Поширення функціональних можливостей радіоелектронної системи комплексного вертикального зондування атмосферного пограничного шару

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 621.371.332:551.510.522

Поширення функціональних можливостей

радіоелектронної системи комплексного вертикального зондування атмосферного пограничного шару

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Максимова Ніна Григорівна

Харків 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки

Науковий керівник кандидат технічних наук, старший науковий співробітник ,Ульянов Юрій Миколайович,

старший науковий співробітник Національного університету “Харківський політехнічний інститут

Офіційні опоненти доктор технічних наук,

Професор Полярус Олександр Васильович, професор Харківського військового університету;

кандидат технічних наук,

професор, Сідоров Генадій Іванович, завідувач кафедри радіоелектронних систем Харківського національного університету радіоелектроніки

Провідна установа Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки, кафедра радіотехнічних пристроїв та систем

Захист відбудеться 5 липня 2002 р. о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: м. Харків, пр. Леніна, 14, к. 13

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: м. Харків, пр. Леніна, 14 радіоелектронний зондування метеоапаратура атмосферний

Автореферат розісланий 4 червня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Чурюмов Г.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Останні десятиліття характеризуються все зростаючими вимогами до обсягу і точності інформації про просторово-часову метеорологічну структуру нижнього шару атмосфери, що його називають атмосферним прграничним шаром (АПШ). Це пов'язано з тим, що стан АПШ суттєво впливає на багато важливих аспектів життєдіяльності суспільства.

Знання реальних фізичних характеристик АПШ - розподілу по вертикалі і горизонталі температури і вологості повітря, швидкості і напрямку вітру, а також структури турбулентності, що характеризує просторові і часові флуктуації всіх метеовеличин, необхідно: при вирішенні екологічних задач; задач, пов'язаних з умовами поширення радіохвиль; для забезпечення безпеки при зльоті і посадці літаків, різних аерокосмічних засобів і т.д.

Відсутність універсальної теорії, здатної за приземними значеннями метеовеличин охарактеризувати стан АПШ у будь-якій заданій точці простору й у будь-який момент часу різко підвищує значимість експериментальних досліджень цього шару, з'ясування його особливостей у різних регіонах у залежності від різних факторів - часу доби, сезону, орографії місцевості, клімату, наявності тих чи інших метеоявищ.

Прямі (контактні) методи виміру метеовеличин не завжди задовольняють потребам практики, оскільки отримані за їхньою допомогою дані носять дискретний просторово-часовий характер, що не дозволяє розпізнати тонкі, але суттєві для вивчення фізики процесів, області в АПШ, такі як локальні температурні інверсії, зони підвищеної турбулентності, зони локальних вітрових зсувів тощо. Через дорожнечу носіїв контактних датчиків і дискретного характеру одержуваних з їхньою допомогою даних, пріоритетну роль покликані грати дистанційні методи зондування АПШ - радіолокаційні, оптичні, акустичні, радіоакустичні і т.д. З погляду можливостей вивчення АПШ кожний з перерахованих методів має свої достоїнства і недоліки. Тому цілком природною є думка про одночасне використання ряду взаємодоповнюючих один одного засобів дистанційного зондування, тобто використання комплексного дистанційного зондування АПШ.

Система, що реалізує принцип комплексного зондування атмосфери, повинна бути порівняно простою і дешевою (що особливо важливо для України) і, разом з тим, досить багатою щодо можливостей вивчення АПШ. Вже у 80-ті роки нам було ясно, що як такою, найбільш прийнятною за критерієм “ефективність - вартість”, повинна бути система, що складається з двох найбільш привабливих засобів дистанційного зондування - акустичного локатора й апаратури радіоакустичного зондування (РАЗ) і комплексу наземної метеоапаратури.

До моменту початку наших досліджень по проблемі комплексного зондування АПШ, тобто до середини 80-х років, в опублікованій літературі, присвяченій методу РАЗ, приділялося мало уваги питанням методики вимірювання різних метеовеличин за допомогою апаратури РАЗ, розробці відповідних алгоритмів і програмного забезпечення цих вимірювань, аналізу факторів, що впливають на точність усіх вимірюваних метеовеличин. Практично цілком були відсутні які-небудь розробки щодо раціональної методики організації комплексних вимірювань і процедури аналізу отриманих результатів. Такий стан питання, природно, звужував можливості системи вертикального комплексного зондування (СКВЗ) АПШ, що її розробляли в цей час у ХІРЭ. У світлі цього ясно, що тема початої нами тоді дисертаційної роботи, спрямованої на вирішення широкого комплексу питань, пов'язаних з розробкою методик вимірювання різних метеовеличин і обробки прийнятої при цьому інформації як апаратурою РАЗ, так і системою в цілому, є, безсумнівно, актуальною. Власне кажучи, мова йде про вивчення шляхів одержання максимально можливої інформації про стан АПШ за допомогою СКВЗ, тобто шляхів розширення її функціональних можливостей.

До сказаного додамо наступне. В даний час Європейський союз проводить п'ятилітню акцію, метою якої є широке впровадження систем дистанційного зондування атмосфери в національні служби погоди. Для досягнення цієї мети повинні бути вирішені наступні задачі: комплексування різних методів зондування, зменшення вартості систем зондування, удосконалювання методів одержання інформації про атмосферу, обробки й аналізу цієї інформації. Усі ці питання тією чи іншою мірою були предметом наших досліджень. Відзначена обставина підтверджує високу актуальність теми нашої роботи і в даний час.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота пов'язана з науковими темами, що виконувалися в 1976-1993 р. у Проблемній науково-дослідній лабораторії зондування атмосфери (ПНДЛ ЗА) Харківського інституту радіоелектроніки (ХІРЕ, нині Харківський національний університет радіоелектроніки - ХНУРЕ) у рамках національних програм по вивченню атмосфери (створенню національної служби погоди України) і т.п. В числі цих тем: д/б НДР № 2.220.17.5 “Розробка методу оперативного виявлення несприятливих метеорологічних ситуацій, що приводять до підвищених рівнів забруднення атмосфери”; д/б НДР № 0.74.10.01.14 “Дослідження мінливості профілю температури повітря в нижньому шарі атмосфери радиоакустичним методом”; д/б НДР №3.3.2 “Ідентифікація каналу далекого тропосферного поширення, розробка методу, діагнозу і прогнозу параметрів сигналів”; д/б НДР “Експериментальні дослідження й аналіз висотних профілів метеопараметрів в умовах розвитку і розпаду прибережних інверсій температури і туманів”.

