автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Восстановление профиля ветра методом "круговых диаграмм" при радиолокационном зондировании нижних слоев атмосферы

С'

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

на правах рукописи УДК.551 . 501 . 8

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯ ВЕТРА МЕТОДОМ "КРУГОВЫХ ДИАГРАММ" ПРИ РАДИОЛОКАЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ НИЖНИХ СЛОЕВ АТМОСФЕРЫ.

Суслов Сергей Алексеевич

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, (по техническим наукам)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

- 2000 г.

Работа выполнена в МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ НА КАФЕДРЕ ПР-5

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор Горелик А.Г.

Официальные оппоненты:

доктор физ-мат. наук, профессор Маслов И.А.

Научный Центр Волновых Исследований Института Общей Физики РАН.

кандидат техн. наук, начальник Научно-

технического Центра Радиозондирования ЦАО. Кочеров С.А,

Ведущая организация:

Московский Государственный Технический Университет Гражданской Авиации.

Защита состоится "23" мая 2000г. в /у часов на заседании специализированного совета К063.93.03 в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики по адресу: 107076, г. Москва, ул. Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики.

Автореферат разослан

•2о -

апреля 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета МГАПИ

Филинов В.В.

с£><?3?. 22 О е /V/. ¿РеР,

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность работы

Разработка дистанционных методов, обеспечивающих

оперативное получение данных о вертикальном профиле ветра в любых погодных условиях, с высокой точностью и надежностью, представляет интерес и актуальна для многих отраслей народного хозяйства. Особенно важно оперативно получать надежные данные о ветре в нижних слоях атмосферы.

Трудности разработки методов ветрового зондирования связаны с тем, что ветер является величиной быстроизменяющейся во времени и пространстве Его скорость изменяется в широких пределах от 0 до 70 м/с, а по направлению на 360°. Скорость и направление ветра изменяются с высотой, причем его резкие изменения могут возникать в "тонких" слоях, составляющих всего несколько метров.

При разработке радиолокационных методов восстановления профиля ветра основное внимание необходимо обращать на оперативность и точность проводимых измерений. Эти условия являются взаимо-противоречивыми, так как получение достоверных данных требует проведение большого количества измерений, увеличению времени обработки и как следствие снижает оперативность получения конечного результата.

Ранее, до появления мощных вычислительных машин, из за не возможности оперативно производить обработку большого объема данных, это противоричие разрешалось путем ограничения производимых измерений, за счет: усложнения методик измерений (корреляционно доплеровская методика, доплеровская

томография) , усложнения сигнала зондирования (частотная, фазовая модуляция), усложнение измерительной аппаратуры (совместное использование непрерывной и импульсной системы), это приводит в конечном итоге к накоплению ошибки при определении меторологических параметров.

Однако на современном этапе развити вычислительной техники, появилась возможность производить обработку и анализ большого объема данных в реальном масштабе времени. Это позволяет технически простой измерительной системой (НДС) производить

многочисленные измерения, и тем самым повысить достоверность получаемых данных, при переходе от величин измеряемых радиолокационно к метеорологическим параметрам, в реальном масштабе времени.

Представленная работа является дальнейшим продолжением исследований в этом направлении.

В связи с этим чрезвычайно велико значение разработки на базе НДС методов позволяющих повысить надежность радиолокационной информации о ветре и его пространственно временной изменчивости.

Разработке, исследованию и практической апробации таких методов посвящается настоящая диссертационная работа. Это и определяет ее актульность.

1.2 Состояние проблемы

Радиолокационные методы восстановления вертикального профиля ветра условно можно разделить на две большие группы.

К первой относятся методы, основанные на анализе информации, полученной путем совместной обработки данных, собранных по нескольким направлениям зондирования. Метод, основанный на использовании доплеровской томографии, это особый подход к решению задач радиометеорологии на основе анализа полной формы доплеровского спектра. Преимущество применения этого метода, заключается в том, что восстановление поля ветра возможно по данным собранным по нескольким направлениям (З-г-7 направлений). Данный метод позволяет точно определить распределение экстремальных скоростей, однако не обеспечивает получение тонкой структуры поля скоростей, например изменение параметров турбулентности, пульсации и т.д., так как томографический метод реконструирует средний профиль ветра, усредненный по площади ~1 км2 или за время порядка минуты.

