативного впливу середовища при перенесенні інформації від досліджуваного шару до поверхні землі.

Особливістю РАЗ атмосфери є те, що розсіювання радіосигналу на акустичній хвильовий посилці має ряд особливостей. По-перше, розсіювання радіохвилі на звуці є частотно-залежним: рівень розсіяного сигналу залежить від значення параметра розладу умови Брегга e s q  2k  k , де e k – хвильове число електромагнітного коливання, s k – хвильове число акустичного коливання, а по-друге, при розсіянні на звуці істотно змінюється структура випромінюваного радіосигналу. Радіосигнал набуває в процесі розсіювання додаткову амплітудну і кутову модуляцію, що видно на рис. 1.1, на якому зображений спектр експериментально випроміненого сигналу, відбитого від акустичного пакета на різних висотах. Спектр не є симетричним, що має місцево при спільній амплітудно-фазової модуляції коливань.

Рис. 1.1. Спектр сигналу, відбитого від акустичного пакета на різних висотах:

а) 64 м, б) 90 м

Визначення метеопараметрів при радіоакустичним зондуванні засновано на залежності швидкості звуку від стану атмосфери. Швидкість звуку в нерухомій середовищі визначається виразом

де  – показник адіабати (відношення теплоємностей при постійному тиску Cp і постійному об'ємі Cv ;

R – універсальна газова константа;

T0 – абсолютна температура;

 – молекулярна вага повітря.

Коефіцієнт для повітря слабо залежить від тиску, температури, вологості і на практиці зазвичай вважають a_k= const. При необхідності поправки цієї залежності можуть бути враховані.

Швидкість звуку при наявності вітру

де – вектор швидкості повітря ; хвильовий вектор.

Згідно з (1.8) швидкість звуку функціонально пов'язана з температурою атмосфери і швидкістю вітру, які можуть бути визначені при вимірюванні характеристики c_s середовища. Для цієї мети розроблені відповідні акустичні і радіоакустичні методики зондування, що дозволяють визначати зазначені метеопараметри.