Определение скорости ветра из турбулентных флуктуаций оптического излучения в атмосфере Афанасьев, Алексей Леонидович

Введение к работе

Актуальность темы и объект исследования

Одной из проблем современной атмосферной физики является исследование турбулентных ветровых полей. Информация о скорости ветра, её средней и флуктуационных составляющих необходима при изучении динамики атмосферных процессов, в расчетах потоков тепла, количества движения, переноса скалярных примесей (таких как влажность, аэрозольные и газовые компоненты), при построении моделей в климатологии и составлении метеорологических прогнозов. Данные о ветре используются в расчетах конструкционных нагрузок, для определения сдвигов ветра в оперативной практике обслуживания и обеспечения безопасности авиаперелётов, при разработке оптических систем связи, локации, дальнометрических и лидарных устройств.

Для измерения скорости ветра используются ветровые датчики, чашечные и акустические анемометры. Однако потребность получения данных о ветре в местах, недоступных для установки датчиков, требует развития дистанционных методов измерения скорости и направления ветра. Значительный интерес представляют измерения вертикальных профилей, а также усредненных на различных пространственных или временных интервалах ветровых параметров, которые могут быть реализованы методами дистанционного оптического зондирования. В настоящее время для измерения скорости ветра широко применяются такие средства дистанционного зондирования, как радары ясного неба, содары и лидары. Все они основаны на использовании эффекта доплеровского смещения частоты излучения, рассеянного движущимися за счет ветра рассеивателями, и позволяют измерять так называемую радиальную скорость вдоль направления распространения зондирующего излучения. Для получения информации о векторе скорости ветра измерения осуществляются под различными углами.

Наряду с доплеровскими, одним из основных методов дистанционной диагностики природных и искусственных сред является метод зондирования, заключающийся в просвечивании среды эталонными сигналами и анализе их искажений, вызванных неоднородностями среды распространения. В настоящее время известно большое количество работ по определению скоростей турбулентных потоков лазерными методами на основе анализа пространственно- временной структуры поля флуктуаций излучения, прошедшего случайно неоднородную среду. Физическую основу этих методов составляет теория флуктуаций электромагнитных волн в средах со случайными неоднородностями. В отличие от доплеровских методов, здесь источником информации служат флуктуации интенсивности зондирующего излучения и их пространственно- временная структура. Эти флуктуационные методы во многих случаях позволяют определять поперечный к трассе вектор интегральной скорости без использования сканирования, их реализация не требует громоздких конструкций, как в случае радаров и содаров. Именно практическая потребность в компактных, относительно дешевых и простых в эксплуатации дистанционных измерителях интегральной скорости ветра определяет актуальность разработки и исследования эффективности лазерных флуктуационных методов измерения скорости.

Однако, несмотря на большую практическую потребность в таких измерителях, количество реальных оптических измерений ветра в атмосфере флуктуационными методами относительно невелико. Это объясняется не столько сложностью и дороговизной реализации, сколько многочисленными ограничениями, присущими существующим методам оценки статистических параметров скорости ветра из оптических измерений. Поэтому разработка методологии и научной технологии лазерных методов и средств измерения параметров ветра и атмосферной ветровой турбулентности и исследование ее пространственно-временной структуры являются актуальными направлениями исследований. В диссертации предложены новые оптические методы измерения средней и флуктуационной составляющих скорости ветра, расширяющие возможности лазерного ветрового зондирования. Приведенные в диссертации материалы формируют методическую базу дистанционных измерений параметров поля скорости ветра и могут быть использованы при разработке оптических систем оперативного измерения турбулентной скорости ветра в атмосфере.

Все расчеты, представленные в диссертационной работе, основываются на соотношениях, вытекающих из условия «локальной замороженности» Татарского, являющегося обобщением классической гипотезы Тейлора. Круг рассматриваемых в диссертации методов измерения скорости ветра на основе анализа пространственно- временной структуры флуктуаций параметров оптического излучения в турбулентной атмосфере формально ограничен по признаку использования гипотезы «локальной замороженности».

