автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Анализ старших моментов доплеровских спектров радиоэха для дистанционного контроля метеорологических параметров в осадках

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ -О?" МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕШ1Я И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи УДК 551.501.8.

Князев Александр Леонидович

Анализ старших моментов доплеровских спектров радиоэха для дистанционного контроля метеорологических параметров в осадках.

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, ьеществ, материалов и изделий.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Научный руководитель: доктор физико - математических наук,

профессор Горелик А. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Бусыгин В. П. доктор физико - математических наук профессор Вагапоа Р. X.

Научно - Исследовательский Радиофизический Институт ( НИРФИ ) (г. Нижний Новгород )

¿ЛС-и*^ 199 ^ года в " {!< " часов на заседании специализированного совета К 063. 93.03 Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики по адресу: 107076, Москва, ул. Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПИ.

Автореферат разослан " /7" ¿и^^е 199/г. Ученый секретарь специализированного совета, к. т. н., доцент : Богданова Ю. А Т7

Ведущая организация:

Защита состоится

Общая характеристика работы

ктуальность проблемы.

Появление в начале 60-х годов в радиолокационной метеорологии доплеровских адиолокаторов стало возможным благодаря трудам русских и зарубежных ученых и вилось важным шагом в развитии дистанционных методов зондирования атмосферы, 'еоретически было показано, что доплеровские радиолокаторы позволяют ¡решать акие фундаментальные задачи, как определение динамики и микроструктуры осадков, оля ветра в осадках и ясном небе, и т. д. Дальнейшие исследования подтвердили зирокие возможности доплеровской радиолокации, выявив при этом определенные ложности в геофизической интерпретации результатов измерений. Природа этих рудностей связана п основном с тем, что характеристики отраженного от метеоцелей адиолокационного сигнала зависят одновременно от целого ряда метеопараметров. К аким метеопараметрам, влиякмцим на характеристики отраженного от осадков сигнала, прежде всего, следует отнести интенсивность осадков I и их микроструктуру. Здновременно форма и ширина спектра Б ( ^ ) отраженного от дождя »дислокационного сигнала зависят от интенсивности турбулентных пульсаций жорости рассеивателей. Интенсивность этих пульсаций зависит от интенсивности гурбулентности в атмосфере и согласно теории Колмогорова - Обухова в инерционном штервале, то есть для вихрей с масштабами от сотен метров до миллиметров характеризуется одним параметром - скоростью диссипации турбулентной энергии £ . Другим параметром, влияющим на форму спектра отраженного сигнала является зертикальный градиент вектора скорости ветра . Влияние каждой из этих величин 5ависиг от параметров радиолокатора, прежде всего формы и ширины диаграммы направленности антенны радиолокатора и направления зондирования. Разделить влияние каждого из метеопараметров, измерить величины его характеризующие с точностью, достаточной для практического использования является важнейшей задачей доплеровской метеорологической радиолокация. Данная работа посвящена дальнейшему развитию методов, обеспечивающих извлечение метеорологической информации, получаемой при зондировании атмосферы с помощью доплеровских радиолокационных станций. Причем в отличие от предыдущих исследований для определения метеопараметров предлагается более полно использовать результаты спектрального анализа отраженного радиолокационного сигнала. В настоящее время в радиолокациогаюй метеорологии используются два параметра доплеровского спектра

отраженного сигнала это - средний допяеровский сдвиг частоты отраженного

сигнала и ширина спектра отраженного сигнала ¿у . Работ, в которых анализируются более высокие моменты спектра практически нет.

Поэтому представляется целесообразным рассмотреть информативность таких характеристик спектра, как его ассиметрия ¿'к. и эксцесс Е к. связанные соответственно с третьим и четвертым центральным! моментами спектра .

Можно надеяться, что расширив число параметров, характеризующих спектр удастся упростить и повысить точность определения метеопараметров по характеристикам отраженного радиолокационного сигнала.

Проведение такого комплекса исследований в настоящее время стало возможным благодаря бурному развитию средств вычислительной техники, появления мощных персональных компьютеров с высоким быстродействием, большим объемом памяти и что особенно важно - с гибкой системой взаимодействия с внешними измерительными устройствами. В частности если удастся определить первые и в ряде случаев вторые вертикальных производных профиля скорости ветра в свободной атмосфере и пограничном слое, которые входят во все численные методы прогноза метеоявлений, а измерение их другими методами практически невозможно, то это будет являться большим достижением в области экспериментальной метеорологии.

