Введение к работе
1.1. Актуальность работы
Вопросы дистанционного контроля поля ветра в атмосфере до настоящего времени являются важной задачей метеорологии. Сведения о ветре имеют большое значение для выдачи долгосрочных прогнозов, а оперативное н точное получение такой информации зачастую сказывается на своевременном принятии решений в различных областях человеческой деятельности, начиная от стартов космических аппаратов, до решения проблем сельского хозяйства. Дистанционный контроль поля ветра важен не только при решении практических, но и для исследовательских задач, например, изучения строения атмосферы и протекающих в ней процессов .
До последнего времени традиционно измерения поля ветра в атмосфере
осуществлялись с помощью шар-зондов (с передатчиками или уголковыми
отражателями), которые по мере подъема увлекаются потоком ветра. Погрешности и недостатки такого метода очевидны: одно измерение длится І.5-2 часа (более 30 минут на каждые І0 км высоты) и производится лишь по траектории полета шара, проведение замера требует немалой подготовительной работы. измерительный комплекс громоздок.
Использование акустических методов зондирования ограничено: почти невозможно их использование на аэродромах и в осадках, при высоких уровнях акустических помех, а также при сильном и ураганном ветре.
Известные методы радиолокационного (РЛ) ветрового зондирования, основанные на применении нмпульсно-когерентной локации имеют свои ограничения по длине волны, разрешению по дальности и скорости .
В связи с этим чрезвычайно велико значение разработки радиолокационных методов дистанционного контроля поля ветра, не имеющих перечисленных ограничений.
Разработке, исследованию и практической апробации таких методов посвящается настоящая диссертационная работа. Это и определяет ее актуальность.
1.2. Состояние проблемы
Радиолокационные методы определения векторного поля скоростей в пространстве,
например, поля ветра в атмосфере, условно можно разделить на несколько групп. К первой относятся доплеровские методы, использующие непрерывное излучение и геометрическое выделение измеряемой области пространства. Примерами могут служить лазерные доплеровские измерители скорости ЛДИС. двухпознционные
непрерывные системы, измеряющие скорости в области пересечения диаграмм направленности передатчика и приемника, непрерывные доплеровские системы, выделяющие измеряемую область с помощью фокусировки. Однако указанные методы имеют последовательный режим обзора пространства и не всегда реализуемы на практике іп-за необходимости разделения лучей или диаграмм. Это приводит к трудности пространственной селекции и сложностям при интерпретации полученных сигналов.
Ко второй группе относятся доплеровские методы, основанные на использовании импульсной модуляции зондирующего излучения и последующей когерентной обработке последовательности отраженных импульсов, длительность которых и время задержки определяют положение измеряемой области пространства. К этой же группе условно можно отнести системы с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) и другими видами модуляции. Недостатками методов, относящихся к этой группе, являются неоднозначность измеряемых величин, что особенно проявляется при значительной дальности зондирования R. высоких скоростях ветра V и на коротких длинах волн излучения X.
Это приводит, при заданных R и V, к жестким ограничениям на используемые длины волн. Максимальная дальность и скорость связаны с длиной волны, на
которой работает радиолокатор, соотношением ' шк^пых = С укорочением
длины волны уменьшается диапазон однозначно определяемых скоростей и дальность, на которой можно осуществить ветровое зондирование. Это резко сокращает возможности применения миллиметровых РЛС для измерения поля ветра.
В особую подгруппу можно выделить методы основанные на нелинейной (в т.ч. псевдослучайной) модуляции зондирующего импульса и последующем нахождении автокорреляционных функций. Однако сложность аппаратуры, требуемой для их практической реализации, накладывает ограничения на применение таких систем.
К третьей группе методов можно отнести корреляционные методы, суть которых - слежение с помошыо импульсных некогерентных систем за перемещением неоднородностей в пространстве, которые обычно представляют собой неоднородности пространственного распределения множественных рассеивателей.
Недостатки этих методов обусловлены возможностью трансформации неоднородмостеґі по мере их движения.
Настоящая работа посвящена разработке и практической реализации корреляционно-доилсровского метода реконструкции поля скоростей, отличающегося от всех методов, перечисленных выше. Теоретические основы метода были заложены в работах Стерлядкина D.Q. Метод основам на одновременном измерении суммарного доплсропского спектра пдоль траектории распространения излучения с помотыо непрерывной доплсровской системы и измерении зависимости интенсивности обратно рассеянного сигнала от дальности с помотыо обычного импульсного (некогерентпого) радиолокатора.
1.3. Цель работы и задачи исследования
Цель работы: разработка нового метода дистанционного контроля поля ветра, имеющего высокое разрешение по скорости и дальности, и не имеющего ограничений по длине волны, на которой работает радиолокатор; проектирование и создание экспериментального макета измерительного комплекса микроволнового диапазона для зондирования ветра в атмосфере; экспериментальная проверка метода и испытание измерительного комплекса в натурных условиях.
