Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1 Обзор методов и средств ветровых измерений в атмосфере 19
1.1 "Контактные" методы измерения параметров ветра 20
1.1.1 Анемометры 20
1.1.2 Шар-зонды 23
1.2 Дистанционные методы определения параметров ветра 26
1.2.1 Акустические методы 26
1.2.2 Радиоакустические и оптико-акустические методы 30
1.2.3 Оптические методы 32
1.2.4 Радиолокационные методы 34
1.3 Выводы по главе 1 45
Глава 2 Разработка требований к параметрам и расчет метеорологического потенциала радиолокационной измерения ветра в атмосфере в различных метеоситуациях 47
2.1 Радиолокационные отражения от диэлектрических неоднород-ностей 48
2.2 Радиолокационные отражения от облаков, осадков и аэрозолей.. 52
2.3 Обоснование выбора длины волны излучения ветровой РЛС 60
2.4 Расчет требуемого метеорологического потенциала ветровой РЛС 64
2.5 Оценка эффективности ветрового импульсно-когерентного
радиолокатора при заданном расчетном метеорологическом потенциале 70
2.6 Формирование требований и разработка схемы РЛС 72
2.7 Выводы по главе 2 81
Глава 3 Разработка методики измерений, алгоритмов обработки данных и восстановления профиля ветра 83
3.1 Модели формирования сигнала 84
3.2 Метод "круговых диаграмм" 86
3.3 Методика проведения измерений 94
3.4 Алгоритм обработки измерительных данных, полученных по методу "круговых диаграмм" 96
3.5 Анализ устойчивости метода "круговых диаграмм" методами математического моделирования 116
3.6 Оценка погрешности измерения параметров ветра по методу "круговых диаграмм" 118
3.7 Выводы по главе 3 132
Глава 4 Проверка методики измерения, отработка алгоритмов и программного обеспечения на макете 18мм ИКР 135
4.1 Измерительный комплекс на базе 18мм ИКР 1РЛ133 136
4.2 Настройка оборудования и модернизация алгоритма 143
4.2.1 Определение градуировочной характеристики канала дальности 143
4.2.2 Анализ измерительных сигналов и выработка предложений по модернизации комплекса и алгоритма 146
4.2.3 Определение нормировочного спектра шумов системы 1
4.3 Описание программного обеспечения 151
4.4 Выводы по главе 4 157
Глава 5 Натурные данные измерения ветра с помощью 8мм ИКР 158
5.1 Испытания макета 8мм ветрового ИКР в ЦКБА 158
5.2 Сравнительные измерения ветра на макете 8мм ИКР и метеовышке (г. Обнинск) 165
5.3 Выводы по натурным измерениям 167
Заключение 170
Использованная литература 172
Введение к работе
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке малогабаритного радиолокационного комплекса ветрового зондирования пограничного слоя атмосферы (до высот около 1.5...2км), работающего в широком спектре метеоусловий. Проблема создания такого измерительного комплекса, способного определять высотный профиль параметров ветра в любых погодных условиях, в настоящее время в полной мере не решена как в России, так и в мире, и поэтому весьма АКТУАЛЬНА.
Ветер — явление природы, происходящее в атмосфере и представляющее собой направленное течение воздушных масс относительно земной поверхности. Ветер очень тесно связан с давлением, т.к. возникает в результате неравномерного его распределения. Ветровые потоки не стационарны: имеют изменчивость во времени; турбулизированы; подвержены влиянию орографии (неоднородностей на поверхности земли). Однако в физике атмосферы и в прогнозах погоды под термином ветер подразумевают усредненные значения потоков за период от нескольких минут до часов. Параметры турбулентности описываются отдельно, а их измерение требуется в специальных задачах, например, на глиссадах в аэропортах.
Роль ветра в жизни человека всегда огромна. В глобальном плане ветровой перенос определяет режим распределения влаги и тепла, что имеет большое значение для климата в различных регионах планеты.