Сформулируем цели работы. Дедь работы.

Целью данной работы является:

1. на базе теории рассеяния радиоволн на блуждающих неоднородностях и современной метеорологии предложить радиолокационную модель дождя, которая бы включала в себя все перечисленные метеорологические параметры: X , ¿\>'/АЬ, I,

2. используя эту модель выяснить влияние метеопараметров на первые четыре момента доплеровского спектра ) отраженного сигнала в различных условиях зондирования;

3. оценить точность и надежность измерения моментов спектра при наличии шума и на базе полученных результатов наметить методы определения метеопараметров по полученным значениям ^ 1 , , £х как в режиме вертикального, так и наклонного зондирования;

4.—оценить точность определения метеопараметров этими методами.

Паучная яовизпа.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в том, что впервые предложены методы определения основных параметров атмосферы, таких как интенсивность турбулентности, вертикальные градиенты скорости ветра, скорости и направления вертикальных потоков воздуха в осадках на основе использования первых четырех моментов доплеровского спектра радиоэха. Показана возможность построения замкнутых схем определения перечислешгых метеопараметров. Приводятся оценки как систематических, так и случайных ошибок определения моментов спектра и на этой основе ошибок в оценке величины метеопараметров. Основные результаты, представляемые к защите:

Защищаются следующие основные положения и результаты исследований автора.

1. Радиолокационная модель дождя, позволяющая исследовать влияние на доплеровский спектр отраженного сигнала и его моменты таких метеопараметров как: интенсивность дождя I, его микроструктура и( Ъ) , интенсивность турбулентных пульсаций скорости ветра, которая в инерционном интерпале масштабов пульсаций определяется скоростью диссипации турбулентной энергии £ , вертикальный профиль скорости ветра , а так же направление зондирования, форма и ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора.

2. Алгоритм расчета доплеровского спектра и его моментов для принятой радиолокационной модели дождя.

3. Оценки точности и надежности определения моментов спектра при наличии шума.

4. Результаты численного моделирования, показывающие влияние метеопараметров на моменты доплеровского спектра радиоэха.

5. Методики определения по измерениям четырех моментов доплеровского спектра отраженного от дождя радиолокационного сигнала основных метеопараметров X ) I* , и скорости вертикальных потоков воздуха .

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, заключения и трех глав и списка использованной литературы. Работа содержит 100 страниц машинописного текста, включая рисунки, таблицы и список литературы из 35 наименований.

Содержание работы

Во введении поставлена и объяснена цель работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, обоснована актуальность работы, определена научная новизна и практическая ценность результатов, полученных автором.

В первой главе на базе современной теории рассеяния радиоволн на блуждающих неоднородностях получены выражения для корреляциошюй функции и доплеровского спектра ) отраженного сигнала.

Флуктуационные свойства отраженного радиолокационного сигнала обычно характеризуются корреляционной функцией &($) -, где черта означает статистическое усреднение, а штрих - сдвиг аргумента та время . В рамках

принятой радиолокационной модели дождя выражение для спектра радиоэха имеет вид: _

$И)- ^ ] ч*)• ¿м -т-

где />£ - мощность, излучаемая радиолокатором, - диаграмма направленности

по мощности антенны радиолокатора, - - дельта - функция, $ о(

угол места и азимут рассеивателя, £ - расстояние от радиолокатора до с - го центра рассеивающего объема, ¿(7>) - радиолокационное сечение рассеяния частицы, <г\(Ъ) -распределение капель по размерам, то есть число капель в единице объема с диаметром от Ф до ; - радиальная составляющая скорости капель с

диаметром в интервале от ^ до О +- А'Ъ в элементарном объеме сЛ\/ с

координатами

ЧМ+ о* и* + +

+ V«, (IV (бо4-©)- +

ч- Ыь (л, 9, Ъ)т Wrг (Я))' см (9а + е) + ( ^ 4

где (к) - скорость ветра на высоте и К-С+ Й - направление

ветра на высоте К. ; О о , - угол места, отсчитываемый от вертикали и азимут максимума диаграммы направленности антенны радиолокатора; (¡Д скорость вертикального потока воздуха в соответствующей точке рассеивающего

объема; У {ъу гравитационная скоростьпадения капли-диамегром-'Й^Д^.^,■

радиальные турбулентные пульсации скорости ветра с масштабом примерно равным ¿V У[ (Ц • Ъ ; X - время релаксации пульсационной скорости капли.

