Введение к работе
1.1 Актуальность работы
Разработка дистанционных методов, обеспечивающих оперативное получение данных о вертикальном профиле ветра в любых погодных условиях, с высокой точностью и надежностью, представляет интерес и актуальна для многих отраслей народного хозяйства. Особенно важно оперативно получать надежные данные о ветре в нижних слоях атмосферы.
Трудности разработки методов ветрового зондирования связаны с тем, что ветер является величиной быстроизменяющейся во времени и пространстве Его скорость изменяется в широких пределах от 0 до 70 м/с, а по направлению на 360. Скорость и направление ветра изменяются с высотой, причем его резкие изменения могут возникать в "тонких" слоях, составляющих всего несколько метров.
При разработке радиолокационных методов восстановления профиля ветра основное внимание необходимо обращать на оперативность и точность проводимых измерений. Эти условия являются взаимо-противоречивыми, так как получение достоверных данных требует проведение большого количества измерений, увеличению времени обработки и как следствие снижает оперативность получения конечного результата.
Ранее, до появления мощных вычислительных машин, из за не возможности оперативно производить обработку большого объема данных, это противоричие разрешалось путем ограничения производимых измерений, за счет: усложнения методик измерений (корреляционно доплеровская методика, доплеровская томография) , усложнения сигнала зондирования (частотная, фазовая модуляция), усложнение измерительной аппаратуры (совместное использование непрерывной и импульсной системы) , это приводит в конечном итоге к накоплению ошибки при определении меторологических параметров.
Однако на современном этапе развити вычислительной техники, появилась возможность производить обработку и анализ большого объема данных в реальном масштабе времени. Это позволяет технически простой измерительной системой (НДС) производить
4 многочисленные измерения, и тем самым повысить достоверность получаемых данных, при переходе от величин измеряемых радиолокационно к метеорологическим параметрам, в реальном масштабе времени.
Представленная работа является дальнейшим продолжением исследований в этом направлении.
В связи с этим чрезвычайно велико значение разработки на базе НДС методов позволяющих повысить надежность радиолокационной информации о ветре и его пространственно временной изменчивости.
Разработке, исследованию и практической апробации таких методов посвящается настоящая диссертационная работа. Это и определяет ее актульность.
1.2 Состояние проблемы
Радиолокационные методы восстановления вертикального профиля ветра условно можно разделить на две большие группы.
К первой относятся методы, основанные на анализе информации, полученной путем совместной обработки данных, собранных по нескольким направлениям зондирования. Метод, основанный на использовании доплеровской томографии, это особый подход к решению задач радиометеорологии на основе анализа полной формы доплеровского спектра. Преимущество применения этого метода, заключается в том, что восстановление поля ветра возможно по данным собранным по нескольким направлениям (З-г-7 направлений). Данный метод позволяет точно определить распределение экстремальных скоростей, однако не обеспечивает получение тонкой структуры поля скоростей, например изменение параметров турбулентности, пульсации и т.д., так как томографический метод реконструирует средний профиль ветра, усредненный по площади ~1 км2 или за время порядка минуты.
Дальнейшее развитие этот метод получил, в работах по восстановлению поля ветра на основе корреляционно-
5 доплеровского метода реконструкции поля скоростей. Главное достоинство этого метода заключается в том, что селекция по дальности отражает реальную картину распределения радиолокационной отражаемости. Это позволяет производить однозначное радиолокационные измерение ветра в широком диапазоне изменения скоростей. Технически и методически это достигается путем применение наряду с непрерывной системой, импульсно-когерентной станции, таким образом, определяется двухмерная функция взаимной корреляции между I(R,t)-интенсивность пришедшего сигнала от дальности R вдоль луча (импульсная станция), и S(V,t)- спектральной плотности мощности доплеровской спектра (непрерывная система). Недостаток данного метода состоит в необходимости одновременного использования двух каналов - непрерывного и импульсного (в согласованном режиме) или периодическое переключение одного канала с непрерывного когерентного режима в импульсный не когерентный.
Ко второй категории относятся методы, основанные на получении информации о поле ветра путем статистического сбора данных, т.е. производиться сбор данных по максимально возможному количеству направлений. Было доказано и теоретически обосновано, что в спектре отраженного сигнала непрерывного сигнала содержится информация о поле ветра и турбулентных движениях. При произвольном распределении рассеивателей в пространстве происходят изменения интенсивности принимаемого сигнала во времени. Эти изменения ярко проявляются при различных направлениях зондирования. Можно ожидать, что проведение измерений, при использовании большого количества направлений зондирования, позволит восстанавливать достоверную общую метеорологическую картину.