Велика роль ветра для различных видов транспорта. Например, попутный ветер увеличивает скорость морских судов примерно на 1...3%, в то время как встречный — снижает ее на З...13% в зависимости от размеров и груза корабля [1]. Ветер также оказывает влияние на безопасность судоходства, т.к. опасные условия не редки и продолжительны. Прогноз ветра очень важен для навигации. Его учет позволяет наиболее оптимально выбирать курс и скорость движения судов и таким образом позволяет выигрывать во времени, экономить топливо и снижать стоимости перевозок. Ветер в большей степени важен для авиационного транспорта. Особое внимание обращается влиянию значительных сдвигов ветра в нижней атмосфере на безопасность взлета и посадки тяжелых самолетов, составляющих основу воздушного гражданского флота во всех развитых странах мира. Поэтому перед авиационной метеорологией встает задача обнаружения, измерения и прогноза значительных сдвигов ветра. Так, например, по данным NWS (Национальной погодной службы США) около 40% всех инцидентов в авиации общего назначения, связанных с человеческими жертвами, происходят именно из-за погодных условий, особенно при взлете и посадке [2]. Здесь как наиболее опасное явление в одном ряду с грозой и обледенением стоит сдвиг ветра, как вертикальный, так и горизонтальный.
Для прогноза возникновения и перемещения тумана в районах аэропортах необходимо знать следующие характеристики нижнего слоя атмосферы (до 1500м): восходящие или нисходящие течения воздуха; устойчивость и вертикальные градиенты влажности, температуры и параметров ветра, ускорения и сдвига ветра в слое 500... 1500м [3]. Разрешение по высоте при измерении этих параметров должно составлять не больше нескольких десятков метров, а частота получения данных должна быть гораздо выше, чем это обеспечивается радиозондированием (т.е. лучше, чем 1 раз в час). Измерения должны проводится непосредственно на аэродроме. Для обеспечения безопасности взлета и посадки самолета необходимы данные о профиле ветра в районе аэродрома в слое от 0 до 500м (высота одного круга) и особенно в слое высот до 100м. Время осреднения данных о параметрах ветра должны составлять до 5мин при заблаговременности 5мин и Юмин при заблаговре-менности 15...30мин. Более короткие времена осреднения требуются для обеспечения безопасности взлета, посадки и руления, а более длительные -для обслуживания подходящих к аэропорту самолетов и самолетов ожидающих посадки [4]. Для тяжелых самолетов выполняющих взлет и посадку опасность представляет также отдельные вертикальные порывы ветра со скоростью более 10м/с [4]. Прогноз ветра имеет главное значение для выбора наиболее короткой и экономичной траектории полета воздушного судна.
Немаловажная роль ветра и при эксплуатации наземного транспорта (автомобильного и железнодорожного). В зависимости от своего направления ветер влияет на скорость передвижения или устойчивость транспортных средств, нередко приводя их к опрокидыванию. Поэтому для наземного транспорта при выборе скоростного режима необходимо учитывать ветер около земли, особенно порывы (импульсы) ветра на открытых местах, при выезде на открытые места и т.д. В условиях городского движения, где имеет место плотная застройка влияние ветра на движение транспорта не существенно. А вот на скоростных магистралях (автобанах) влияние ветра очень существенно, особенно бокового по отношению к направлению движения транспорта, т.к. может привести к аварийной ситуации на дороге и возможным человеческим жертвам.
Велика роль ветра в распространении вредителей (например, саранчи) и болезней растений и животных (ящур, головня и т.д.). Ветер во многом определяет скорость и направление распространения пожаров, от него зависит распространение загрязненного атмосферного воздуха. В зависимости от скорости и направления ветер может или усугубить загрязнение или снизить его концентрацию. Например, в 1986г. при аварии на Чернобыльской АЭС именно ветер и переносимые под его влиянием осадки определи полную зону радиоактивного заражения.
