Author: Adekola, S. A.

Source: Acta Acustica united with Acustica, Volume 47, Number 2, January 1981 , pp. 114-131(18)

Publisher: S. Hirzel Verlag

Abstract:

The shroud-surrounded Echosonde (Acoustic Echo-sounding) antenna has been successfully employed in recent years in remote sensing of the lower boundary-layer of the atmosphere. Analysis and synthesis of the echosonde patterns of practical significance are therefore of great importance to the study of remote sensing referred to above. This paper concerns itself in the main with the application of Zernike Circle-Polynomials to the analysis of this antenna when used for the remote sensing of the lower boundary-layer of the atmosphere. Properties of these polynomials that are pertinent to the analysis, including explicit representations of the radial polynomials to much higher degrees than had been previously reported in the literature, are discussed, and it is also demonstrated that by the application of these polynomials the conventional integral- equations of the shielded-antenna are reducible to closed forms that facilitate the practical computations of the resulting diffraction field. The results of some numerical examples are presented and discussed for the normalized beam-patterns arising from aperture distributions of the form A₀(r)=r₀⁰(r) and A₀(r)=1−|r₁¹(r)|, where R(.)'s are the Zernike polynomials. Beam- patterns computed for the frequency ranges 1 … 1.5 kHz and 2 … 3 kHz that are employed in practice, admit ground-level side-lobe attenuations within −26.62 dB to −66.13 dB, and −54.39 dB to −57.23 dB, respectively, which are of practical importance, because of the high ambient noise at the ground level that may degrade the received acoustic signals if the side-lobes are not adequately suppressed. Integral equations for the echosonde pattern synthesis that is of practical significance are also considered and an example presented. Also discussed are recent applications of the shielded-antenna over dry land, for monitoring air-pollution and measurements of windshear, and in marine atmosphere from moving ships.

Zusammenfassung

Die ummantelte Echosonden-Antenne (akustische Echolotung) wurde in den letzten Jahren erfolgreich zu Fernmessungen der unteren Atmosphärengrenzschicht verwendet. Für die Praxis signifikante Analysen und Synthesen der Echosonden-Charakteristik sind daher von großer Bedeutung zur genaueren Untersuchung dieser Feinmessungen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit der Anwendung Zernikescher Kreispolynome auf die Analyse dieser Antenne bei Einsatz zur Fernmessung der unteren Atmosphärengrenzschicht. Eigenschaften dieser Polynome, die in direktem Zusammenhang zur Analyse stehen, werden diskutiert, ferner werden explizite Darstellungen der Radialpolynome sehr viel höheren Grades als bisher in der Literatur nachgewiesen angegeben. Außerdem wird gezeigt, daß durch Anwendung dieser Polynome die herkömmlichen Integralgleichungen der abgeschirmten Antenne auf geschlossene Formen zurückgeführt werden können, die die praktischen Berechnungen des resultierenden Beugungsfeldes erleichtern. Die Ergebnisse einiger numerischer Beispiele werden angegeben und die sich aus Aperturverteilungen der Form A₀(r)=r₀⁰(r) und A₀(r)=1−|r₁¹(r)| ergebenden, normierten Richtcharakteristiken diskutiert, wobei die R(.) die Zernikeschen Kreispolynome sind. Die für die auch in der Praxis verwendeten Frequenzbereiche 1 … 1,5 kHz und 2 … 3 kHz berechneten Richtcharakteristiken lassen auf Bodenhöhe Seitenkeulendämpfungen zwischen −26,62 dB und −66,13 dB bzw. zwischen −54,39 dB und −57,23 dB zu, die wegen des auf Bodenhöhe vorhandenen, hohen Umgebungsgeräuschpegels von praktischer Bedeutung sind, da dieser bei nicht hinreichender Unterdrückung der Seitenkeulen die Empfangsqualität der akustischen Signale herabsetzen würde. Es werden außerdem Integralgleichungen zur in der Praxis bedeutsamen Synthese der Echosonden-Charakteristik betrachtet, überdies wird ein Beispiel angegeben.

Document Type: Research article

Publication date: 1981-01-01

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