Теоретические основы и геоинформационная поддержка принятия решений при формировании систем технического наблюдения в аспекте гидрометеорологического обеспечения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание степени доктора технических наук

25.00.35 - Геоинформатика

Теоретические основы и геоинформационная поддержка принятия решений при формировании систем технического наблюдения в аспекте гидрометеорологического обеспечения

Василенко Сергей Васильевич

Санкт-Петербург - 2008



Работа выполнена в Российском Государственном гидрометеорологическом университете

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор А.С. Гаврилов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г.В. Менжулин;

доктор технических наук, профессор В.Б. Митько;

доктор физико-математических наук, доцент И.В. Карпов

Ведущая организация: Военная инженерно-космическая академия имени А.Ф. Можайского (г. Санкт-Петербург)

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Бескид П.П.



1. Общая характеристика работы

оптический диапазон метеорологический

Актуальность работы определяется тем, что широкое внедрение в практику охраны различных технических средств наблюдения (ТСН) требует детального изучения особенностей распространения электромагнитных волн в разнообразных условиях практического использования таких средств. Особенно важно это для самой протяженной в мире Государственной границы РФ, пересекающей территории с сильно различающимися климатическими условиями.

Все это требует исследования метеорологических аспектов наблюдений и создания информационного базиса для внедрения в последующем практических методов эффективного планирования наблюдательных сетей с позиции минимизации затрат на их развертывание и обеспечение функционирования. Понятие «геоинформационная поддержка» в этом смысле следует трактовать как реализацию некоторых процедур расчета характеристик обнаружения применительно к тем территориям, где специальные исследования в этом направлении никогда не производились и систематизированные данные отсутствуют.

Условия распространения электромагнитных волн сверхвысокочастотного (СВЧ) и оптического диапазонов существенно зависят от состояния атмосферы на пути их распространения. В зависимости oт вертикального распределения температуры, влажности, давления и водности формируются различные типы атмосферной рефракции и ослабления электромагнитных волн, которые существенным образом определяют характеристики обнаружения различных объектов.

Несмотря на огромное количество накопленного в последние десятилетия эмпирического материала и проведение основополагающих теоретических разработок этой проблемы, главная из рассматриваемых при этом задач - нахождение связи между характеристиками сигнала и метеоусловиями - все еще не решена.

Объектом исследования являются физические процессы в атмосферном пограничном слое (АПС), определяющие условия обнаружения различных объектов на местности с использованием применяемых на практике ТСН.

Предмет исследования состоит в разработке инструмента, позволяющего принимать адекватные решения при формировании систем технического наблюдения (СТН) государственной границы в аспекте влияния метеорологических факторов.

Таким образом, основными целями диссертационного исследования являются:

- обобщение современных представлений о физических механизмах распространения электромагнитных колебаний СВЧ и оптического диапазона и формулировка требований к количеству и качеству информации об атмосфере, необходимой для расчета и прогноза условий обнаружения различных объектов;

- анализ доступных информационных ресурсов и ликвидация выявленных пробелов путем организации специальных натурных экспериментов и построения соответствующих математических моделей;

- разработка методики пространственного анализа и решение задачи прогноза характеристик обнаружения применительно к территориям РФ с различными климатическими условиями.

Выявленными противоречиями предмета исследования, которые определяют научную проблему и перечень научных задач, являются современные требования к СТН по эффективному обнаружению нарушителей государственной границы с одной стороны, и отсутствие необходимого для этих целей адекватного гидрометеорологического обеспечения с другой.

Таким образом, для достижения сформулированных целей исследования необходимо решить крупную научную проблему, заключающуюся в разработке теоретических основ поддержки принятия решений при планировании размещения и применения технических средств наблюдения на охраняемых территориях как совокупности научно-методических компонентов разрешения всего комплекса противоречий в предметной области системы наблюдения и задач по оптимизации ее состава и структуры, выработке технических требований, технических решений по построению системы и применению средств технического наблюдения в зависимости от метеорологических особенностей различных территорий Российской Федерации.

