Содержание к диссертации
Введение
Глава I Общие сведения о радиотехнических методах определения стратификации атмосферы Земли 17
1.1 .Радиозондовые методы зондирования атмосферы Температура и влажность атмосферы и их пространственно-временная изменчивость 17
1.2. СВЧ-рефрактометрические и радиозондовые методы определения показателя преломления воздуха 34
1.3.Дистанционные радиотехнические методы влажностного и температурного зондирования атмосферы 44
Глава II Основные принципы построения радиотелеметрической информационно-измерительной системы радиозондирования атмосферы 57
2.1. Специфика измерений и требования к точности радиозондирования атмосферы 57
2.2. Постановка задачи исследования достоверности измерений с помощью системы радиозондирования атмосферы 63
2.3. Первичные измерительные преобразователи (датчики) температуры и влажности современных радиозондов 70
Глава III «Рассредоточенная» радиотелеметрическая система для измерения профилей температуры и относительной влажности свободной атмосферы на расстояниях до 300 км 78
3.1. Общие положения 78
3.2. Теория тепло-массообмена первичных преобразователей радиозонда со средой 79
3.3. Физическая модель перехода от выходного сигнала радиотелеметрической системы зондирования к действительным параметрам среды 86
Глава IV Достоверность радиозондовых методов измерения профилей температуры и влажности в свободной атмосфере до высот 35-40 км 97
4.1. Исследование метрологических характеристик первичных преобразователей температуры радиозонда 98
4.2. Влияние радиационных факторов на погрешности температурного канала системы радиозондирования атмосферы 107
4.3. Влияние смачивания датчика на выходной сигнал канала измерения температуры радиозонда 124
4.4. Динамические характеристики и динамические погрешности измерений температуры радиозондом 129
Глава V Применение импульсно-когерентной радиолокации для исследования движения эластичной оболочки во время полета в атмосфере 160
5.1. Исследование теплового следа оболочки 160
5.2. Влияние особенностей полета радиозонда на переход от его показаний к действительным параметрам среды 165
Глава VI Комплексные экспериментальные исследования достоверности измерений вертикальных профилей температуры и влажности при радиозондировании атмосферы 170
6.1. Точность измерений температуры системой радиозондирования атмосферы (систематические и случайные погрешности) 171
6.2. Точность измерений влажности системой радиозондирования атмосферы (систематические и случайные погрешности) 175
6.3. Натурные экспериментальные исследования системы телеизмерений температуры и влажности с помощью свободных аэростатов (СА) 180
6.4. Результаты экспериментов на СА и приложение полученных данных к решению задач дистанционного зондирования, распространения радиоволн, радионавигации и связи 184
Глава VII Разработка, исследование и метрологическая аттестация средств измерения и контроля параметров первичных преобразователей температуры и влажности радиозондов 207
7.1. Образцовые средства для исследования и контроля статических характеристик первичных измерительных преобразователей радиозондов 208
7.2. Комбинированный метод воспроизведения единицы относительной влажности и его теоретическое обоснование 223
7.3. Генератор парогазовых смесей «Облако» и его государственная аттестация 237
7.4. Камера «Солнце» для исследования динамических и радиационных погрешностей радиозондов 238
7.5. Универсальный генератор влажного воздуха (УГВВ) «Диполь» для исследования динамических характеристик преобразователей влажности радиозондов и его государственная аттестация 240
7.6. Установка «Каскад» для определения и контроля динамических характеристик первичных преобразователей радиозондов в нормальных условиях 249
7.7 Конденсационный гигрометр (КГ) «Торос» - образцовое малоинерционное радиотехническое средство для измерения влажности в широком диапазоне температур 252
7.8 Исследование точностных и динамических характеристик КГ «Торос» 261
7.9. Государственная метрологическая аттестация образцового конденсационного гигрометра «Торос» 273
7.10. Тонкопроволочный малоинерционный платиновый радиотермометр (ПТС - 5 мкм) 274
Заключение 275
Рекомендации 280
Литература 281
Приложения
- СВЧ-рефрактометрические и радиозондовые методы определения показателя преломления воздуха
- Постановка задачи исследования достоверности измерений с помощью системы радиозондирования атмосферы
- Теория тепло-массообмена первичных преобразователей радиозонда со средой
- Влияние радиационных факторов на погрешности температурного канала системы радиозондирования атмосферы
Введение к работе
Объект исследования.
Современная радиолокационно-телеметрическая автоматизированная измерительная система радиозондирования атмосферы, повышение её информационных возможностей за счет определения действительной точности измерений в свободной атмосфере, выделения и нормирования ее метрологических характеристик (MX), создания комплекса методик и аппаратуры для их исследования, испытаний и поддержки на заданном уровне.
Актуальность проблемы.
Данные о температурно-влажностной стратификации атмосферы необходимы для многих отраслей народного хозяйства и обороны страны. С развитием науки и техники требования к точности и дискретности данных о вертикальном распределении температуры и влажности в атмосфере резко возрастают. Расширяется интерес к тонкой структуре поля метеоэлементов и их пространственно - временной изменчивости. Решение этих задач требует создания более совершенной техники и методов измерений, повышения их оперативности и точности.
В настоящее время наряду с развитием традиционных радиозондовых методов, ведутся активные исследования в области дистанционных радиофизических и оптических методов определения тех же параметров атмосферы при помощи средств активной и пассивной локации в микроволновом и оптическом диапазоне длин волн. Предполагается, что измерения можно проводить как с поверхности Земли, так и с геостационарных и низкоорбитальных искусственных метеорологических спутников.