Сведения о параметрах ветра важны при наблюдении экологической обстановки в городах т.к. ветер является естественным рассеивателем вредных газов, выбрасываемых в атмосферу. Штилевая обстановка в г. Москве и в прочих крупных мегаполисах способствует образованию такого явления, как смог и накоплению вредных веществ в воздухе, связанных с выхлопом автотранспорта и деятельностью промышленных предприятий, а сильный ветер, наоборот, способствует рассеянию вредных веществ. В значительной степени ветровой режим влияет на комфорт жизни человека. Существует такое понятие, как ветровой индекс охлаждения, характеризующий скорость охлаждения под воздействием ветра [1]. Например, при температуре воздуха -6.7°С и скорости ветра 22м/с индекс охлаждения будет такой же, как при температуре воздуха -18.9°С и скорости ветра 4.6м/с. Этот фактор должен учитываться при проектировании промышленной и жилой застройки. Ветер оказывает влияние на проведение культурно-массовых и спортивных мероприятий, таких как запуск тепловых аэростатов, праздничные салюты и фейерверки, выступление парашютистов, планеристов, горнолыжников и т.д.
В целом человеку важно обладать ветровой информацией. Однако, различным потребителям нужна только определенная инфорлшция о ветре.
Метеорологическим службам прогноза погоды необходимо обладать информацией о ветре на огромной территории и высотах до десятков километров. Наблюдения за ветром позволяют определять направления и скорости движения атмосферных фронтов и зон осадков, прогнозировать грозы и такие опасные явление как ураганы и смерчи.
Для авиации и ракетной техники важна локальная информация о профиле ветра, а именно в местах непосредственно близких к аэродромам и космодромам. В приложении к авиации отметим особую важность информации о вертикальных сдвигах ветра и о зонах интенсивной турбулентности.
Для сельского хозяйства информация о ветре важна в приземном слое (100-150м). Хозяйствующие организации должны учитывать ветер при обработке сельскохозяйственных угодий химическими веществами с применением средств авиации. Также важно знать преобладающее направление ветра в течение длительного периода (розу ветров): зимой - при установке заграждений для удержания снега на полях зимой; летом — для размещения естественных преград (лесные насаждения) на пути вредителей, переносимых ветром.
Для выполнения поставленных задач современные вооруженные силы все чаще прибегают к применению высокоточного оружия, ракетной техни ки, различных артиллерийских систем, использование которого невозможно без метеоинформации как в зоне ведения боевых действий, так и в зонах расположения частей вероятного противника. Здесь необходимо знать высотные профили ветра, температуры, влажности и т.д. Без информации о ветре невозможно применение морской военной авиации, т.к. для взлета и посадки самолета на палубу используются ограниченные площади. В условиях сильного волнения морской поверхности, сильного ветра на открытом пространстве риски потерять пилота и самолет многократно возрастают.
В целом, разнообразие потребителей ветровой информации породило такое лее многообразие средств и методов измерения параметров ветра. Но необходимо подчеркнуть то, что все известные в настоящее время средства измерения ветра имеют индивидуальные ограничения, не позволяющее их применение любыми потребителями ветровой информации в любых условиях. Ограничения могут касаться как времени измерения ветра, так и диапазонов измеряемых скоростей и дальности действия. Но ограничения применимости по погодным условиям являются самыми существенными. Например, затруднительно применять зондовые средства, как при сильном ветре, так и при сильной турбулентности. Это связано с тем, что раскачивание зонда приводит к существенным дополнительным ошибкам измерений. В качестве другого примера отметим, что лазерные средства не работают в условиях осадков, туманов и в облаках. Радиолокационные средства измерения ветра, способные работать в условиях "ясного неба" должны обладать такими характеристиками, которые обеспечиваются либо огромными размерами антенн, либо высокими мощностями излучения и, соответственно, высокой стоимостью изготовления и обслуживания.
Службам, которые осуществляют ветровые наблюдения в непрерывном режиме, а также в различное время суток, в различные сезоны года, при любых погодных условиях, необходимо иметь в своем арсенале большой набор измерительных средств. Для их обслуживания, соответственно, необходимо: располагать штатом квалифицированных специалистов; достаточными пло щадями для размещения аппаратуры и обслуживающего персонала; вычислительными мощностями для обработки многих потоков измерительных данных. Например, данные о ветре у поверхности земли поступают от механических или термоанемометров расположенных на метеовышках. В ближней зоне наблюдений это данные акустоанемометров и содаров, в зоне до нижней границы облачности оптических средств и т.д. Более подробно обзор средств измерения ветра представлен в главе 1 настоящей работы.
