Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор дистанционных методов исследования поля скорости ветра 14
1.1. Дистанционные методы исследования поля скорости ветра 14
1.2. Анализ работы доплеровских содаров 17
1.3. Анализ метода "счета нулей" 30
1.4. О точности определения скорости ветра методом A3 34
Глава 2. Трехкомпонентный доплеровский содар 40
2.1. Вертикальный доплеровский содар 40
2.2. Двухкомпонентный наклонный доплеровский содар . 46
2.3. Сопоставление дистанционных и прямых измерений скорости ветра 57
Глава .3. Радиосодарный комплекс 68
3.1. Назначение, состав и параметры радиосодарного комплекса 69
3.2. Система измерения 74
3.3. Измерение температуры методом РАЗ 81
3.4. Система автоматического сбора, обработки и визуализации данных 90
3.5. Проверка и сопоставление измерений и С Дистан ционными и прямыми методами 96
Глава 4. Примеры применения трехкомпонентного содара и радиосодара в исследованиях АПС 105
4.1. Структура поля скорости ветра при различных типах стратификации 107
4.2. Связь вертикальной компоненты скорости ветра с движением турбулизированных слоев 122
4.3. Радиосодарный мониторинг полей скорости ветра температуры и 131
4.4. Использование содарных данных для параметризации АПС 134
Заключение 139
Литература 141
- Дистанционные методы исследования поля скорости ветра
- Сопоставление дистанционных и прямых измерений скорости ветра
- Система автоматического сбора, обработки и визуализации данных
- Связь вертикальной компоненты скорости ветра с движением турбулизированных слоев
Введение к работе
Потребность в оперативном и непрерывном наблюдении атмосферного пограничного слоя (АПС), вызванная необходимостью решения как практических, так и научных задач, способствовала развитию дистанционных методов определения метеорологических и турбулентных параметров атмосферы - акустического и радиоакустического зондирования / 1-Ю/.
Акустическое зондирование (A3) основано на способности звуковых волн рассеиваться на неоднородностях плотности воздуха, вызванных турбулентными пульсациями температуры и скорости ветра / II/. Эффективное сечение рассеяния 6"( (Я звуковой волны свя-зано со структурными характеристиками флуктуации температуры Ьт и скорости ветра Cv следующим соотношением /12/ :
где Рр - мощность рассеянного сигнала, г0 - мощность падающей волны, К - волновое число . падающей волны, v - угол рассеяния, Сзв - скорость звука, - абсолютная температура.
При рассеянии на движущихся неоднородностях частота рассеянного сигнала смещается относительно излученной на величину доп-леровского сдвига Д^п, / 13,14/ :
где і и L - частоты рассеянной и излученной волн, соответст-венно, кь и к0 - волновые вектора этих волн, V - скорость движения расееивателей, которая совпадает со скоростью ветра. Таким образом, по сдвигу частоты рассеянного сигнала можно определить компоненту скорости ветра вдоль направления зондирования. При моностатической схеме зондирования, т.е. когда источник и приемник совмещены (I/ = I8Q ) , &(Р) зависит только от интенсивности температурных флуктуации, что позволяет количественно
определить величину Ст по измерениям интенсивности сигнала, рассеянного назад /1,15 /.
Радиоакустическое зондирование (РАЗ) основано на зависимости
и скорости ветра . .
скорости звука от температуры, которые связаны соотношением / 3 /:
С^АУТ+Л, (в.з)
где А - коэффициент, слабо зависящий от влажности и температуры, W|| - компонента скорости ветра вдоль направления распространения звуковой волны. Этот метод заключается в доплеровской радиолокации акустического сигнала, создающего периодическую неоднородность показателя преломления воздуха, от которой происходит отражение радиоволны. Доплеровский сдвиг частоты радиоволны определяется скоростью распространения звука /10/ :
где к0 и кр - волновые вектора падающей и отраженной радиоволн, соответственно.