Дистанционные системы зондирования позволяют устранить ряд принципиальных недостатков, присущих радиозондовым системам: получать практически непрерывные данные о температуре, влажности, давлении воздуха, параметрах ветра и их пространственном распределении, сократив сроки получения вертикального разреза атмосферы, которые в настоящее время для многих потребителей недопустимо велики.
К началу 70х годов стало ясно, что развитие дистанционных методов зондирования потребует новых подходов и дальнейшего совершенствования радиозондовых методов. Наметившиеся уже тогда расхождения результатов измерений теми и другими методами начали тормозить дальнейшее развитие дистанционных методов. В то же время, дистанционные и традиционные радиозондовые системы зондирования не заменяют одна другую. Многие годы, а может быть и всегда, они будут сосуществовать, дополняя друг друга.
Поэтому возникла необходимость создания такой системы радиозондирования, в которой данные о параметрах атмосферы, полученные при помощи контактных датчиков, служили бы опорой для функционирования и развития дистанционных методов.
Перед Центральной Аэрологической Обсерваторией Росгидромета (ЦАО) была поставлена задача по созданию новой оперативной системы радиозондирования. Она включала разработку и метрологическую аттестацию радиозондов. Особое внимание уделялось оценке достоверности получаемой информации о термодинамическом состоянии атмосферы, повышению точности и надежности радиозондирования.
Эта работа оказалась сложной, трудоемкой, потребовавшей больших финансовых затрат, связанных с разработкой новых материалов, приборов, оборудования, проведения лабораторных и натурных исследований и испытаний. Особое место занимают теоретические исследования, позволяющие принимать осознанные компромиссные технические решения, удовлетворяющие противоречивым требованиям различных потребителей метеоинформации.
Главное требование к этой разработке состояло в том, чтобы при сохранении высокой точности измерений максимально уменьшить стоимость радиозонда, являющегося прибором разового использования. Это требование исключало возможность применения в радиозонде сложных схем и дорогих элементов. Вместе с тем предполагалось, что можно пойти на определенное усложнение наземной радиолокационной техники и вычислительного комплекса радиозондовой системы.
Особые и специфические требования к данным о вертикальных профилях влажности и температуры кроме службы прогнозов погоды и климатологии предъявляют авиация, радиолокация, радионавигация, связь, наука о распространении радиоволн.
Составление справочника по стандартной радиоатмосфере для территории бывшего СССР является давно назревшей, но далеко еще не решённой задачей. В этом направлении большой объём работ был выполнен в ИРЭ АН СССР и в ряде специализированных организаций, включая ЦАО. К сожалению, эти работы не были завершены.
Для построения стандартной радиоатмосферы только рефрактометрических данных и прямых измерений показателя преломления п в атмосфере недостаточно. При помощи рефрактометра получить массовый статистический материал невозможно, поэтому стандартная радиоатмосфера создаётся, в основном, на базе данных радиозондирования. Для определения показателя преломления на разных высотах особенно важны сведения об абсолютной влажности воздуха а. Именно влажность в радиодиапазоне вносит основной вклад в показатель преломления воздуха и его вариации. Вместе с тем, погрешности определения влажности при радиозондировании, особенно при отрицательных температурах, велики и слабо изучены.
Важно, чтобы в справочнике по стандартной радиоатмосфере были представлены сведения о вероятности появления на различных высотах Н слоев с указанием максимальных значений вертикальных градиентов показателя преломления An/АН, а также о зависимостях An/АН для различных высот от климатических зон, синоптической ситуации, сезона и времени суток.
Теория, на базе которой проводятся расчёты ослабления (поглощения) микрорадиоволн в атмосфере, требует прямых измерений высотных профилей температуры, влажности, давления.
Для расчёта n, An, An/АН и их зависимости от высоты и погодных условий необходимо, чтобы первичные преобразователи радиозондов были досконально изучены и существовала возможность в зависимости от решаемой задачи производить замену стандартных преобразователей на другие, более точные и малоинерционные.
Обратим внимание на то, что информация, полученная при помощи радиозондов, необходима и для специалистов, работающих в области создания беззондовых (радиофизических) методов определения указанных выше параметров. Необходимые им «опорные» данные о Т(Н) и я(Н) можно получить только опираясь на существующую в гидрометеослужбе сеть радиозондирования. Однако, в этом случае требования к метрологическому обеспечению радиозондирования резко возрастают.
Для выполнения требований, которые предъявляют к метеоинфомации радиолокация, радионавигация и связь, а также для внедрения в оперативную практику и дальнейшего развития дистанционных методов зондирования атмосферы необходимо, как минимум, исследовать точность измерений при установке различных типов метеопараметров системой радиозондирования атмосферы.
Уменьшение систематических и случайных погрешностей, возникающих в системе «первичные преобразователи - телеметрия - радиолокатор -вычислительный комплекс» при переходе от показаний радиозондов к параметрам окружающей среды, является актуальной задачей, далекой от своего окончательного решения.
Трудности резко возрастают при решении задачи превращения радиозондового комплекса в метрологически аттестованную измерительную систему с гарантированной точностью измерений температуры и влажности на различных высотах.
Сложность выполнения поставленной задачи состоит в том, что измерения при радиозондировании производятся в необычайно жестких условиях свободной атмосферы, а достаточно полная имитация атмосферных условий в лаборатории практически невозможна. Теоретические модели, описывающие физические процессы взаимодействия первичных преобразователей радиозондов со средой, достаточные для проведения вычислений погрешностей измерений температуры и влажности с определенной достоверностью также отсутствуют.
Цели работы.
