Основные разделы

Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое

Жизнь и деятельность человека протекают в атмосфере Земли и зависят в значительной степени от ее состояния. Атмосфера - чрезвычайно сложный и динамичный объект, требующий для исследования соответствующих теоретических и экспериментальных методов. Традиционные контактные методы измерений не способны удовлетворить возрастающих требований к объему метеорологической информации. Основными их недостатками являются дискретность получаемых результатов в пространстве либо во времени и высокая стоимость высотных измерений, для выполнения которых используются специальные средства доставки датчика в исследуемую область: метеорологические мачты, аэростаты, самолеты, вертолеты, ракеты и т.д.

Поэтому в последнее время интенсивно развиваются методы дистанционного зондирования атмосферы электромагнитными и звуковыми волнами [1], позволяющие производить практически непрерывные измерения во всем доступном для данного метода диапазоне высот и обеспечивающие малые затраты на проведение повторных измерений. Значительные возможности по определению параметров атмосферы предоставляют методы радиоакустического зондирования (РАЗ).

Актуальность применения и развития РАЗ в Украине обусловлена наличием районов с высокой плотностью населения, расположением предприятий промышленного производства, в том числе экологически вредных - металлургических, энергетических, химических, значительным развитием воздушного транспорта и ядерной энергетики.

Метод и аппаратура РАЗ могут быть использованы для прогнозирования условий распространения УКВ и волн оптического диапазона, метеорологического обеспечения взлета и посадки самолетов, прогнозирования неблагоприятных метеорологических ситуаций, приводящих к повышенным уровням загрязнения атмосферного воздуха вредными промышленными выбросами, исследования термодинамических процессов, протекающих в атмосферном пограничном слое(АПС).

Цель работы: исследование возможностей сдвига ветра в приземном слое атмосферы с использованием систем радиоакустического зондирования, исследование потенциальных и методических погрешностей измерений и проведение предварительного метрологического анализа проектируемой системы радиоакустического зондирования атмосферы.

Выполнен аналитический обзор литературных источников, относящихся к рассматриваемой предметной области. Показано, что системы РАЗ характеризуются рядом особенностей, которые выделяют их в специфический класс локационных систем.

Существующие методы измерения параметров атмосферы делятся на две группы [2]: контактные и дистанционные. Среди дистанционных методов зондирования в настоящее время наиболее развиты и перспективны для практического применения следующие: радиолокационный, акустический, радиоакустический, лазерный.

Радиолокация занимает прочное место в исследованиях атмосферы и широко используется в практике метеонаблюдений [13]. Источниками рассеянного сигнала в метеорологических радиолокационных станциях (МРЛС) могут выступать как гидрометеоры [13] (капли дождя, частицы снега, тумана, облаков), так и турбулентные образования «ясного неба» [9, 11]. Некогерентные МРЛС, использующие рассеяние на гидрометеорах, предоставляют возможность определять свойства наблюдаемых метеообразований по энергетическим параметрам принимаемого сигнала, доплеровские (когерентные) станции этого типа позволяют дополнительно измерять динамические характеристики перемещения и эволюции метеообразований по спектру радиосигнала [10,12]. Информативными являются методы поляризационного распознавания классов метеообъектов, реализуемые как в когерентных, так и в некогерентных станциях.

В последнее время интенсивно развиваются доплеровские МРЛС вертикального зондирования, основанные на явлении рассеяния радиоволн турбулентными неоднородностями показателя преломления воздуха [8,10]. Эти станции, получившие название радиолокационных ветровых профилеров (РВП) [10], позволяют определять высотные профили скорости и направления ветра в диапазоне высот от 500 м до 15-20 км непосредственно над местом расположения РЛС. РВП представляют собой высокопотенциальные когерентно-импульсные РЛС дециметрового или метрового диапазонов. Высотное разрешение измерений составляет 150-500 м, время получения одного профиля от нескольких минут до одного часа [12].

Работа лазерных метеорологических локаторов - лидаров основана на рассеянии световых волн частицами атмосферного аэрозоля, а также молекулами кислорода, азота, натрия и др. [14,15]. Лидары способны оценивать скорости движения рассеивателей как в верхних слоях атмосферы (для этого используется ультрафиолетовый диапазон излучения), так и в нижних слоях (при использовании видимого и инфракрасного диапазонов). Скорость ветра определяется по доплеровскому сдвигу частоты рассеянного сигнала, либо путем оценивания скорости перемещения в пространстве рассеивающих структурных неоднородностей с использованием корреляционного анализа интенсивностей принимаемых сигналов.

Пространственное разрешение лидарных систем лучше, чем у РВП. Но выполнение лидарных измерений возможно только в темное время суток, а точность получаемых результатов существенно зависит от степени замутненности атмосферы.

Радиолокационные и лазерные средства позволяют получать ценную метеоинформацию с достаточно больших территорий и высот. Однако приземный и пограничный слои атмосферы, а также прилегающие к ним области высот, играющие чрезвычайно важную роль в жизнеобеспечении всего живого на Земле и формировании протекающих метеопроцессов, не могут быть детально исследованы существующими радиолокационными и лидарными станциями [2].

Большие возможности для исследования нижних слоев атмосферы предоставляют методы дистанционного зондирования с использованием звуковых волн - акустический и радиоакустический методы. Звуковые волны гораздо интенсивнее взаимодействуют с атмосферой, чем электромагнитные волны радио и оптического диапазонов, что, с одной стороны, расширяет их возможности по оцениванию метеопараметров, с другой стороны, снижает проникающую способность, а, следовательно, дальность зондирования. В соответствии с этим диапазон дальности акустических и радиоакустических локаторов ограничен, как правило, высотами порядка нескольких километров, а наиболее подходящим объектом для их использования является атмосферный пограничный слой (АПС) [2,4].

В методе радиоакустического зондирования (РАЗ) атмосферы определение метеопараметров осуществляется по характеристикам радиосигнала, отраженного от распространяющегося в атмосфере звука.

Дистанционное зондирование атмосферы акустическими волнами основано на рассеянии звуковых волн мелкомасштабными неоднородностями показателя преломления, обусловленными турбулентными флуктуациями температуры, скорости ветра и влажности.

За всю сорокалетнюю историю метода РАЗ отношение к нему исследователей и потенциальных потребителей информации неоднократно менялось от восторженно-оптимистического до крайне пессимистического и наоборот. Вначале это было связано с тем, что метод сразу был предложен как практический для определения метеопараметров до высот в несколько десятков километров. Однако многочисленные аспекты распространения звука в реальной атмосфере и механизма взаимодействия радиоволн со звуком не были к тому времени в достаточной степени изучены.

Прочитайте еще и эти статьи:

Расчет операционного усилителя с использованием типовых электронных функциональных микроузлов
операционный усилитель электронный цифровой микроузел Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной св ...

Цифровая радиорелейная система передачи прямой видимости
Проектируемая ЗЦРРЛ предназначена для организации взаимодействия между взаимосвязанными высокопроизводительными отраслями сельского хозяйства Санкт-Петербурга и Малой Вишеры. Строительство РРЛ позволит организовать эффективное обслуживание газо ...