При вертикальном распространенииволн Мц равно вертикальной компоненте скорости ветра iff , среднее значение которой, как правило, близко к нулю. При этом Сзь=АтТ , что позволяет определить профиль температуры вдоль трассы зондирования. Для осуществления этого метода, т.е. для получения достаточной интенсивности отраженного сигнала и необходимой точностнопределения
условия температуры, необходимо выполнение когерентного сложения волн,
отраженных от различных периодов звуковой решетки (условие Брэгга), которое связывает волновые числа акустической и радиоволн соотношением /10 / :
ka=2kecoef (в>5)
где 7 - угол между направлениями этих волн*
- б -
Теоретические основы акустического зондирования были заложены в начале 50-х годов А.М.Обуховым/II/ и были затем развиты В.И. Татарским /12/ и А.С.Мониным/ 16/ Первое экспериментальное подтверждение возможности изучения атмосферной турбулентности по рассеянию звуковых волн было получено в 1958 г. М.А.Каллистрато-вой/17,18/ . В 1968 г. этот метод был применен для исследования температурной турбулентности в тропосфере Макалистером, создавшим первый акустический локатор (содар). Регистрация интенсивности эхо-сигнала, характеризующего интенсивность температурных флуктуации, производилась с помощью факсимильной записи/4/ . В 1971 г. под руководством Берана/ 5/ был разработан доплеровский содар для измерения вертикальной компоненты скорости ветра, а в 1974 г. были проведены первые измерения горизонтальной скорости ветра /19 / .
Достоинства нового метода, продемонстрированные в этих первых работах, способствовали его интенсивному развитию. С появлением современных микроЭВМ начали создаваться трехкомпонентные доплеро-вские содары, которые позволяют практически в реальном масштабе времени одновременно измерять вертикальные профили трех компонент скорости ветра и 0Т до высот несколько сот метров с точностью, не уступающей точности традиционных методов. В настоящее время в мире насчитывается более 400 установок акустического зондирования, значительная часть из которых промышленного изготовления / 2 / . В СССР существует 5 установок A3 /15,20-30/.
Метод радиоакустического зондирования был описан Атласом в 1962 г./ 3/. Однако первая удачная реализация этого метода была осуществлена лишь в 1972 г. Маршалом / б/, что в свою очередь послужило толчком к появлению значительного количества теоретических работ, посвященных оценкам точности и возможностей метода РАЗ/ 10,39-44 /. К настоящему времени в литературе описано 7 ус-
тановок РАЗ [6-8, 45-55] , 4 из них используются для конкретных исследований АПС [38, 46, 52, 53] .
Большие перспективы открываются при совместном использовании методов A3 и РАЗ, что дает возможность одновременно определять структуру полей основных метеопараметров: скорости ветра и температуры, а также турбулентных характеристик АПС. Комбинированная установка АЗ-РАЗ для одновременных измерений скорости ветра и температуры существует в ФРГ [53] . В Швейцарии ведутся работы по созданию аналогичной установки [56] . В ИФА АН СССР в 1980 г. была разработана и испытана совмещенная установка АЗ-РАЗ для из-мерения температуры, Ьт и вертикальной компоненты скорости ветра [57, 58] . В 1982 г. на основе этой установки и содарного анемометра [59] был разработан и изготовлен автоматизированный радиосодарный комплекс радиосодар для одновременных измерений вертикальных профилей величины и направления скорости ветра V , температуры и структурной характеристики флуктуации температуры С* [GO-62].
Результаты синхронных оперативных измерений полей скорости ветра, температуры и Ст могут быть использованы при решении, ряда практических и научных задач, среди которых можно выделить следующие:
проблема диффузии загрязняющих примесей антропогенного происхождения, связанная с проблемой охраны окружающей среды;
проблема контроля астроклиматических условий при работе локационных и навигационных лазерных устройств, астрономических телескопов;
проблема обеспечения безопасности аэронавигации;
совершенствование прогноза погоды и теории климата;
параметризация и совершенствование моделей АПС.
Применение радиосодарных комплексов для регулярных и опера-
тивных наблюдений может оказаться полезным в системе Гидрометеослужбы.
Значительные трудности в плане практической реализации представляет создание допплеровского трехкомпонентного содара для длительных оперативных наблюдений. Эти трудности связаны с необходимостью накопления и обработки большого объема информации в реальном масштабе времени, что возможно только путем использования ЭШ. В связи с тем, что в начале 80-х годов в Советском Союзе отсутствовали подобные установки, первой целью диссертации было создание автоматизированной установки A3 для длительных оперативных измерений вертикальных профилей трех компонент скорости ветра. Поскольку структура ветрового поля в АПС существенным образом определяется турбулентным режимом, который зависит от условий стратификации, то при исследовании его необходимо иметь дополнительную информацию о характере стратификации, которую можно получить с помощью методов A3 и РАЗ. Поэтому второй целью диссертации являлось создание комплексной установки АЗ-РАЗ радиосодара для одновременных измерений вертикальных профилей скорости ветра, тем-пературы и Ьт . Третья цель диссертации заключалась в демонстрации возможности применения этой установки для геофизических исследований нижней части АПС.