Мета і задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є максимально можливе розширення функціональних можливостей радіоелектронної системи комплексного вертикального зондування, що складається з апаратури радіоакустичного зондування, содара і наземної метеоапаратури, а також застосування удосконаленої системи для експериментальних досліджень структури АПШ на межі суша-море.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

розробка ефективних методик використання апаратури РАЗ (як однієї зі складових системи комплексного вертикального зондування), що дозволяють розширити її можливості щодо вимірювання основних метеовеличин;

експериментальне дослідження особливостей функціонування апаратури РАЗ і содара; розробка на цій основі методики комплексних досліджень АПШ, що враховує взаємодоповнюючі дані складових СКВЗ (апаратури РАЗ, содара і наземної метеоапаратури);

доказ можливості практичного застосування розроблених методик на основі досвіду експериментальних досліджень структури АПШ приморського району України;

узагальнення й аналіз результатів проведених вимірювань структури АПШ у приморському районі в інтересах з'ясування особливостей АПШ у цьому районі в залежності від різних факторів, поповнення і розвитку світових банків метеоданих.

Об'єкт дослідження - радіоелектронна система вертикального зондування, що складається з апаратури радіоакустичного зондування, содара і наземної метеоапаратури.

Предмет дослідження - поширення функціональних можливостей системи комплексного вертикального зондування атмосфери.

Методи дослідження: метод радіоакустичного зондування атмосфери; метод акустичного зондування атмосфери; методи статистичної обробки експериментальних результатів.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше розроблено методики (алгоритми) визначення за допомогою апаратури РАЗ найважливіших метеовеличин - температури і вологості повітря, числа Ричардсона Ri. Встановлено вплив різних факторів на результативність роботи системи РАЗ і її точністні характеристики.

2. Вперше запропоновані дві методики роботи апаратури РАЗ у залежності від стану АПШ - методика “траса”, що рекомендується до використання в умовах, близьких до байдужного стану структури АПШ і слабкого вітру, і методика “точка”, що рекомендується при розшаруванні АПШ і середньої швидкості вітру в обсязі зондування від 1 до 10 м/с. Для обох методик розроблені алгоритми і програми обробки даних РАЗ.

3. Вперше детально розроблена методика комплексного моніторингу АПШ, заснована на взаємодоповнюючих властивостях складових СКВЗ - апаратури РАЗ, содара і наземної метеоапаратури.

4. Вперше здійснені комплексні дослідження АПШ у приморському районі України за допомогою СКВЗ. У результаті отримані нові відомості про особливості структури АПШ у зазначеному районі в залежності від сезону, часу доби, наявності тих чи інших метеоявищ.

Практичне значення отриманих результатів

1. Продемонстровано можливість і перспективність використання простої за структурою системи комплексного вертикального зондування атмосферного пограничного шару для значного зниження витрат на побудову мережі пунктів спостереження національної служби погоди України.

2. Результати вивчення структури АПШ у приморському районі України можна використовувати при: створенні математичних моделей АПШ; в інтересах прогнозування ступеня забруднення атмосфери; прогнозі характеристик радіоліній різного призначення, виборі доцільних параметрів РЕС (зокрема, робочої довжини хвилі); розробці рекомендацій щодо забезпечення безпеки польоту різних аерокосмічних засобів; створенні нових систем дистанційного зондування атмосфери і розробці рекомендацій з їх експлуатації; вивченні метеорологічних особливостей регіону, у якому вони були отримані (південь України).

Особистий внесок здобувача Основні результати, що викладені в дисертації, належать автору. У роботах, виконаних у співавторстві, Максимовій Н.Г. належать наступні результати: у роботах [1-3, 7-13, 22, 23] - розробка методик визначення метеовеличин при її участі, розробка алгоритмів і програм та проведення розрахунків особисто, участь в експериментах; у роботах [14, 15, 17-19, 24-26] - розробка методики комплексного зондування АПШ, участь в постановці і проведенні експериментів, аналіз отриманих результатів; для роботи [20] - результати розрахунків комбінованої антенної системи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень за темою дисертації доповідались і обговорювалися на 18 конференціях та симпозіумах, з яких 8 є міжнародного рівня.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 26 праць, у тому числі 5 статтєй в фахових журналах, 18 матеріалів доповідєй на наукових конференціях та симпозіумах, 3 статті в препринтах.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 3 розділів і висновку. Робота містить 135 сторінок машинописного тексту, 49 малюнків, 8 таблиць, бібліографію з 78 найменувань вітчизняної і закордонної літератури.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначена мета і задачі дослідження та викладені основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі спочатку дана коротка характеристика процесів, що відбуваються в атмосфері. Показано, що як для з'ясування фізики процесів в АПШ, так і для успішного вирішення сукупності практично важливих прикладних задач треба мати безупинну в часі й у просторі досить точну інформацію про характер змін основних метеовеличин - про вертикальні профілі температури і вологості повітря, вектора швидкості вітру, про розподіл по висоті градиєнтного числа Ричардсона, а також картину турбулентності в АПШ, динаміку її зміни в часі. Таку інформацію треба одержати або від окремих складових СКВЗ, або при спільній обробці їхніх синхронних даних. Аналіз з цього погляду основних складових СКВЗ - апаратури РАЗ і акустичного локатора складає основний зміст першого розділу. При цьому по кожному з цих складових послідовно розглянуто: принцип їхньої роботи, деякі важливі співвідношення і формули для них, історія розвитку цих засобів дистанційного зондування і, що особливо важливо для наступного, можливості і перспективи кожного з цих засобів щодо вимірювань зазначених вище основних метеопараметров АПШ. Спочатку проаналізована апаратура РАЗ. Описано фізичні принципи методу РАЗ. Цей метод ґрунтується на властивостях звукових хвиль створювати в атмосфері періодичні неоднорідності густини повітря (акустичні ґратки) і властивостях електромагнітних хвиль розсіюватися на цих неоднорідностях. Частота прийнятих радіосигналів відрізняється від частоти електромагнітного випромінювання f_о на величину доплеровского зміщення f. Оскільки швидкість руху акустичних ґраток с_ак є багато меншою за швидкость світла с, то f = f_o2с_ак/с. Виміривши значення доплеровского зміщення f, можна знайти величину с_ак, що, у свою чергу, дорівнює с_ак=с_зв v_з,, де с -швидкість звуку, v_з складова швидкості вітру в напрямку зондування. При відсутності вітру с_ак=с_зв.