Приведитые соотношения включают в себя параметры радиолокатора, прежде всего диаграмму направленности его антенны, микроструктуру дождя ( а следовательно гравитационную скорость падения капель \д!Г(. и радиолокационного сечения рассеивания ), вертикальный профиль скорости ветра (V) и

турбулентность. Рассматривая спектр как некоторую плотность вероятностей для его описания в настоящее время испод,чуют первые два его момента - средний доплеровский сдвиг частоты Г^ и ширину спектра ¿^ . Эти два момента не несут информации о форме спектра, поэтому впервые были исследованы 3-й и 4-й моменты спектра, точнееассиметрия спектра /^/¿^ иегоэксцес ~ ^тг ~

где 1 - соответственно третий и четвертый центральные моменты спектра .

Как и сам спектр, его численные характеристики зависят от перечисленных выше 4-х метеорологических факторов. Так как моменты спектра являются независимыми величинами, то получаем четыре независимых уравнения для четырех метеорологических величин.

Так как доплеровский спектр радиоэха является важнейшей характеристикой отраженного сигнала, то далее в главе рассматриваются вопросы надежности и точности измерения первых четырех моментов спектра при наличии шума. Кроме этого впервые поднимается вопрос о систематических ошибках в определении моментов спектра, связанных с наличием шума. Отметим, что выражение для дисперсии оценок лервых двух моментов спектра были известны ранее. Соответствующие величины для

и получены впервые.

Эти расчеты показали, что при отношении , высокие моменты спектра

и Е* являются надежными параметрами, характеризующими форму доплеровского спектра и могут быть использованы при решении прикладных задач.

Во второй главе обосновывается радиолокационная модель дождя. Для расчета принята следующая радиолокационная модель дождя:

1. Рассеивание происходит на дискретных рассеивателях, каплях.

2. Сигналы, рассеянные различными каплями, статистически независимы либо, по крайней мере, плотности распределения ^ / \л/( ^ ~ "размазаны" по пространству большему чем рабочая длина волны ^

- проекции положения г - той и у - той капель на луч радиолокатора.

3. Турбулентность в рассеивающем объеме с питается однородной и изотропной,

4. Рассеивание считается однократным.

5. Так как предполагается, что j. Ъ см., то поперечник обратного рассеивания в соответствии с формулой Релея для сферической капли, равен:

; _ тг-^. I \

i ~ У 1 v^l \ D - диаметр капли, ил - комплексный показатель преломления воды.

6. Распределение капель дождя по размерам подчиняется соотношению Маршала -Палмеравида: ^ = £

X - интенсивность дождя, мм/час

7. Гравитационная скорость падения капли равна:

(а - <Гъ>гФ)~ \\МЬ<Ъ ^ L см

Разработан алгоритм и составлены программы для численного расчета спектра радиоэха, среднего сдвига частоты Ы , ширины спектра ¿^ , его ассиметрии и

эксцесса Ьх в различных метеорологических условиях на ПЭВМ.

Спектры отраженного сигнала и его моменты для принятой модели дождя 'рассчитывались для углов места 0а - 2D", ho t (>0 , QО , отсчитываемых от вертикали. Считалось, что зондирование ведется по направлению ветра. Расчеты проводились для разных профилей ветра. Исследовались два предельных случая диаграммы направленности антенны - первый, когда диаграмма описывается функцией Гаусса - идеальный, и второй - когда у диаграммы сильно развиты боковые лепестки. Спектр рассчитывался при различных интенсивностях осадков от наименьших (мороси) до Х - 20 ¡^ , соответствующих ливню. Расчет велся для различной интенсивности турбулентности - от полного отсутствия i-О до очень сильной £> ОД . Для того чтобы результаты расчетов при различных углах места можно было сопоставить, принималось, что высота середины рассеивающего объема будет постоянной и равной высоте при зондировании под утлом места . Приводятся результаты численного моделирования, характеризующие влияние на спектр радиоэха и его моменты различных метеопараметров : профиля скорости ветра, иепгенсивности турбулентности, интенсивности и микроструктуры дождя, диаграммы направленности антенны, направления зондирования. -----

Влияние турбулентности иа спектр Рис.

пг'Л! Щи 1II и! I.

