автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка и исследование программных средств обработки радиолокационных данных в автоматизированных системах контроля радиационной обстановки

На правах рукописи

ЕРШОВ Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ДАННЫХ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ

Специальность 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Федеральном Информационно-аналитическом Центре НПО «Тайфун» Росгидромета

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук, доцент Камаев Дмитрий Альфредович

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Емельянов Николай Евгеньевич; доктор физико-математических наук, профессор Галкин Валерий Алексеевич

Ведущая организация - ВНИИАЭС

Защита состоится » 200 в /^час. ^мин. в аудитории

308 на заседании диссертационного совета Д.212.200.14 при Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина - 119991, г. Москва, ГСП -1, Ленинский проспект, д.65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.

Автореферат разослан

200 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.200.14 к.т.н., доцент

Егоров А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важных задач систем контроля радиационной обстановки является прогноз распространения радиоактивной примеси в атмосфере в случае аварийного выброса. В настоящее время для решения этой задачи широко применяются методы физико-математического моделирования переноса радиоактивных веществ в пограничном слое атмосферы. Основными параметрами пограничного слоя атмосферы, которые используются в большинстве моделей переноса, являются диффузионные параметры, высота пограничного слоя, скорость и направление ветра. Оценка текущего состояния пограничного слоя атмосферы только по данным стандартных метеонаблюдений является недостаточной для построения надёжного прогноза.

В разрабатываемых в настоящее время системах аварийного реагирования при атмосферных выбросах радиоактивных веществ в качестве дополнительного источника информации о состоянии пограничного слоя атмосферы используется радиолокационно-трассерный метод (РТМ). Данный метод заключается в диспергировании в исследуемой области пограничного слоя атмосферы сверхлёгких радиолокационных трассеров, представляющих собой тонкие полуволновые диполи из углеродно-графитных материалов, и последующего наблюдения за эволюцией образовавшегося облака пассивной примеси при помощи радиолокатора (рисунок 1). Затем результаты радиолокационного сканирования обрабатываются с целью получения упомянутых выше характеристик пограничного слоя.

Рис. 1. Схема радиолокационно-трассерного метода

В системах поддержки, использующих радиолокационно-трассерный метод, в настоящее время применяются радиолокаторы с осесимметричной диаграммой направленности. Однако при азимутальном и угло-местном сканировании облака пассивных радиолокационных отражателей (ПРО) в принимаемом сигнале наблюдаются искажения распределения концентрации в поперечных и продольных к линии сканирования направлениях, вносимые за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности. Игнорирование этих

искажений может приводить к значительным ошибкам при определении характеристик облака ПРО. Поэтому необходимы эффективные методы обработки данных радиолокационного слежения за облаком ПРО, позволяющие учитывать конечную длительность зондирующего импульса и ширину диаграммы направленности.

При использовании радиолокационно-трассерного метода появляется возможность определить в оперативном режиме траекторно-диффузионные характеристики облака трассера (положение центра масс облака, а также продольную и поперечную дисперсии облака), что позволяет проводить уточнение мезомасштабных особенностей переноса и рассеяния примеси. Следовательно, требуется реализовать метод ассимиляция данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере.

Кроме того, при использовании радиолокаторов с осесимметричной диаграммой направленности для получения необходимых интегральных характеристик облака необходимо проводить многократное сканирование. Это требует наличия оператора. Более перспективным представляется применение радара с широкой диаграммой направленности (плоский луч), допускающее автоматический режим. В этом варианте предполагается, что за счёт поворота плоскости луча возможно сканирование в нескольких наклонных по отношению к горизонту плоскостях. В этом случае радиолокационная информация представляет собой интегральные характеристики вдоль плоскости сканирования луча, поэтому нужен метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по этим данным, а также быстрый метод оценки геометрических параметров облака ПРО.

Цель исследования. Целью настоящей работы является разработка и исследование теоретических подходов и методов создания программных средств обработки данных при радиолокационной поддержке систем контроля радиационной обстановки для восстановления трёхмерной структуры облака ПРО, оценки геометрических характеристик облака ПРО, а также для уточнения параметров прогностических моделей распространения радиоактивной примеси в атмосфере в случае аварийного выброса

Задачи исследования:

1. Разработать теоретические подходы и метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с осесимметричной диаграммой направленности, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности; осуществить его программную реализацию;

2. Разработать теорию и метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом; реализовать его в виде соответствующего программного обеспечения;

3. Разработать метод и программное обеспечение для уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере по данным радиолокационного слежения за облаком трассеров;

4. Провести анализ возможностей использования разработанных программных средств методами имитационного моделирования для их применения в автоматизированных системах контроля радиационной обстановки.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1 Метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с осесимметричной диаграммой направленности, позволяющий учитывать искажения принимаемого сигнала за счет конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности

2 Теоретические подходы и метод восстановления трехмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом

3 Метод уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере по данным радиолокационного слежения за облаком трассеров

Научная новизна результатов исследований.

1 Разработаны методы компьютерной обработки радиолокационных данных, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала, вносимые за счет конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности локатора

2 Получено аналитическое решение интегрального уравнения радилокации для локатора с плоским лучом, позволившее создать устойчивые меюды восстановления функции плотности частиц облака отражателей

3 Разработаны методы программного восстановления трехмерной структуры облака пассивных отражателей по результатам радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом

4 Предложен и разработан метод компьютерной ассимиляции данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере

5 Разработан программный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», предназначенный для автоматической обработки радиолокационных данных в режиме реального времени

Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается корректным их обоснованием и проведением большою числа экспериментов па основе имитационных моделей, а также результатами практического применения разработанных в диссертации математических, алгоритмических и программных методов и средств

Практическое значение работы. Разработанный метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования и метод ассимиляции данных радиолокационных наблюдений реализованы в программном комплексе «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», который используется как часть радиолокационно-трассерной подсистемы, созданной в Федеральном Информационно-аналитическом Центре НПО «Тайфун» Росгидромета Разработанный метод восстановления трехмерной структуры облака ПРО реализован в программном комплексе CloudM и может использоваться в системах поддержки, основанных на радиолокационно-трассерном методе для локаторов с широкой диаграммой направленности (плоский луч)

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на международном симпозиуме «Off-site Nuclear Emergency Management, Capabilities and Challenges» (Зальцбург, Австрия, 28 сентября - 3 октября 2003 г ), на «Четвертой Международной научно-технической конференции "Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики"» - MHTK-2004 (Москва ВНИИАЭС, 16-17 июня

2004 г.), а также на научном семинаре Федерального Информационно-аналитического Центра НПО «Тайфун» Росгидромета.

Публикация работ. Основные результаты диссертации достаточно полно опубликованы в 4 статьях.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 76 рисунков, 27 таблиц. Список литературы содержит 46 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации и формулируются основные положения и цели работы.

Первая глава посвящена обзору применения радиолокаторов в метеорологии и перспективных направлений развития радиометеорологических исследований; описанию радиолокационно-трассерного метода измерения диффузионных характеристик атмосферы; описанию технических средств и структуры программного обеспечения мобильной радиолокационно-трассерной подсистемы, а также обзору возможностей применения методов компьютерной томографии для решения радиолокационных и радионавигационных задач.