Швидкість звуку, як відомо, визначається співвідношенням [1]

,

де = С_р/С_v відношення питомих теплоємностей повітря при постійному тиску і постійному об'ємі; R_П універсальна газова постійна; _В середня молекулярна вага сухого повітря (29 кг/кмоль); Т абсолютна температура повітря. Величина (позначимо її q) слабко залежить від стану атмосфери, і її можна розглядати як постійну величину (рівну приблизно 20,06). Відповідно маємо с_зв = q.

Таким чином, у результаті виміру доплеровского зміщення f можна знайти значення швидкості звуку c_зв на визначеній висоті (при v_в= 0) і далі визначити температуру воздуха Т на цій висоті.

Необхідний для впевненого прийому рівень розсіяного сигналу забезпечується випромінюванням в атмосферу цугу, що складається з N_зв звукових хвиль. При цьому повинна виконуватися відома умова Брегга, що при збігу напрямків поширення акустичної й електромагнітної хвиль має вид , де _зв, _ем довжини звукових і електромагнітних хвиль, відповідно.

Викладено історію розвитку систем, що реалізують метод РАЗ. Далі аналізуються можливості апаратури РАЗ щодо визначення різних параметрів атмосфери - температури, горизонтальної швидкості вітру, числа Ричардсона, вологості повітря. Розглянуто різні способи визначення вологості повітря методом РАЗ. Відмічено, що єдиним практично придатним є метод двочастотного (ДЧ) РАЗ, запропонований у ПНДЛ ЗА ХІРЕ на початку 80-х років. У результаті аналізу можливостей апаратури РАЗ (проведеного нами на початку наших досліджень) виявлене коло питань, що потрібно було вирішити при розробці методик використання апаратури РАЗ для того, щоб, по можливості, максимально розширити її функціональні можливості

Відзначено, що в ході цієї роботи треба намагатися подолати недоліки, властиві методу РАЗ: 1) спотворення під впливом атмосферної турбулентності акустичних ґраток, створених в атмосфері; 2) винос під дією горизонтального вітру акустичних ґраток з поля радіоантен. Підкреслено, що можливості методу РАЗ значною мірою визначаються станом АПШ. Тому важливо вивчити доцільність використання різних методик експлуатації РАЗ.

Потім аналізуються питання, пов'язані з використанням содара, що реалізує метод акустичного зондування (АЗ) атмосфери. Як відомо, цей метод базується на взаємодії звуку з атмосферою, при якому звукові хвилі розсіюються на дрібномасштабних турбулентних пульсаціях температури і вологості повітря і швидкості вітру. Підкреслено, що содар не має собі рівних у плані спостереження турбулентної структури АПШ, динаміки її зміни.

Приводиться історія розвитку систем акустичного зондування (АЗ) атмосфери. Дано оцінку можливостей апаратури АЗ по визначенню структури і параметрів АПШ.

Відмічено, що найбільш серйозним недоліком содаров є їхня висока чутливість до навколишнього шуму. Іншим недоліком содаров є те, що не у всіх випадках інформацію, отриману з їхньою допомогою, можна ідентифікувати однозначно Послабити його недоліки можна як за рахунок тих чи інших конструктивних доробок його, так і шляхом притягування додаткової інформації від інших елементів системи, зокрема, від апаратури РАЗ, тобто шляхом комплексування содара й апаратури РАЗ.

Відзначено, що тенденція до комплексного використання ряду взаємодоповнюючих засобів зондування атмосфери намітилася вже порівняно давно. Приводяться приклади комплексних систем, що використовуються для рішення великого кола задач по визначенню стану атмосфери в широкому діапазоні висот. Вказано однак, що широке комплексування різних засобів зондування атмосфери обходиться досить дорого. Тому природно виникло важливе (особливо для країн СНД) питання про прийнятну за критерієм "ефективність-вартість" систему для вивчення нижньої частини атмосфери. На нашу думку, як таку для дослідження АПШ можна прийняти систему, що включає апаратуру РАЗ, моностатичний содар і наземну метеоапаратуру. Апаратура РАЗ дозволяє з гарною точністю вимірювати профіль температури повітря, а також, за певних умов, ряд інших метеопараметров АПШ - вологість, горизонтальну складову швидкості вітру, а також визначити число Ричардсона.

За допомогою содара можна одержати картину турбулентності в АПШ, визначити висоту розташування і потужність інверсій, а також вимірити вертикальну складову швидкості вітру. Дані наземної метеоапаратури є опорними для дистанційних вимірювань метеовеличин методом РАЗ і допоміжними для коректної інтерпретації даних содара.

Другий розділ присвячений розгляду методик визначення різних метеовеличин апаратурою РАЗ, а також методики комплексного дослідження АПШ за допомогою всієї системи СКВЗ. Спочатку зазначена наземна метеоаппаратура, що входить до складу цієї системи. Як така використовувалася штатна апаратура полігону Одеського гідрометеорологічного інституту (ОГМІ).

Далі детально розглянута апаратура РАЗ, що її розроблено і створено в ХІРЭ в 1983 р. Надається її структурна схема. Основні характеристики цієї апаратури зазначені в таблиці 1.

Для визначення вологості методом двочастотного радіоакустичного зондування (ДЧ РАЗ) апаратуру РАЗ була дороблена. Поряд з основною робочою частотою звуку 3.4 кГц, використовувалася також частота 6,8 кГц.