Дальнейшее развитие этот метод получил, в работах по восстановлению поля ветра на основе корреляционно-

доплеровского метода реконструкции поля скоростей. Главное достоинство этого метода заключается в том, что селекция по дальности отражает реальную картину распределения радиолокационной отражаемости. Это позволяет производить однозначное радиолокационные измерение ветра в широком диапазоне изменения скоростей. Технически и методически это достигается путем применение наряду с непрерывной системой, импульсно-когерентной станции, таким образом, определяется двухмерная функция взаимной корреляции между X(И,Ь)— интенсивность пришедшего сигнала от дальности И вдоль луча (импульсная станция), и Э(V,Ь)— спектральной плотности мощности доплеровской спектра (непрерывная система). Недостаток данного метода состоит в необходимости одновременного использования двух каналов - непрерывного и импульсного (в согласованном режиме) или периодическое переключение одного канала с непрерывного когерентного режима в импульсный не когерентный.

Ко второй категории относятся методы, основанные на получении информации о поле ветра путем статистического сбора данных, т.е. производиться сбор данных по максимально возможному количеству направлений. Было доказано и теоретически обосновано, что в спектре отраженного сигнала непрерывного сигнала содержится информация о поле ветра и турбулентных движениях. При произвольном распределении рассеивателей в пространстве происходят изменения интенсивности принимаемого сигнала во времени. Эти изменения ярко проявляются при различных направлениях зондирования. Можно ожидать, что проведение измерений, при использовании большого количества направлений зондирования, позволит восстанавливать достоверную общую метеорологическую картину.

Настоящая работа посвящена дальнейшей разработке, и практической реализации метода реконструкции поля скоростей и распределения рассеивателей в пространстве, основанного на анализе и обработке доплеровских спектров, полученных посредством непрерывной доплеровской РЛС, при многократном азимутальном вращении антенной системы.

1.3 Цели работы и задачи исследования

Целью данной работы являлось разработка и исследование метода восстановления поля ветра путем получения "азимутальных разрезов", его теоретическое обоснование, создание экспериментального макета аппаратуры и разработка алгоритма обработки полученного сигнала.

Для достижения поставленной задачи было необходимо:

1. Предложить теоретически обоснованную математическую модель метеорологического объекта и измерительной системы, пригодную для качественного описания метода "азимутальных разрезов", которая учитывала бы особенности, как динамического состояния атмосферы, так и параметры используемой РЛС.

2. Решить прямую задачу для произвольного вертикального распределения скорости и направления ветра, и исследовать их вариации при изменении направления зондирования, и учесть то обстоятельство, что радиолокационная отражаемость в пространстве неоднородна.

3. Разработать пакет программ, соединенных в единое приложение с графическим интерфейсом, для обеспечения численного решения прямой задачи, по пункту 2. Необходимо проведение имитационного моделирования приема сигнала непрерывной РЛС для различных условий. В результате должны быть получены доплеровские спектры при различных направлениях зондирования, для изменяющихся ветровых полей с учетом турбулентности и различного распределения рассеивателей в пространстве.

4. Провести теоретические исследования методов позволяющие разделить зоны с изменяющейся радиолокационной отражаемостью и вариацией профиля ветра.

5. Обосновать технические требования к радиолокационному и вычислительному комплексам, предложить организацию проведения измерения и обработки получаемых данных, позволяющую анализировать параметры отраженного сигнала непосредственно в процессе проведения измерений.

6. Провести анализ способов обработки получаемого сигнала с непрерывной РЛС, и выработать единый алгоритм получения доплеровских спектров, пригодных для восстановления профиля ветра и распределения рассеивателей в пространстве методом "азимутальных разрезов".

7. Создать единый автоматизированный измерительный комплекс в составе непрерывного радиолокатора и ПЭВМ с программным обеспечением, позволяющий проводить измерения в автоматическом режиме, с выдачей конечного результата в реальном масштабе времени.