Погодные (метеорологические) радиолокационные станции (РЛС) применяются уже в течение многих лет. Использование средств и методов радиолокации, в частности метеорологической радиолокации, может способствовать оперативной оценке характеристик распространения радиоактивных веществ, выброшенных в атмосферу в результате аварии. В проектируемой Росгидрометом подсистеме автоматизированного контроля радиационной обстановки в районе радиационно-опасного объекта функции радиолокационной поддержки должна осуществлять подсистема радиолокационно-трассерного метода и разработанного программного обеспечения обработки радиолокационной информации.

Уравнение радиолокации для принимаемой средней мощности в случае использования локатора с широкой диаграммой направленности может быть сведено к интегральному преобразованию Минковского-Функа (преобразование Радона на сфере). Поэтому для решения уравнения радиолокации, а значит и для восстановления функции плотности частиц облака ПРО, могут быть применены соответствующие формулы обращения преобразования Радона и методы компьютерной томографии.

Информационно-измерительный комплекс для контроля распространения примеси в мезомасштабной области используется в Федеральном Информационно-аналитическом Центре НПО «Тайфун» Росгидромета. Разработанное программное обеспечение «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» используется как часть мобильной радиолокационно-трассерной подсистемы.

Структура разработанного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» и его место в мобильной радиолокационно-трассерной системе показаны на рисунке 2. Файлы с результатами сканирования облака трассеров поступают от РЛС программному комплексу «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы». На основе этих данных подсистема первичной обработки проводит оценку геометрических характеристик облака ПРО. Первично обработанные радиолокационные данные поступают в подсистему

ассимиляции, где проводится оценка параметров распространения примеси в пограничном слое атмосферы. Файл с полученными результатами передаётся в центр сбора данных, где он используется для уточнения параметров прогностической модели распространения примеси в пограничном слое атмосферы.

Рис. 2. Общая структура программного обеспечения «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» в мобильном радиолокационно-трассерном комплексе

Во Второй главе рассмотрены физико-математические основы методов восстановления функции плотности и оценки пространственных характеристик облака трассеров. Определён оператор радиолокации (в приближении однократного рассеяния) для локатора с широкой диаграммой направленности (плоский луч); сопряжённый к нему оператор. Показано, что задача восстановления функции плотности частиц облака ПРО может быть сведена к задаче двумерной радоновской томографии на сфере. Приведён метод получения аналитического решения уравнения радиолокации в этом случае. Поставлена задача восстановления функции плотности облака пассивных радиолокационных отражателей по результатам сканирования локатором с плоским лучом, описаны основные трудности, возникающие при решении этой задачи. Предложен алгоритм решения, основанный на регуляризационной процедуре с использованием стабилизирующих функционалов, проведён выбор класса стабилизирующих функционалов, для которых сопряжённая задача имеет корректное решение и получены явные формулы обращения оператора радиолокации и сопряжённого к нему оператора Рассмотрены методы оценки пространственных характеристик облака пассивных радиолокационных отражателей по результатам сканирования локатором с осесимметричной диаграммой направленности.

В результате сканирования пространственно распределенной цели (облака трассеров) на входе приёмника измеряется функция времени (или расстояния) -интенсивность (I(s)). На основе уравнения радиолокации можно получить

выражение для принимаемой интенсивности () (I(s)) в сферической системе

где <7к - сечение обратного рассеяния частицы; Л- длина волны; III) - форма зондирующего импульса; р(г,ф,(/) - функция плотности частиц облака трассеров;

- диаграмма направленности; (г,<р,в) - сферическая система координат;

5 = -расстояние, выражаемое через время приёма.

Это выражение определяет оператор радиолокации I(s), который можно определить на функциях р{г,<р,е)е = ¿2((О,оо)х[0,2л-]х[0,я-1) с условием того, что носитель функции не содержит точку начала координат.

Плоский луч локатора задается плоскостью сканирования, которую в свою очередь можно определить углами нормали к плоскости сканирования ((р0,в0). Так как без потери общности можно предположить, что излучатель находится в начале координат, то плоскость сканирования описывается уравнением пхх + пуу + п,2 = О Компоненты вектора нормали п к плоскости выражаются через углы {$>а,9а) следующим образом:

П^ССКф^тва • пу = зикр05т#0.

Конкретный вид функции диаграммы направленности определяется

свойствами радиолокатора, но в данной работе предполагается, что является

непосредственно дельта-функцией плоскости сканирования

[G(p,0)f = [G(p,0,po,0o)]J = <фл +"Л + "л)- Тогда, соответственно, 1,^ЛР= ¡{s) Оператор ],щв11Р при описанной диаграмме направленности задаёт интегральные характеристики функции плотности р{г,<р,в) вдоль больших кругов, получающихся при пересечении сфер различных радиусов и плоскости сканирования, описываемой своей нормалью.

В случае, когда оператор известен при всех наборах переменных

{s,ipa,e„) (полный набор измерений), функцию р(г,<р,0) можно однозначно восстановить из интегрального уравнения радиолокации. Для этого надо взять от обеих частей уравнения преобразование Фурье по переменной s, в результате чего

„ ,(2s 2/Л р{г,<р,в)

свёртка двух функций , стоящих в ядре оператора и зависящих

U с) г

от r и s, перейдёт в произведение преобразований Фурье от этих функций. Затем следует разделить обе части уравнения на преобразование Фурье функции I(t) и взять обратное преобразование Фурье. В результате будет выделена зависимость от r функции р(г,<р,в). Получившаяся после описанных преобразований интегральная задача по углам (<р,в) суть задача обращения преобразования Минковского-Функа (преобразование Радона на сфере).

Очень часто при решении тех или иных физических задач в результате обработки входных данных нужно получить не саму функцию , а значение некоторой величины, являющейся функционалом от р . Будем рассматривать только линейные ограниченные функционалы. Согласно лемме Рисса всякий линейный ограниченный функционал в гильбертовом пространстве можно записать в виде скалярного произведения Jk \р\ = (р.Л.)^, где hm{r,ç,ù) - некоторый элемент из

определяющий вид линейного функционала J^ [/?],' (р,^)^ - скалярное произведение в

Введём наряду с оператором сопряжённый к нему оператор

определённый на пространстве функций из и

удовлетворяющий тождеству Лагранжа для любых р е И q е ¿'2 :

где (•,•)- скалярное произведение в указанном пространстве.

Сопряжённый к оператору радиолокации оператор определяется

выражением:

Функционал можно найти либо через формулу либо как

, где - решение неоднородного

сопряжённого уравнения /r"f ep'h^ = Ьт(г,<р,в). Если по данным радиолокационных наблюдений необходимо найти функционал , то, решив сопряжённое уравнение,

можно воспользоваться формулой для . Сопряжённый оператор имеет

структуру близкую к исходному оператору . Поэтому сопряжённое уравнение

может быть решено тем же методом, который был описан для решения исходного уравнения радиолокации.

В общем случае задача восстановления функции плотности ставится следующим образом. Пусть известен набор измерений - результат радиолокационного сканирования облака трассеров локатором с широким лучом Ми.,4;е{!..........0}, где р{г,<р,9) функция

плотности распределения частиц случайного облака; ^ы^л 0тР - оператор радиолокации в точке (г''',^",^*')/ Л,Т,0 - число имеющихся измерений по

каждой из переменных Необходимо по измерениям g¡JJt восстановить

функцию р{г,<р,в). Эта задача сводится к нахождению р из системы уравнений:

В такой постановке задача восстановления функции плотности по результатам сканирования локатором с плоским лучом является некорректной, в силу того, что имеется неполный набор измерений и система уравнений может иметь

несколько решений. Для получения устойчивого метода обработки необходимо действовать следующим образом. Задачу восстановления функции плоскости р определим как задачу минимизации следующего функционала

Введём в функционал так называемые стабилизирующие функционалы. Зададим К линейных функционалов от функции р{г,ф,9) .