Потім докладно розглядаються методики визначення різних метеопараметрів апаратурою РАЗ. Викладено дві методики використання апаратури РАЗ залежно від стану АПШ. При відсутності содара критерієм вибору тієї чи іншої методики була форма прийнятого сигналу. У випадку надійного стабільного відгуку по усій висоті зондування осцилограма прийнятого електромагнітного эхосигнала мала вид, зображений на рис.1. Це означало, що в межах зондування переважав слабкий вітер і нейтральна стратифікація. У цих умовах застосовувалася методика “траса”.

При наявності температурних інверсій в АПШ (приклад осцилограми луни-сигналу для цього випадку даний на рис.2) і при середній швидкості вітру від 1 до 10 м/с застосовувалася методика “точка”. На відміну від методики "траса", при методиці "точка" апаратуру РАЗ настроюють на виконання умови Брэгга по черзі на необхідну кількість висотних рівнів (з урахуванням виміряної температури на сусідньому висотному рівні).

Для підвищення надійності при обох методиках отримані дані усереднюються за інтервал часу, обумовлений станом атмосфери.

Далі розглядаються можливості апаратури РАЗ ХІРЭ по визначенню основних метеопараметрів АПШ температури повітря, горизонтальної швидкості вітру, числа Ричардсона, вологості повітря. По кожному з параметрів спочатку викладається методика його визначення, потім обговорюються питання точності цієї методики і, нарешті, приводяться відповідні алгоритми обробки інформації і розрахунку цього параметра.

По температурі. Приводяться формули розрахунку температури повітря Т і похибки її вимрювання. Зазначено, що при методиці “траса” розділення по висоті відповідає обраній тривалості акустичного імпульсу, рівної добутку довжини звукової хвилі на кількість хвиль в імпульсі. Так, при тривалості імпульсу, рівної 40 мс, розділення по висоті дорівнювало приблизно 13 м. Інструментальна похибка вимірювань температури методом РАЗ склала порядку 0,03 К. Відзначено, що на похибку визначення Т впливає також турбулентність, наявність вертикальної складової швидкості вітру, стратифікація в АПШ і сила вітру. Але навіть з урахуванням цих факторів ця похибка не перевищує похибки контактних методів і складає 0,5..1К.

По горизонтальній швидкості вітру. При розгляді питання про швидкість горизонтального вітру v_г, стосовно до методу РАЗ, необхідно було вирішити два питання: як компенсувати шкідливий вплив горизонтального вітру на працездатність апаратури РАЗ і як визначити величину v_г в інтересах, зокрема, визначення числа Ричардсона.

В апаратурі РАЗ ХІРЕ компенсація горизонтального вітру, що приводить до виносу штучних неоднорідностей з полю радіоантен, здійснювалася переміщенням акустичної антени з центра між радіоантенами проти вітру на відстань до 5 м.

Для визначення застосовувався спосіб, в основі якого лежить аналіз характеру змін амплітуди прийнятого луни-сигналу. Він передбачає при кожнім зондуванні три виміри амплітуди А₁, А₂, А₃, проведені через рівні інтервали часу . Перший вимір повинний бути на ділянці наростання амплітуди, друге поблизу її максимуму, а третє на спаді амплітуди луни-сигналу. Обчислення роблять по формулі [1]:

,

де b_ф - параметр фокусування, обумовлений ефективними розмірами антен (рівний ~ 1,8 м).

Методична похибка даного способу складає величину порядку 0,1 м/с, інструментальна близько 0,05 м/с. Додаткову похибку вносить турбулентність в АПШ. Зазначений спосіб ефективний в умовах швидкості вітру в обсязі зондування не більш 10 м/с при невеликій його поривчастості v_макс/ . У таких умовах сумарна похибка не перевищує 1..1,5 м/с.

По числу Ричардсона Ri. Значення Ri визначалося за виміряними значеннями температури і горизонтальної швидкості вітру. Приведено співвідношення для середнєквадратичної похибки визначення числа Ричардсона Ri. Відзначено, що величина прямо пропорційна величині Ri і зменшується при збільшенні товщини шару, для якого визначається число Ri. Крім того, величина зменшується (при фіксованих і ) з ростом вертикальних градієнтів температури і швидкості вітру. При цьому внесок у значення значно перевищує внесок .

По вологості повітря. Як відзначено вище, для визначення вологості апаратура РАЗ випромінює звукові посилки двох кратних частот f_1,2 і відповідні їм за умовою Брегга електромагнітні хвилі. Вологість при цьому визначається з різниці коефіцієнтів поглинання звуку R на двох частотах, що обчислюється по формулі [2]:

,

де P2(R) і P1(R) - значення потужності прийнятих лун-сигналів при зондуванні на двох частотах.

Враховане значення порівнюється з теоретичною залежністю цієї величини від вологості ^т (h), що і дозволяє визначити шукану величину вологості h.

Детально розглядаються методичні й інструментальні похибки цього методу визначення вологості повітря. Наводяться графіки, що дозволяють оцінити межі його застосовності.

Дано результати вимірів метеовеличин за допомогою апаратури РАЗ на різних висотах. Відзначена помітна розбіжність довірчих інтервалів залежно від часу доби й інших факторів. Оскільки зазначені вимірювання здійснялися тоді, коли в нашому розпорядженні не було содара, то можна було лише припустити, що зміна довірчих інтервалів обумовлена різним ступенем турбулізованості АПШ.

Далі розглядаються питання акустичного зондування. Спочатку описано моностатичний содар ІРЕ РАН, що його використовували в дослідженнях. Приведені його основні характеристики (таблиця 2). Відзначено, що проведена нами модернізація його розширила дальність дії і забезпечила можливість застосування у будь-яку погоду.

Викладено методику аналізу лун-сигналів (содарних факсимільних записів - СФЗ). Зіставляються можливості апаратури РАЗ і содара, їхні достоїнства і недоліки. Взаємодоповнюваність цих засобів проілюстрована рис.3, на якому приведені “синхронні” радіоакустичний і содарний луни-сигнали. З малюнка видно, що різке зменшення амплітуди луни-сигнала РАЗ (що є слідством порушення умови Брегга) точно відповідає по висоті збільшенню амплітуди акустичного луни-сигнала (яке свідчить про інтенсифікацію турбулентності).