Для достижения поставленных целей в диссертационной работе были определены следующие задачи:

- сформулировать требования по информационному обеспечению расчета и прогноза характеристик обнаружения применительно к СВЧ и оптическому диапазонам;

- осуществить комплекс натурных экспериментов с использованием комбинации ТСН используемых на пограничных пунктах наблюдения и установить связь характеристик наблюдения различных объектов с метеорологическими условиями;

- разработать методы расчета, позволяющие решать задачи прогноза характеристик обнаружения различных объектов, для любого региона РФ на основе имеющейся стандартной гидрометеорологической информации - единственного информационного ресурса, доступного в настоящее время;

- осуществить сбор информации и создать комбинированный архив стандартных гидрометеорологических наблюдений и данных синоптического анализа отдельных регионов РФ за период времени, достаточный для последующего статистического анализа характеристик обнаружения;

- разработать метод и произвести пространственный анализ характеристик обнаружения с получением комплекта геоинформационных (ГИС) покрытий.

Основными методами решения поставленных задач являются экспериментальные исследования и численное моделирование АПС.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Теоретические основы геоинформационной поддержки принятия решений при формировании систем технического наблюдения с использованием моделей расчета характеристик обнаружения различных объектов с применением ТСН в СВЧ и оптическом диапазонах электромагнитных волн.

2. Закономерности взаимосвязи характеристик обнаружения в оптическом диапазоне с метеорологическими условиями, установленные в ходе проведения экспериментальных исследований.

3. Метод расчета характеристик обнаружения на основе стандартной гидрометеорологической информации.

4. Метод расчета характеристик обнаружения в оптическом диапазоне на наклонных трассах визирования, в том числе с поисковых воздушных судов.

5. Базы данных пространственного анализа характеристик обнаружения в виде геоинформационных покрытий для трех регионов РФ.

Научная новизна исследования

1. В результате проведенных полигонных испытаний с ТСН, функционирующими в оптическом диапазоне, впервые получены зависимости характеристик обнаружения различных объектов от метеорологических условий.

2. Впервые разработан метод, который позволяет рассчитывать характеристики обнаружения различных объектов на основе стандартной гидрометеорологической информации (включая наклонные трассы визирования).

3. Впервые созданы геоинформационные покрытия характеристик обнаружения объектов для отдельных регионов РФ.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются статистической обеспеченностью итогов экспериментальных исследований, строгой математической постановкой задачи о численном моделировании АПС, а также статистической обеспеченностью рассчитанных на основе архивов стандартной гидрометеорологической информации характеристик обнаружения различных объектов.

Теоретическая и практическая ценность диссертации состоит в разработке оригинальных методов, позволяющих лишь на основе стандартной гидрометеорологической информации рассчитывать характеристики обнаружения различных объектов в СВЧ и оптическом диапазонах и, в итоге, построить карты этих характеристик для любого региона РФ и сопредельных государств.

По теме диссертации опубликовано 43 (38 без соавторства) печатные работы, результаты исследований нашли отражение в 17 отчётах о НИР. В том числе основные результаты исследований опубликованы и реализованы в следующих материалах:

1. В монографии (Василенко С.В. Методы расчета и прогноза условий наблюдаемости объектов на охраняемых территориях. - Калининград: КПИ ФСБ России, - 2008. - 144 с.

2. В более чем 24 статьях, опубликованных в материалах всесоюзных, всероссийских, международных конференций и в электронных научных изданиях за период с 1996 по 2008 годы, в том числе 10 статей в изданиях перечня ВАК: «Геоинформатика», «Радиотехника», «Естественные и технические науки».

3. В отчётах по 17 заказным НИР (шифры: «Гольф» (заказ ДВ ФПС России); «Горизонт-15КС-04» (заказ ПНИИЦ ПС ФСБ РФ); «РССОИ» (заказ администрации Калининградской обл.); «Концепция» (заказ НИКИРЭТ «СНПО «Элерон» Минатома РФ); «Монитор» и «Радиопрогноз» (заказ в/ч 35533); «Затухание-2» (заказ ОАО НИИ «Стрела»), в том числе в 10 НИР по заказу КПИ ФСБ России).