1■4 Научная новизна

1. Предложен новый способ восстановления поля ветра, основанный на исследовании доплеровских спектров, полученных при круговом азимутальном вращении антенны.

2. Теоретически обоснована связь между изменением поля ветра и получаемыми доплеровскими "азимутальными разрезими".

3. В результате теоретических исследований процесса формирования доплеровского спектра, построена численная модель учитывающая различные факторы, влияющие на его форму, такие как: направление зондирования, вертикальный профиль ветра и пространственная неоднородность отражаемости.

4. Предложена схема построения автоматизированного радиолокационного комплекса, на основе которой была создана измерительная система и проведены измерения.

1.5 Практическая ценность

Реализация предлагаемого метода восстановления поля ветра, с применением автоматизированной радиолокационной системы и цифровой обработкой сигнала, позволит значительно увеличить достоверность и оперативность определения профиля ветра, в реальном масштабе времени.

1.6 Основные результаты которые выносятся на защиту

На защиту выносятся следующие основные положения и

результаты исследования автора:

1. Радиолокационный модернизированный метод "круговых диаграмм" восстановления вертикального профиля ветра при неоднородных осадках.

2. Численная модель обеспечивающая получения доплеровских спектров при заданном направлении зондирования, заданном состоянии поля ветра и отражаемости.

3. Алгоритм и програмное обеспечение для обработки данных при использовании метода "круговых диаграмм".

4. Схема построения автоматизированного радиолокационного комплекса обеспечивающего проведение измерений вертикальных профилей ветра методом "круговых диаграмм" и результаты его испытаний.

1.7 Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, заключения, четырех глав, трех приложений и списка использованных источников. Общий объем диссертации 124 страниц, и включает 40 рисунков и 1 таблицу. Список использованных источников содержит 46 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении анализируется состояние вопроса, ставиться цель работы и обосновывается ее актуальность. Определяется научная новизна, производится постановка задач, и формулируются положения, выносимые на защиту.

В 1-й главе решена прямая задача восстановления профиля ветра в общем виде, и применительно к нескольким простым моделям метеобъекта. При этом учитывалось влияние различных параметров ветрового поля и отражаемости, на спектральные характеристики радиоэхо:

Pk^r(v, Н )dvdH = С * Ф(Н )* rjk t (Н ) * 8 [v - vt r(H )\lvd H

Y(H ,«,) = X(H ,a 3)* cos [a3 - a0(H ,a j]* ctg ß з + 1 (1)

H mm < H < H max

Vr(H,a3) Vr{H,a3)*sm ß3

Ф(Н) = —"——* sin2 /Зг - определяет ослабление сигнала по трассе. Н

(н) ~ зависимость эффективной площади обратного рассеяния единицы объема от высоты. Y(H,a3) - нормированная величина проекции скорости рассеивателей движущихся на высоте Н, в зондируемой области пространства, на направление зондирования. Разработанная модель метеобъекта характеризуется следующими параметрами:

- излучающая система имеет игольчатую диаграмму направленности

- поля отражателей однородно и рассеиватели "равномерно" распределены в зондируемом пространстве г)Кг1(н)= r\ = const.

- ослабление по трассе отсутствует, а зависимость от дальности Ф(R), в общем виде, имеет вид 1/R2.

- скорость вертикального движения рассеивателей Vr = const.

- ветровое поле однородно в горизонтальной плоскости.

- все рассеиватели на высоте Н имеют проекцию скорости равную V(H) .

В зоне расположения метеоцели имеются локальные неоднородности, характеризующиеся:

- скорость ветра изменяется произвольно по высоте и направлению V(H), V(a).

- направление ветра изменяется произвольно по высоте и направлению зондирования а(Н), а( к).

- в этих областях рассеиватели распределены произвольно и имеют различную радиолокационную отражаемость.

При попадании локальной неоднородности в зону зондирования РЛС, происходит наложение доплеровского спектра полученного от общего состояния поля ветра (простая модель метеобъекта) и доплеровского спектра полученного от рассеивателей

расположенных в этой аномалии.