Целью настоящей работы является разработка методических основ и определение достоверности измерений основных термодинамических параметров атмосферы с помощью радиотехнических средств прежде всего радиозондовыми методами, а затем и методами дистанционного зондирования и превращение отечественной оперативной системы радиозондирования в современный автоматизированный измерительный комплекс с гарантированной точностью измеряемых метеопараметров.
Для достижения цели, поставленной в работе, необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести критический анализ требований, предъявляемых различными потребителями к радиозондовой информации, включая точность измерения параметров среды, точность привязки по высоте, дискретность измерений и т.д.
2. На основе анализа результатов, полученных различными авторами, разрабатывающими методики дистанционного зондирования, определить требования, предъявляемые ими к радиозондовым системам и оценить возможность их выполнения на существующей аэрологической сети гидрометеослужбы России и стран СНГ.
3. Детально исследовать элементную базу, которую можно использовать в качестве первичных преобразователей температуры и влажности, оценить их достоинства и недостатки, а также целесообразность применения в радиозондовых измерительно-информационных системах.
4. Разработать модели и провести с их помощью теоретические исследования, позволяющие учесть результаты взаимодействия первичных преобразователей радиозондов со средой, в которой они находятся.
5. Получить соотношения, описывающие воздействие на радиозонды таких внешних факторов, как коротковолновое и длинноволновое излучение и смачивание жидкокапельной влагой, существенно влияющих на тепловой баланс первичных преобразователей радиозондов.
6. Разработать методические основы и наметить пути усовершенствования первичных преобразователей влажности и температуры, которые обеспечивали бы снижение инерционности и повышение точности измерений при радиозондировании, особенно при отрицательных температурах.
7. Создать испытательные стенды и камеры, имитирующие рабочие условия радиозондирования. Особое внимание должно быть обращено на оснащение испытательных камер прецизионными малоинерционными и высокочувствительными радиотехническими приборами. Стенды и камеры должны пройти Государственную или ведомственную метеорологическую аттестацию в качестве образцовых средств измерений. Только в этом случае их можно использовать для исследования и нормирования метрологических характеристик радиозондов в плане решения поставленных выше задач.
8. Научно обосновать методику экспериментальных исследований радиозондов в реальных условиях применения.
9. Провести натурные исследования и испытания системы радиозондирования и выдать рекомендации, касающиеся сопряжения первичных преобразователей с радиотехнической частью радиозонда и наземного радиолокационного комплекса, включая его программное обеспечение.
10. Провести сравнение и анализ теоретических расчетов и результатов испытаний радиозондов в натурных условиях и подтвердить или уточнить полученную информацию о достоверности измерений при радиозондировании атмосферы.
11. Разработать и метрологически аттестовать новые приборы, способные проводить высокоточные измерения температуры и влажности воздуха в условиях низких температур и давлений, и с их помощью провести лабораторные и натурные исследования стандартных радиозондов.
12. Разработать методику позволяющую учесть возникающие при температурно-влажностном радиозондировании систематические и случайные ошибки; разработать методические указания, при использовании которых в оперативной службе радиозондирования можно гарантировать достижение установленных норм точности измерений.
13. Провести комплекс работ, связанных с внедрением разработанных методик заводской и предполетной поверки радиозондов на предприятиях, выпускающих радиозонды и оперативных аэрологических станциях.
14. С учетом полученных поправок к результатам зондирования стандартной радиотелеметрической системой провести обработку ряда совместных измерений параметров атмосферы дистанционным и контактным методами и исследовать степень их соответствия.
Научная новизна.
Впервые в практике радиозондирования атмосферы
на основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и натурных условиях, разработан и научно обоснован метод перехода от показаний первичных преобразователей температуры и влажности, работающих в условиях свободной атмосферы при различных погодных условиях, времени суток и высотах, непосредственно к параметрам окружающей их среды с указанием погрешностей такого перехода и способов учёта систематических и случайных погрешностей, связанных с этой операцией.
Разработаны научно-методические основы проведения исследований достоверности измерений в свободной атмосфере с помощью радиоэлектронных измерительных систем, к каковым относится система, используемая в настоящее время на оперативной сети радиозондирования нашей страны.
Научно обоснованы, вычислены и экспериментально подтверждены величины систематических погрешностей измерений температуры и влажности в свободной атмосфере методом радиозондов. Существенно уточнены и конкретизированы величины случайных погрешностей радиозондирования.
Создан и аттестован Госстандартом РФ комплекс испытательных стендов и камер, обеспечивающих предельно возможную в настоящее время имитацию температурно-влажностного режима атмосферы на различных высотах.
Проведены натурные эксперименты при подъёмах на свободных аэростатах до высот 30-35 км радиозондов, а также датчиков температуры и влажности,
включая малоинерционные и прецизионные, позволившие оценить итоги расчетов, моделирования и лабораторных исследований этих датчиков, а также скорректировать величины поправочных коэффициентов, уменьшающих систематические погрешности, связанные с переходом от их показаний к параметрам окружающей среды.
Показаны новые возможности использования радиозондовой информации для усовершенствования и аттестации методов и средств дистанционного зондирования атмосферы путем сопоставления данных дистанционного зондирования с данными метрологически аттестованных радиозондов, имеющих оцененную и нормированную точность измерений.
Выполненные работы позволили провести Государственную аттестацию не только разработанных лабораторных стендов и камер, имитирующих условия радиозондирования, но и аттестовать отечественные радиозонды в качестве средств измерений с выделением и нормированием метрологических характеристик радиозондов, гарантированным и метрологически обоснованным уровнем точности измерений на различных высотах таких важнейших параметров атмосферы как температура и влажность.
Личный вклад автора:
1. Разработана методология оценивания достоверности радиозондирования атмосферы с помощью радиотелеметрических измерительных систем, используемых на аэрологической сети РФ и стран СНГ.