Це підтверджує доцільність спільного використання їх.

Зовнішній вигляд СКВЗ приведений на рис.4.

Запропоновано методику комплекс-ного зондування АПШ за допомогою СКВЗ, яка заснована на взаємодоповнюючих властивостях апаратури РАЗ і содара.

Алгоритм комплексного визначення просторово-часової структури АПШ містить у собі наступні етапи.

1. Оцінка турбулентного стану АПШ за даними акустичного зондування (АЗ). На це приділялося перші 10 хвилин кожного годинного сеансу комплексного вимірювання.

2. Вибір ефективної методики використання РАЗ, базуючись на содарних даних. Якщо содарні записи вказують на нейтральну стратифікацію в межах дальності дії апаратури РАЗ, а також при слабкому приземному горизонтальному вітрі, за одне двочастотне зондування може бути отримана інформація про профілі температури і вологості повітря в діапазоні висот 20..600 м та 40..200 м відповідно. У випадках, коли содарні записи відбивають конвекцію в АПШ чи наявність інверсійних шарів, достовірні значення метеовеличин можна одержувати, послідовно настроюючись на той чи інший рівень зондування. Якщо на СФЗ зображені “приземні” і підняті шари почорніння, визначаються висоти, на яких розташовані шари в атмосфері, та потужність цих шарів. Висотні рівні для РАЗ вибираються таким чином, щоб оцінити інтенсивність температурних інверсій.

3. Вимірювання метеовеличин методом РАЗ за обраними методиками. Відзначено, що при настроюванні на визначений висотний рівень з доплеровського спектру частот лун-сигналів при кожному зондуванні вибирається та частота, на якій амплітуда луни-сигналу максимальна. За інтервал усереднення в реальній атмосфері під впливом вітру і турбулентності положення максимуму може флуктуювати. Тому при кожному зондуванні необхідно розраховувати реальну висоту рівня, що його зондують, по формулі R=c_зв (де c_зв - швидкість звуку, - час від початку поширення імпульсу).

4. Аналіз і інтерпретація даних, отриманих окремими складовими СКВЗ (наземної метео-апаратури, апаратури РАЗ, содара) і системою в цілому (з притягненням синхронних даних усіх трьох складових).

Зазначена методика була покладена в основу експериментальних дослідження, що проводилися нами в приморському районі на півдні України.

Третій розділ присвячений розгляду результатів проведеного нами комплексного дослідження АПШ на експериментальному метеорологічному полігоні Одеського гідрометеоро-логічного інституту, розташованому в прибережній смузі поблизу Одеси на відстані 500 м від моря. У роботі представлені результати досліджень, проведених автором у трьох напрямках.

Перший напрямок - вивчення особливостей структури АПШ при таких типових для приморських районів метеоявищах, як бризи, морські і берегові. Методика вивчення структури АПШ при бризах містила в собі три етапи: а) ідентифікацію (на основі аналізу приземних даних) ситуацій, при яких мав місце морський чи береговий бриз; б) аналіз структури АПШ за допомогою СКВЗ для кожної конкретної бризової ситуації, тобто визначення потужності бризу, висоти і потужності піднятих шарів; висоти конвективних пір'їв (при морському бризі); висоти верхньої границі приземної інверсії (при береговому бризі); інтенсивності приземної і піднятих температурних інверсій; в) узагальнення результатів по всіх бризових ситуаціях.

Експерименти здійснювалися в літні (переважно липень) і осінні (вересень і жовтень) місяці протягом трьох років з 1990 по 1992 р. За цей час було виявлено 34 ситуації з проявами морського бризу і 32 ситуації - із проявами берегового бризу.

Як приклад структури АПШ при морському бризі розглянемо дані, отримані в липневий день. На основі вивчення приземних даних по температурі і вологості повітря був зроблений висновок, що морський бриз мав місце приблизно з 10.00 до 20.00. Динаміка структури АПШ до настання морського бризу і після його встановлення ілюструється рис.5, на якому зображені фрагмент СФЗ, профілі температури повітря Т, горизонтальної складової вітру v_г і її напрямку , що їх побудовано за даними РАЗ, здійсненого в 9.30, 10.30 і 11.30. На рис.5. показаний також графік ходу приземної відносної вологості h. Профіль температури до виникнення бризу (у 9.30) має вигляд, властивий АПШ при конвекції. При зіставленні ходу h із СФЗ, видно, що з моменту, коли h починає зростати (тобто з моменту встановлення морського бризу), на СФЗ відбилися підняті шари. У 10.30 і 11.30 зафіксовані температурні профілі, що вказують на існування піднятої інверсії над шаром, у якому температура з висотою падає. Порівнюючи температурні профілі з СФЗ, можна бачити, що спад температури з висотою має місце лише в межах конвективних пір'їв.

В результаті обробки даних, подібних представленим на рис.5, були побудовані (див. рис.6) гістограми повторювано-сті потужності морського бризу, висоти і потужності піднятого шару, висоти конвективних пір'їв, що їх було отримано за даними содару та інтенсивності піднятої інверсії - за даними апаратури РАЗ.

Аналогічні дослідження, проведені для берегового бризу, дозволили і для цього випадку побудувати гістограми повто-рюваності потужності берего-вого бризу, висоти верхньої границі приземної інверсії, ви-соти і потужності піднятого шару за даними содару і інте-нсивності приземної інверсії за даними РАЗ (рис.7).

Дуже цікавими уявляються приведені на рис.8 профілі усе-реднених значень температурних градієнтів і відповідних їм усе-реднених значень температури, побудовані по всіх ситуаціях мор-ського і берегового бризів.