)¿v¿tf = Pkr0C(v,H)dvdH +Ptr.o6(v,H)dvdH (3)

и m»

S(V)= \Рк,г.о6щее ( V,H)dH (4)

H min

В приложении к предложенной модели были рассмотрены различные методы восстановления профиля ветра и проведен анализ их достоинств и недостатков. В результате анализа был предложен новый метод восстановления поля ветра, основанный на получении множества доплеровских спектров при изменении направления зондирования по азимуту.

Известно, что в спектре отраженного непрерывного сигнала содержится информация о поле ветра и турбулентных движениях. При произвольном распределении рассеивателей в пространстве происходят изменения интенсивности принимаемого сигнала во времени и пространстве. Эти изменения ярко проявляются при различных направлениях зондирования, использование большого количества направлений зондирования позволяет производить восстановление общей метеорологической картины.

В результате теоретического обоснования метода "круговых диаграмм", была разработана методика проведения измерений, при

использовании этого метода. Определены требования к количеству назначаемых направлений зондирования, времени проведения измерений по одному направлению и времени одного цикла измерений.

Для разработанного метода "круговых диаграмм", были определены принципы численного моделирования, учитывающие:

- методику проведения измерений, различные параметры поля ветра.

- параметры метеорологического объекта, параметры РЛС.

На основании разработанных принципов был разработан пакет программ соединенных в единое приложение "Модель", с графическим интерфейсом, и произведено имитационное моделирование процесса проведения измерений методом "круговых диаграмм".

Рис.1. Измененная и дополненная схема сборки и обработки

сигнала.

Во 2-ой главе диссертации произведен всесторонний анализ традиционной схемы обработки сигнала, и предложена новая схема обработки сигнала принятого непрерывной доплеровской РЛС, в приложении к задачи восстановления профиля ветра, методом "круговых диаграмм". Блок схема процесса обработки данных представлена на рис.1.

Предложенная схема имеет ряд преимуществ перед традиционной:

- управление процессом сборки данных и их обработкой обеспечивается одной многофункциональной программой, что позволяет производить эти процессы параллельно, в реальном масштабе времени.

- для обеспечения проверки наличия 90° разности фаз между выходами фазовых детекторов, в схему обработки вносится дополнительный этап, позволяющий контролировать 90° разность фаз путем построения фигуры Лиссажу, и отображать результат в графическом виде.

- традиционная электронная схема определения направления ветра методом квадратурного детектирования, заменена разработанным аналитическим алгоритмом. Определение направление ветра ведется путем вычислений, что упрощает техническое решение РЛС, устраняет ошибки связанные с изготовлением и настройкой электронных блоков.

- программа сбора и обработки данных может быть объединена с любым алгоритмом определения метеорологических параметров основанным на анализе доплеровских спектров, это позволяет использовать ее для решения широкого круга задач в реальном масштабе времени.

В 3-й главе работы описана аппаратурная схема измерительного радиолокационного комплекса, приведены его технические характеристики. Для проведения измерений, используя метод "круговых диаграмм", была разработана и создана следующая схема управления и сбора данных рис.2.

Основу измерительной системы составляет непрерывная доплеровская РЛС, с рабочей длиной волны 8 мм. Она базируется на управляемой платформе модернизированного импульсного РЛС 1РЛ133. Данная система позволяет проводить метеорологические измерения в автоматическом режиме с изменением направления зондирования по двум угловым координатам, азимуту и углу места, согласно заранее заданной программе, с выдачей конечного результата в минимальный срок.

Управление производиться с помощью ПЭВМ типа IBM PC/XT, для чего был произведен выбор АЦП и ЦАП согласно требованиям предъявляемым к характеристикам обрабатываемого сигнала, немало важное значение имела цена комплектующих.

Для согласования входных/выходных параметров устройств ПЭВМ и модернизированного РЛС 1РЛХЗЗ были разработаны и изготовлены согласующие схемы. В соответствии с методикой проводимых измерений были обоснованы технические требования к вычислительной техники.