Для осуществления этих целей были решены следующие основные задачи:
I. Разработана и изготовлена аппаратура акустического и радиоакустического зондирования:
а) трехкомпонентный допплеровский содар, состоящий из вер-
тикального содара для измерения гсг и СФ , и двух-
компонентного наклонного для измерения величины и нап
равления горизонтальной скорости ветра;
б) система автоматического сбора, числовой обработки и ви-
зуализации данных на базе микро-ЭШ "Электроника ДЗ-28"; в) пригодный для работы в экспедиционных условиях радио-содарный комплекс для синхронных измерений V , Т и Ст до высот несколько сот метров.
Разработана методика проведения измерений радиосодаром в различных режимах работы.
Для подтверждения достоверности радиосодарных измерений проведены сопоставления с прямыми измерениями скорости ветра, температуры и Ст на 36-метровой мачте.
Проведен ряд геофизических исследований:
а) исследована структура поля скорости ветра в сопостав
лении с видом факсимильных записей пространственно-вре
менной структуры температурной турбулентности при неко
торых типах стратификации;
б) исследована связь вертикальных движений турбулизирован-
ных слоев с направлением вертикальной компоненты скорос
ти ветра;
в) продемонстрирована возможность использования для пара
метризации АПС содарных данных и результатов синхрон
ных с ними измерений турбулентных характеристик призем
ного слоя прямыми (пульсациоиными) методами.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Предложен новый принцип фильтрации допплеровского сигнала наклонного содара, заключающийся в предварительном поиске узкополосного сигнала в широком диапазоне частот и последующей его обработке в узкой полосе частот.
Создан автоматизированный радиосодарный комплекс для син-хронных дистанционных измерении скорости ветра, температуры и Ц , не имеющий аналогов в мире.
Проведена типизация профилей скорости ветра в сопоставлении с видом пространственно-временной структуры температурной тур-
булентности для условий устойчивой и неустойчивой стратификации.
Выявлена связь вертикальных движений турбулизированных слоев с направлением вертикальной компоненты скорости ветра.
Показана возможность параметризации АПС путем использования содарных измерений скорости ветра и измерений турбулентных параметров приземного слоя прямыми (пульсационными) методами.
Основные практические результаты работы заключаются в следующем:
Создана комплексная автоматизированная система для дистанционного зондирования нижней части АПС методами A3 и РАЗ, позволяющая получать оперативную наглядную информацию о вертикальной структуре полей скорости ветра, температуры и ее флуктуации.
Проведены натурные испытания радиосодарного комплекса, в ходе которых отработана методика синхронных измерений скорости ветра, температуры и Ст , осуществлены сопоставления результатов дистанционных и прямых измерений, и продемонстрирована возможность длительных непрерывных оперативных наблюдений АПС.
Данные радиосодарных измерений о структуре АПС и полученные на их основе результаты показали полезность и перспективность использования такого рода измерительных комплексов как для геофизических исследований атмосферы, так и при решении практических задач, что может найти применение в системе Гидрометеослужбы и при контроле загрязнений атмосферы.
Данная диссертация является очередным шагом в развитии методов A3 и РАЗ и их использования для геофизических исследований АПС. Осуществление одновременного измерения вертикальных профилей скорости ветра, температуры и возможность оперативного получения информации в наглядном виде непосредственно в ходе эксперимента открывают возможность более детального исследования пространственно-временной структуры полей метеорологических и турбулентных па-
II -
раметров АПС для решения тех научных и практических задач, о которых говорилось выше. На защиту выносятся:
Метод обработки допплеровского сигнала при измерениях горизонтальной скорости ветра с помощью наклонного допплеровского акустического локатора.
Методика и аппаратура для оперативных синхронных дистанционных измерений скорости ветра, температуры и структурной характеристики флуктуации температуры СФ в нижней части АПС с помощью акустического и радиоакустического зондирования.