2.Другий напрямок - вивчення особливостей і природи виникнення на СФЗ “точкових відобра-жень”. Спочатку відміче-но, що точкові відобра-ження (ТВ) на СФЗ (поді-бно “ангел-луні” на радіо-локаторах чистого неба) можуть бути обумовлені або відображеннями від локальних атмосферних неоднорідностей (ЛАН), або відображеннями від птахів чи комах. Зазначено два критерії - “зоровий” (коли поява птахів у поле содару відслідковувалося візуально), і “слуховий” (що реалізовувався шляхом контролю зовнішніх шумів за допомогою навушників), що дозволили розділити два типи цих ТВ. Надалі в роботі аналізуються ТВ, обумовлені ЛАН. При розгляді синхронних даних факсимільного реєстратора і самописа, підключеного до виходу приймача содару, встановлено, що в деяких випадках “атмосферні” ТВ характеризуються аномально високим рівнем амплітуди і крутих фронтів. Припущено, що високий рівень амплітуди лун-сигналів (ТВ) обумовлений як спільною дією флуктуацій температури і вологості повітря в _зв, так і ефектом когерентного розсіювання звуку в зворотному напрямку при відповідній формі ЛАН. Що ж стосується крутих фронтів, то, імовірно, це пов'язано з чітко вираженими горизонтальними границями ЛАН.

У результаті обробки експериментальних даних отримані (див. рис.9), статистичні дані, що характери-зують залежність концентрації і висоти появи ЛАН від часу доби і сезону, а також найбільш ймовірні розміри цих неоднорідностей.

Значну увагу було приділено виявленню метеоумов, що сприяють появі ЛАН. Встановлено, що, як правило, ЛАН виникають або при слабкому вітрі (v_г3 м/с), і незначній хмарності (Q 3б), або при проходженні грозового фронту. Механізмом виникнення ЛАН в обох випадках є утворення вітрових вихрів з відмінними від навколишнього середовища характеристиками температури і вологості повітря.

Третій напрямок - виявлення характерних типів СФЗ на межі суша-море. Наводяться отримані нами найбільш характерні для приморського району типи СФЗ (біля двадцяти типів) і дана їхня фізична інтерпретація, тобто зазначено, якій структурі АПШ вони відповідають. Суттєво, що при аналізі СФЗ притягувались синхронні дані апаратури РАЗ, що дозволило помітно підвищити правдоподібність їхньої інтерпретації. Приведено діаграму повторюваності основних груп СФЗ (рис.10). Як такі, прийняті наступні групи: I - вільна конвекція; II - конвекція+піднятий шар; III - приземна інверсія; IV - приземна інверсія + піднятий шар; V - багатошарова структура; VI - відсутність лун-сигналів.

Виявлено розбіжність ступеня повторюваності цих груп з аналогічними даними, отриманими в сухопутному районі (в Москві) [3] (таблиця 3).

Відзначено, що розбіжність в повторюваності тих чи інших груп турбулентної структури АПШ у зазначених двох районах виявляються в наступному:

· повторюваність випадків тільки з приземною інверсією в Одесі в липні менше майже в два рази, ніж у Москві, і лише на кілька відсотків - у вересні;

· підняті шари над приземною інверсією з'являються в Одесі в липні майже в чотири рази частіше, ніж у Москві, і майже в два рази частіше - у вересні;

· підняті шари над слабосталим чи нейтрально стратифікованим шаром в Одесі мають місце в 2,5 рази частіше;

· конвективні пір'я, пригнічені піднятими шарами інверсії в Одесі бувають у 5..6 разів частіше, ніж у Москві;

· кількість випадків з конвекцією в Москві й Одесі в липні майже однакова, у той час як у вересні число випадків з конвекцією в Одесі буває майже в два рази частіше, ніж у Москві;

· слабостала чи нейтральна стратифікація - в Одесі в липні дуже рідка подія, і трохи менш рідка у вересні, в той час як у Москві в липні такі випадки складають одному п'яту, а у вересні - більш ніж одну третину усіх випадків.

Відзначено, що ці розбіжності пов'язані з такими властивими приморському району метеоявищами, як бризи (морські і берегові), адвективні тумани, таким фактором, як характер берегової лінії (ступінь порізаності її) тощо.

На закінчення третього розділу роботи розглянуті шляхи удосконалювання систем комплексного зондування АПШ.

1. Відзначено, що при модернізації системи комплексного зондування АПШ доцільно забезпечити в новій системі а) поєднання акустичних джерел для РАЗ і АЗ; б) організацію одного спільного каналу обробки лун-сигналів РАЗ і АЗ; в) обробку даних за спільним алгоритмом; г) для вимірювання вологості повітря - застосування широкосмугових звукових посилок.

Реалізація зазначених пропозицій призведе до того, що отримані за допомогою содару значення вертикальної складової вітру на заданій висоті можна буде використовувати для уточнення одержуваних за допомогою РАЗ синхронних даних про температуру повітря на тій же висоті. Крім цього, одержавши можливість синхронно вимірювати флуктуації вертикальної і горизонтальний складової вітру і флуктуації уточненої температури, можна отримувати нові відомості про структуру АПШ (про висоту шару перемішування, характеристики турбулентності).

2. При використанні СКВЗ як компонента метеорологічної служби аеропортів, можливості використання содара обмежуються підвищеною шумовою обстановкою при зльоті і посадці літаків, тобто в ті моменти, коли необхідно знати турбулентну структуру АПШ. Для того, щоб компенсувати цей недолік содару, доцільно обїєднати в одній антені не тільки звукові антени содара й апаратури РАЗ, але й радіоантени. Це дозволить одержувати інформацію про флуктуації температури повітря і швидкості вітру в моменти, коли робота содару утруднена. Помітимо, що при такій побудові апаратури радіоакустичне зондування повинне здійснюватися в імпульсному режимі не тільки звукових, але й електромагнітних хвиль для часового розділення випромінюваних і прийнятих радіосигналів.

У висновках сформульовані основні результати дисертаційної роботи і зроблені висновки про їх значення.

ВИСНОВКИ

1. Вперше розроблено методику, алгоритми і програми визначення апаратурою РАЗ основних метеовеличин - температури, вологості повітря і числа Ричардсона. Розглянуто вплив різних факторів на результативність радіоакустичного зондування, приведена точність виміру за допомогою РАЗ різних метеовеличин. Детально розглянутий єдиний реалізований на практиці спосіб визначення вологості повітря за допомогою двочастотної апаратури РАЗ. Оцінено методичні й інструментальні похибки цього способу.

