Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. РАДИОЛ ОКАЦИОННО-ТРАССЕРНЫЕ ПОДСИСТЕМЫ В
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСАХ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ
ОБСТАНОВКИ 8
1.1 .Применение радиолокации в метеорологии 8
Применение радиолокаторов в системах автоматизированного контроля и прогноза радиационной обстановки 10
Радиолокационно-трассерный метод измерения диффузионных характеристик атмосферы 12
1.4. Технические средства и программное обеспечение мобильной радиолокационно-трассерной
подсистемы 17
Структура подсистемы обработки радиолокационных данных и подсистемы ассимиляции первично обработанных радиолокационных данных в мобильном радиолокационно-трассерном комплексе 25
Выводы 27
ГЛАВА 2. . ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ПРОЦЕДУР
ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ПЛОТНОСТИ ОБЛАКА ПАССИВНЫХ
РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ 29
2.1. Средняя мощность рассеянного поля в приближении однократного рассеяния 29
2.2. Выражение для принимаемой интенсивности в приближении однократного рассеяния для
узкополосного импульса 31
Определение оператора радиолокации 32
Задача восстановления функции плотности распределения частиц случайного облака как задача ра доновской томографии 35
Аналитическое выражение для сопряжённого оператора радиолокации 37
Задача обращения сопряжённого оператора радиолокации 39
Разработка методов восстановления функции плотности облака пассивных радиолокационных отражателей по результатам радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом 41
2.7. /. Общая постановка задачи 41
2.7.2. Метод восстановления функции платности частиц случайного облака по результатам
радиолокационного сканирования плоским лучом 42
Выбор стабилизирующих функционалов для задачи восстановления функции плотности 44
Преобразование Радона на сфере (преобразование Минковского-Функа) 50
Решение интегрального уравнения Абеля 54
Формула обращения преобразования Минковского-Функа в случае, когда функция на сфере зависит только от переменной углового расстояния до северного полюса 56
Формула обращения преобразования Минковского-Функа в общем случае - 57
Формула обращения оператора радиолокации 62
Формула обращения сопряжённого оператора радиолокации 62
2.8. Разработка метода первичной обработки данных радиолокационного сканирования облака
трассеров с целью оценки его пространственных характеристик по результатам сканирования
локатором с осесимметричной диаграммой направленности 63
2.9. ВЫВОДЫ 70
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ
РАДИОЛОКАЦИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ОБЛАКОМ ПАССИВНЫХ
РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ 71
3.1. Разработка программного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы»
Подсистема первичной обработки данных радиолокационного сканирования трассерного облака с целью оценки его пространственных характеристик 73
Подсистема ассимиляции радиолокационных данных для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения примеси 78
Описание данных и спецификации программы "Восстановление структуры пограничного слоя атмосферы" 84
Описание возможностей программного комплекса "Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы" 87
3.2. Разработка программного комплекса CloudM 96
Моделирование функции плотности частиц случайного облака 98
Формирования результатов сканирования облака частиц локатором с плоским лучом 103
Восстановление функции плотности облака частиц по результатам сканирования локатором с плоским лучом 107
Моделирование потери мощности принимаемого сигнала с увеличением расстояния до случайного облака частиц и внесение шумов в результаты сканирования 112
Описание возможностей программного комплекса CloudM 114
3.3. ВЫВОДЫ 119
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМЫ
АССИМИЛЯЦИИ И ПОДСИСТЕМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ПЛОТНОСТИ
ОБЛАКА ТРАССЕРОВ МЕТОДАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И НА
ОСНОВЕ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ РАДИОЛОКАЦИОННО-ТРАССЕРНОГО
КОМПЛЕКСА 121
Исследование методов восстановления на основе имитационных экспериментов 121
Анализ результатов имитационных экспериментов 151
Функционирование программного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы при полевых испытаниях мобильной радиолокационно-трассерной подсистемы 153
Выводы 173
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 174
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 176
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение к работе
Одной из важных задач систем контроля радиационной обстановки является прогноз распространения радиоактивной примеси в атмосфере в случае аварийного выброса [36], [38-39]. В настоящее время для решения этой задачи широко применяются методы физико-математического моделирования переноса радиоактивных веществ в пограничном слое атмосферы. Основными параметрами пограничного слоя атмосферы, которые используются в большинстве моделей переноса, являются диффузионные параметры, высота пограничного слоя, скорость и направление ветра. Оценка текущего состояния пограничного слоя атмосферы только по данным стандартных метеонаблюдений является недостаточной для построения надёжного прогноза.
В разрабатываемых в настоящее время системах аварийного реагирования при атмосферных выбросах радиоактивных веществ в качестве дополнительного источника информации о состоянии пограничного слоя атмосферы используется радиолокационно-трассерный метод (РТМ) [4], [13-14], [36], [38-39]. Данный метод заключается в диспергировании в исследуемой области пограничного слоя атмосферы сверхлёгких радиолокационных трассеров, представляющих собой тонкие полуволновые диполи из углеродно-графитных материалов, и последующего наблюдения за эволюцией образовавшегося облака пассивной примеси при помощи радиолокатора. При этом предполагается, что поведение трассеров совпадает с поведением примеси. Затем результаты радиолокационного сканирования обрабатываются с целью получения упомянутых выше характеристик пограничного слоя. Кроме того, радиолокационно-трассерный метод может обеспечить натурное моделирование в реальном масштабе времени распространения радиоактивной примеси в начальной стадии выброса, если каким-либо образом обеспечить добавление трассеров к выбросу радиоактивных веществ.