Рассматриваемые в диссертации методы можно разделить на две большие группы: лидарно-локационные и методы просвечивания. И хотя методы этих двух групп различаются геометрией измерений, общим для них является то, что все они основываются на анализе искажений оптического сигнала на турбулентных флуктуациях скорости ветра и неоднородностях показателя преломления воздуха. Для извлечения информации о средней величине и флуктуационных параметрах скорости ветра в этих методах используются как корреляционные, так и спектральные характеристики флуктуаций оптического излучения.

Цель и основные задачи

Целью диссертационной работы является разработка и развитие дистанционных оптических методов измерения средней и флуктуационной составляющей скорости ветра, основанных на анализе пространственно- временной структуры поля флуктуаций излучения в турбулентной атмосфере.

Для достижения цели работы были сформулированы следующие задачи:

- изучение возможности использования в качестве измеряемых характеристик первых производных временных изменений логарифма амплитуды, фазы и компонент вектора смещения энергетического центра тяжести изображения пучка, аэрозольного рассеивающего объема (АРО) для оценки параметров интегральной по трассе турбулентной скорости ветра, разработка и экспериментальная верификация метода оценки скорости ветра и ее дисперсии из измерений скорости изменения параметров оптического излучения;

разработка и экспериментальная реализация методов измерения скорости турбулентных потоков на основе двумерного пространственного вейвлет- преобразования видео изображений лазерного пучка в плоскости приема;

исследование случайных смещений энергетического центра тяжести изображения аэрозольного рассеивающего объема (АРО), подсвечиваемого зондирующим пучком с целью оценки совместного влияния на величину дисперсии смещений изображения аэрозольной и турбулентной компонент атмосферы - внутренней дискретной структуры объема рассеяния, его формы и размеров и структурной характеристики показателя преломления на трассе;

изучение особенностей моностатической схемы зондирования - влияния распространения в прямом и обратном направлении по одним и тем же неоднородностям среды на величину дрожания АРО;

оценка влияния сильных пульсаций скорости ветра, их пространственной анизотропии при интерпретации данных лидарного зондирования методами корреляционного и когерентного анализа;

разработка способов оценки среднего значения и дисперсии флуктуаций компонент скорости ветра из измерений фазового спектра и спектра когерентности лидарных сигналов;

Научная новизна

Перечень основных новых результатов диссертации сводится к следующему.

1. 1. Предложен и апробирован в атмосферных экспериментах метод оценки скорости ветра и ее дисперсии из измерений скорости изменения параметров оптического излучения.

   2. Разработан и реализован в экспериментах на атмосферных оптических трассах метод измерения интегральной скорости турбулентных потоков на основе анализа пространственно- временной статистики интенсивности видео изображений лазерного пучка в плоскости приема.

   3. Предложена концепция атмосферной реализации метода измерения скорости турбулентных потоков на основе двумерного пространственного вейвлет-преобразования видео изображения пучка в плоскости приема. Показано, что данный метод позволяет определять расположение турбулизованных зон вдоль трассы распространения просвечивающего оптического пучка и получать оценку скорости движения среды в этих зонах. Осуществлено тестирование метода в модельном эксперименте.

   4. Показано, что с увеличением длины трассы L вклад в дисперсию случайных дрожаний изображения АРО аэрозольной компоненты (внутренней структуры, формы и размеров АРО) убывает ~ L"², а вклад турбулентных неоднородностей среды растет ~ L. Это позволяет разделить вклад этих двух компонент. На трассах L > 100 м для любых концентраций частиц вкладом аэрозольной компоненты можно пренебречь, что позволяет осуществлять дистанционные измерения интегрального значения структурной характеристики показателя преломления на трассе зондирования. Вариации прозрачности атмосферы и коэффициента аэрозольного рассеяния не влияют на величину смещения изображения АРО.

   5. Установлено, что при моностатической локации в турбулентной атмосфере происходит компенсация наклонов волнового фронта и ослабление «дрожания» изображения рассеивающего объема вследствие корреляции прямой и отраженной волн, распространяющихся через одни и те же неоднородности среды. Эффект максимален для сфокусированного и узкого коллимированного зондирующих пучков и практически не сказывается при зондировании в режиме плоской и сферической волн.