Дополним функционал стабилизирующими функционалами где

И; " критерий близости {р,Ит)^ и (^..{«уД^у К ~ веса; {р'ь.МчЛ^-,

дискретное скалярное произведение в Для нахождения функции плотности частиц будем решать задачу на

минимум или задачу

с ограничениями

Такой подхода обеспечивает устойчивость и единственность нахождения функции плотности при достаточном количестве стабилизирующих функционалов К.

Однако такая схема восстановления требует чёткого выбора функционалов , то

есть выбора ядер hm, при которых сопряжённое уравнение радиолокации корректно

1

разрешимо. Такими ядрами являются функции ,

•11л $

где Г0, /3 - параметры ядра; д - любое натуральное число; р • любое чётное число.

В результате первичной обработки данных радиолокационного сканирования трассерного облака может быть получен следующий набор пространственных характеристик облака сверхлёгких радиолокационных трассеров (СРТ)

^Д'Л^О.^-ЫОЬгде

I, - последовательные моменты времени,

4'('<) " поперечная дисперсия облака трассера в момент времени X., ((,) - продольная дисперсия облака трассера в момент времени X., у(<,) и *((,) - положение центра масс облака трассера в момент времени X..

Характеристики и могут быть использованы для уточнения

диффузионных параметров пограничного слоя атмосферы, а и для

восстановления величины и направления скорости ветра. Приведём метод получения характеристик для локатора с осесимметричной диаграммой

направленности в зафиксированный момент времени X..

При зондировании облака СРТ импульсным радиолокатором средняя мощность сигнала, отражённого от элементарных отражателей, пропорциональна их концентрации. Для осесимметричного луча с шириной диаграммы направленности по уровню половинной мощности выражение средней мощности эхо-сигнала на входе приёмника имеет вид

где (¿",<р,в) - сферическая система координат; р[г,ф,в) - распределение концентрации СРТ; <рц и <?„ - углы, задающие направление сканирования -азимутальный угол, в0 -угол места); А - коэффициент, определяемый техническими характеристиками локатора; аь - средняя по всевозможным направлениям эффективная площадь рассеяния; С(р,0,ро><?о) - диаграмма направленности; /„(/) зондирующий импульс.

Форма зондирующего импульса определяется выражением /„(<) = Р0 ехр|-41л2-у I,

где Ро - мощность излучения; Т0 - длительность зондирующего импульса на уровне 0.5РДиаграмма направленности имеет вид

С(<г>Ар„А) = —Ц-ехр

где (

ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности).

Основными характеристиками облака примеси является положение центра масс облака, дисперсии распределения концентрации в нём (продольная и поперечная дисперсии) и ориентация двух взаимно перпендикулярных направлений, задаваемых углом поворота плоскости ХУ в направлении оси У. Цель предлагаемой процедуры обработки данных заключается в оценке характеристик облака СРТ на основе поступающих радиолокационных данных.

Пусть облако сосредоточено в секторе пространства:

г„„ * г * (¡>„„ 2 Ч> <. <рт% под углом 0О, где Лш» и г^ - минимальное и максимальное расстояние до точек границы облака, ^шш и (р^ - минимальный и максимальный азимутальные углы положения точек границы облака.

Пусть концентрация СРТ р(г,<р,в) является постоянной величиной в каждой части исходного сектора сканирования. То есть, р{г,<р,в) = ри, при гк <г <гк^,<р, йрй <рм, вц -5 в £, ва + 5д ,где 8е - заданная величина.

Тогда выражение средней мощности эхо-сигнала К^г^И'^^ч: на входе приёмника локатора с осесимметричной диаграммой направленности можно записать в матричном виде Р = Вр . Сопряжённая система уравнений имеет в И^и= , где В - оператор, сопряжённый к оператору В, Иш - ядро функционала, который необходимо оценить,

Ричч -решение сопряжённой задачи. Решив сопряжённые задачи и посчитав требуемые функционалы, можно получить оценки пространственных характеристик облака СРТ. Приведённый подход к оценке функционалов менее чувствителен к ошибкам радиолокационного сканирования в силу того, что решение сопряжённой задачи с плохо обусловленной матрицей осуществляется при точно заданной левой части. Такое вычисление функционалов порождает ошибки того же порядка, что и ошибки в радиолокационных данных.

Третья глава посвящена описанию методов и программных комплексов, предназначенных для оценки геометрических характеристик облака трассеров, оценки параметров пограничного слоя атмосферы по данным радиолокационного наблюдения за облаком трассеров и восстановления функции плотности облака частиц. Для локатора с осесимметричной диаграммой направленности разработан комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», позволяющий оценивать геометрические характеристики облака трассеров и параметры пограничного слоя атмосферы, а для локатора с широкой диаграммой направленности создан исследовательский программный комплекс CloudM, позволяющий проводить восстановление функции плотности частиц случайного облака

Программный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» состоит из двух подсистем:

1. Подсистема первичной обработки данных радиолокационного сканирования трассерного облака с целью оценки его пространственных характеристик;

2. Подсистема ассимиляция обработанных данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели.

Входные данные для обработки передаются программному комплексу «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» непосредственно от радиолокационной станции через некоторые промежутки времени в определённый пользователем каталог.

На рисунках 3-4 показана блок-схема процедуры оценки пространственных характеристик облака трассеров.

I I I

Радиолокационная станция

I I I

Входные данные в момент времени t гтт и rmax " минимальное и максимальное расстояние до точек границы облака; (ртт и (pmt1i - минимальный и максимальный азимутальные углы положения точек границы облака; Nr и Л^ - число частей, на которые разбивается исходный сектор сканирования; Ри - принимаемый сигнал, отражённый от точки пространства (/,,/), / = О, Nг — 1, J — О, Nv — 1

Подсистема первичной обработки радиолокационных данных с целью оценки пространственных характеристик облака для локатора с осесимметричным лучом

Задание пользователем параметров радиолокационной станции и трассеров Р0 - мощность излучения; г0 * длительность зондирующего импульса на уровне 0,5Р0 ; ¡5 - ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности; А коэффициент, определяемый техническими характеристиками локатора; аь - средняя по всевозможным направлениям эффективная площадь рассеяния трассеров

ZE

Чтение входных данных из файлов согласованных форматов

ж:

Г

Резервное копирование входных данных в определённые пользователем каталоги

Вычисление матрицы оператора радиолокации В

Г г: [с "cjj^.rv. _Г ( (0-0.Y)

ехр

dr'drj J ехр - ^ у' \dVodV J схр

Вычисление матрицы сопряжённого оператора радиолокации В' = ВТ

Решение сопряженных задач ИП1П = В рни ( Ьтп - ядро линейного функционала 3нш = ^х"' у" р[х,у,2)(Ьс1усЬ)

Нахождение векторов ртя (т = 0,1,2, п = 0,1,2 и т + п<2).