2. Получены теоретические соотношения, позволившие разработать методику определения систематических и случайных ошибок, вызванных влиянием на результаты радиозондирования радиационных факторов, смачивания атмосферными осадками поверхности первичных преобразователей, а также учёта иных факторов, влияющих на точность определения температуры и влажности воздуха при радиозондировании атмосферы.
3. Исследованы спектральные коэффициенты отражения различных материалов и покрытий, разработано оптимальное антирадиационное покрытие для первичных преобразователей радиозондов - спецэмаль ВЛ-548. Покрытие применяется во всех типах отечественных радиозондов.
4. Разработаны и аттестованы прецизионные первичные преобразователи температуры и влажности, позволившие в лабораторных и натурных условиях провести детальное исследование оперативной системы радиозондирования атмосферы.
5. Научно обоснованы и определены величины радиационных поправок, а также систематических составляющих и доверительные интервалы случайных погрешностей радиозондирования с заданной вероятностью.
6. Разработан и изготовлен под руководством и с участием автора не имеющий аналогов комплекс камер и стендов, прошедший метрологическую аттестацию в органах Госстандарта РФ, а также полный набор техдокументации, позволяющий осуществить тиражирование установок.
7. Проведены натурные эксперименты на свободных аэростатах с набором радиозондов, а также стандартных и образцовых преобразователей температуры и влажности, позволившие не только обосновать и осознанно подойти к конструированию первичных преобразователей для радиозондов, а также наметить пути их дальнейшего усовершенствования, но и получить ряд научных результатов, имеющих большое значение для понимания физических процессов, происходящих в свободной атмосфере. В частности, автором уточнены классические зависимости Nu=f(Re) для тел неправильных геометрических форм, поднимаемых на радиозондах.
8. Составлены программы испытаний новых типов радиозондов, с участием автора во всех этапах этих испытаний, в том числе и государственных, внедрены на заводах-изготовителях и на аэрологической сети различные поколения радиозондовых систем.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие обеспечить повышение, нормирование и гарантию определенной точности измерений температуры и влажности с помощью существующей в
нашей стране оперативной автоматизированной радиолокационно-телеметрической системы радиозондирования атмосферы до максимально возможных высот в дневное и ночное время суток.
2. Величины систематических и случайных погрешностей системы радиозондирования как типа средств измерений в свободной атмосфере до высот 40 км.
3. Методы определения и контроля точностных параметров первичных преобразователей температуры и влажности в статических и динамических режимах на специально разработанных стендах и камерах, имитирующих различные условия в атмосфере при радиозондировании.
4. Антирадиационное покрытие первичных преобразователей температуры радиозондов и величины радиационных поправок к показаниям отечественных радиозондов.
5. Камеры и стенды, оснащённые прецизионными приборами, либо воспроизводящие единицу относительной влажности, прошедшие ведомственную и государственную метрологическую аттестацию.
6. Результаты натурных экспериментов по сравнению стандартных и образцовых датчиков температуры и влажности при подъёме комплекса радиоаппаратуры на свободных аэростатах до высоты 30-35 км.
7. Методы создания объемов воздуха с заданными параметрами по влажности и температуре и установки, позволившие определять и контролировать характеристики радиозондовых преобразователей, новизна которых защищена авторскими свидетельствами.
8. Результаты теоретических и лабораторных исследований первичных преобразователей радиозондов, позволившие с одной стороны выявить, определить и нормировать значения метрологических характеристик (MX) радиозондов, а с другой - наметить пути их дальнейшего усовершенствования.
9. Оценка возможности удовлетворения требований к метеоинформации, получаемой с помощью радиозондов со стороны авиационной и космической метеорологии, дистанционного зондирования, навигации, связи.
10. Расчетно-экспериментальный метод оценивания точности измерений температуры и влажности в свободной атмосфере контактными методами до высот 40 км.
11. Результаты анализа совместных измерений метеопараметров в свободной атмосфере дистанционным и радиозондовым методами.
Внедрение.
1. Результаты работы легли в основу создания поверочной аппаратуры и ряда методических указаний и инструкций, которые в течении многих лет используются на заводах изготовителях радиозондов, а также в оперативной аэрологической службе Росгидромета.
2. На предприятиях изготовителях радиозондов внедрено спецпокрытие -эмаль ВЛ-548, внедрена разработанная автором методика и аппаратура контроля радиационных свойств антирадиационных покрытий преобразователей температуры, позволившая нормировать радиационные поправки к показаниям радиозондов. Разработана с участием автора и внедрена в производство методика градуировки датчиков температуры в минимальном числе точек и с минимальной погрешностью.
3. Рекомендации для отечественной сети радиозондирования, которые позволяют учесть систематические погрешности при подъёме радиозонда до больших высот и значительных удалений.
4. Созданы, аттестованы и внедрены в научно-исследовательскую практику камеры и стенды, позволяющие максимально возможно имитировать условия свободной атмосферы.
5. Проведённые работы позволили провести Государственную аттестацию радиозондов с указанием гарантированной точности измерений температуры и влажности на разных высотах.
6. Результаты работы широко применяются в оперативных и научных учреждениях гидрометеослужбы, занимающихся численным прогнозом погоды, а также радиотехнической промышленности при разработках новой радиоизмерительной техники и методов зондирования атмосферы.
7. Разработанные научно-технические основы метрологического обеспечения радиозондирования атмосферы использованы при создании «Положения о метрологическом обеспечении радиозондирования атмосферы» Росгидромета.
Апробация работы.