/ 1 \\д \ / IV-, \ -

т

// ДУ

'«Г А

Частота Гс1 — еря=0.1 £)«»»ер5=0.00Ш>—•ерзН)

1,01 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Зависимость спектра от интенсивности I Рис.

И

1

|2. 4 Г

\

и ■Е-

Н)- -1= Част 5(1)-* "ОТ 'I аК(1 =1М »0 661

Зависимость Ех от I

при различных сМ<№

.1

' 1 Э 1 5 2

Угол места равен 20 град.

<]У/ШН) — <1У/<1Ь=0,001623

— сМсйгЮ.01 <1У/<Ш=0,03473

- /г? —

В третьей главе рассмотрены различные методы определения метеопараметров по измерениям первых четырех моментов спектра радиоэха. Оцениваются ошибки в определении иетеопараметров каждым из рассмотренных методов. В общем виде задачу можно сформулировать следующим образом. Измеряются три независимые величины - моменты спектра радиоэха ¿^ ) ^^ I х . Если считать, что

распределение капель по размерам VI (_ подчиняется закону Маршала - Палмера, то эти три момента зависят от трех величин - интенсивности дождя ДЗ вертикального градиента скорости ветра и интенсивности турбулентных

пульсаций т.е. диссипации турбулентной энергии. Таким образом имеется

система трех независимых нелинейных уравнений :

¿v - ^ ( ï, clV/dVv ,<0

V

Задача - определить область, где эта система имеет устойчивое решение.

Наиболее важным иа наш взгляд являются следующие результаты. Сформулирован метод определения интенсивности дождя I в режиме наклонного зондирования по статистическим характеристикам радиоэха. Метод не требует калибровки радиолокатора по эталонной цели, что связано со значительными техническими трудностями. Для определения интенсивности осадков и

турбулентности использовано найденное обстоятельство, что при зондировании под углами места Q0 ^ 40 моменты спектра радиоэха практически не зависят от 4—

с\ VV .

Численный метод решения этой системы использованный в диссертации основан на линеаризации нелинейных уравнений с помощью членов ряда Тейлора на интервалах < ( Т 2 Д 11 It^ *С 2.3 вели'"ша которых, последовательно, от

приближения к приближению уменьшается. Метод показал хорошую сходимость и высокую точность.

Рассмотрен метод определения скорости вертикальных штоков воздуха в осадках в режиме наклонного зондирования. До настоящего времени были известны только методы радиолокационного определения скорости вертикальных потоков воздуха в режиме вертикального зондирования. Средняя вертикальная скорость движения рассеиватслей \л/ равна сумме радиолокационной средней гравитационной скорости падения капель и скорости вертикального потока .

и) = \л1го +

Для определения у\] используем сканирование рассеивающим объемом по горизонтали. Измеряя средний доплеровский сдвиг скорости в двух положениях рассеивающего обьема можем найти среднюю вертикальную радиолокационную скорость рассеивателей:

При этом значение \л] ¡-^ определяется по найденному вышеописанным способом значению интенсивности дождя.

Предложенный метод определения

Уё

проверялся путем сквозного решения прямой и обратной задачи и показал высокую точность определения , поэтому

можно надеягся, что он найдет применение в прикладных исследованиях.

Рассматриваются методы измерения вертикальных градиентов скорости ветра и интенсивности турбулентности. Описано несколько методов, остановимся на методе, который использует старшие моменты ^ и Ь > спектра радиоэха. В работе было сделано важное утверждение - произведение Зи " ¿ \/ и £.х ' не зависит' от турбулентности. В основе этого утверждения лежат две предпосылки :

1. Действие метеорологических факторов независимо.

2. Турбулентные пульсации скорости ветра с масштабами до - 100 м. имеют нормальный закон распределения, что подтверждают теоретические и экспериментальные работы.

Поэтому справедлива следующая система уравнений:

в*-¿J - & (

ctV

которая позволяет по измеренным значениям ¿- \< , (Ъи > Рх определить

¿\' , , определить ТГ > X

без сканирования по углам дальности. Численные решения задачи для реальных

условий подтвердили правильность этого утверждения. На рисунке приводятся зависимости и Е\ ' ¿- ^ от вертикального градиента скорости ветра,

показывающие возможность однозначного решения вышепреведенной системы уравнений.

-И-

Проведенная оценка точности определения метеопараметров этим методом

г

позволяет утверждать, что предложенный метод определения 1 и тг удовлетворяет

«Ц

требованиям прикладной метеорологии, удобен и прост в реализация.