Обоснование надежности и точности радиосодарных измерений скорости ветра, температуры и структурной характеристики флуктуации температуры, проведенное путем сопоставления результатов одновременных измерений этих параметров методами акустического и радиоакустического зондирования и прямыми методами на 36-метровой мачте и самолете.
Экспериментальные результаты исследования пространственно-временной структуры полей скорости ветра и температурной турбулентности в нижней части атмосферного пограничного слоя при различных типах стратификации.
Обоснование пригодности радиосодарных измерений для мониторинга метеорологических условий и исследования геофизических процессов в нижней части атмосферного пограничного слоя в конвективных и инверсионных условиях.
Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на УІ Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1980г.) , ХШ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Горький, 1981г.) , УІ Всесоюзном совещании по радиометеорологии (Таллин, 1982г.) , УП Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмос-
феры (Томск, 1982г.) , семинаре по проекту КАПГ-І5 (Хуранов, ЧССР, 1983г.) , ХІУ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Ленинград, 1984г.) , итоговом заседании Ученого совета ЙФА АН СССР за 1983г., на семинарах ША АН СССР.
Содержание диссертации является частью работы, проводимой в Радиоакустической лаборатории ИМ АН СССР, по развитию методов акустического и радиоакустического зондирования и их применению в геофизических исследованиях атмосферного пограничного слоя. Автор принимал непосредственное участие в разработке и изготовлении электронной части аппаратуры, в разработке методики измерений, в проведении всех измерений и обработке их результатов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии.
В главе I дается обзор существующих активных дистанционных методов исследования поля скорости ветра в АПС. Подробно рассматривается метод акустического зондирования и проводится анализ работы существующих допплеровских содаров. Обосновывается возможность использования метода "счета нулей" для измерения допшіеровской частоты рассеянного сигнала. Проводится анализ точности измерения скорости ветра методом A3.
В главе 2 описывается устройство трехкомпонентного допплеровс-кого содара ША АН СССР. Рассматривается методика измерений скорости ветра данным содаром. Приводятся результаты сравнений содар-ных и анемометрических измерений скорости ветра.
Дистанционные методы исследования поля скорости ветра
Значительные трудности в плане практической реализации представляет создание допплеровского трехкомпонентного содара для длительных оперативных наблюдений. Эти трудности связаны с необходимостью накопления и обработки большого объема информации в реальном масштабе времени, что возможно только путем использования ЭШ. В связи с тем, что в начале 80-х годов в Советском Союзе отсутствовали подобные установки, первой целью диссертации было создание автоматизированной установки A3 для длительных оперативных измерений вертикальных профилей трех компонент скорости ветра. Поскольку структура ветрового поля в АПС существенным образом определяется турбулентным режимом, который зависит от условий стратификации, то при исследовании его необходимо иметь дополнительную информацию о характере стратификации, которую можно получить с помощью методов A3 и РАЗ. Поэтому второй целью диссертации являлось создание комплексной установки АЗ-РАЗ радиосодара для одновременных измерений вертикальных профилей скорости ветра, тем-пературы и Ьт . Третья цель диссертации заключалась в демонстрации возможности применения этой установки для геофизических исследований нижней части АПС.