   6. Показано, что учет пульсаций скорости ветра приводит к существенному изменению зависимости наклона фазового спектра лидарных сигналов от средней скорости по сравнению со случаем отсутствия флуктуаций ветра.

   7. Предложен и апробирован в экспериментах новый способ оценки среднего значения и дисперсии флуктуаций компонент скорости ветра из измерений фазового спектра и спектра когерентности лидарных сигналов.

   На защиту выносятся следующие положения:

   1. 7. 1. В режиме слабых флуктуаций интенсивности в атмосфере дисперсии первых временных производных логарифма амплитуды и фазы оптической волны, а также координат энергетического центра тяжести изображения оптического источника связаны линейно с дисперсиями компонент интегральной поперечной скорости ветра. Это позволяет реализовать способ измерения средней поперечной скорости ветра и дисперсий ее компонент с использованием лишь одного приемного устройства.

         2. Вейвлет фильтрация изображений лазерного пучка позволяет выделять зоны повышенной турбулентности вдоль трассы распространения и скорость движения среды в этих зонах.

         3. В турбулентной атмосфере при приеме рассеянного строго назад излучения происходит уменьшение «дрожания» изображения рассеивающего объема по сравнению с бистатической схемой локации. Эффект максимален в случае рассеяния сфокусированных и узких коллимированных пучков, когда отношение дисперсий дрожания изображения при моно- и бистатической локации уменьшается до значения 0.75.

         4. В условиях флуктуирующего ветра наклон фазового спектра лидарных сигналов, принятых из пространственно разнесенных рассеивающих объемов, определяется не средней V₀, а "кажущейся" скоростью V_k = V₀ (і + оЦV₀), где о2 -

         дисперсия флуктуаций скорости. Это позволяет из одновременных измерений спектров когерентности и фазы лидарных сигналов оценивать величину средней и флуктуационной компонент скорости ветра.

         Научная значимость результатов диссертации заключается в том, что предложены новые оптические методы измерения средней и флуктуационной составляющих скорости ветра, расширяющие возможности дистанционного лазерного зондирования поля скорости ветра и имеющие ряд преимуществ перед известными.

         Решенные в диссертации задачи формируют методические основы оперативного контроля турбулентной скорости ветра в атмосфере методами, основанными на анализе пространственно временной структуры флуктуаций просвечивающего оптического излучения.

         Практическая значимость представленных в диссертации результатов определяется запросами промышленности и ведомств по созданию компактных, недорогих и простых в эксплуатации измерителей интегральной скорости ветра.

         Тематика диссертационной работы включена в планы научно- исследовательской работы Института оптики атмосферы СО РАН по базовым бюджетным проектам «Волновые процессы при взаимодействии лазерного излучения с компонентами атмосферы» (номер государственной регистрации 0120.0 406064), «Волновые взаимодействия в атмосферной оптике» (номер государственной регистрации 01.2.007 04740). «Распространение мощного лазерного излучения в неоднородных средах» (номер государственной регистрации 01.2.010 51376). Направлена на выполнение проектов программ отделения общей физики РАН «Проблемы радиофизики» (2003-2005 гг.), (20062008 гг.), и «Электродинамика атмосферы, радиофизические методы исследования атмосферных процессов» (2009-2011 гг.), проектов РФФИ 94-0516601, 98-05-03131, 00-05-64033, 03-05-64194, 06-05-64445, 06-05-96951-р_офи, 09-05-00054.

         Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием при решении рассматриваемых задач известных методов теории распространения волн в случайно-неоднородных средах; применением при расчетах обоснованных предположений и допущений, являющихся во многих случаях общепринятыми и используемыми в работах других авторов по данной тематике; непротиворечивостью конечных формул, описывающих поведение рассчитываемых характеристик, фундаментальным закономерностям; совпадением полученных в диссертации новых формул и соотношений в частных случаях с результатами других авторов; апробацией предложенных новых методов в модельных и натурных атмосферных экспериментах; сравнением результатов оценок параметров скорости ветра предложенными методами с одновременными оценками независимыми оптическими и акустическими методами.