Рис.3. Блок-схема процедуры первичной обработки радиолокационных данных

Вычисление значений функционалов с помощью тождества Лагранжа

./--(ла.).

_

Р = } - радиолокационные наблюдения.

Вычисление геометрических характеристик облака трассеров

ах = , ау= —— - положение центра масс облака, •У т

I»/ 20 2 }

!г ---ах , = —--а - продольная и поперечная дисперсии облака.

V V ^оо

Сохранение результатов в файле согласованного формата

Выходные данные

а_, ау - положение центра масс облака

в момент времени ?; ^ -

продольная и поперечная дисперсии облака в момент времени X.

Рис. 4. Блок-схема процедуры первичной обрабожи радиолокационных данных

(продолжение)

Скорость ветра на высоте выброса в момент времени определяется

перемещением центра тяжести облака у@) и х(У по следующему правилу:

а направление скорости ветра

по формуле

ИО-М'о),)

Рассмотрим процедуру ассимиляции обработанных данных радиолокационных наблюдений на примере поперечной дисперсии облака примеси.

Поступающие данные по горизонтальным дисперсиям облака должны быть представлены в виде, пригодном для усвоения моделью переноса и рассеяния примеси. В прогностической модели горизонтальные дисперсии облака вычисляются по формуле Дрекслера, которая при наличии сдвиговых эффектов должна быть записана в виде:

где - дисперсия облака примеси в 1-ом направлении, / = х, у; сг* - дисперсия ]-ой

компоненты скорости ветра Хц-

лагранжев временной масштаб

турбулентности в 1-ом направлении; ? - время диффузии; аi - обобщённый

ой компоненты скорости ветра; кг - вертикальный коэффициент турбулентной диффузии

Значения 8(1), получаемые при работе радиолокационно-трассерной подсистемы, обрабатываются методом, описанным ниже, для определения значений параметров ег1, г, и а,. Полученные значения а/, г^ и а, используются в прогностической модели для корректировки их модельных значений на локальной сетке.

Первично обработанные данные трассерных экспериментов по определению горизонтальных дисперсий облака представляют собой набор пар значений

(/ = 0 п), где tt - последовательные моменты времени, - горизонтальные

дисперсии облака трассера (т = х,у) Для определения значений параметров и

а, была реализована следующая процедура Сначала при необходимости проводилось

отсечение по времени участка "завала" кривой на временах порядка времени

наблюдения. Параметры <У),Тц и а, оценивались методом наименьших квадратов в

логарифмическом масштабе. Составлялся функционал

Находилась точка минимума этого функционала,

то есть требуемые оценки параметров а), г, и а„,. Описанные выше алгоритмы реализованы в программном комплексе "Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы", который обеспечивает решение следующих задач:

• проведение первичной обработки данных радиолокационного сканирования трассерного облака с целью оценки его пространственных характеристик в режиме реального времени,

• ассимиляция обработанных данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели в режиме реального времени,

• отображение данных в табличной и графической форме.

Для проверки работоспособности и выявления свойств предложенного алгоритма восстановления функции плотности частиц по результатам сканирования локатором с плоским лучом создан исследовательский программный комплекс ОоиЛМ, позволяющий проводить имитационные эксперименты

Данный программный комплекс состоит из 4 основных последовательных блоков, структура взаимодействия которых представлена на рисунке 5. Блок-схемы компонент программного комплекса С1о^М приведены на рисунках 6-9.

Программный комплекс С1о^М позволяет моделировать функцию плотности частиц случайного облака с заданными параметрами, формировать результаты сканирования плоским лучом от полученной функции плотности, вводить случайные и систематические ошибки в результаты сканирования, проводить восстановление функции плотности на основе данных результатов сканирования. Полученные результаты могут быть просмотрены в текстовом и графическом форматах и сохранены в соответствующих файлах.

параметр сдвига в г -ом направлении а1 - Г к, где Г* - вертикальный градиент ] -

Рис. 5. Структура программного комплекса CloudM

Блок моделирования функции плотности

JX

Задание пользователем параметров части шарового сектора /*|П(1Ч, ''„„п, ^„щ» 0 ^ в котором сосредоточено случайное облако

Определение пользователем типа

тг

Генерация в соответствии с выбранным распределением коэффициентов Cjk,

/е{1.....Nr},je>jl.....Nr\,ke{l,...,Ne}.

Формирование функции плотности в виде

ттг

ряда

»I i-l *«1

Генерация параметров 5Г, 5 , у0,

20. Формирование функции плотности в виде ряда.

иг иг

р(.г,<р,0) = £ 1

jW i(<i at-Г

тзг

лзг

Сохранение структуры функции плотности р{г,<р,0) в файле

I Блок формирования результатов сканирования облака |

I________________________________________'

Рис. 6. Блок-схема процедуры моделирования функции плотности частиц облака

| Блок моделирования функции плотности р(г,ф,в) случайного облака | I_________________________________________________I

г

V

Входные данные ' функция плотности, г«> '"min' Р™,. в,™- 0„ш ■ параметры части

шарового сектора, вкоторомсосредоточено облако

Блок формирования результатов сканирования облака локатором с плоским лучом

__

Задание пользователем параметров локатора R - разрешения локатора по расстоянию, Ч* - разрешение (число углов поворота) локатора по азимуту, 0 - разрешение (число углов поворота) локатора по углу места, Я - длина волны, а - длительность зондирующего импульса,

и параметра частиц случайного облака <т4 • сечение обратного рассеяния трассеров

SZ

Формирование результатов сканирования путём вычисления интегралов

/б{1,...,й},уе{1, . .Ч^Де}!.....©},

Сохранение результатов сканирования и параметров локатора в файле

Выходные данные g,jj = 'массивизмерений,

/е{1,.. ,лЬб{1.....4},ке{\.....©}

Блок внесения ошибок в результаты сканирования

Рис. 7. Блок-схема процедуры формирования облака локатором с плоским лучом

результатов сканирования

Блок формирования результатов сканирования облака локатором с плоским лучом ]

С

V

Входные данные g,jj, = ^tjiftP ' массив измерений, с заданнымразрешениемлокатора:

/е{1.....Ä},ye{l,...,4'),A€{l>...,e}

Блок внесения ошибок в результаты сканирования

Случайные ошибки (гауссовский шум) 1

Выбор пользователем типа вносимых ошибок (случайные или систематические)

Задавание пользователем параметра (относительная величина вносимого шума)

-J I

Нахождение значений

у 6 (I.....*},*е{1,...,в}

Внесение ошибок в результаты сканирования = + £..,>> 1де имеет нормальное распределение с параметрами

-ЦТ

Задавание пользователем параметра (относительная величина потери мощности сигнала)

Нахождение значения

Mg= шхгцм

Внесение ошибок в результаты сканирования (имитирование потери мощности сигнала с увеличением расстояния до цели)

= г,.ц,

Сохранение изменённых данных сканирования gIJJt в файле

zur

Блок восстановления функции плотности

I_________________________________________I

Рис. 8. Блок-схема процедуры внесения ошибок в результаты сканирования

I Блок внесения ошибок в результаты сканирования |

V

Входные данные

= "массив измерении, с

заданнымразрешениемлокатора:

<е{1.....Л},7 е {1.....Ч»},*: е {!,...,©}

Блок восстановления функции плотности

Ж

Задание пользователем количества стабилизирующих функционалов К и их параметров ^, р, С^ ; разрешающей способности алгоритма восстановления

Ы„ Np, Л^ (число элементов разложения функции плотности по каждой из переменных).