Для осуществления этих целей были решены следующие основные задачи: I. Разработана и изготовлена аппаратура акустического и радиоакустического зондирования: а) трехкомпонентный допплеровский содар, состоящий из вер тикального содара для измерения гсг и СФ , и двух компонентного наклонного для измерения величины и нап равления горизонтальной скорости ветра; б) система автоматического сбора, числовой обработки и визуализации данных на базе микро-ЭШ "Электроника ДЗ-28"; в) пригодный для работы в экспедиционных условиях радио-содарный комплекс для синхронных измерений V , Т и Ст до высот несколько сот метров. 2. Разработана методика проведения измерений радиосодаром в различных режимах работы. 3. Для подтверждения достоверности радиосодарных измерений проведены сопоставления с прямыми измерениями скорости ветра, температуры и Ст на 36-метровой мачте. 4. Проведен ряд геофизических исследований: а) исследована структура поля скорости ветра в сопостав лении с видом факсимильных записей пространственно-вре менной структуры температурной турбулентности при неко торых типах стратификации; б) исследована связь вертикальных движений турбулизирован ных слоев с направлением вертикальной компоненты скорос ти ветра; в) продемонстрирована возможность использования для пара метризации АПС содарных данных и результатов синхрон ных с ними измерений турбулентных характеристик призем ного слоя прямыми (пульсациоиными) методами. Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Предложен новый принцип фильтрации допплеровского сигнала наклонного содара, заключающийся в предварительном поиске узкополосного сигнала в широком диапазоне частот и последующей его обработке в узкой полосе частот. 2. Создан автоматизированный радиосодарный комплекс для син-хронных дистанционных измерении скорости ветра, температуры и Ц , не имеющий аналогов в мире. 3. Проведена типизация профилей скорости ветра в сопоставлении с видом пространственно-временной структуры температурной турбулентности для условий устойчивой и неустойчивой стратификации. 4. Выявлена связь вертикальных движений турбулизированных слоев с направлением вертикальной компоненты скорости ветра. 5. Показана возможность параметризации АПС путем использования содарных измерений скорости ветра и измерений турбулентных параметров приземного слоя прямыми (пульсационными) методами. Основные практические результаты работы заключаются в следующем: 1. Создана комплексная автоматизированная система для дистанционного зондирования нижней части АПС методами A3 и РАЗ, позволяющая получать оперативную наглядную информацию о вертикальной структуре полей скорости ветра, температуры и ее флуктуации. 2. Проведены натурные испытания радиосодарного комплекса, в ходе которых отработана методика синхронных измерений скорости ветра, температуры и Ст , осуществлены сопоставления результатов дистанционных и прямых измерений, и продемонстрирована возможность длительных непрерывных оперативных наблюдений АПС. 3. Данные радиосодарных измерений о структуре АПС и полученные на их основе результаты показали полезность и перспективность использования такого рода измерительных комплексов как для геофизических исследований атмосферы, так и при решении практических задач, что может найти применение в системе Гидрометеослужбы и при контроле загрязнений атмосферы. Данная диссертация является очередным шагом в развитии методов A3 и РАЗ и их использования для геофизических исследований АПС. Осуществление одновременного измерения вертикальных профилей скорости ветра, температуры и возможность оперативного получения информации в наглядном виде непосредственно в ходе эксперимента открывают возможность более детального исследования пространственно-временной структуры полей метеорологических и турбулентных параметров АПС для решения тех научных и практических задач, о которых говорилось выше. На защиту выносятся: 1. Метод обработки допплеровского сигнала при измерениях горизонтальной скорости ветра с помощью наклонного допплеровского акустического локатора. 2. Методика и аппаратура для оперативных синхронных дистанционных измерений скорости ветра, температуры и структурной характеристики флуктуации температуры СФ в нижней части АПС с помощью акустического и радиоакустического зондирования.
Сопоставление дистанционных и прямых измерений скорости ветра
Возросший в последние годы интерес к дистанционным методам зондирования объясняется резким увеличением объема эксперимен -тальных исследований АПС, выполнение которых невозможно только традиционными локальными методами - с помощью измерений на вы -сотных метеорологических мачтах, радиозондах, самолетах, привязных аэростатах и шарах-пилотах. В основе активных дистанционных методов зондирования лежит способность электромагнитных и звуковых волн рассеиваться на различных неоднородностях, присутствующих в атмосфере. При радиолокационном зондировании используется рассеяние на гидрометеорах, насекомых и неоднородностях показате-?:; ля преломления, образованных турбулентностью; при лазерном - на молекулах атмосферных газов и аэрозоле; при акустическом - на турбулентных неоднородностях показателя преломления; при радиоакустическом - на периодической структуре показателя преломления, образованной дополнительным акустическим излучением. По параметрам рассеянного сигнала можно определить абсолютные значения скорости ветра, температуры и их флуктуационные характеристики. Дистанционные методы лишены многих недостатков, присущих тради -ционным локальным измерениям - дискретности в пространстве и времени, возмущения полей метеопараметров из-за присутствия в воз -духе измерительных приборов, дороговизны измерений с летателъ -ных аппаратов и строительства высотных метеорологических мачт. С помощью современной вычислительной техники активные методы дистанционного зондирования позволяют производить измерения не прерывно, в реальном масштабе времени, практически одновременно во всем диапазоне высот, доступных данному методу. Относитель -ная компактность измерительных установок позволяет доставлять и быстро развертывать их в труднодоступных местах (например, в горных местностях).