Материалы, полученные автором, широко известны общественности. Они отражены в 121 публикации автора, включая 17 авторских свидетельств на изобретения, 2 монографии, 104 статьи в научных журналах, сборниках трудов всесоюзных конференций, симпозиумов, совещаний, а также десятках отчётов по НИР и ОКР, методических указаниях и инструкциях, которые в течении многих лет определяют порядок изготовления, поверки и градуировки различных оперативных радиозондовых систем, включая и экспериментальные.
Результаты работы докладывались на следующих всесоюзных конференциях и симпозиумах:
Всесоюзная научно-техническая конференция «Современные методы и средства автоматического контроля атмосферного воздуха и перспективы их развития» (Киев, 1987 г.), III Всесоюзный симпозиум «Метеорологические исследования в Антарктике» (Ленинград 1987 г.), III Всесоюзное совещание по теоретической метрологии (Ленинград, 1986 г.), III Всесоюзная конференция по аэрологии «Современное состояние аэрологических исследований и наблюдений в СССР и использование аэрологической информации в службе прогнозов и народном хозяйстве (Москва, 1985 г.), IV Всесоюзный симпозиум «Динамические измерения» (Ленинград, 1984 г.), VII Всесоюзная научно-техническая конференция «Достижения и перспективы работ в области разработки и внедрения средств измерения влажности продукции предприятий агропромышленного комплекса и других отраслей народного хозяйства» (Кутаиси, 1984 г.), X и XII Всесоюзные совещания по актинометрии (Москва, 1979; Иркутск, 1984 г.), Всесоюзное научно-техническое семинар-совещание «Внедрение прогрессивных средств и методов размерного контроля точных измерений длин и углов» (Ленинград, 1984 г.), I, И, III Всесоюзные семинары
«Технические средства для Государственной системы наблюдений и контроля природной среды (ГКСП)» (Обнинск, 1981, 1982, 1983 гг.), Всесоюзное научно-техническое совещание «Аналитическое приборостроение. Методы и приборы для анализа жидких сред» (Тбилиси, 1980), Всесоюзное научно-техническое совещание «Влагометрия промышленных материалов и сельскохозяйственной продукции» (Минск, 1978 г.), Всесоюзное научно-практическое совещание по проблемам совершенствования аппаратурных средств и таблиц для определения рефракции электромагнитных волн в земной атмосфере (Иркутск, 1984 г.), II Всесоюзная научно-техническая конференция «Проблемы разработки автоматизированных систем наблюдений, контроля и состояния окружающей среды» (Казань, 1983 г.), III Всесоюзная научно-техническая конференция «Метеорологическое обеспечение народного хозяйства» (Таллин, 1982 г.), II Всесоюзный симпозиум «Физиологические и климатические проблемы адаптации организма человека и животного к гипоксии, гипертермии, гиподинамии и неспецифические средства восстановления» (Москва, 1978 г.), X Всесоюзная конференция по актуальным вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем (Одесса, 1970 г.), II Всесоюзная конференция по применению аэрозолей в народном хозяйстве (Одесса, 1972 г.), Всесоюзный семинар (совещание) «Современные методы получения и использования аэрологической информации и дальнейшие пути их развития» (Москва, 1976 г.).
Работы автора [2] и [3] переведены Allorton Press Inc на английский язык и используются в научных учреждениях США, занимающихся вопросами радиозондирования.
Материалы, полученные в диссертации докладывались в ряде международных организаций и получили признание Комиссии по приборам и методам измерений Всемирной Метеорологической Организации (ВМО).
Представленная диссертация является логическим продолжением и развитием идей, заложенных ее автором в кандидатской диссертации, защищенной в 1969 г., направленной на повышение точности измерений температуры в свободной атмосфере при помощи средств радиозондирования.
Материалы, содержащиеся в докторской диссертации базируются на результатах, опубликованных в более чем 120 научных работах и изобретениях, выполненных лично автором, либо совместно с сотрудниками и аспирантами. Эти работы направлены на решение важной научной и практической проблемы: создания оперативных технических средств, обеспечивающих при помощи радиолокационно-телеметрического радиозондового комплекса получение информации о вертикальном распределении метеопараметров в атмосфере в любых климатических зонах, погодных условиях, сезонах года и времени суток с известной и гарантированной точностью.
В работе использованы также материалы тех методических указаний и инструкций, которые были составлены автором или с его участием, и используются не только на оперативной сети радиозондирования гидрометслужбы РФ, но и многими метеорологическими службами других стран, входящими во Всемирную Метеорологическую организацию при ООН.
Содержащиеся в диссертации результаты исследований изложены в 7 главах.
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, ее научная и практическая значимость.
В разделе заключение и рекомендации формулируются итоги работы, а также даются рекомендации по дальнейшему совершенствованию системы зондирования атмосферы.
СВЧ-рефрактометрические и радиозондовые методы определения показателя преломления воздуха
Как известно, показатель преломления воздуха п определяется как отношение скорости распространения радиоволн в вакууме с0 к их скорости ь в среде п = —. Один из методов определения п состоит в том, что определяется интервал времени, который проходит между моментом излучения импульсного источника и моментом, когда фиксируется сигнал, принятый от цели, расстояние до которой известно. Могут использоваться и фазовые методы.
Возможно определение п путем измерения изменения разности резонансных частот двух идентичных объемных резонаторов, через один из которых пропускается исследуемый воздушный поток [228 - 230]. Методы, которые позволяют непосредственно измерять п, называются рефрактометрическими, а сами приборы - рефрактометрами.
Интерес к разработке и применению такого рода приборов был особенно велик в 60-70е годы [18]. Тогда у нас в стране и за рубежом было создано несколько типов рефрактометров, работающих на частотах около 10 ГГц (X « 3 см). Описание принципов их построения, а также полученные с их помощью данные в лабораторных условиях, на высотных мачтах и самолетах приведены в [231, 250].