2. Вперше запропоновано дві методики експлуатації апаратури РАЗ у залежності від стану АПШ - методика “траса”, що рекомендується до використання в умовах близької до байдужого стану структури АПШ і слабкого вітру і методика “точка”, що рекомендується при розшаруванні АПШ і середньої швидкості вітру від 1 до 10 м/с. Для обох методик розроблені алгоритми і створені програми обробки даних апаратури РАЗ.

3. Розроблено ефективну методику комплексних досліджень структури АПШ, що базується на спільному використанні даних всіх елементів СКВЗ: апаратури РАЗ, содару, наземної метеоапаратури. Показано, що зіставлення “синхронних” даних від трьох елементів системи дозволяє усунути значною мірою неоднозначності при інтерпретації експериментальних даних.

4. Створена в ХІРЕ апаратура РАЗ, а з 1987 р. і СКВЗ у цілому активно використовувалися в період з 1985 по 1992р. для моніторингу АПШ у приморському районі України, на межі суша-море. Результати проведених експериментів цілком підтвердили, що розроблені нами методики вимірювання метеопараметрів за допомогою апаратури РАЗ і методика комплексного використання системи в цілому істотно поширили функціональні можливості СКВЗ. Це, зокрема, дозволило одержати нові дані про структуру АПШ на границі суша-море в трьох напрямках, що не вивчалися за допомогою такої системи. Ці результати викладені в розділі 3 (див. нижче пункти 5-8).

5. Вперше отримані докладні дані про аерологічну структуру АПШ при морських і берегових бризах на приморському півдні України. Приведені в роботі таблиці, гістограми і малюнки характеризують потужність бризів, висоту і потужність приземних і піднятих шарів, інтенсивність інверсій, висоту пригнічених конвективних пір'їв. Наведено також усереднені профілі температури і її градієнтів для обох типів бризів.

6. Детально розглянуто локальні атмосферні неодорідності (ЛАН), що породжують “точкові” відображення на СФЗ. Зазначені метеоумови, що сприяють появі ЛАН в приморському регіоні, типові розміри ЛАН, залежність концентрації і граничної висоти розташування ЛАН від часу доби і сезону року.

7. Виявлені найбільш характерні для приморського регіону типи СФЗ, дана фізична інтерпретація цих СФЗ. Приведено діаграму повторюваності основних груп СФЗ, і відзначено відмінність її від аналогічної діаграми для сухопутного району.

8. Отримані в ході експериментів результати досліджень АПШ у приморському районі України істотно поповнили базу наявних даних про особливості і розбіжність структури АПШ у різних географічних регіонах. Разом з тим, вони можуть бути дуже корисними при вирішенні ряду народно-господарських задач у такому важливому районі України, як район Одеси й в інших подібним з ним районах.

9. На основі досвіду, придбаного в ході створення СКВЗ, розробки методик експлуатації системи, проведення експериментальних досліджень і аналізу їхніх результатів, вироблені рекомендації з подальшого удосконалення систем комплексного зондування АПШ і використанню її в інтересах вирішення різних народно-господарських і оборонних задач.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

Радиоакустический способ определения модуля скорости ветра: А.с. 1545781 СССР/ А.Ю.Панченко. - Зарегистрировано 22.10.89 г.

Измерение влажности воздуха радиоакустическим зондированием атмосферы/ Бабкин С.И., Максимова Н.Г., Прошкин Е.Г., Панченко А.Ю, Ульянов Ю.Н.// Труды 9 Всесоюзн. симп. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. 2. - Томск: ИОА СО АН СССР. - 1987. - С.145-148.

Kallistratova M.A.and Lokoschenko M.A. Studying of Mixing Layer Height by Radiosonde and Sodar Observations / Proc. 9^th Intl. Symp. Acoust. Rem. Sens.. - Vienna (Austria). - 1998. - P. 285-288.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

Автоматизированная обработка данных зондирования при радиоакустическом зондировании пограничного слоя атмосферы/ Бабкин С.И., Куценко В.И., Максимова Н.Г., Прошкин Е.Г., Ульянов Ю.Н.// Проблемы контроля и защиты атмосферы от загрязнения. - 1986. - Вып. 12. - С. 29-32.

Оценка погрешностей двух методик радиоакустического температурного зондирования атмосферы. Сообщение 1. Разработка эксперимента/ Бабкин С.И., Куценко В.И., Максимова Н.Г., Прошкин Е.Г., Ульянов Ю.Н.// Радиотехника. - 1987. - Вып. 82. - С. 78-83.

Оценка погрешности двух методик радиоакустического температурного зондирования атмосферы, Сообщение 2. Экспериментальные результаты/ Бабкин С.И., Куценко В.И., Максимова Н.Г., Панченко А.Ю.Прошкин Е.Г., Ульянов Ю.Н.// Радиотехника. - 1988. - Вып. 84. - С. 98-106.

Максимова Н.Г. Точечные ангел-эхо в акустике.// Радиотехника. - 1997. - №101.- С. 101-108.

Максимова Н.Г. Cовременное состояние дистанционного зондирования атмосферного пограничного слоя с поверхности земли (методы исследования, наиболее важные результаты)// Радиотехника. - 1998. - №107. - С. 43-57.

Maksimova N.G. State-of-the-art of the ground-based remote sounding of the atmosphere boundary layer (Research methods, the most important results)// Telecommunication and Radio Engineering USA. - 1999. - № 7.

Современное состояние, перспективы применения систем радиоакустического зондирования в метеообеспечении работ по контролю загрязнения воздуха/ Бабкин С.И. Куценко В.И., Максимова Н.Г., Пахомов Ю.А., Ульянов Ю.Н.// Труды конф. "Технические средства для государственной системы контроля природной среды". - Ч.1. - Обнинск: Географическое общество СССР. Обнинский отдел - 1981. - С. 78-79.

Бабкин С.И., Куценко В.И., Максимова Н.Г. Разработка сети сбора и обработки информации на базе систем радиоакустического зондирования (РАЗ)// Труды II Всесоюзн. семинара "Технические средства государственной системы наблюдений и контроля природной среды (ГСКП)". - Обнинск. - 1983. - С.173-175.