Рис.2. Блок схема построения системы измерения.

В 4-ой главе диссертации производиться численное моделирование метода "круговых диаграмм", для различных типов метеобьекта и проведен анализ полученных результатов. При моделировании учитываются различные параметры ветрового поля:

- изменения скорости ветра с высотой V(Н) в диапазоне от 0 до 10 м/с.

- изменение направления ветра с высотой а(Н) в пределах 360°.

- изменение скорости вертикального движения рассеивателей во времени. Скорость стабильна за один период цикла измерений.

- введение в зону зондирования локальных неоднородностей характеризующихся произвольным распределением V(Н), а(Н) и радиолокационной отражаемостью.

Производится построение доплеровских спектров по 30 различным направлениям зондирования, при изменении угла азимута через 360/30 градусов. И проводиться анализ "круговых диаграмм" полученных при изменении угла места (53 рис.3, и изменении скорости вертикального движения рассеивателей Vr.

В заключении перечислены основные этапы и результаты работы.

1. Предложена и теоретически обоснована математическая модель метеорологического объекта и решена прямая задача восстановления профиля ветра в общем виде.

2. Решена прямая задача для различных моделей метеобъекта, при этом было учтено влияние: параметров РЛС, состояние поля ветра, параметры метеоцелей.

3. Проведен анализ существующих методов восстановления профиля ветра, определены их достоинства и недостатки. В результате был предложен новый, теоретически обоснованный метод восстановления поля ветра, метод "круговых диаграмм".

4. Обоснована методика проведения измерений и предложен новый алгоритм восстановления поля ветра на основе метода "круговых диаграмм. Разработан аналитический алгоритм моделирования процесса измерения методом "круговых диаграмм" и создан пакет программ.

5. Разработаны технические требования к радиолокационному и вычислительному комплексу применительно к использованию метода "круговых диаграмм". Предложена блок-схема организации радиолокационной системы для работы ее в автоматизированном режиме.

6. Разработана структура и блок-схема измерительно-вычислительного комплекса, включая системы ввода/вывода и визуализации информации.

7. Проведен анализ способов обработки получаемого сигнала с непрерывной доплеровской РЛС, применительно к методу "круговых диаграмм.

8. Произведено имитационное моделирование процесса измерения методом "круговых диаграмм" для различных метеобъектов с учетом влияния возмущающих факторов, проведен анализ полученных результатов и описаны возможности новой методики предложенной в этой работе.

9. По итогам Международного Салона промышленной собственности "Архимед-2000" радиолокационный комплекс отмечен золотой медалью.

Материалы диссертации опубликованы 8 следующих работах:

1. Суслов С. А. Система сбора данных для радиолокационного комплекса зондирования нижних слоев атмосферы. - г. Муром, 3-Я Всероссийская научная конференция - применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды, 1999г.

2. Суслов С.А. Организация сбора данных для автоматизированной системы измерения ветра на базе непрерывного радиолокатора 8 мм диапазона. - г. Москва, Сборник трудов Студенческого научного общества МГАПИ, 1999г.

3. Суслов С. А. Предпосылки к разработке нового метода "круговых диаграмм". - Моск. Гос. Акад. приборостроения и информатики. - М.,2000.-4е.: Библиогр. 3 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 05.04.00, №88 9-ВОО

4. Суслов С. А. Определение направления ветра, методом квадратурного детектирования, используя вычислительный алгоритм. - Моск. Гос. Акад. приборостроения и информатики. -М., 2000.-5с.: Библиогр. 2 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 05.04.00, №888-ВОО

5. Суслов С.А. Организация сбора и обработки данных, при проведении метеорологических измерений. - г. Москва, Научные труды Межвузовской Научно - Технической конференции "Автоматизация 99", Общий сборник 1999г.

6. Суслов С.А. Обзор методов определения вертикальных профилей ветра. - г. Москва, Научные труды Межвузовской Научно Технической конференции "Автоматизация 99", Общий сборник 1999г.

Формат 60х901/16. Гарнитура "Тайме ЕТ" Москва, тираж 100 экз. Заказ 626