Из изложенного следует, что разработка и создание средств измерения ветра, работающих в широком диапазоне метеоусловий, отвечающих требованиям малогабаритности и низкой стоимости весьма АКТУАЛЬНАЯ ЗАДАЧА, которая окончательно не решена как в России, так и в мире.
Цель настоящей работы состоит в проведение комплекса теоретических и экспериментальных работ, обеспечивающих создание малогабаритного радиолокационного измерительного комплекса, обеспечивающего дистанционное оперативное измерение ветра в пограничном слое атмосферы в широком диапазоне метеоусловий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести анализ методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере, существующих на настоящий момент. На основании анализа выделить наиболее перспективное направление, развитие которого позволило бы достигнуть возможности применения измерительной системы практически в любых погодных условиях.
2. На основе анализа различных метеоситуаций и рассеивающих свойствметеообъектов сформировать требования, предъявляемые к схеме и параметрам измерительной ветровой системы. Для дистанционных измерительных средств такими параметрами являются энергетический потенциал, рабочая длина волны, требования к антенной системе и т.д. Обосновать методику оценки степени всепогодности метеорологической РЛС. 3. Разработать и обосновать методику проведения измерений, алгоритмы сбора, обработки и анализа полученных данных. Особое внимание следовало уделить методике измерения при условии слабых отраженных сигналов, например, в условиях "ясного неба".
4. Провести экспериментальную проверку предложенных решений, как в лабораторных условиях, так и в натурных измерениях.
Поставленные проблемы полностью решены в настоящей работе.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: классические радиофизические методы определения радиолокационной отражаемости л различных метеорологических образований (аэрозолей, кристаллов, капель, флуктуации показателя преломления); методы спектрального анализа; методы математического моделирования; методы математической статистики и теории случайных процессов, а также разработанные в МГУПИ методы доплеровской томографии.
Научная новизна работы. В процессе проведения исследований получены новые научные результаты как теоретического, так и практического характера:
1. Обоснован энергетический потенциал 8-ми миллиметровой РЛС, обеспечивающий измерение ветра в пограничном слое атмосферы в различных метеорологических ситуациях. Разработана методика оценки степени всепо-годности метеорологической РЛС.
2. Разработана методика проведения измерений и новый алгоритм математического обеспечения, предназначенный для обработки слабых отраженных сигналов в условиях неустойчивого режима регистрации. Методика и алгоритм включают операции сбора радиолокационных сигналов, первичной обработки данных и процедур извлечения метеорологической информации. Методика и алгоритм получили подтверждение, как при компьютерном имитационном моделировании, так и в экспериментальных измерениях. 3. Создано и отработано в натурных условиях специализированное математическое обеспечение, реализующее разработанный алгоритм.
Практическая значимость работы заключается:
1. В создании алгоритма радиолокационного восстановления ветра в режиме слабых метеорологических сигналов, который может быть применен для импульсных и непрерывных РЛС различных типов. В методике оценки степени всепогодности ветровых измерений для метеорологических РЛС
2. В создании рабочего макета 8-ми миллиметровой малогабаритной станции ветрового зондирования атмосферы, обеспечивающей высокую оперативность и возможность работы в круглосуточном и автоматическом режиме. Данный макет РЛС является базовым для серийного производства.
Реализация результатов работы. Результаты расчета и обоснования энергетического потенциала и облика 8-ми миллиметровой импульсной РЛС использовались 3-м ЦНИИ МО (г. Москва) и в ЦКБА (г. Тула) при создании макета 8-ми миллиметровой малогабаритной станции ветрового зондирования атмосферы в рамках выполнения НИР "Механизм-РВО" и ОКР "Меха-низм-М". Разработанная методика измерения ветра, а также алгоритмы обработки радиолокационных сигналов нашли свое применение при выполнении ОКР "Механизм" в ЦКБА (г. Тула), 3-м ЦНИИ МО (г. Москва) и ФГУП "Радиозавод" (г. Москва).