Рассмотрим теперь подробнее существующие дистанционные методы измерения скорости ветра. 1. Радиолокационное зондирование. Измерение скорости ветра основывается на турбулентных флуктуациях температуры, влажности, гидрометеорах и насекомых. С помощью импульснокогерентного рада ра в настоящее время измеряют скорость ветра с точностью +1 м/с с пространственным разреиюнием 300-1000 м в интервале высот 4-20 км /66/. Импульсные локаторы, пригодные для измерений в АПС,только начинают разрабатываться. Более перспективным в этом плане является когерентный непрерывный частотно-модулированный локатор /67-69/, который позволяет измерять скорости ветра с точностью +0,3 м/с, с пространственным разрешением в несколько десятков метров и в интервале высот 150-1000 м. К его недостаткам следует отнести низкую чувствительность в отсутствие осадков. В настоя -щее время прилагаются усилия для усовершенствования радаров такого типа. 2. Лазерное зондирование. Измерение скорости ветра непре рывным лидаром с длиной волны 10,6 мкм, основанное на доплеров ском смещении частоты сигнала при рассеянии на аэрозоле, воз можно с точностью 4 0,1 м/с, с пространственным разрешением м, на высотах 20-400 м /70/. Этот способ пригоден в погоду без осадков и дальности видимости не лучше ЗО гал. Является недостаточно оперативным из-за необходимости последовательной фокусировки пучка на дискретных высотах. Были проведены сравнения с локальными измерениями, давшие удовлетворительные ре зультаты. В настоящее время разрабатывается импульсный вариант доплеровского лидера с большей оперативностью и дальностью /71/. В- стадии разработки находится еще один способ измерения скорости смещения аэрозольных рассеивателей путем взаимного корреляционного анализа интенсивности рассеянного сигнала при сканировании луча лидара /72-73/. Точность таких измерений составляет +0,3 м/с при разрешении 40 м на высотах 50-800 м. Этот метод также пригоден только ночью в погоду без осадков при дальности видимости не лучше 10-15 км. При измерениях требуется сложная статистическая обработка, имеются удовлетворительные сравнения с локальными измерениями. 3. Радиоакустическое зондирование. Этот метод зондирования основан на измерении скорости звука, зависящей от температуры и скорости ветра, путем лоцирования звукового импульса непрерывным радиоизлучением /3/. Для получения максимальной интенсивности отраженного сигнала и необходимой точности измерения скорости звука длины акустической и радиоволн должны удовлетворять условию Брэгга А(? 2Яа /ю/. Измерение скорости ветра производится по доп-леровскому сдвигу частоты сигнала при одновременном или последо -вате льном зондировании в 4-х направлениях /74/. При использовании двухлучевой схемы РАЗ /49, 50/ оперативность измерений существенно возрастает. Возможен еще один способ определения скорости ветра - по сдвигу местоположения максимума рассеянного сигнала, вызванному поворотом звукового "зеркала» из-за ветровой рефракции /45/. Точность измерений + (0,3-0,5) м/с, пространственное разрешение 10-30 м, высота зондирования 20-400 м. Второй способ является неоперативным, т.к. требует последовательного определения сдвига для дискретных высот, и для обработки требуется применение иттерационных методов. Были проведены сравнения с локальными измерениями. Оба способа находятся в стадии разработки. 4. Акустическое зондирование. Определение скорости ветра производится путем измерения доплеровского смещения частоты сигна -ла, рассеянного на турбулентных флуктуациях температуры и скорости ветра. Точность измерений составляет + (0,3-0,5) м/с, про -странственное разрешение - 15-20 м, высота зондирования - до I км.
Система автоматического сбора, обработки и визуализации данных
Моностатическая конфигурация обладает по сравнению с биста-тической рядом преимуществ: 1) антенны могут быть расположены рядом друг с другом для удобства монтажа, 2) отсутствует необходимость юстировки антенн, 3) за один проход зондирующего импульса информация поступает со всех высот, 4) применяемые в бистатических схемах антенны с веерообразной диаграммой направленности имеют сильные боковые лепестки, и при использовании их в качестве приемников они восприимчивы к внешним шумам, а в качестве излучателей действуют раздражающе на окружающих, 5) антенны могут быть развернуты в сторону, противоположную от источников шума. Вместе с тем, моностатическая схема имеет и некоторые недостатки. 1) Меньшая интенсивность рассеянного сигнала, т.к. рассеяние происходит только на температурных неоднородностях. Поэтому при нейтральной стратификации рассеянный сигнал может быть на -столько мал, что измерения будут невозможны. 2) Разнесённость рассеивающих объемов, в которых произво -дится измерение компонент скорости ветра. Но при осреднении данных по нескольким минутам это несущественно, т.к. при этом дан -ные относятся к объемам воздуха, имеющим большую горизонтальную протяженность, значительно превышающую расстояние между рассеивающими объемами.