Результаты исследований апробированы и получили положительную оценку на более чем 25 научно-практических конференциях различного уровня за период с 1996 по 2008 год в городах Москва, Санкт-Петербург, Калининград, в том числе на 6 международных: «Посвященной 40-летию пребывания КГТУ на Калининградской земле и 85-летию высшего рыбохозяйственного образования в России» (Калининград, 1998 г.); «Перспективные направления технического развития пограничных органов Федеральной службы безопасности России» «Граница-2005» (Москва, 2005 г.); «Использование современных информационных технологий в правоохранительной деятельности и региональные проблемы информационной безопасности» (Калининград, 2006 г.); «Инновации в науке и образовании-2006» (Калининград, 2006 г.); «Основные направления технического оснащения пограничных ведомств» «Граница-2006» (Москва, 2006 г.); «Энергосбережение. Энергооборудование. Энергопотребление» (Санкт-Петербург, 2006 г.); 2 всероссийских и более 18 региональных и ведомственных научно-практических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Всего в работе 189 страниц, 71 рисунок и 9 таблиц. Список источников включает 105 наименований, в том числе 12 на иностранных языках.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна, теоретическая и практическая ценность диссертации, определяются цель и задачи работы.

Глава 1. Особенности нижней тропосферы как среды распространения электромагнитных колебаний

Атмосферный пограничный слой (АПС) - слой атмосферы высотой 1,5-2 км, примыкающий к поверхности Земли, на строение которого определяющее воздействие оказывают процессы динамического и термодинамического взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью. Структура АПС значительно отличается от структуры вышележащей, так называемой «свободной» атмосферы, формирующейся под воздействием крупномасштабных (синоптических) атмосферных процессов. Приземный слой (ПС) атмосферы - нижняя часть АПС толщиной несколько десятков метров, структура которого полностью определяется процессами взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью.

Под рефракцией понимают преломление электромагнитных волн в атмосфере под влиянием неоднородностей в поле показателя преломления или связанного с этой величиной так называемого индекса оптической рефракции , зависящего от давления воздуха , абсолютной температуры и длины волны света следующим образом:

, (1)

где давление измеряется в гектопаскалях (гПа), температура - в градусах Кельвина (K⁰), а длина волны - в микрометрах (мкм). Эта величина измеряется в так называемых «N-единицах». Данная формула справедлива для диапазона длин волн от 0,2 до 20 мкм. При рассмотрении рефракции электромагнитных волн в атмосфере весьма полезным оказывается введение понятия радиуса кривизны траектории луча, причем для случая рефракции света эта величина может быть представлена следующим образом:

, (2)

где - вертикальный градиент индекса рефракции (N-ед./м).

Для любого типа рефракции оказывается справедливой следующая формула для расчета дальности видимого горизонта с некоторой высоты расположения наблюдателя , получаемая с заменой радиуса поверхности Земли на эквивалентный радиус (Долуханов М.П., 1972):

, (3)

где задается в метрах, а - в километрах, причем . Так, для условий стандартной рефракции при среднем падении температуры в тропосфере около 6 град/км, величина , что дает .

Общая зависимость этого коэффициента от градиента температуры представлена на рисунке 1. Как можно видеть из рисунка, в условиях дневной конвекции дальность видимости горизонта сокращается почти в два раза, а в случае ночной инверсии - увеличивается, причем по достижении значения 12,3 град./100 м - до бесконечности.

В реальной атмосфере дальность обнаружения различных объектов редко достигает условий видимости в идеальной атмосфере вследствие разного рода эффектов ослабления света, самым важным из которых является аэрозольное ослабление.

Рис. 1. Зависимость величины от среднего вертикального градиента температуры. Пунктиром показан уровень стандартной рефракции ()



Проблема обнаружения различных объектов в замутненной атмосфере неразрывно связана с понятием метеорологической дальности видимости (МДВ).

МДВ (V, м) - весьма специфическая характеристика прозрачности атмосферы применительно к диапазону видимой части спектра (0,3-0,8 мкм). Она определяется как «наибольшее расстояние, с которого в светлое время суток перестает быть видимым абсолютно черный объект размером более 20 угловых минут, проектирующийся на фон неба у горизонта» (Матвеев Л.Т., 1984).

Наряду с такими важными характеристиками, как размер, состав и концентрация аэрозолей в атмосфере, наиболее важным метеорологическим параметром, определяющим ухудшение видимости, является относительная влажность. Следует подчеркнуть, что образование сильной дымки - это, по существу, предварительная стадия образования тумана, поэтому все процессы образования туманов в одинаковой степени имеют отношение и к образованию сильных дымок.

Метеорологическая дальность видимости - единственный параметр атмосферы, входящий в набор стандартных метеорологических наблюдений на метеостанциях, с помощью которого удается оценить фактические значения коэффициента ослабления. При этом оказывается справедливой следующая приближенная формула взаимосвязи водности и МДВ:

, (4)

где удельная водность задается в г/кг, а получается в метрах. С учетом экспериментальных зависимостей, полученных различными авторами (Матвеев Л.Т., 1965) нами оценены средневзвешенные значения коэффициентов: и .