СВЧ рефрактометр представляет сложный и дорогой прибор, требующий квалифицированного обслуживания. При помощи такого прибора удалось получить, хотя и ограниченный, но очень ценный материал о «тонкой» структуре и вариациях п в атмосфере. Как указывают авторы, постоянную времени такого класса приборов можно довести до 10 с при чувствительности к изменениям (п-1 ) 106 порядка долей N-единицы. Несмотря на то, что объемные резонаторы изготавливались из материалов с малым коэффициентом линейного расширения порядка 10 6 (элиинвар) и на то, что эталонный и измерительный резонатор представляет единый моноблок, достичь полного устранения влияния неравномерного нагрева или охлаждения резонаторов на изменения разности их частоты не удается. Обычно она составляет при изменении температуры на градус около 104 Гц или одну N-единицу. В наиболее точных рефрактометрах приходилось вводить дополнительные термокомпенсирующие устройства, которые еще более усложняли прибор и методику измерений [18].
Блок-схемы одного из двух известных типов рефрактометров представлены на рис. 1.7. Как уже было отмечено, основными узлами рефрактометра являются два резонатора, настроенные на близкие частоты: один измерительный, другой опорный. Через измерительный резонатор прокачивается воздух, показатель преломления которого подлежит измерению. Первоначально рефрактометр работал по следующей схеме: сигнал с СВЧ генератора, частота которого изменяется по линейному закону, поступает одновременно на два резонатора. Максимальный отклик происходит тогда, когда собственные частоты резонаторов совпадают с частотой СВЧ генератора. При изменении N определяется разность во времени откликов резонаторов Д/ = /, - /2. Эта разность переводится в N единицы. Сохраняя в общем тот же принцип измерения, т.е. также используя два резонатора, вместо детекторных секций к резонаторам могут быть подключены СВЧ-генераторы. Частоты этих генераторов определяют частоты, на которые настроены резонаторы ft и f2. Измеряя изменение разности Af = fl-f2 определяют изменение N; А/ прокалибровано в N единицах.
Работы в направлении упрощения схемы и конструкции рефрактометра ведутся по настоящее время. Были сделаны попытки разработать и радиозондовый аналог соответствующего «датчика». Предполагалось, что конденсатор, включенный в качестве одного из элементов высокочастотного генератора радиозонда позволит измерять вертикальный профиль показателя преломления воздуха и от него перейти к содержанию в воздухе водяного пара. Наличие в составе радиозонда в качестве датчиков терморезистора и «конденсатора» при соответствующей их компоновке, безусловно, имеет будущее и может оказаться полезным и перспективным. Однако, практически создать простой и надежный прибор, измеряющий п и его изменения до сих пор не удалось. В дальнейшем можно надеяться, что с развитием электроники рефрактометрический высокочастотный метод определения влажности воздуха окажется востребованным, вначале в качестве образцового датчика, а затем и оперативного радиозонда.
Так как рефрактометры до сих пор не нашли широкого применения в аэрологии и радиометеорологии в качестве оперативного измерительного средства, для определения п, его высотного хода и пространственно-временных вариаций в основном используются расчетные методики. Экспериментальной базой для них являются данные о температуре, влажности и давлении, полученные при помощи радиозондов.
Постановка задачи исследования достоверности измерений с помощью системы радиозондирования атмосферы
При стандартном аэрологическом радиозондировании атмосферы, как уже отмечалось, решается достаточно много задач по измерению и представлению потребителям требуемых параметров свободной атмосферы. Решение этих задач возможно только с помощью особого вида средств измерений — измерительных систем. Измерительная система — это средство измерений, представляющее собой совокупность измерительных приборов, измерительных преобразователей, мер, измерительных коммутаторов, линий связи, цифровых и аналоговых вычислительных устройств, объединенных общим алгоритмом функционирования и предназначенных для автоматического (автоматизированного) получения данных о состоянии объекта путем измерительных преобразований множества изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих это состояние; машинной обработки результатов измерений, регистрации результатов измерений, преобразования этих данных к виду, удобному для передачи потребителю [66].
Современные системы радиозондирования атмосферы являются в этом плане типичными представителями измерительных систем со всеми вытекающими отсюда особенностями их метрологического обслуживания.
Блок-схема радиозондовой системы, отражающая общую структуру используемых в настоящее время комплексов «Метеорит - МАРЗ» и «АВК-МРЗ», представлена на рис.2.1а, а структурная схема РЛС АВК-1 - на рис. 2.16. На рис. 2.2 показан внешний вид входящих в систему блоков. Функционально система представляет собой три самостоятельных измерительных комплекса: бортовой комплекс, включающий первичные и вторичные измерительные преобразователи, преобразующие информацию от измеряемого объекта к виду, удобному для передачи по радиоканалу; приёмно-передающий комплекс, состоящий из приёмопередатчиков радиозонда и РЛС; измерительную часть радиолокационной станции, включающую устройства для приема, регистрации и обработки телеметрических сигналов.
Система радиозондирования имеет последовательно-параллельную структуру, в которой индивидуальными являются только первичные измерительные преобразователи и начальные участки последующей части измерительного канала. Часть промежуточных преобразований осуществляется общей частью системы, подключаемой периодически к параллельным участкам измерительных каналов температуры, влажности и вспомогательного (опорного) сигнала.
Первичные измерительные преобразователи (датчики) находятся в составе передающей части системы (радиозонда). Это затрудняет возможность контроля в рабочих условиях измерительной системы в целом.