Результаты работы докладывались и обсуяадались на всероссийских и международных конференциях:
1. ERAD (Delft, Nederland, 2002г.)
2. XXI и XXIII Всероссийский симпозиум "Радиолокационное исследование природных сред" (г. Санкт-Петербург, 2003г. и 2007г.);
3. XV, XVI и XVII Международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (г. Алушта, Украина, 2006г., 2007г. и 2008г.); 4. Научной конференции Московского Государственного Университета Приборостроения и Информатики (г. Москва, 2008г.);
5. XI Международная научно-практическая конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики" (г. Сочи, 2008г.);
6. IV Всероссийская научная школа и конференция "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред" (г. Муром, 2009г.);
7. на научных семинарах кафедр "Физика", "Точные приборы и измерительные системы", "Информационные оптико-электронные системы".
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в шестнадцати статьях, трех тезисах докладов на научных конференциях и семинарах, изложены в трех научно-технических отчетах по научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Теоретически обоснованные требования к метеорологическому потенциалу ветровой РЛС, которые обеспечивают регистрацию ветра в нижнем слое атмосферы (до 1000м) в 96% метеослучаев.
2. Методика проведения измерений ветра, включая измерения в условиях слабых радиолокационных сигналов.
3. Алгоритм, отражающий операции регистрации радиолокационных сигналов, первичной обработки, квадратурной обработки, отбраковки ошибок, получения профиля ветра, в том числе и в условиях слабых сигналов.
Личный вклад соискателя. Соискателем обоснован энергетический потенциал метеорологической РЛС, работающей в различных метеорологических условиях, включая условия "ясного неба" и отсутствия осадков. Разработана методика оценки степени всепогодности метеорологической РЛС. Выполнена отработка алгоритма в режиме математического моделирования слабых сигналов, наличия помех и шумов. Алгоритмы отбраковки ошибок, оценки достоверности для отдельных дальностей и учет степени достоверности в виде весовых коэффициентов при восстановлении профиля обоснованы и опробованы совместно с Д. Бессером (ЦКБА, г. Тула) и М.Б. Амелиной (ЗЦНИИ МО, г. Москва). Алгоритм аппроксимации профилей для "слепых" высот разработан совместно с М.Б. Амелиной. Натурные сравнительные испытания макета РЛС проводились на полигоне ФГУП "Метеоприбор" (г. Обнинск) совместно с Д. Бессером и А.В. Прудывусом (ЗЦНИИ МО, г. Москва). Лабораторная отработка методики измерений и алгоритмов обработки проводились в МГУПИ и в Центральной Аэрологической Обсерватории (г. Долгопрудный) совместно с аспирантами К.Г. Чистовским и А.С. Глущенко.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 83 наименования. Работа изложена на 178 страницах, включает 6 таблиц и 64 рисунка.
Содержание работы. Во введении отражена актуальность работы. Осуществляется постановка задач и приводится характеристика работы.
В первой главе представлен обзор методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере. Обзор отражает достоинства и недостатки, характерные различным методам и группам измерителей ветра. В классификации выделены две группы - контактные и бесконтактные методы и средства измерения ветра. Первая группа представлена в виде зондовых средств и рядом анемометров с различными принципами действия. Вторая группа отражает применение волн различной природы для измерения параметров ветра. Выделяются акустические, оптические, радиоакустические, акустооптические и радиолокационные методы и средства измерения параметров ветра. Из всего многообразия средств измерения параметров ветра на основе анализа достоинств и недостатков, в основном по "погодным" ограничениям, как наиболее перспективные особо отмечены радиолокационные средства. В разработке предложено применять радиолокационный метод измерения, а в основу создаваемого измерительного комплекса заложить доплеровский импульсно-когерентный радиолокатор (ИКР). Вторая глава настоящей работы посвящена разработке схемы РЛС и формирования требований к параметрам и облику ИКР ветрового зондирования пограничного слоя атмосферы. Ключевыми параметрами ветрового ИКР являются длина волны и энергетический потенциал. На основе анализа многообразия атмосферных рассеивателеи - источников отраженных сигналов, увлекаемых ветром и несущих информацию о поле его скоростей, а таюке зависимости удельной радиолокационной отражаемости данных рассеивателеи от длины волны и требований малогабаритности