Помимо рассеяния света на аэрозолях, в атмосфере могут наблюдаться эффекты рассеяния также и на турбулентных неоднородностях в поле коэффициента преломления n_opt, особенно значительные вблизи земной поверхности.

Они проявляются, прежде всего, в том, что изображение объекта начинает искажаться за счет некоторого «расплывания» его очертаний, с постепенным превращением в бесформенное пятно. Наиболее последовательно теорию этого вопроса разработал В.И. Татарский (1967), который получил уравнения для расчета статистических характеристик флуктуаций амплитуды и фазы электромагнитных колебаний, возникающих при прохождении излучения через слой атмосферной турбулентности. Важнейшим параметром атмосферы здесь является структурная характеристика турбулентных флуктуаций показателя преломления .

Все существующие теории тропосферного распространения радиоволн исходят из того, что основным параметром атмосферы, его определяющим, является коэффициент преломления , где - магнитная проницаемость (для воздуха ее полагают равной единице), а - диэлектрическая проницаемость воздуха. Аналогично оптическому индексу рефракции, здесь также обычно вводится в рассмотрение индекс рефракции (n1)·10⁶, измеряемый в "N-единицах", зависимость которого от давления воздуха p (гПа), его температуры T (⁰К) и массовой доли водяного пара s (г/кг) (Бин Б.Р. и Даттон Е.Дж, 1971):

, (5)

где = 77,6 N-ед. К/гПа; = 7733 К^-1.

Как известно, существующие физические механизмы распространения УКВ радиоволн в тропосфере могут быть условно разделены на стандартные и нестандартные (Долуханов М.П., 1972). К числу первых относятся наблюдаемые при вертикальной структуре атмосферы, близкой к стандартной, для которой средние значения вертикального градиента индекса рефракции составляют около - 40 N-ед./км. Для сферически однородной атмосферы радиус кривизны луча

(6)

оказывается при этом равным приблизительно 25•10³ км.

Дальность радиогоризонта при высоте наблюдения в условиях рефракции может быть определена как , аналогично нахождению геометрической дальности видимости, причем при стандартной рефракции .

Все основные нестандартные механизмы распространения связаны с аномалиями вертикального распределения индекса рефракции, которые, в свою очередь, целиком определяются теми или иными особенностями в профилях температуры и влажности.

В зависимости от величины вертикального градиента индекса рефракции для радиолокационных станций (РЛС) задается поправочный коэффициент (Дмитриев В.А., 1991) к ее паспортной дальности обнаружения, меняющийся в пределах от 0,8 (при субрефракции, > - 40 N-ед./км) до 2 (суперрефракция, < - 157 N-ед./км). При сверхкритической рефракции в приземном слое формируется так называемый «приповерхностный волновод», в котором канализируется излучение РЛС и возможно загоризонтное обнаружение целей (Фок В.А., 1950; Кукушкин А.В., Фрейлихер В.Д., Фукс И.М., 1987).

Основной вывод, который сделан в главе 1, состоит в том, что к качеству информации об атмосфере, необходимой для разработки методов расчета и прогноза условий наблюдения различных объектов, должны предъявляться, вообще говоря, достаточно жесткие требования:

- наличие непрерывных рядов наблюдений температуры, влажности и водности (включая спектры распределения капель по размеру), а также структурные характеристики турбулентных флуктуаций до высоты несколько сотен метров над подстилающей поверхностью с вертикальным разрешением несколько метров;

- данные о горизонтальной изменчивости всех указанных характеристик должны представляться на территориях, охватывающих всю совокупность действующих ТСН с высоким пространственным разрешением (сотни метров).

Между тем, столь подробная информация об атмосфере может быть получена на практике только в результате экспедиционных исследований и в очень ограниченном количестве (особенно в нашей стране). В этом состоит еще одно важное противоречие, которое требуется разрешить для достижения поставленных целей исследования.

Основной путь разрешения этого противоречия автор диссертационного исследования видит в использовании для расчета всех необходимых характеристик обнаружения математических моделей атмосферного пограничного слоя, информационной основой для которых могут служить имеющиеся в массовом количестве данные стандартной гидрометеорологической и аэросиноптической информации.