Для достижения поставленной цели потребовалось:
1. Предложить теоретически обоснованную математическую модель
метеорологического объекта и измерительной системы, пригодную для качественного
и количественного описания корреляциоино-доплсровского метода, которая
учитывала бы особенности как динамического состояния атмосферы, так и
параметры используемой РЛС.
-
Оценить влияние на точность получения оперативной информации о поле ветра таких возмущающих факторов, как турбулентность, флуктуации метеопараметров среды, гравитационное движение рассенвателен, конечная ширина диаграммы направленности антенны, а также шумы аппаратуры.
-
Создать программу, обеспечивающую численное решение прямой задачи. Она включает проведение имитационного моделирования приема, фильтрации и обработки сигналов импульсного и непрерывного радиолокаторов для различных
условии. В результате должны быть получены доплеровские спектры, профили интенсивности обратного рассеяния для различных ветровых полей с учетом турбулентности, диаграммы направленности и распределения рассеивателей в пространстве.
-
Разработать программы, обеспечивающие решение обратной задачи восстановления профиля ветра на основе измеренных сигналов. На основании проведенного моделирования обосновать методику проведения натурных измерений для систем микроволнового и оптического диапазона
-
Для решения задачи восстановления поля ветра предложить алгоритм корреляцнонно-доплеровского восстановления поля скоростей и оптимизировать режимы зондирования. При этом должно быть учтено влияние различных возмущающих факторов на точность определения профиля ветра.
В экспериментальной части работы:
7. Обосновать возможность использования нмпульсно-когерентной радиолокационной станции для имитации сигналов, используемых в корреляционно-доплеровско.м методе.
8. Обосновать технические требования к радиолокационному и
вычислительному комплексам, предложить алгоритм обработки сигнала, реализующий корреляционно-доплеровскнн метод и разработать их программное обеспечение, позволяющее анализировать параметры отраженного сигнала непосредственно в процессе проведения измерений.
9. Создать передвижной измерительный комплекс в составе нмпульсно-когерентного радиолокатора и ПЭВМ с программным обеспечением. Произвести натурные измерения поля ветра в дожде, снеге, смешанных осадках и сравнить их с "эталонным" (импульсно-когерентным) методом. На основании полученных данных оптимизировать методику измерении и сделать заключение об эффективности применения корреляцнонно-доплеровского метода для определения ветрового ПОЛЯ при выпадении осадков.
Поставленные задачи используют новый принцип дистанционных измерений. Каждый ні этапов диссертационной работы в значительной мере являлся шагом в
7 I
новом направлении исследований. Поэтому разрешение каждом проблемы было сопряжено с большими трудностями в теоретическом и экспериментальном плане. Автор имел ограниченные возможности для того, чтобы использовать опыт, математический аппарат или достижении исследователей, рабо гаи пи їх и эгоп области до него.
1.4. Научная новизна
В настоящей работе вперпые показана возможность практической реализации корреляинонно-доплеропского принципа измерений в мнкровошюном диапазоне в приложении к измерению поля ветра в атмосфере. Рассчитаны оптимальные режимы зондирования, методы регистрации и обработки данных, интерпретации результатов измерений.
Разработана оригинальная методика проиедеппя измерений и алгоритм обработки данных на ПЭВМ.
Создан уникальный контрольно-измерительный комплекс для дистанционного определения поля ветра и проведены экспериментальные исследования, подтвердившие широкие возможности разработанного метода.
На основании моделирования и натурных измерений произведена оценка точности метода для различных моделей иетра н метеоусловий.
1.5. Практическая ценность
Настоящая работа является еще одним шагом п направлении создания ирного поколения систем дистанционного контроля поля ветра. Разработанные методики, алгоритмы, проведенные экспериментальные исследования, создают задел для решения задачи, связанной с созданием всепогодных, компактных радиолокационных и оптических систем ветрового зондирования атмосферы, которые необходимы для экологии, метеообеспечения авиации, метеообеспечения поиск и т.д. Использование разработанного метода перспектишю не только для изучения физических процессов, протекающих в атмосфере, но и для исследования любых движущихся объектов доплеровскимн методами без ограничения типа зондирующих волн.
1.6. Основные результаты, представляемые к защите:
1. Корреляциомпо-доплеропский метод восстановления поля ветра
микроволновом диапазоне длин волн.
-
Алгоритм и программное обеспечение для оперативного дпетаншюипог контроля поля ветра корреляциоппо-доплсропским методом.
-
Результаты натурных измерений, теоретическая и экспериментальная оиепк точности предлагаемого метода.
Достоверность результатов, обеспечивается:
1. Использованием современных математических методов решепп
статистических задач, использованием фундаментальной теории радиолокационной
зондирования и статистической радиофизики, компьютерным моделированием задачі
для различных моделей.
2. Достоверность экспериментальных данных подтверждается:
- взаимоконтролем каждой получаемой величины независимыми методами,
сравнением с численными расчетами автора,
повторяемостью результатов (средняя погрешность составляет 5-8%, включа; флуктуацию поля пстра),
сравнением с импульсно-когерептным методом обработки того же сигнала.
Похожие диссертации на Разработка корреляционно-доплеровского метода и радиолокационного комплекса для дистанционного контроля ветра