Ж

К раз проводится решение сопряжённой задачи с определённым ядром стабилизирующего функционала , по формулам

обращения сопряжённого оператора радиолокации на сетке.

Ж

Составление функционала метода наименьших квадратов

П = 2 £ £ С и, Л ./, М^'^Щ-

11 1

и линейных ограничений на искомые коэффициенты разложения на

основе тождества Лагранжа и решений сопряжённой задачи

)ш\ ¡ш\

I

Минимизация функционала Л с линейными ограничениями методом сопряжённых градиентов. Нахождение коэффициентов разложения С^ц, и восстановленной функции плотности в виде разложения по набору функций

М у-1 Ы

Ж

Сохранение восстановленной функции плотности в файле

Рис. 9. Блок-схема процедуры восстановления функции плотности

В Четвёртой главе содержатся результаты и анализ проведения имитационных экспериментов восстановления функции плотности частиц по данным радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом на основе программного комплекса CloudM. Также приведены данные натурных трассерных экспериментов, проведённых в ФИАЦ Росгидромета НПО «Тайфун», в которых проверялось функционирование программного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы».

Из полученных результатов имитационных экспериментов следует, что введение стабилизирующих функционалов оправдано при недостаточном наборе входных данных. Когда данных хватает для чёткого восстановления плотности, алгоритм без стабилизирующих функционалов даёт чуть лучшие (порядка 5-10%) результаты из-за того, что в линейные ограничения минимизационной задачи вносятся ошибки. В случае неполного набора данных алгоритм со стабилизирующими функционалами даёт гораздо лучшие (от 50% до 70%) результаты. В то время как простой алгоритм при восстановлении теряет форму и структуру облака, метод со стабилизирующими функционалами выделяет и структуру, и общую форму облака.

При внесении гауссовского шума в результаты сканирования ситуация практически аналогична описанной выше. Единственное отличие заключается в том, что разница между двумя алгоритмами при достаточном количестве данных несколько уменьшается (3-7%). Имитация потери мощности сигнала с увеличением расстояния приводит к тому, что простой алгоритм даёт гораздо худшие результаты (до 100%) чем алгоритм со стабилизирующими функционалами во всех случаях (как при достаточном числе измерения, так и при неполном наборе данных). Это объясняется тем, что алгоритм без стабилизирующих функционалов неустойчив по отношению к такому (систематическому) виду ошибок. Алгоритм со стабилизирующими функционалами гораздо устойчивее и даёт хорошие оценки геометрических характеристик облака, а также показывает отличное качество восстановления в исследуемых метриках.

Для использования в системах радиолокационной поддержки построенный алгоритм должен работать в режиме реального или почти реального времени с минимальными задержками. Поэтому было проведено исследование алгоритмов на предмет временных затрат. Тестовая система, на которой проводились расчёты -Athlon (Barton) 2500+, 512 Mb RAM, Windows XP. Так как оба алгоритма используют для нахождения коэффициентов разложения один и тот же метод сопряжённых градиентов, то разница между разработанными алгоритмами заключается только в том, что алгоритм со стабилизирующими функционалами предварительно проводит решение сопряжённых задач, в то время как простой алгоритм сразу формирует матрицу метода наименьших квадратов. На основе проведённых тестов можно утверждать, что при использованной разрешающей способности алгоритмов время одного расчёта занимало порядка 1,5-2,5 минут (в зависимости от количества входных данных) для алгоритма со стабилизирующими функционалами и на 20-30 секунд меньше для простого алгоритма. То есть временные затраты необходимые на решение сопряжённых задач не являются определяющими в работе алгоритма (1030% от общего времени вычислений). Таким образом, алгоритм со стабилизирующими функционалами может работать в режиме реального времени (с небольшими задержками).

В течение сентября - декабря 2002 г. в ФИАЦ Росгидромета НПО «Тайфун» были проведены эксперименты по испытаниям в полевых условиях

радиолокационно-трассерной подсистемы. Всего было проведено 9 экспериментов, в четырёх из которых (два в окрестностях Курской АЭС и два в окрестностях г. Обнинска) проводились соответствующие модельные расчеты с целью отработки технологии верификации модели переноса и ассимиляции данных радиолокационных наблюдений в прогностическую модель.

На основе этих данных было проведено сравнение разработанного алгоритма оценки пространственных характеристик облака ПРО с алгоритмом предыдущего поколения. Сравнительный анализ полученных результатов позволяет утверждать, что оба алгоритма дают практически идентичные результаты (различие менее 2%) при оценке долготы и широты положения центра масс облака трассеров, скорости и направления движения центра масс облака, ориентации облака в горизонтальной плоскости. Однако что касается оценок продольной и поперечной дисперсии облака, то здесь результаты отличаются значительно в зависимости от расстояния до цели. Горизонтальные дисперсии при обработке алгоритмом предыдущего поколения на 530% больше чем при обработке созданным комплексом в зависимости от дальности сканирования, которая меняется от 1800 до 10500 метров. Чем дальше цель находится от РЛС, тем больше различаются горизонтальные дисперсии, полученные при обработке радиолокационных данных двумя рассматриваемыми методами.

Во время экспериментов № 1, №2 (окрестности Курской АЭС - рисунок 10), №3 и №4 (окрестности г. Обнинска - рисунок 11) проводилась оценка параметров переноса (направление и скорость ветра) и рассеяния (набор параметров ) примеси в пограничном слое атмосферы.

I, Г _ „ _ . . . , V**

Рис. 10. Траектория движения и контуры облака трассеров (эксперименты №1, №2, Курская АЭС).

Рис. П. Траектория движения и контуры облака трассеров (эксперимент №4, г. Обнинск)

По результатам проведенных экспериментов была показана эффективность радиолокационно-трассерного комплекса для обеспечения прогноза возможных загрязнений в случае выброса вредных примесей в атмосферу

Облако СРТ, двигаясь по ветру и рассеиваясь, отслеживает ту метеорологическую информацию, которая на данный момент имеет место (вертикальное распределение ветра и температуры воздуха, уровень турбулентности, высота пограничного слоя, характер подстилающей поверхности и т.д.) и любые его изменения на пути перемещения Радиолокационно-трассерный комплекс по результатам слежения за облаком СРТ оценивает параметры ях и яу, по которым разработанный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» определяет основные параметры переноса и рассеяния на высоте выброса Эти параметры сразу могут быть использованы для уточнения модельных расчетов возможных уровней загрязнения приземного воздуха и подстилающей поверхности

В Заключении сформулированы основные результаты работы и сделаны следующие выводы

1 Разработан и исследован метод оценки геометрических характеристик и положения центра масс облака трассеров по данным радиолокационного сканирования локатором с осесимметричной диаграммой направленности, который позволяет учитывать искажения принимаемого сигнала, вносимые за счет конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности

2 Разработаны теоретические подходы и метод восстановления функции плотности по результатам радиолокационного сканирования локатором с широкой диаграммой

направленности, использующий стабилизирующие функционалы в качестве линейных ограничений на коэффициенты разложения функции плотности по базисным функциям в сферической системе координат. Метод восстановления функции плотности по неполным данным позволяет проводить требуемые оценки в режиме реального времени.