Глава 2. Доступные информационные ресурсы для создания методов расчета и прогноза условий наблюдения

В основе информационного обеспечения потребителей метеорологическими службами различных стран лежит технология, состоящая из четырех основных направлений деятельности: получения, сбора, обработки информации и доведения продукции до потребителей.

Программа наблюдений на метеостанциях весьма обширна (около 40 показателей), но для решаемой задачи интерес представляет лишь ограниченный набор: метеорологическая дальность видимости, влажность, температура воздуха и скорость ветра.

Для таких пользователей, как авиация и флот (как военно-морской, так и торговый) существуют свои специфические формы обеспечения, в основе которого лежит поставка непосредственно синоптических карт (для больших территорий) или «кольцевых синоптических карт» (для территорий областного масштаба). В настоящее время (последние 10-15 лет) с появлением персональных компьютеров и каналов связи с высокой пропускной способностью, вся подобного рода картографическая информация кодируется и распространяется в специальном цифровом формате GRIB (Grid Binary) - специальном международном формате обмена метеорологическими данными в регулярной (grid) сетке широтно-долготных координат в бинарной (binary) форме.

Данные в формате GRIB анализа и прогноза Мирового Метеорологического Центра (ММЦ) Москвы для обоих полушарий за последнюю неделю в широтно-долготной сетке 2,5⁰Ч5⁰ доступны на сайте Главного Вычислительного Центра (ГВЦ) Росгидромета РФ (http://mcc.hydromet.ru/1251).

Систематизированные метеорологические данные «реанализа» в широтно-долготной сетке 2,50Ч2,50 применительно к климатологическим исследованиям и совершенствованию методов прогнозов доступны на сервере Национальной Службы Погоды (НСП) США (National Weather Service, ftp://nomad3.ncep.noaa.gov), причем за любую дату, начиная с 1979 г. и за 4 срока в сутки (0, 6, 12 и 18 GMT). Из этого же источника может быть получена и температура водной поверхности (в широтно-долготной сетке 1⁰Ч1⁰) для прилегающих к побережью акваторий, необходимая для решения задачи восстановления пространственной структуры атмосферного пограничного слоя, как по вертикали, так и по горизонтали, вблизи береговой черты.

Глава 3. Специальные натурные эксперименты по исследованию условий наблюдения

Метеорологические явления и процессы, определяющие дальности оптического и радиолокационного обнаружения различных объектов, оказываются настолько сложными и неоднозначными, а доступные информационные ресурсы метеорологических наблюдений, обозначенные в главе 2, столь ограниченными, что потребовалось спланировать и осуществить ряд комплексных наблюдательных программ применительно к Калининградской области, направленных на ликвидацию имеющихся пробелов.

Основная цель здесь состояла в организации наблюдений именно характеристик обнаружения различных объектов с использованием применяемых на практике ТСН с параллельным сбором всех доступных материалов гидрометеорологического обеспечения, с тем, чтобы выявить их устойчивую взаимосвязь с данными свободно распространяемых гидрометеоизмерений.

Оптические и радиолокационные наблюдения осуществлялись на полигонах, расположенных возле населенных пунктов Приморск, Янтарный, Пионерский и Рыбачий. Наблюдения осуществлялись в весенний, летний и осенний периоды 2005-2007 гг.

В качестве оптических целей наблюдались человек и сверхмалые объекты (лодка, катер, яхта), а также неподвижные ориентиры. Для перемещающихся в пространстве объектов определялись предельные дальности обнаружения и исчезновения. Объекты наблюдались как в оптические средства (бинокулярная труба ТПБ-2, бинокли Б-12 и Б-8), так и невооруженным глазом.

Для изучения взаимосвязи МДВ и дальностей обнаружения различных объектов с помощью разнообразных ТСН был введен специальный безразмерный параметр, характеризующий одновременно свойства цели и качество используемого ТСН, названный нами параметр «цель-качество»:

, (7)

где - дальность обнаружения объекта категории «m» (m=1 для цели «движущийся человек») с помощью ТСН категории «n» (n=0 - наблюдения невооруженным глазом).

Результаты статистической обработки рядов вместе с 95%-м доверительным интервалом приведены на рисунке 2.

Анализ представленных результатов указывает на статистически значимое превышение дальностей «исчезновения» над дальностями «обнаружения» (примерно 10-15%), что вполне укладывается в имеющиеся представления о характеристиках обнаружение различных движущихся объектов.