В системах поддержки, использующих радиолокационно-трассерный метод, в настоящее время применяются радиолокаторы с осесимметричной диаграммой направленности [13-14]. Однако при азимутальном и угло-местном сканировании облака пассивных радиолокационных отражателей (ПРО) в принимаемом сигнале наблюдаются искажения распределения концентрации в поперечных и продольных к линии сканирования направлениях, вносимые за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности. Игнорирование этих искажений может приводить к значительным ошибкам при определении характеристик облака ПРО [38]. Поэтому
5 необходимы эффективные методы обработки данных радиолокационного слежения за облаком ПРО, позволяющие учитывать конечную длительность зондирующего импульса и ширину диаграммы направленности.
При использовании радиолокационно-трассерного метода появляется возможность определить в оперативном режиме траекторно-диффузионные характеристики облака трассера (положение центра масс облака, а также продольную и поперечную дисперсии облака), что позволяет проводить уточнение мезомасштабных особенностей переноса и рассеяния примеси. Следовательно, требуется реализовать метод ассимиляция данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере.
Кроме того, при использовании радиолокаторов с осесимметричной диаграммой направленности для получения необходимых интегральных характеристик облака необходимо проводить многократное сканирование. Это требует наличия оператора. Более перспективным представляется применение радара с широкой диаграммой направленности (плоский луч), допускающее автоматический режим. В этом варианте предполагается, что за счёт поворота плоскости луча возможно сканирование в нескольких наклонных по отношению к горизонту плоскостях. В этом случае радиолокационная информация представляет собой интегральные характеристики вдоль плоскости сканирования луча, поэтому нужен метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по этим данным, а также быстрый метод оценки геометрических параметров облака ПРО.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование теоретических подходов и методов создания программных средств обработки данных при радиолокационной поддержке систем контроля радиационной обстановки с целью восстановления трёхмерной структуры облака ПРО, оценки геометрических характеристик облака ПРО, а также для уточнения параметров прогностических моделей распространения радиоактивной примеси в атмосфере в случае аварийного выброса. Задачи исследования: разработать теоретические подходы и метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с осесимметричной диаграммой направленности, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности; осуществить его программную реализацию;
разработать теорию и метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с плоским лучом; реализовать его в виде соответствующего программного обеспечения;
разработать метод и программное обеспечение для уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере по данным радиолокационного слежения за облаком трассеров;
провести анализ возможностей использования разработанных программных средств методами имитационного моделирования для их применения в автоматизированных системах контроля радиационной обстановки.
Теоретическая значимость и научная новизна работы. Разработаны методы компьютерной обработки радиолокационных данных, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала, вносимые за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности локатора. Получено аналитическое решение интегрального уравнения радиолокации для локатора с плоским лучом, позволившее создать устойчивые методы восстановления функции плотности частиц облака отражателей. Разработаны методы программного восстановления трёхмерной структуры облака пассивных отражателей по результатам радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом. Предложен и разработан метод компьютерной ассимиляции данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере. Выполнен анализ свойств предложенных методов.
Практическая значимость результатов исследований. Разработанный метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования и метод ассимиляции данных радиолокационных наблюдений реализованы в программном комплексе «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», который используется как часть радиолокационно-трассерной подсистемы, созданной в Федеральном Информационно-аналитическом Центре Росгидромета НПО «Тайфун». Разработанный метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО реализован в программном комплексе CloudM и может использоваться в системах поддержки, основанных на радиолокационпо-трассерном методе для локаторов с широкой диаграммой направленности (плоский луч).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Теоретические подходы и метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с
осесимметричной диаграммой направленности, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности.
Теория и метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с плоским лучом.
Метод уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере по данным радиолокационного слежения за облаком трассеров.
Программный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», реализующий методы оценки геометрических характеристик облака трассеров и метод ассимиляции радиолокационных данных для уточнения параметров распространения примеси в пограничном слое атмосферы.
Программный комплекс CloudM, реализующий метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на мелсдународпом симпозиуме «Off-site Nuclear Emergency Management, Capabilities and Challenges» (Зальцбург, Австрия, 28 сентября - 3 октября 2003 г.) и на «Четвёртой Международной научно-технической конференции "Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики"» - МНТК-2004 (Москва, ВНИИАЭС, 16-17 июня 2004 г.). Апробация работы состоялась на научном семинаре Федерального Информационно-аналитического Центра Росгидромета НПО «Тайфун».
Публикация работ. Основные результаты диссертации достаточно полно опубликованы в 4 научных статьях.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю Д.А. Камаеву и сотрудникам ФИАЦ РОСГИДРОМЕТА НПО "Тайфун" Г.П. Жукову, М.В. Долгову, Г.Н. Фреймундту, Н.В. Клепиковой за предоставленные материалы и помощь в работе.