3. Разработан и исследован метод ассимиляции данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в пограничном слое атмосферы: направление и скорость ветра, дисперсия компонент скорости ветра, лагранжев временной масштаб, обобщённый параметр сдвига.

4. Разработанные теоретические подходы и методы оценки геометрических характеристик облака трассеров и ассимиляции данных радиолокационных наблюдений реализованы в виде программного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», предназначенного для автоматической обработки радиолокационных данных. Данный программный комплекс используется как подсистема радиолокационно-трассерного комплекса в Федеральном Информационно-аналитическом Центре Росгидромета НПО «Тайфун». Программный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» использовался при проведении в Федеральном Информационно-Аналитическом Центре Росгидромета НПО «Тайфун» ряда натурных радиолокационно-трассерных экспериментов. Использование комплекса показало его эффективную работу в режиме реального времени.

5. Задача восстановления функции плотности частиц облака трассеров по данным радиолокационного сканирования плоским лучом, рассматриваемая в приближении однократного рассеяния, сведена к математической задаче обращения преобразования Радона на сфере (преобразования Минковского-Функа). Получены явные формулы обращения оператора радиолокации для локатора с плоским лучом, основанные на методах обращения преобразования Минковского-Функа.

6. Задача восстановления функции плотности частиц облака трассеров по неполному набору данных является некорректной и, следовательно, требует соответствующих процедур регуляризации. Для этого разработано семейство алгоритмов восстановления, использующее введение стабилизирующих функционалов в качестве линейных ограничений на коэффициенты разложения функции плотности по набору функций в сферической системе координат. Для оценки значений стабилизирующих функционалов получены формулы обращения сопряжённого оператора радиолокации. Сформулированы требования на класс ядер стабилизирующих функционалов, обеспечивающие единственность и существование решения сопряжённого уравнения радиолокации.

7. Проведено исследование устойчивости метода восстановления функции плотности частиц облака отражателей по результатам сканирования плоским лучом на имитационных моделях. Для проведения имитационных экспериментов создан программный комплекс СЬоЫМ. Результаты исследования показали, что разработанный метод восстановления функции плотности частиц облака трассеров по результатам радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом является устойчивым по отношению к случайным и систематическим ошибкам, неполноте данных. Таким образом, разработанное программное обеспечение может применяться в радиолокационно-трассерных подсистемах, использующих локаторы с плоским лучом.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Ершов А.Н., Камаев Д.А. Восстановление трёхмерной структуры объекта по результатам сканирования широким лучом как задача радоновской томографии/Груды ИЭМ, вып. 23(165), 2002.-е. 23-28.

2. Ершов А.Н. Процедура оценки пространственных характеристик облака пассивных отражателей по данным радиолокационного сканирования./Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. Обнинск, №2, 2003.-е. 61-67.

3. Shershakov V.M., Zhukov G.P., Kosykh V.S., Bessonov V.A., Garyants A.M., Borodin R.V., Dolgov M.V., Kamaev DA., Ershov A.N., Satyr S.V. Results of Development and Field Tests of a Radar-Tracer System Providing Meteorological Support to Modeling Hazardous Technological Releases./Proceedings of International Symposium "Off-site Nuclear Emergency Management, Capabilities and Challenges", Salzburg, Austria, 29 September to 3 October, 2003.

4. Ершов А.Н., Камаев Д.А. Восстановление пространственного распределения частиц по данным радиолокационного сканирования плоским лучом./Приборы и системы. Управление, контроль диагностика. № 8, 2004.-е. 53-57.

»23 4 79

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННО-ТРАССЕРНЫЕ ПОДСИСТЕМЫ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСАХ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ

1.1 .Применение радиолокации в метеорологии

1.2. Применение радиолокаторов в системах автоматизированного контроля и прогноза радиационной обстановки

1.3. Радиолокационно-трассерный метод измерения диффузионных характеристик атмосферы

1.4. Технические средства и программное обеспечение мобильной радиолокационно-трассерной подсистемы

1.5. Структура подсистемы обработки радиолокационных данных и подсистемы ассимиляции первично обработанных радиолокационных данных в мобильном радиолокационно-трассерном комплексе

1.6. Выводы

ГЛАВА 2. . ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ПРОЦЕДУР ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ПЛОТНОСТИ ОБЛАКА ПАССИВНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ

2.1. Средняя мощность рассеянного поля в приближении однократного рассеяния

2.2. Выражение для принимаемой интенсивности в приближении однократного рассеяния для узкополосного импульса

2.3. Определение оператора радиолокации

2.4. Задача восстановления функции плотности распределения частиц случайного облака как задача радоновской томографии

2.5. Аналитическое выражение для сопряжённого оператора радиолокации

2.6. Задача обращения сопряжённого оператора радиолокации

2.7. Разработка методов восстановления функции плотности облака пассивных радиолокационных отражателей по результатам радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом

2.7.1. Общая постановка задачи

2.7.2. Метод восстановления функции п:отности частиц случайного облака по результатам радиолокационного сканирования плоским лучом

2.7.3. Выбор стабилизирующих функционалов для задачи восстановления функции плотности

2.7.4. Преобразование Радона на сфере (преобразование Минковского-Функа)

2.7.5. Решение интегрального уравнения Абеля

2.7.6. Формула обращения преобразования Минковского-Функа в случае, когда функция на сфере зависит только от переменной углового расстояния до северного полюса

2.7.7. Формула обращения преобразованы Минковского-Функа в общем случае

2.7.8. Формула обращения оператора радиолокации

2.7.9. Формула обращения сопряжённого оператора радиолокации

2.8. Разработка метода первичной обработки данных радиолокационного сканирования облака трассеров с целью оценки его пространственных характеристик по результатам сканирования локатором с осесимметричной диаграммой направленности

2.9. выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ РАДИОЛОКАЦИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ОБЛАКОМ ПАССИВНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ

3.1. Разработка программного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы»

3.1.1. Подсистема первичной обработки данных радиолокационного сканирования трассерного облака с целью оценки его пространственных характеристик

3.1.2. Подсистема ассимиляции радиолокационных данных для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения г.римеси

3.1.3. Описание данных и спецификации программы "Восстановление структуры пограничного слоя атмосферы"

3.1.4. Описание возможностей программного комплекса "Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы"

3.2. Разработка программного комплекса CloudM

3.2.1. Моделирование функции плотности частиц случайного облака

3.2.2. Формирования результатов сканирования облака частиц локатором с плоским лучом

3.2.3. Восстановление функции плотности облака частиц по результатам сканирования локатором с плоским лучом

3.2.4. Моделирование потери мощности принимаемого сигнала с увеличением расстояния до случайного облака частиц и внесение шумов в результаты сканирования

3.2.5. Описание возможностей программного комплекса CloudM

3.3. выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМЫ АССИМИЛЯЦИИ И ПОДСИСТЕМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ПЛОТНОСТИ ОБЛАКА ТРАССЕРОВ МЕТОДАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И НА ОСНОВЕ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ РАДИОЛОКАЦИОННО-ТРАССЕРНОГО КОМПЛЕКСА

4.1. Исследование методов восстановления на основе имитационных экспериментов

4.2. Анализ результатов имитационных экспериментов

4.3. Функционирование программного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы при полевых испытаниях мобильной радиолокационно-трассерной подсистемы

4.4. Выводы

Одной из важных задач систем контроля радиационной обстановки является прогноз распространения радиоактивной примеси в атмосфере в случае аварийного выброса [36], [3839]. В настоящее время для решения этой задачи широко применяются методы физико-математического моделирования переноса радиоактивных веществ в пограничном слое атмосферы. Основными параметрами пограничного слоя атмосферы, которые используются в большинстве моделей переноса, являются диффузионные параметры, высота пограничного слоя, скорость и направление ветра. Оценка текущего состояния пограничного слоя атмосферы только по данным стандартных метеонаблюдений является недостаточной для построения надёжного прогноза.