Еще одним направлением исследований условий наблюдения в оптическом диапазоне было выбрано выяснение характера размывания изображения за счет рассеяния света на турбулентных неоднородностях с целью получения необходимых поправочных коэффициентов.



Рис. 2. Диаграмма соответствия параметров «цель-качество» для ситуаций обнаружения и исчезновения цели «движущийся человек» невооруженным глазом (0), а также с использованием ТСН Б-8 (1), Б-12 (2) и ТПБ-2 (3); радиус соответствующих кругов соответствует 95%-му доверительному интервалу

Эксперимент проводился в летнее время на песчаной полосе пляжа вдоль берега Балтийского моря шириной более 50 м в условиях МДВ 10-12 км при слабом ветре. Температура воды в прибрежной зоне колебалась в этот период в диапазоне 16-20 ⁰С, а подстилающей поверхности - 20-38 ⁰С, что создавало благоприятные условия для развития свободной конвекции на изучаемом участке территории.

Наблюдения производились с высоты 2 м с использованием бинокля Б-8 за фигурой движущегося вдоль берега человека, с фиксацией расстояния, на котором объект терялся из вида (дальность «исчезновения»). Одновременно проводились метеорологические наблюдения и фиксировалась средняя разность температур «поверхность-воздух» .

В связи с отсутствием в таких метеорологических ситуациях ухудшения видимости за счет влияния атмосферных аэрозолей, основная потеря качества наблюдения здесь могла быть только за счет рассеяния света на турбулентных неоднородностях. Характер такого рода искажений определяет дисперсия флуктуаций логарифма амплитуды оптической волны и зависит в конечном итоге от структурной характеристики оптического индекса рефракции .

На рисунке 3 представлена экспериментальная зависимость толщины слоя потери изображения от перепада температуры . Как можно видеть из рисунка, толщина такого слоя возрастает примерно в два раза при переходе от условий сравнительно малых , до значений разностей температур 15-20 ⁰С, соответствующих в данном случае условиям свободной конвекции.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость толщины слоя потери изображения h_s от разности температур по всему ряду измерений. Вертикальные отрезки - доверительные интервалы 95%

Следует отметить, что поскольку высота цели в данном эксперименте составляет около 1,8 м (человек), то влияние изучаемого эффекта на обнаружение данного объекта начинается, как следует из рисунка 6, со значений =8 - 10 ⁰С.

На рисунке 4 приведена полученная нами экспериментальная зависимость дальности исчезновения объекта «движущийся человек» при наблюдении в бинокль Б-8 от разности температур «поверхность-воздух». Анализ этого эффекта с использованием методов теории подобия Монина и Обухова для приземного слоя, позволил вывести следующую эмпирическую зависимость:

. (8)

Рис. 4. Экспериментальная зависимость дальности исчезновения при наблюдении в бинокль Б-8 от разности температур «поверхность-воздух». Сплошная кривая - эмпирическая зависимость (8)

Исходя из общей физики процессов в атмосфере, определяющих дальность видимости в атмосфере, можно вполне обоснованно предполагать, что подобное уточнение для дальностей обнаружения и исчезновения будет справедливо для всех видов ТСН при наблюдении в оптическом диапазоне. Это позволило, в итоге, ввести поправки в определяемый коэффициент «цель-качество», связанные с рассеянием света на турбулентных неоднородностях в условиях > 8 град.

Наблюдения в СВЧ диапазоне производились в прибрежном районе Калининградской области вблизи населенных пунктов: Приморск, Янтарный и Пионерский с использованием РЛС «Наяда 5МП» весной, летом и осенью 2006-2007 гг.

Объединяя результаты наблюдений и расчетов высоты приводного волновода, можно в итоге установить экспериментальную взаимосвязь между осредненными значениями дальностей сопровождения «малых» объектов и высотами волноводов для случаев нахождения излучателя РЛС за пределами слоя сверхрефракции (рис. 5).

Рис. 5. Экспериментальная зависимость дальности сопровождения «малых» объектов на морской поверхности с использованием РЛС «Наяда 5 МП» от высоты приводного волновода с осреднением по сезонам года. Сплошная кривая - зависимость (9)

Это дает основание для аппроксимации результатов с помощью некоторой функциональной зависимости (на рисунке - сплошная линия), связывающей дальность сопровождения (в километрах) с высотой волновода h (в метрах):

, (9)

которая и может быть рекомендована на практике для случаев расположения излучателя антенны РЛС вне приводного волновода.