Метрологическое обеспечение измерительных каналов «рассредоточенных» систем — чрезвычайно сложная задача. Для них существует возможность «разбивки» на обособленные части — функциональные блоки, каждый из которых выполняет обособленную часть функций измерительной системы. Это позволяет провести исследование каждого функционального блока в отдельности.
Для того чтобы обеспечить выполнение конечной задачи и оценить достоверность измерений с помощью системы в целом можно использовать три равноправных способа: расчётный (по метрологическим характеристикам системы в целом); экспериментальный (определение метрологических характеристик для каждого её экземпляра индивидуально); расчёт погрешности по метрологическим характеристикам ее составных частей, минуя в явном виде этап определения метрологических характеристик измерительной системы в целом.
Выбор способа определения суммарных погрешностей измерительной системы диктуется конкретными условиями ее разработки или эксплуатации. Учитывая значительные масштабы аэрологической сети и чрезвычайную сложность определения и изучения погрешностей составных частей системы, оптимальным является, по-видимому, третий способ, т.е. теоретический расчёт о суммарных погрешностей системы, используя результаты исследования погрешностей, вносимых отдельными входящими в нее частями. Расчётные методы неизбежно снижают надежность оценок погрешностей, поэтому необходимы экспериментальные исследования суммарных погрешностей системы, хотя бы для некоторой части рабочих условий.
В качестве датчиков информационных параметров в отечественных радиозондах используются преобразователи метеовеличин, как правило, резисторного типа. Анализ процессов преобразования измеряемых параметров в электрическое сопротивление и процессы взаимодействия датчиков со средой изложены в III и IV главах диссертации. Датчики работают в наиболее жестких условиях среды, их работе сопутствуют методические погрешности, которые в условиях радиозондирования значительно превышают инструментальные. Порядок величин погрешностей, вносимых датчиками, составляет единицы градусов по температуре и десятки процентов по относительной влажности [32, 46,49,51,64,67].
Электрическое сопротивление датчиков с помощью вторичных преобразователей преобразуется в параметр, удобный для передачи значений измеряемой величины по каналу связи. Как правило, для этой цели используются кодовые или частотные сигналы.
Изменения динамического уровня сигнала (замирания сигнала радиозонда и разброс данных), возникающие при раскачивании, больших удалениях радиозонда или больших вертикальных углах, приводят не к погрешностям измерений, а к ограничениям возможностей метода радиозондов и в работе детально не рассматриваются.
Ещё одним источником погрешности измерений метеопараметров является наложение шумов приёмника на телеметрический сигнал. Флуктуации амплитуды телеметрических импульсов, обусловленные шумами приёмника, приводят к возникновению аномальных ошибок или сбоев в телеизмерении. Этот вопрос достаточно подробно исследовался в [68].
Рассматривая систему радиозондирования как объект исследования, необходимо остановиться на методических ошибках, свойственных этой системе (квантование исходного непрерывного вертикального профиля метеовеличин, ошибки, вносимые неточностью определения высоты радиозонда и ошибки обработки результатов зондирования).
Теория тепло-массообмена первичных преобразователей радиозонда со средой
Рассмотрим "тонкое" твердое тело, движущееся на некоторой высоте в атмосфере. Равновесная температура поверхности тела Т$ определяется энергообменом этого тела с воздушной средой, а также наличием внешних и внутренних источников энергии. Равновесное давление водяного пара на поверхности тела es определяется массообменом тела со средой.
Энергетический и материальный балансы тела рассмотрим в точке О элемента поверхности dS этого тела (рис.3.1). Для этого проведем из точки О перпендикулярно поверхности ось 0Z, положительное направление которой совпадает с направлением внешней нормали к dS. Ось ОХ направим вдоль тела по направлению потока воздуха V, обтекающего тело.
Уравнения (3.8) не зависят от вида движения воздуха и справедливы для всех его проявлений — свободная или вынужденная конвекция с ламинарным или турбулентным характером движения. Условия обтекания войдут лишь в выражения для градиентов упругости пара и температуры, которые можно определить на основе интегрирования системы уравнений пограничного слоя.
Процесс конвективного тепло- и массообмена в бинарной смеси диффундирующих компонентов описывается системой дифференциальных уравнений, включающей уравнения энергии, массообмена, движения и неразрывности.
Прежде чем записать систему уравнений пограничного слоя, сделаем некоторые замечания по ее структуре. Отметим, что для датчиков радиозондов, имеющих характерные размеры от 10"4 до 10_2м и перемещающихся в атмосфере со скоростью, не превышающей 10-15 м/с, течение в пограничном слое носит ламинарный характер (5-10-2 Re 5-Ю4). В пограничном слое испаряющего тела градиенты температуры и плотности достаточно велики, и уравнения диффузии должны быть записаны с учётом зависимости входящих в них характеристик от температуры. Так как радиусы кривизны аэрологических датчиков значительно превосходят толщину пограничного слоя, то будем рассматривать случай двухмерного течения (у = 0). Стационарный режим в пограничном слое наступает значительно раньше, чем в обтекаемом датчике.
Таким образом, вычисление градиентов температуры и упругости пара в пограничном слое должно основываться на рассмотрении уравнений ламинарного пограничного слоя, записанных для плоского стационарного потока несжимаемой жидкости с переменными характеристиками.
Для плоской тонкой пластины, находящейся в потоке, скорость которого V= const, из уравнения (3.13) следует, что Р = const. При этом в уравнениях (3.9) и (3.11) члены с dP/dx = 0. Для условий вынужденной конвекции можно пренебречь членом pg в уравнении (3.11) (действие силы тяжести на единицу массы воздуха). Учитывая, что в свободной атмосфере водяной пар составляет малую примесь, диффузионный перенос тепла (член pD(CP-Cpn) — в уравнении (3.9))..