В разрабатываемых в настоящее время системах аварийного реагирования при атмосферных выбросах радиоактивных веществ в качестве дополнительного источника информации о состоянии пограничного слоя атмосферы используется радиолокационно-трассерный метод (РТМ) [4], [13-14], [36], [38-39]. Данный метод заключается в диспергировании в исследуемой области пограничного слоя атмосферы сверхлёгких радиолокационных трассеров, представляющих собой тонкие полуволновые диполи из углеродно-графитных материалов, и последующего наблюдения за эволюцией образовавшегося облака пассивной примеси при помощи радиолокатора. При этом предполагается, что поведение трассеров совпадает с поведением примеси. Затем результаты радиолокационного сканирования обрабатываются с целью получения упомянутых выше характеристик пограничного слоя. Кроме того, радиолокационно-трассерный метод может обеспечить натурное моделирование в реальном масштабе времени распространения радиоактивной примеси в начальной стадии выброса, если каким-либо образом обеспечить добавление трассеров к выбросу радиоактивных веществ.

В системах поддержки, использующих радиолокационно-трассерный метод, в настоящее время применяются радиолокаторы с осесимметричной диаграммой направленности [13-14]. Однако при азимутальном и угло-местном сканировании облака пассивных радиолокационных отражателей (ПРО) в принимаемом сигнале наблюдаются искажения распределения концентрации в поперечных и продольных к линии сканирования направлениях, вносимые за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности. Игнорирование этих искажений может приводить к значительным ошибкам при определении характеристик облака ПРО [38]. Поэтому необходимы эффективные методы обработки данных радиолокационного слежения за облаком ПРО, позволяющие учитывать конечную длительность зондирующего импульса и ширину диаграммы направленности.

При использовании радиолокационно-трассерного метода появляется возможность определить в оперативном режиме траекторно-диффузионные характеристики облака трассера (положение центра масс облака, а также продольную и поперечную дисперсии облака), что позволяет проводить уточнение мезомасштабных особенностей переноса и рассеяния примеси. Следовательно, требуется реализовать метод ассимиляция данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере.

Кроме того, при использовании радиолокаторов с осесимметричной диаграммой направленности для получения необходимых интегральных характеристик облака необходимо проводить многократное сканирование. Это требует наличия оператора. Более перспективным представляется применение радара с широкой диаграммой направленности (плоский луч), допускающее автоматический режим. В этом варианте предполагается, что за счёт поворота плоскости луча возможно сканирование в нескольких наклонных по отношению к горизонту плоскостях. В этом случае радиолокационная информация представляет собой интегральные характеристики вдоль плоскости сканирования луча, поэтому нужен метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по этим данным, а также быстрый метод оценки геометрических параметров облака ПРО.

Целыо диссертационной работы является разработка и исследование теоретических подходов и методов создания программных средств обработки данных при радиолокационной поддержке систем контроля радиационной обстановки с целыо восстановления трёхмерной структуры облака ПРО, оценки геометрических характеристик облака ПРО, а также для уточнения параметров прогностических моделей распространения радиоактивной примеси в атмосфере в случае аварийного выброса. Задачи исследования: • разработать теоретические подходы и метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с осесимметричной диаграммой направленности, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности; осуществить его программную реализацию;

• разработать теорию и метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с плоским лучом; реализовать его в виде соответствующего программного обеспечения;

• разработать метод и программное обеспечение для уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере по данным радиолокационного слежения за облаком трассеров;

• провести анализ возможностей использования разработанных программных средств методами имитационного моделирования для их применения в автоматизированных системах контроля радиационной обстановки.

Теоретическая значимость и научная новизна работы. Разработаны методы компьютерной обработки радиолокационных данных, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала, вносимые за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности локатора. Получено аналитическое решение интегрального уравнения радиолокации для локатора с плоским лучом, позволившее создать устойчивые методы восстановления функции плотности частиц облака отражателей. Разработаны методы программного восстановления трёхмерной структуры облака пассивных отражателей по результатам радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом. Предложен и разработан метод компьютерной ассимиляции данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере. Выполнен анализ свойств предложенных методов.

Практическая значимость результатов исследований. Разработанный метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования и метод ассимиляции данных радиолокационных наблюдений реализованы в программном комплексе «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», который используется как часть радиолокационно-трассерной подсистемы, созданной в Федеральном Информационно-аналитическом Центре Росгидромета НПО «Тайфун». Разработанный метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО реализован в программном комплексе С1оийМ и может использоваться в системах поддержки, основанных па радиолокационпо-трассерном методе для локаторов с широкой диаграммой направленности (плоский луч).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Теоретические подходы и метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с осесимметричной диаграммой направленности, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности.

2. Теория и метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с плоским лучом.

3. Метод уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере по данным радиолокационного слежения за облаком трассеров.

4. Программный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», реализующий методы оценки геометрических характеристик облака трассеров и метод ассимиляции радиолокационных данных для уточнения параметров распространения примеси в пограничном слое атмосферы.

5. Программный комплекс CloudM, реализующий метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на международном симпозиуме «Off-site Nuclear Emergency Management, Capabilities and Challenges» (Зальцбург, Австрия, 28 сентября - 3 октября 2003 г.) и на «Четвёртой Международной научно-технической конференции "Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики"» - МНТК-2004 (Москва, ВНИИАЭС, 16-17 июня 2004 г.). Апробация работы состоялась на научном семинаре Федерального Информационно-аналитического Центра Росгидромета НПО «Тайфун».

Публикация работ. Основные результаты диссертации достаточно полно опубликованы в 4 научных статьях.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю Д.А. Камаеву и сотрудникам ФИАЦ РОСГИДРОМЕТА НПО "Тайфун" Г.П. Жукову, М.В. Долгову, Г.Н. Фреймундту, Н.В. Клепиковой за предоставленные материалы и помощь в работе.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны и исследованы теоретические подходы и метод оценки геометрических характеристик и положения центра масс облака трассеров по данным радиолокационного сканирования локатором с осесимметричной диаграммой направленности, который позволяет учитывать искажения принимаемого сигнала, вносимые за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности.

2. Разработаны и исследованы теория и метод восстановления функции плотности по результатам радиолокационного сканирования локатором с широкой диаграммой направленности, использующий стабилизирующие функционалы в качестве линейных ограничений на коэффициенты разложения функции плотности по базисным функциям в сферической системе координат. Метод восстановления функции плотности по неполным данным позволяет проводить требуемые оценки в режиме реального времени.

3. Разработан и исследован метод ассимиляции данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в пограничном слое атмосферы: направление и скорость ветра, дисперсия компонент скорости ветра, лагранжев временной масштаб, обобщённый параметр сдвига.