Глава 4. Методы математического моделирования атмосферного пограничного слоя применительно к расчету условий наблюдения

Доступной информацией для прогноза характеристик обнаружения различных объектов могут служить лишь данные наблюдений на метеостанциях (в отдельных точках) с периодичностью 3-6 часов, данные высотного радиозондирования (один-два пункта на регион) с периодичностью 6-12 часов или данные анализа (реанализа) в грубой пространственной сетке (примерно 130-270 км по горизонтали и 0,6-1 км по вертикали).

Получение более детализированной по пространству информации оказывается возможным реализовать здесь только путем адаптации всех имеющихся данных наблюдений с помощью некоторой физически содержательной математической модели АПС, играющей, по существу, роль «пространственно-временного интерполянта».

Способ реализации поставленной задачи в данной работе имеет 4 основных уровня сложности, характеристика которых дана в таблице 1.

На самом начальном (нулевом) уровне сложности для интерпретации данных метеорологических наблюдений никакие модели не использовались вообще: применялись методы стандартной климатологической обработки для решения задачи изучения взаимосвязи условий наблюдения с метеорологическими параметрами.

Первый уровень сложности достаточно прост и использовался нами на начальной стадии исследования по большей части для отработки методических вопросов, однако уже здесь удается решить некоторые важные практические задачи, связанные, в частности с исследованием условий рефракции в оптическом и СВЧ диапазоне в приземном слое атмосферы.

Второй уровень дает возможность извлекать из стандартной метеоинформации значительно более подробные сведения об условиях наблюдения, в том числе и на наклонных трассах.

Тем не менее, наиболее последовательным, хотя и значительно более трудным в реализации, способом решения проблемы в будущем сможет оказаться восстановление полной трехмерной структуры АПС на третьем уровне сложности, что откроет возможности для создания методов краткосрочного специализированного прогноза условий наблюдения с заблаговременностью, обеспечиваемой прогнозом фоновых метеорологических полей (доступных в форматах GRIB). Реализация этого способа требует чрезвычайно высокой степени информационного обеспечения (детальные электронные карты местности, густая сеть метеостанций и пр.) и является вполне близкой перспективой.

Несмотря на возможность получения с использованием выводов теории подобия Монина - Обухова для приземного слоя целого ряда важных результатов относительно вертикального распределения индексов рефракции в оптическом и СВЧ диапазонах, данный метод имеет целый ряд ограничений.

Наиболее точные результаты с его помощью могут быть получены лишь при наличии измерений температуры, влажности и скорости ветра как минимум на двух уровнях. Подобные измерения, производятся лишь на метеостанциях с расширенной программой, включающей «теплобалансовые наблюдения». В настоящее время такие наблюдения проводятся лишь эпизодически, а результаты не распространяются по каналам связи в оперативном режиме.

Таблица 1. Уровни сложности задач исследования структуры атмосферы применительно к расчетам характеристик обнаружения различных объектов

Уровень	Метод	Используемая информация	Область восстановления	Назначение
0	Анализ данных на уровне измерений	Данные метеостанций	-	Климатология условий наблюдения в оптическом диапазоне на горизонтальных трассах
1	Теория подобия Монина-Обухова	Данные метеостанций	Приземный слой до высоты 30 - 50 м	Климатология параметров наблюдения для ограниченного набора условий
2	Численная модель одномерного АПС	Данные метеостанций, метеорология и температура океана в формате GRIB	Высоты до 300 - 500 м при отсутствии выраженной горизонтальной неоднородности поверхности	Климатология параметров наблюдения в оптическом и СВЧ диапазонах на горизонтальных и наклонных трассах в широком диапазоне условий
3	Трехмерная численная модель АПС	Данные метеостанций, метеорология и температура океана в формате GRIB	Высоты до 1- 1,5 км, в том числе в условиях выраженной горизонтальной неоднородности на разделе суша-море	Уточненная климатология и краткосрочный (до 36 часов) прогноз условий наблюдения на всей исследуемой территории

Снятие этих ограничений оказалось возможным лишь путем привлечения более общих методов моделирования всего атмосферного пограничного слоя.

