On the Characteristics of Existing Microwave Dish-Antenna Modified for Acoustic Remote Sensing

This paper deals with the analysis and synthesis of an existing microwave dish-antenna modified for and adapted to acoustical applications such as the acoustic echo-sounding technique, used for remote sensing of the lower atmosphere. Integral equations that analyze the Fresnel zone field and the far-field of the antenna reduce to Lommel series. Symmetrical conditions applied to the scalar diffraction integral produce a pair of Hankel-Transform integral equations suitable for echosonde pattern synthesis. A numerical example of a synthesized pattern gives 6.82° halfpower beamwidth at 1 kHz compared with 7.96° of the exact pattern, and the maximum error between the synthesized and exact pattern is 8.42%. Also, the 13.26 dB first sidelobe level for the exact pattern compares well with 14.32 dB for the synthesized pattern. Experimental pattern measurements at 1…3 kHz carrier frequencies show good agreements with theory within the limits of experimental errors. A typical atmospheric measurement made with the entire echosonde system is discussed. The measurement that was recorded in real time on a facsimile record, reveals information about an air pollution alert that occurred over a large city during that period.

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse und Synthese einer existierenden Mikrowellen-Parabolantenne, die für akustische Anwendungen wie z.B. das Echolotverfahren modifiziert und angepaßt und für Fernmessungen der unteren Atmosphäre verwendet wurde. Die Integralgleichungen, die das Feld in der Fresnel-Zone und das Fernfeld der Antenne beschreiben, werden auf Lommel-Reihen zurückgeführt. Führt man beim skalaren Beugungsintegral Symmetriebedingungen ein, so ergeben sich Integralgleichungen in Form von Hankel-Transformationen, die zur Synthese des Echosonden-Verhaltens geeignet sind. Ein numerisches Beispiel einer synthetisierten Charakteristik ergibt eine 3-dB-Strahlbreite von 6,82° bei 1 kHz gegenüber einem genauen Wert von 7,96°, der maximale Fehler zwischen synthetisierter und exakter Charakteristik beträgt 8,42%. Auch der Pegel der ersten Seitenkeule stimmt mit 13,26 dB gut mit dem synthetisierten Wert von 14,32 dB überein. Experimentelle Messungen der Richtcharakteristik bei Trägerfrequenzen zwischen 1 und 3 kHz zeigten innerhalb der experimentellen Fehlergrenzen eine gute Übereinstimmung mit der Theorie. Eine typische Atmosphärenmessung, die mit dem vollständigen Echosondensystem durchgeführt wurde, wird diskutiert. Die Messung, die in Echtzeit mit Faksimile-Technik aufgezeichnet wurde, liefert Informationen über einen Luftverschmutzungsalarm, der zu dieser Zeit über einer Großstadt ausgelöst wurde.

Sommaire

On présente les travaux d'analyse et de synthèse effectués pour transformer une antenne-assiette pour microondes électromagnétiques en vue de l'utilisation par les ondes acoustiques et notamment pour le sondage par échos acoustiques de la basse atmosphère. Les équations intégrales qui gouvernent le champ de l'antenne dans les zones de Fresnel et aux grandes distances sont ramenées à des séries de Lommel. Des conditions de symétrie, appliquées à l'intégrale de la diffraction scalaire, fournissent une paire d'équations intégrales aux transformées de Hankel qui conviennent bien à la synthèse des diagrammes de rayonnement pour écho-sondage. Un exemple numérique de diagramme obtenu par synthèse annonce une largeur de faisceau à mi-puissance de 6,82° (à 1 kHz) ce qui, comparé à la largeur exacte de 7,96°, conduit à une erreur maximale de 8,42% entre diagramme de synthèse et diagramme exact. Le niveau à 13,26 dB du premier lobe secondaire exact se compare également favorablement avec les 14,32 dB prévus par la synthèse. Les diagrammes expérimentaux mesurés entre 1 et 3 kHz s'accordent bien avec la théorie dans les limites des erreurs expérimentales. On discute également une mesure-type effectuée dans l'atmosphère au moyen du système complet d'écho-sondage. Les résultats, enregistrés en temps réel sur un diagramme en fac-similé, ont fourni des informations sur l'état de pollution de l'air au dessus d'une grande ville où l'alerte à la pollution avait été donnée précisément pendant ces essais.