Частота зондирующего акустического сигнала выбирается, исходя из двух соображений /77/. Во-первых, коэффициент затухания звуковой волны, пропорциональный квадрату частоты, должен быть невелик. Во-вторых, она не должна попадать в область спектра внешних акустических шумов, лежащую в основном ниже І кгц. В большинстве существующих содаров используются частоты от І до 3 кгц. Длительность зондирующих импульсов обычно составляет 100-200 ілс, что соответствует пространственному разрешению 17-34 м. Излучаемая акустическая мощность современных содаров колеблется в широких пределах: от нескольких ватт до нескольких сот ватт. В Англии, например, существует содар, приемно-передающая система которогоозостоит из 81 электроакустического преобразователя по 100 вт каждый /76/.
Для измерения доплеровского сдвига частоты рассеянного сигнала применяются различные способы. В первом моностатическом доплеровском содаре /5/ принятый акустический сигнал записывался на аналоговый магнитофон с івіосош частот шире, чем несущая частота. Записанный сигнал затем пропускался через двухканаль -ный цифровой волновой анализатор. После этого на двухкоординат-ном самописце рисовались спектры излученного и принятого сигналов, по которым оценивался доплеровский сдвиг. Этот метод обла -дал малой оперативностью. Похожая методика использовалась в /23/. Принятый сигнал также вначале записывался на аналоговый магнитофон, а затем обрабатывался с помощью аналогового спектроанализа-тора. В работе /78/ применялся спектроанализатор, информация с которого поступала в ЭВМ, что позволяло получать спектр сигнала в реальном масштабе времени.
Мак Аллистер использовал аналоговый следящий фильтр, выходное напряжение которого пропорционально разности принятой и излученной частот, что позволяло получать профили скорости ветра в реальном масштабе времени. Подобный метод применен в /79/. Однако, при малых соотношениях сигнал/шум этот метод малопригоден.
С развитием цифровой схемотехники и появлением микроэвм широкое распространение получили цифровые методы определения доп-леровского сдвига частоты. Многими исследователями для расчета спектра сигналов используется быстрое преобразование Фурье (БПФ) /21, 28,80/. Но, хотя методы БПФ продемонстрировали своб ползе-ность, они являются излишне громоздкими. Дело в том, что для ветровых измерений в действительности нужен только первый момент доплеровского спектра, а не полный спектр, даваемый методом БПФ.
Более простой способ определения доплеровского сдвига частоты был развит Оуэнсом /75/. В основе метода реальной корреляции, предложенного им, лежит следующий алгоритм: где - доплеровский сдвиг частоты измеряемого сигнала, ts - период выборки, jf - объем выборки, - дискретные выборки сигнала, % - гетеродинированная несущая частота. Как правило, предварительно производится гетеродинирование обрабатываемого сигнала для уменьшения частоты дискретизации и соответствующего уменьшения требуемого объема машинной памяти и времени вычислений. Сирманом и Бумзарнером /Г/ был предложен метод комплексной корреляции, основанный на следующем алгоритме /81/:
В /81/ этот метод реализуется таким образом: после широкополосной фильтрации С 300 Гц) принятый сигнал перемножается с несущей частотой, и отдельно с несущей, сдвинутой по фазе на 90, давая, соответственно, I и Ц компоненты. После смете -ния сигналы пропускаются через низкочастотные фильтры (0-200 Гц) и затем подвергаются отцифровке. Во избежание элайзинга частота выборки должна приблизительно равняться частоте фильтров на уровне половинной мощности.