выбран миллиметровый диапазон длин волн радиоизлучения. Учет прозрачности атмосферы, а также степени технологического освоения позволил уточнить выбор длин волн на участке 8мм. Классификация отражателей в зависимости от погодных условий и учет их отражающих свойств в 8мм диапазоне длин волн позволили сформировать и обосновать требования к метеорологическому потенциалу ИКР. Оценки показали, что для обеспечения 99% всепогодности требуемый метеорологический потенциал составляет 670Вт-м . Реально достижимый потенциал для малогабаритной РЛС оказался существенно меньше и составил около 80 Вт-м3. Реализация такого потенциала позволит регистрировать отраженный сигнал от слабой турбулентности с интенсивностью С,Г=340 м на расстоянии 1000м. При этом минимальная мощность реги-стрируемого сигнала составит около 4-10 Вт. Оценка показала, что практическая реализация данного потенциала позволит обеспечить ветровой измерительной системе работоспособность в 96% погодных случаев. Для реализации потенциала требуется диаметр антенны Вшгг=1м, а излучаемая мощность - на уровне 25Вт. Для реализации требуемого высотного разрешения 30м потребуется зондирование атмосферы импульсами длительностью Тішп=0.5мкс с частотой повторения П0ПТ=25кГц. Обязательным элементом измерительной системы для реализации алгоритмов обработки является система распознавания знака скорости движения рассеивателеи. Предложена квадратурная схема такой системы. Сформированы требования к антенной системе, приемно-передающему тракту, АЦП. Сформирована структурная схема ИКР.
Третья глава диссертации отражает методику измерений ветра, алгоритмы обработки измерительной информации и восстановления высотного профиля ветра. В основе метода измерений лежат принципы непрерывного кругового азимутального сканирования пространства. Однако требования к оперативности измерительной системы, которые предъявляются потенциальными потребителями, например авиацией, потребовали другой методики измерений. Взамен непрерывного азимутального сканирования предложено дискретное с шагом по азимуту в 30° (12 измерений на полный круг). Предложенный метод получил название метод "круговых диаграмм". Данный метод подразумевает слоистую однородность ветрового поля. Орография земной поверхности влияет на поле ветра в приземном слое и вызывает нарушение его слоистости. Поэтому при измерении ветра необходимо проводить осреднение данных не только во времени, но в пространстве. Такую возможность как раз и предлагает метод "круговых диаграмм".
В каждом направлении зондирования в результате измерений регистрируется свой высотный профиль проекции поля скорости ветра на данное направление. Набор таких высотных профилей проекции поля ветра приводится к некоторому условному или стандартному ряду высот путем линейной интерполяции по имеющимся измерительным точкам профилей. На каждой конкретной высоте формируется картина горизонтального среза из 12-ти точек - проекций поля ветра, которая получила название "круговая диаграмма". Совместная обработка данных 12-ти точек "круговой диаграммы" осуществляется методом невязки, минимизация которой осуществляется по параметрам вектора ветра (модуль ветра V и его направление а). Параметры, удовлетворяющие минимуму невязки, принимаются за значения вектора ветра на данной высоте. Т.о. можно оценить высотный профиль ветра. Точки диаграммы участвуют при составлении невязки с учетом специальных весовых коэффициентов. Данные коэффициенты определяются на этапе получения профилей проекций по соотношению "сигнал/шум".
Каждый профиль проекции скорости ветра получается в результате специальной спектральной обработке радиолокационных сигналов. Идентификация проекции скорости движения рассеивателей на каждое направление зондирования осуществляется путем выделения доплеровской частоты в сигнале с выхода квадратурной системы ИКР. Выделение доплеровской частоты осуществляется по первым моментам спектров мощности. Доплеровский спектр мощности формируется по двум спектрам квадратурных сигналов, которые далее подвергаются специальной обработке (сглаживанию, нормированию, накоплению). Такая специальная обработка в дальнейшем обеспечивает выделение первых моментов спектра в автоматическом режиме. Уровень превышения первого момента спектра над уровнем шумов (соотношение "сигнал/шум") определяется уровень достоверности результата, который затем используется в качестве весового коэффициента в невязке. Контроль достоверности необходим в условиях "слабых" сигналов, например в условиях работы по ОЯН.