Определение погрешности измерения метеовеличин радиоакустическим методом/ Бабкин С.И., Максимова Н.Г., Прошкин Е.Г., Ульянов Ю.Н.// Труды. VIII Всесоюзн. симп. по лазерн. и акустич. зондированию атмосферы.- Ч.II.- Томск: ИОА СО АН СССР. - 1984. - С. 157-160.

Экспериментальное исследование ширины и спектра отраженных сигналов при радиоакустическом зондировании / Бабкин С.И., Броун Ю.Г., Куценко В.И., Максимова Н.Г., Прошкин Е.Г., Ульянов Ю.Н.// Труды VIII Всесоюзн. симп. по лазерн. и акустич. зондированию атмосферы.- Ч.II. - Томск: ИОА СО АН СССР.- 1984. - С.161-164.

Измерение влажности воздуха радиоакустическим зондированием атмосферы/ Бабкин С.И., Максимова Н.Г., Прошкин Е.Г., Панченко А.Ю, Ульянов Ю.Н.// Труды 9 Всесоюзн. симп. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. 2. - Томск: ИОА СО АН СССР. - 1987. - С.145-148.

Радиоакустическое температурное зондирование атмосферы на границе суша-море/ Бабкин С.И., Куценко В.И., Максимова Н.Г., Панченко А.Ю., Прошкин Е.Г., Ульянов Ю.Н., Яворский А.Ю.// Труды 9 Всесоюзн. симп. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч.2. - Томск: ИОА СО АН СССР. - 1987. - С. 158-1962.

Максимова Н.Г., Панченко А.Ю., Ульянов Ю.Н. Алгоритм определения и прогнозирования опасных метеорологических условий методом радиоакустического зондирования атмосферы // Тез. докл. Всесоюзн. Конф. “Использование вычисл. Техники для решения проблемы охраны окружающей среды в теплоэнергетике”. - Ч.2. - Севастополь. - 1988. - С.176-180.

Максимова Н.Г., Ульянов Ю.Н. Обнаружение объемных неоднородностей влажности воздуха в нижней части тропосферы совместным акустическим и радиоакустическим зондированием// Тез. докл. XVI Всесоюзн. конф. по распространению радиоволн - Харьков. - 1990.

Ульянов Ю.Н., Панченко А.Ю., Максимова Н.Г. Использование комплексного радиоакустического и акустического вертикального зондирования для оперативного определения структуры атмосферной турбулентности для нужд авиации// Тез.докл. на III Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии. - Москва. - 1990.

Максимова Н.Г. “Ангел-эхо” в акустике// Тезисы докл. 1-й межд. конф. “Теория и техника антенн". - Харьков: ХГТУРЭ. - 1995. - С.115.

Максимова Н.Г., Ульянов Ю.Н. Локальные неоднородности нижней тропосферы по многолетним данным акустического, радиоакустического и радиолокационного зондирования// Труды 1-й межд. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Туапсе - 1995. - С.81.

Ульянов Ю.Н., Прокопенко Ю.В., Максимова Н.Г. Радиоакустическое зондирование с использованием звуковых одиночных импульсов// Тез. докл. 2-й межд. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. Ч.2. - Харьков: ХГТУРЭ. - 1996. - С.53.

Ульянов Ю.Н., Максимова Н.Г. Связь метеоявлений с возникновением и характером "точечных антел-эхо"// Труды 2-й межд. конф. "Теория и техника передачи, приема и обработки информации. Туапсе. - 1996. - С. 84.

Maksimova N.G., Ul'yanov Yu.N., Prokopenko Yu.V.Combined radio-acoustic antenna for the air field complex of acoustic and radioacoustic sounding of the atmosphere// Proceedings of the Second International Conference on Antenna Theory and Techniques. - Kyiv: NTUU “KPI”. - 1997. - P. 175-176.

Maksimova N.G., Ul'yanov Yu.N. Research of Sea Breezes over Black Sea Northwest Coast by Means of Acoustic and Radioacoustic Sounding// Proceedings of the 9^th International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techn. of the Atm. and Oceans. - Vienna (Austria). - 1998. - P. 289-292.

Maksimova N.G., Ul'yanov Yu.N. Measurements of air humidity with Double-frequency RASS // Proceedings of the 9^th International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techn. of the Atm. and Oceans, Auckland New Zealand. - 2000. - P. 115-118.

Maksimova N.G., Ul'yanov Yu.N. The estimation of the humidity in the lower troposphere with the use of the double-frequency radioacoustic sounding system // Proceedings of MMET'2000, Kharkov. - 2000. - P. 250-252.

Комплекс вертикального акустического и радиоакустического зондирования атмосферы в условиях прибрежного метеополигона/ Ульянов Ю.Н., Прошкин Е.Г., Панченко А.Ю., Ветров В.И., Максимова Н.Г./ Препр./ ИФА АН СССР: “Исследования пограничного слоя атмосферы над сушей и океаном акустическими методами”.- Ч.I. - 1990. - С. 39-46.

Результаты совмещенного акустического и радиоакустического зондирования атмосферы на границе суша-море/ Ульянов Ю.Н., Прошкин Е.Г., Панченко А.Ю., Ветров В.И., Максимова Н.Г./ Препр./ ИФА АН СССР: “Исследования пограничного слоя атмосферы над сушей и океаном акустическими методами”.- Ч.I. - 1990. - С. 47-54.

Локальные неоднородности в устойчивом пограничном слое атмосферы по результатам акустического и радиоакустического зондирования в прибрежной зоне/ Ульянов Ю.Н., Прошкин Е.Г., Панченко А.Ю., Ветров В.И., Андрианов В.А., Максимова Н.Г./ Препр./ РАН. Институт радиотехники и электроники; № 7 (575). - М.: 1992. - 21 c.

АНОТАЦІЯ

Максимова Н.Г. Поширення функціональних можливостей радіоэлектронної системи комплексного вертикального зондування атмосферного пограничного слоя. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 - радіотехнічні і телевізійні системи. - Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, 2002.

...