4. Разработанные теоретические подходы и методы оценки геометрических характеристик облака трассеров и ассимиляции данных радиолокационных наблюдений реализованы в виде программного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», предназначенного для автоматической обработки радиолокационных данных. Данный программный комплекс используется как подсистема радиолокационно-трассерного комплекса в Федеральном Информационно-аналитическом Центре Росгидромета НПО «Тайфун». Программный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» использовался при проведении в Федеральном Информационно-Аналитическом Центре Росгидромета НПО «Тайфун» ряда натурных радиолокационно-трассерных экспериментов. Использование комплекса показало его эффективную работу в режиме реального времени.

5. Задача восстановления функции плотности частиц облака трассеров по данным радиолокационного сканирования плоским лучом, рассматриваемая в приближении однократного рассеяния, сведена к математической задаче обращения преобразования Радона на сфере (преобразования Мипковского-Функа). Получены явные формулы обращения оператора радиолокации для локатора с плоским лучом, основанные на методах обращения преобразования Минковского-Функа.

6. Задача восстановления функции плотности частиц облака трассеров по неполному набору данных является некорректной и, следовательно, требует соответствующих процедур регуляризации. Для этого разработано семейство алгоритмов восстановления, использующее введение стабилизирующих функционалов в качестве линейных ограничений на коэффициенты разложения функции плотности по набору функций в сферической системе координат.

Для оценки значений стабилизирующих функционалов получены формулы обращения сопряжённого оператора радиолокации. Сформулированы требования на класс ядер стабилизирующих функционалов, обеспечивающие единственность и существование решения сопряжённого уравнения радиолокации.

7. Проведено исследование устойчивости метода восстановления функции плотности частиц облака отражателей по результатам сканирования плоским лучом на имитационных моделях. Для проведения имитационных экспериментов создан программный комплекс С1оиЛМ. Результаты исследования показали, что разработанный метод восстановления функции плотности частиц облака трассеров по результатам радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом является устойчивым по отношению к случайным и систематическим ошибкам, неполноте данных. Таким образом, разработанное программное обеспечение может применяться в радиолокационно-трассерных подсистемах, использующих локаторы с плоским лучом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выбросе радиоактивных веществ в атмосферу одной из первоочередных задач системы аварийного реагирования является прогноз распространения радиоактивного облака и динамики изменения радиационной обстановки под воздушным следом облака. Важнейшими параметрами пограничного слоя атмосферы, которые используются в большинстве моделей переноса, являются диффузионные параметры, высота пограничного слоя, скорость и направление ветра.

В разрабатываемых в настоящее время системах аварийного реагирования при атмосферных выбросах радиоактивных веществ в качестве дополнительного источника информации о состоянии пограничного слоя атмосферы используется радиолокационно-трассерный метод.

В системах поддержки, использующих радиолокациоино-трассерный метод, в настоящее время применяются радиолокаторы с осесимметричпой диаграммой направленности. Однако при азимутальном и угло-местном сканировании облака пассивных радиолокационных отражателей в принимаемом сигнале наблюдаются искажения распределения концентрации в поперечных и продольных к линии сканирования направлениях за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности. Для учёта этих искажений разработан метод обработки данных радиолокационного слежения за облаком ПРО, позволяющий учитывать конечную длительность зондирующего импульса сигнала и ширину диаграммы направленности.

Использование радиолокаторов с осесимметричной диаграммой направленности исключает автоматический режим сканирования и требует присутствия оператора. В системах радиолокационной поддержки предполагается использование радаров с широкой диаграммой направленности (плоский луч), допускающее автоматический режим. Для этого случая построен метод восстановления функции плотности облака ПРО по результатам сканирования локатором с плоским лучом.

В теоретической части работы показано, что задача восстановления функции плотности частиц облака ПРО по результатам сканирования локатором с плоским лучом может быть сведена к задаче обращения преобразования Радона на сфере (преобразования Минковского-Функа). Получены явные формулы обращения оператора радиолокации для радара с плоским лучом, а также сопряжённого к нему оператора. Сформулированы условия на класс функций, для которого задача обращения оператора радиолокации является корректной.

Основной целью диссертационной работы была разработка и исследование теоретических подходов и методов создания программных средств обработки данных при радиолокационной поддержке систем контроля радиационной обстановки. Полученные методы оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования и ассимиляции данных радиолокационных наблюдений реализованы в программном комплексе «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», который используется в радиолокационно-трассерпой подсистеме информационно-измерительного комплекса контроля распространения примеси, разработанного в Федеральном Информационно-аналитическом Центре РОСГИДРОМЕТА НПО «Тайфун». Метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО реализован в программном комплексе С1ои(1М и может использоваться в системах поддержки, использующих радиолокационно-трассерный метод, для локаторов с широкой диаграммой направленности (плоский луч).

Радиолокационно-трассерный комплекс по результатам слежения за облаком СРТ непосредственно оценивает геометрические параметры облака, по которым разработанный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» определяет основные параметры переноса и рассеяния на высоте выброса. Эти параметры сразу могут быть использованы для уточнения модельных расчётов возможных уровней загрязнения приземного воздуха и подстилающей поверхности.

1. Архангельский А.Я. Программирование в С++ Builder 6. М.: Бином, 2002.

2. Бабенко К.И. Основы численного анализа. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1986.

3. Белов Н.П. Метеорологические радиолокационные станции. Л., Гидрометеоиздат, 1976.

4. Вызова H.JL, Жуков Г.П., Мазурин Н.Ф., Юрчак Б.С. Экспериментальная оценка параметров диффузии пассивной примеси от мгновенного высотного источника в нижней части пограничного слоя атмосферы. Труды ИЭМ. 1994. Вып. 57 (159), с. 3-17.

5. Васильев A.M. Теория дифференциально-геометрических структур. М.: Издательство Московского Университета, 1987.

6. Винер Н. Интеграл Фурье и некоторые его приложения. М.: Физматгиз, 1963.

7. Владимиров B.C. Обобщённые функции в математической физике. М.: Наука, 1979.

8. Гельфанд И.М, Гиндикин С.Г., Граев М.И. Избранные задачи интегральной геометрии. -М.: Добросвет, 2000.

9. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. -Пер. с англ. JL: Гидрометеоиздат, 1988.

10. Дулевич В.Е., Коростелев A.A., Мелышк Ю.А., Буренин Н.И., Петров A.B., Веретягин A.A., Бандурко Н.Г. Теоретические основы радиолокации. — М.: Советское радио, 1964.

11. Ершов А.Н., Камаев Д.А. Восстановление трёхмерной структуры объекта по результатам сканирования широким лучом как задача радоновской томографии. — Труды ИЭМ, вып. 23(165), 2002, с. 23-28.

12. Ершов А.Н. Процедура оценки пространственных характеристик облака пассивных отражателей по данным радиолокационного сканирования. Известия высших учебных заведений, ядерная энергетика. Обнинск, №2, 2003, с. 61-67.

13. Жуков Г.П., Юрчак Б.С. Диффузия пассивной примеси в пограничном слое атмосферы по радиолокационным данным. Известия АН. Физика атмосферы и океана, 1994, т. 30, № 4, с. 451-457.

14. Жуков Г.П., Юрчак Б.С. Оценка возможности определения местоположения и конфигурации облака вредных атмосферных выбросов промышленных предприятий радиолокационным методом. Метеорология и гидрология, 1993, № 12, с. 94-100.

15. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Теория и приложения. ТИИЭР, 1977, т.65, №7.1617,18,19.