В данной главе проводились оценка погрешностей метода измерений и математическое моделирование устойчивости решения обратной задачи -минимизации невязки в различных условиях ограниченного количества направлений зондирования и при различных уровнях ошибки измерений, обусловленных турбулентностью и другими факторами. Моделирование показало устойчивость решений даже при невязке, сформированной из трех направлений зондирования. Оценка погрешностей метода "круговых диаграмм" учитывала: нестабильность параметров аппаратуры, поля отражателей и поля ветра; турбулентность ветра; погрешности позиционирования радиолокатора, оцифровки данных и их обработки. С учетом всех этих факторов получены следующие оценки среднеквадратичных погрешностей радиолокационных измерений профиля ветра: погрешность измерения высоты составляет величину порядка АН=23м, погрешность измерения модуля скорости ветра со ставляет величину AV= 1.8м/с, погрешность измерения азимутального направления ветра не хуже Аа=17.2°. Показано, что проведенные оценки погрешностей являются оценками сверху, которые обеспечиваются при получении достоверных измерений всего по двум направлением зондирования. В случае обеспечения шести достоверных измерений из двенадцати оценки погрешностей снижаются до величин: АН=9.5м, AV=0.74M/C и Дос=7.0°. При полном наборе из двенадцати достоверных измерений значения оценки погрешностей снижаются до величин: АН=6.7м, AV=0.5M/C и Аос=4.9°.
Четвертая глава настоящей работы описывает процесс формирования и отработки методики измерения и алгоритмов обработки информации в натурных условиях. Рассматривается модернизация и адаптация к ветровым измерениям 18мм серийного радиолокатора типа "Кредо" (1РЛ133). Модернизация коснулась в первую очередь системы селекции по дальности, а во-вторых, системы сбора данных и сопряжения с ПЭВМ.
В данной главе на основе двухлетнего опыта эксплуатации системы в различных метеорологических условиях рассмотрены все этапы формирования методики измерений, алгоритмов обработки данных и процедуры восстановления высотного профиля. Алгоритмы реализованы в специальном программном обеспечении, рабочие экраны которого предложены в данной главе. Особенности алгоритмов легко позволяют их использовать в системах, работающих на любой другой длине волны.
Пятая глава диссертации отражает результаты натурных испытаний макета 8мм импульсно-когерентного радиолокатора, созданного в рамках НИОКР "Механизм" совместно с ЦКБА (г. Тула). При реализации данного макета были максимально учтены требования к аппаратной и программной частям измерительного комплекса, отраженные в главах 2 и 3, соответственно. Натурные сравнительные испытания проводились на полигоне ФГУП "Метеоприбор" в г. Обнинск. При этом проводилось сравнение результатов радиолокационных измерений с данными анемометров, расположенных на разных ярусах высотной вышки. В рамках данного эксперимента была поставлена задача - осуществить испытания созданного макета 8мм ветровой ИКС и определить погрешность радиолокационного измерения ветра при различных условиях. Сравнения проводились для разных ярусов метеовышки в диапазоне высот до 300м (определяется высотой вышки). При проведении данного эксперимента в натурных условиях были проверены как методика измерений, так и математическое обеспечение, описанные в главе 3 настоящей диссертации. Сравнение результатов показало, что среднеквадратиче-ское отклонение результатов определения модуля скорости разными средствами составило 0.973м/с, а направления ветра, соответственно, 2°. Полученные различия находятся в пределах погрешности сравниваемых методов, что подтверждает надежность и точность измерения ветра в атмосфере радиолокационными средствами.
По результатам всех натурных экспериментов были сделаны выводы, главным из которых является то, что доказана возможность создания малогабаритной высокопотенциальной системы измерения ветра в нижнем слое атмосферы. Экспериментально подтверждены как правильность выбора длины волны радиолокатора, так и расчеты его энергетического метеорологического потенциала, подтверждены методика измерений и обработки измерительной информации.
На защиту выносятся основные результаты диссертации, приведенные в заключении.
Похожие диссертации на Малогабаритная доплеровская РЛС, обеспечивающая ветровое зондирование пограничного слоя атмосферы