Кроме того, для характерных скоростей подъёма радиозондов (V 15 м/с) в уравнении (3.9) можно пренебречь членом /j.{dV/dz)2 (теплота трения). Можно пренебречь также изменениями плотности воздуха, в зависимости от содержания водяного пара, поскольку эти изменения не превышают 0,1%/?. Далее, в уравнении (3.10) рп можно заменить на е из выражения (3.3). Подставив (3.21) в (3.8), можно получить уравнения, связывающие температуру и давление пара на поверхности движущегося в атмосфере тела с действительными параметрами атмосферы с учётом влияния на него различных неинформативных параметров и внешних влияющих величин.
Влияние радиационных факторов на погрешности температурного канала системы радиозондирования атмосферы
Влияние радиационных факторов на результаты измерения температуры при радиозондировании атмосферы проявляется в виде радиационной погрешности. Она возникает вследствие воздействия на датчик как внешних, так и внутренних источников тепла, определяющих собственное излучение поверхности датчика. К внешним факторам относятся: прямая и отраженная от подстилающей поверхности солнечная радиация, тепловое излучение земли и атмосферы, к внутренним - тепло, выделяемое при протекании электрического тока через чувствительный элемент датчика, собственное излучение поверхности датчика. Радиационная погрешность зависит от свойств датчика и среды, определяющих характер и интенсивность конвективного и радиационного теплообмена.
На отечественной сети аэрологических станций для исключения радиационных погрешностей используются так называемые «радиационные поправки», полученные методом «день минус ночь» [26, 27, 99]. Метод основан на сопоставлении простейших уравнений теплового баланса датчика температуры, записанных для случаев дневного и ночного зондирования. Метод позволяет в первом приближении получить величину радиационного перегрева датчика относительно температуры воздуха. Для определения радиационных поправок были использованы результаты около 2000 выпусков радиозондов РКЗ, взятых с аэрологических станций за несколько лет. На величину «разности» оказывали влияние такие факторы, как нахождение радиозондов на различной высоте, инструментальные ошибки самого прибора, возможная адвекция тепла от дня к ночи и т.д. Приближенно учитывался и суточный ход температуры на высотах. Для высот более 25км и зенитных углов солнца менее 20 данные получены путём экстраполяции. В целом, этот метод, сыгравший большую положительную роль в развитии радиозондирования, в настоящее время не может считаться корректным. Полученные с его помощью радиационные поправки требуют пересмотра и детального анализа.
Для проведения расчётов А(В) прежде всего необходимо уточнить рабочие условия радиозондирования и ряд входящих в уравнение (4.3) коэффициентов.
Параметры атмосферы, используемые для расчёта по уравнению (4.3) и описывающие рабочие условия применения радиозондов, представлены в [6]. В качестве среднего вертикального профиля температуры воздуха использована стандартная атмосфера по ГОСТ 4401-81. Крайние возможные значения температуры на различных высотах в атмосфере, «холодная» и «теплая» атмосфера взяты из [106]. Величины интегральных потоков прямой и отраженной солнечной радиации — по стандартной радиационной модели атмосферы АКДС-64. Данные о вертикальном распределении длинноволнового излучения земли и атмосферы заимствованы из [87].
«Тело» терморезистора ММТ-1, строго говоря, нельзя отнести к бесконечно длинному цилиндру, поскольку отношение диаметра к длине (»1/5) невелико. В этих условиях целесообразна постановка специального эксперимента по определению коэффициента конвективного теплообмена тела терморезистора ММТ-1 для реальных атмосферных условий.
Эксперимент заключался в перегреве терморезистора током непосредственно в полёте, регистрации кривой восстановления его температуры, определении коэффициента термической инерции Твое по скорости восстановления температуры.
Для исключения влияния солнечной радиации эксперименты производились в тёмное время суток. В полёт выпускались радиозонды МАРЗ 2-2 с двумя терморезисторами типа ММТ-1 и специальным устройством, позволяющим производить нагрев одного из терморезисторов. Терморезисторы перед выпуском подвергались индивидуальной поверке в термостате «Градус» с помощью образцового платинового термометра сопротивления ТСПН-1.
Перегрев исследуемого терморезистора составлял 10-15С. Время регистрации кривой восстановления температуры терморезистора — 100 - 120 с - достаточно для полной записи процесса. Коэффициент термической инерции восстановления температуры тВос перегретого терморезистора определялся как время, в течение которого первоначальная разность температур уменьшалась в ераз. Показания обоих терморезисторов снимались через каждые 5с. В процессе обработки находились разности их температур (А7) как функции времени и определялось значение Твое Описываемая методика определения тВос отличается от общепринятой, так как вместо изменения измеряемой величины (температуры воздуха) создавался скачок температуры только тела терморезистора, в то время как токоподводы терморезистора и арматура датчика оставались при температуре среды. В результате «восстановление» температуры датчика ускоряется за счёт оттока тепла в более холодные провода.
Величины Адз и АА определены в [89] лишь для спектральной области 0,2-15мкм и не являются достаточно надежными для более длинноволнового излучения. Отметим, что эти коэффициенты полагаем равными вследствие близости спектрального состава излучения земли и атмосферы. Для уточнения этих коэффициентов решена обратная задача — определение коэффициентов Адз и АА из уравнения (4.3) по известному радиационному перегреву (охлаждению) терморезистора с привлечением экспериментальных данных. Были использованы результаты около 20 выпусков радиозондов с терморезисторами типа ММТ-1 и тонкопроволочными термометрами сопротивления.