         Апробация работы

         Материалы диссертации в полном объеме опубликованы в научной печати, в 40 работах, в т.ч.: в 8 статьях в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК, в 30 тезисах докладов и трудах международных, всесоюзных и российских конференций и симпозиумов и защищены двумя авторскими свидетельствами СССР.

         Основные результаты диссертационной работы докладывались на 7-м, 9-м Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (г. Томск, 1982, 1987); III Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (г. Томск, 1983); 2-й Всесоюзной научно-технической конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» (г. Ленинград, 1984); 1-м, 2-м, 3-м, 4-м Межреспубликанском симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (г. Томск, 1994, 1995, 1996, 1997); 81 OSA Annual Meeting (USA, Long Beach, October 12-17, 1997);

         European Symposium on Remote Sensing Laser Radar Techniques (Ranging and Atmospheric Lidar) (Spain, Barselona, 1998); 17th, 25th International Laser Radar Conference (Japan, Senday, 1994, St.-Petersburg, Russia, 2010); VI, VIII, IX, X, XI, XII, XIII, XIV, XV и XVI Международных симпозиумах «Atmospheric and oceanic optics. Atmospheric physics» (г. Иркутск, 2001, г. Томск, 1999, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2009, г. Улан-Удэ, 2007, г. Красноярск, 2008); 6-м Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (г. Томск, 2008); XXII Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (г. Ростов-на-Дону, 2008); VII Всероссийском симпозиуме «Контроль окружающей среды и климата» (г. Томск, 2010); Российской научной конференции «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой» (г. Улан-Удэ, 2010);

         Основные положения диссертации обсуждались на научных семинарах лаборатории распространения волн Института оптики атмосферы СО РАН.

         Личный вклад автора заключается в проведении аналитических и численных расчетов при решении поставленных задач с целью обоснования предложенных методов, участием в проведении модельных и натурных экспериментов, а также в разработке алгоритмов компьютерной обработки массивов экспериментальных данных, интерпретации результатов и сопоставлении с данными других исследований и теоретических расчетов.

         Все представленные в данной работе результаты исследований были получены и опубликованы при непосредственном личном участии автора.

         Экспериментальные исследования проводились с использованием аппаратуры, разработанной научным консультантом к.т.н. А.П. Ростовым, при личном участии автора.

         Постановка задач и конкретизация направлений исследований осуществлялась научным руководителем работы д. ф.-м. н. В. А. Банахом.

         Структура и объем работы

         Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения. Общий объем текста 139 страниц, включая 43 рисунка, и список литературы, содержащий 145 наименований.

         Похожие диссертации на Определение скорости ветра из турбулентных флуктуаций оптического излучения в атмосфере

         Дистанционное зондирование атмосферы излучением ТЕА CO2-лазераШерстов Игорь Владимирович

         Малопараметрическая модель молекулярного поглощения для решения задачи переноса теплового излучения в атмосфере ЗемлиЧеснокова Татьяна Юрьевна

         

         Параметризация функций пропускания в широких спектральных интервалах для задач переноса коротковолнового излучения в атмосфереВоронина Юлия Викторовна

         Статистические свойства лазерного излучения в турбулентной атмосфере при проявлении эффектов теплового самовоздействияСмалихо, Игорь Николаевич

         

         Адаптивная компенсация тепловых и турбулентных искажений оптического излучения, распространяющегося в атмосфереКанев Федор Юрьевич

         

         Апертурные эффекты стохастизации лазерного излучения в приземной атмосфере Маганова Мария Сергеевна

         

         Методика расчета интенсивности теплового излучения для окон прозрачности атмосферыГендрин, Алексей Германович

         Исследование ослабления оптического излучения аэрозолем и водяным паром в атмосфере аридной зоныЩелканов, Николай Николаевич

         

         Амплитудно-фазовая адаптивная коррекция атмосферных искажений оптического излученияМакенова Наиля Алтынхановна

         Моделирование переноса оптического излучения в стохастически неоднородных облакахКасьянов, Евгений Иванович