Заключение.

Развитие вычислительных средств и методов, связанное прежде всего с появлением достаточно мощных персональных ЭВМ, средств сопряжения ЭВМ с измерительными устройствами, в частности радиолокатором, развитие вычислительных алгоритмов фильтрации и обработки сигналов позволяет в настоящее время проводить всесторонний анализ отраженного от метеообъекга радиосигнала в реальном масштабе времени. Современные измерительные средства и использование персональных компьютеров позволяют в реальном масштабе времени проводить с высокой точностью измерение не только У^ ( , но и более высоких моментов

спектра радиоэха.

На этой базе в диссерташюшюй работе исследуются новые возможности применения доплеровского радиолокатора для дистанционного контроля основных метеопараметров и теоретически обоснована возможность использования первых четырех моментов спектра радиоэха для определения: интенсивности дождя вертикальных градиентов скорости ветра , скорости вертикальных воздушных

потоков ^ и основного параметра, характеризующего интенсивность турбулентных пульсаций метеоэлементов в инерционном интервале масштабов пульсаций - скорости диссипации турбулентной энергии .

К числу наиболее важных результатов работы отнесем следующие.

1. На базе достижений теории рассеяния радиоволн на блуждающих неоднородностях и современной метеорологии предложена радиолокационная _модель дождя, которая_включает, в себя основные метеорологические^

параметры: 1 ) ^ С®) - распределение капель дождя по размерам, ,

а так же параметры радиолокатора, прежде всего диаграмму направленности антенны.

2. Разработан алгоритм и программы расчета спектра радиоэха и его моментов -

F^OCi), ¿v, i>v» , от дождя, соответствующего разработанной модели.

3. На основе прямых расчетов рассмотрено влияние основных метеопараметров на каждый из моментов доплеровского спектра при зондирований под различными углами места. Это позволило оценить информативность моментов спектра при дистанционном контроле параметров атмосферы методами доплеровской радиолокации.

4. Смоделировано и определено влияние параметров радиолокатора, прежде всего диаграммы направленности антенны на значение первых четырех моментов спектра радиоэха.

5. Получены выражения и проведены численные оценки систематической и случайной погрешностей при оценке моментов спектра связанного с шумом аппаратуры, включая вычислительный комплекс. Рассмотрен алгоритм обработки сигнала, позволяющий уменьшить величину ошибок.

6. Намечены пути и рассмотрены конкретные примеры решения обратных задач радиолокапиошюй метеорологии. Показано, что совместное определение моментов спектра позволяет в рамках принятой модели однозначно определять вышеуказанные метеопарамеары с точностью достаточной для практического использования.

Основные результаты диссертации, опубликованы и докладывались:

1. « Радиолокационные методы определения первой и второй производных скорости ветра в атмосфере.», А. Л. Князев, Московская Государственная Академия

-ist-

Приборостроения н Информатики, Санкт - Петербург, 1997 г. 23-я Всероссийская конференция по распространению радиоволн.

2. « Статистические характеристики лазерного излучения, рассеянного живой тканью.», АЛ. Князев, Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики, Москва, 1995 г. 7с. ил. 4, библиогр. ( 1 назв.) ( Рукопись депонирована в ВИНИТИ 21.03.95., № 746 - В95 )

3. « Investigations of influence of Various Meteorogical Parameters on the Statistical Characteristics of the Radar Signal.», A.G. Gorelik, A. Knyazev, Moscow State Academy of Instrument Engineering and Infonnation Science, Profiler Workshop, Atmospheric Science, ETH Honggerberg, Zurich, COST - 76 Profiler Workshop 1997, May 12-16,1997

4. « A CW Doppler System for a Groundbased Remote Sensing of Wind and Temperature of Atmospheric Boundary Layer.», A.G. Gorelik, V. Gegerin, A. Knyazev, Moscow State Academy of Instrument Engineering and Information Science, Profiler Workshop, Atmospheric Science, ETH Honggerberg, Zurich, COST - 76 Profiler Workshop 1997, May 12- 16, 1997

5. « Использование старших моментов доплеровского спектра отраженного от дождя сигнала для дистанционного измерения основных метеорологических параметров в пограничном слое и свободной атмосфере.» Е. В. Громова, А. Л. Князев, Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики, XI - я Всероссийская школа - конференция по дифракции и распространению волн, Москва МГУ, 12 - 15 января 1998 г.