Хорошие результаты дает также метод "счета нулей» /82-85/, заключающийся в измерении промежутков времени между последова -тельными пересечениями сигналом нулевого уровня. В /83, 84/ измерение частоты производится путем формирования импульса (вре -мегшого интервала), длительность которого равна нескольким десяткам периодов измеряемого сигнала. Измерение же длительно -сти временного интервала осуществляется путем счета количества импульсов высокой частоты (0,5 МГц), заполняющих временной интервал. Частота сигнала определяется по формуле где г0 - частота заполнения временного интервала, 1&и - измеренное количество импульсов, М - число периодов измеряемого сигнала.
Связь вертикальной компоненты скорости ветра с движением турбулизированных слоев
Мак Аллистер использовал аналоговый следящий фильтр, выходное напряжение которого пропорционально разности принятой и излученной частот, что позволяло получать профили скорости ветра в реальном масштабе времени. Подобный метод применен в /79/. Однако, при малых соотношениях сигнал/шум этот метод малопригоден. С развитием цифровой схемотехники и появлением микроэвм широкое распространение получили цифровые методы определения доп-леровского сдвига частоты. Многими исследователями для расчета спектра сигналов используется быстрое преобразование Фурье (БПФ) /21, 28,80/. Но, хотя методы БПФ продемонстрировали своб ползе-ность, они являются излишне громоздкими. Дело в том, что для ветровых измерений в действительности нужен только первый момент доплеровского спектра, а не полный спектр, даваемый методом БПФ. Более простой способ определения доплеровского сдвига частоты был развит Оуэнсом /75/. В основе метода реальной корреляции, предложенного им, лежит следующий алгоритм: где л$л - доплеровский сдвиг частоты измеряемого сигнала, ts - период выборки, jf - объем выборки, Д - дискретные выборки сигнала, % - гетеродинированная несущая частота. Как правило, предварительно производится гетеродинирование обрабатываемого сигнала для уменьшения частоты дискретизации и соответствующего уменьшения требуемого объема машинной памяти и времени вычислений. Сирманом и Бумзарнером /Г/ был предложен метод комплексной корреляции, основанный на следующем алгоритме /81/: В /81/ этот метод реализуется таким образом: после широкополосной фильтрации С 300 Гц) принятый сигнал перемножается с несущей частотой, и отдельно с несущей, сдвинутой по фазе на 90, давая, соответственно, I и Ц компоненты. После смете -ния сигналы пропускаются через низкочастотные фильтры (0-200 Гц) и затем подвергаются отцифровке. Во избежание элайзинга частота выборки должна приблизительно равняться частоте фильтров на уровне половинной мощности. Хорошие результаты дает также метод "счета нулей» /82-85/, заключающийся в измерении промежутков времени между последова -тельными пересечениями сигналом нулевого уровня. В /83, 84/ измерение частоты производится путем формирования импульса (вре -мегшого интервала), длительность которого равна нескольким десяткам периодов измеряемого сигнала. Измерение же длительно -сти временного интервала осуществляется путем счета количества импульсов высокой частоты (0,5 МГц), заполняющих временной интервал. где г0 - частота заполнения временного интервала, 1&и - измеренное количество импульсов, М - число периодов измеряемого сигнала.
Сравнительный анализ различных методов измерения доплеров-ской частоты, произведенный Баудингом, показал значительное преимущество цифровых методов при обработке быстро флуктуирующего эхо-сигнала в присутствии реальных шумов /I/.
Из рассмотренных в предыдущем параграфе способов определения доплеровского сдвига частоты рассеянного сигнала нами был выбран метод "счета нулей". Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, он достаточно прост для практической реализации по сравнению с другими цифровыми методами, требующими значительного объема памяти ЭВМ и предъявляющими высокие требования к их быстродействию, если речь идет о необходимости проведения оперативных длительных наблюдений. К сожалению, в настоящее время мы не располагаем в полной мере микроэвм и микропроцессорами, удовлетворяющими этим требованиям. Во-вторых, как показано теорети -чески /85/ и экспериментально /83, 84/, этот метод обладает достаточно высокой точностью определения первого момента спектра. На рис. 6 представлены результаты экспериментальной проверки точности определения частоты этим методом. На вход измерительной системы, разработанной в ИФА АН СССР для установок радиоакустического и акустического зондирования, подавалась смесь монохроматического сигнала и узкополосного шума при различных соотношениях сигнал/шум ( S/c/v ). При 5уУ ;5йГ точность определения частоты при осреднении по 20 измерениям составляла 0,01 , что позволяет измерять оскорость ветра с точностью 0,02 м/с.