Настоящая работа посвящена дальнейшей разработке, и практической реализации метода реконструкции поля скоростей и распределения рассеивателей в пространстве, основанного на анализе и обработке доплеровских спектров, полученных посредством непрерывной доплеровской РЛС, при многократном азимутальном вращении антенной системы.
1.3 Цели работы и задачи исследования
Целью данной работы являлось разработка и исследование метода восстановления поля ветра путем получения "азимутальных разрезов", его теоретическое обоснование, создание экспериментального макета аппаратуры и разработка алгоритма обработки полученного сигнала.
Для достижения поставленной задачи было необходимо:
-
Предложить теоретически обоснованную математическую модель метеорологического объекта и измерительной системы, пригодную для качественного описания метода "азимутальных разрезов", которая учитывала бы особенности, как динамического состояния атмосферы, так и параметры используемой РЛС.
-
Решить прямую задачу для произвольного вертикального распределения скорости и направления ветра, и исследовать их вариации при изменении направления зондирования, и учесть то обстоятельство, что радиолокационная отражаемость в пространстве неоднородна.
-
Разработать пакет программ, соединенных в единое приложение с графическим интерфейсом, для обеспечения численного решения прямой задачи, по пункту 2. Необходимо проведение имитационного моделирования приема сигнала непрерывной РЛС для различных условий. В результате должны быть получены доплеровские спектры при различных направлениях зондирования, для изменяющихся ветровых полей с учетом турбулентности и различного распределения рассеивателей в пространстве.
-
Провести теоретические исследования методов позволяющие разделить зоны с изменяющейся радиолокационной отражаемостью и вариацией профиля ветра.
-
Обосновать технические требования к радиолокационному и вычислительному комплексам, предложить организацию проведения измерения и обработки получаемых данных, позволяющую анализировать параметры отраженного сигнала непосредственно в процессе проведения измерений.
-
Провести анализ способов обработки получаемого сигнала с непрерывной РЛС, и выработать единый алгоритм получения доплеровских спектров, пригодных для восстановления профиля ветра и распределения рассеивателей в пространстве методом "азимутальных разрезов".
-
Создать единый автоматизированный измерительный комплекс в составе непрерывного радиолокатора и ПЭВМ с программным обеспечением, позволяющий проводить измерения в автоматическом режиме, с выдачей конечного результата в реальном масштабе времени.
1.4 Научная новизна
-
Предложен новый способ восстановления поля ветра, основанный на исследовании доплеровских спектров, полученных при круговом азимутальном вращении антенны.
-
Теоретически обоснована связь между изменением поля ветра и получаемыми доплеровскими "азимутальными разрезими".
-
В результате теоретических исследований процесса формирования доплеровского спектра, построена численная модель учитывающая различные факторы, влияющие на его форму, такие как: направление зондирования, вертикальный профиль ветра и пространственная неоднородность отражаемости.
-
Предложена схема построения автоматизированного радиолокационного комплекса, на основе которой была создана измерительная система и проведены измерения.
1.5 Практическая ценность
Реализация предлагаемого метода восстановления поля ветра, с применением автоматизированной радиолокационной системы и цифровой обработкой сигнала, позволит значительно увеличить достоверность и оперативность определения профиля ветра, в реальном масштабе времени.
1.6 Основные результаты которые выносятся на защиту
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследования автора:
-
Радиолокационный модернизированный метод "круговых диаграмм" восстановления вертикального профиля ветра при неоднородных осадках.
-
Численная модель обеспечивающая получения доплеровских спектров при заданном направлении зондирования, заданном состоянии поля ветра и отражаемости.
-
Алгоритм и програмное обеспечение для обработки данных при использовании метода "круговых диаграмм".
-
Схема построения автоматизированного радиолокационного комплекса обеспечивающего проведение измерений вертикальных профилей ветра методом "круговых диаграмм" и результаты его испытаний.
1.7 Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, заключения, четырех глав, трех приложений и списка использованных источников. Общий объем диссертации 124 страниц, и включает 40 рисунков и 1 таблицу. Список использованных источников содержит 46 наименований.
Похожие диссертации на Восстановление профиля ветра методом "круговых диаграмм" при радиолокационном зондировании нижних слоев атмосферы