Общая система уравнений АПС в декартовой системе координат (ось x₁ направлена на восток, ось x₂ - на север, ось x₃ - вертикально вверх) для осредненных значений горизонтальных (U₁, U₂) компонент скорости и потенциальной температуры (?) при этом записывается следующим образом:

; (10)



; (11)

. (12)

По повторяющемуся индексу здесь предполагается суммирование,

,

- компоненты геострофического ветра, причем _z=sin (- угловая скорость вращения Земли, - широта), - плотность воздуха,

- оператор горизонтального макротурбулентного перемешивания (K_L- коэффициент турбулентного перемешивания по горизонтали).

Член _? в уравнении (12) представляют собой, соответственно, суммарный радиационный приток тепла в атмосфере (за счет поглощения коротковолновой и длинноволновой радиации), - скорость конденсации; L - удельная теплота парообразования; С_р - теплоемкость воздуха при постоянном давлении.

В дополнение запишем уравнения турбулентной диффузии в атмосфере для массовой доли водяного пара S (г/кг) и водности (г/кг):

; (13)



. (14)

Уравнение (14) записано в предположении о полном увлечении капель турбулентным потоком, что вполне справедливо для таких явлений, как слоистые облака или туманы.

Уравнения (10) - (14) следует интегрировать по времени, начиная с некоторого момента t₀ с заданием фиктивных начальных условий, поскольку фактические сведения о реальной вертикальной структуре АПС отсутствуют.

Влажность - весьма специфическая характеристика атмосферы, которую невозможно рассчитывать без учета в той или иной форме таких физических процессов, как конденсация и испарение. При этом эффект конденсации приводит к дополнительному нагреву атмосферы, а испарения - к охлаждению. В случае превышения влажностью некоторого порогового значения (максимального или насыщающего значения, зависящего от температуры) часть водяного пара переходит в жидкую форму (капель аэрозоля).

Традиционным способом описания процессов в атмосфере с учетом фазовых переходов, широко распространенным, в частности, при моделировании туманов и слоистой облачности (Матвеев Л.Т., 1981), является переход от уравнений (12) - (14) к уравнению для эквивалентной потенциальной температуры , (сложение (12) с (13), умноженным на ) и уравнению для суммарного влагосодержания D=S+ (путем сложения (13) и (14)):

; (15)



. (16)

Удобство использования (15) и (16) состоит в том, что эти уравнения приближенно инвариантны относительно фазовых переходов (не содержат явно величины скорости конденсации ). Обратный переход от рассчитанных с использованием (15) и (16) функций П, D и к ? и S осуществляется путем использования предположения о наличии насыщения внутри тумана:

при DS_max(T) S=D, ?=П - D;

при DS_max(T) ?(Т)= П - S_max(T), (17)

где (Р₀=1000 гПа; R - газовая постоянная для сухого воздуха; P - давление воздуха), а S_max(T) - насыщающее при данной температуре значение массовой доли водяного пара.

Изложенная выше общая модель АПС описывает всю совокупность процессов в атмосферном пограничном слое. Ее применение на практике осложняется, между тем, как трудностями формулировки краевых условий, так и проблемами параметризации притоков тепла. Как показали многочисленные исследования, привлечение разного рода уточненных схем описания физических процессов (уравнения теплового баланса подстилающей поверхности, высокоточных алгоритмов расчета радиационных притоков тепла и т.д.), приводит, в итоге, к необходимости задания весьма большого числа плохо известных характеристик атмосферы, почвы или растительности. Погрешности задания всех этих дополнительных свойств среды способствуют увеличению суммарных ошибок расчета, что во многом нивелирует положительный эффект подобных уточнений.

Особенность нашего подхода, ориентированного на использование стандартной гидрометеорологической информации, состоит в том, что уравнения (15) и (16) требуется интегрировать при отсутствии необходимых для корректной постановки задачи краевых условий. Выходом из положения здесь может быть упрощение этих уравнений путем выделения так называемого «синоптического фона» с записью их в следующей форме:

; (18)

, (19)

где функции _П,_D(x₁,x₂,x₃,t) - совокупность всех остальных членов уравнений (15) и (16), не учитываемых в явной форме в этих уравнениях.

Предполагаем, что _П и _D обусловлены в значительной степени процессами синоптического масштаба, которые охватывают по вертикали значительную часть АПС. Это дает основание для их расчета на сновании данных реанализа атмосферных процессов с использованием весьма грубой вертикальной сетки, формируемой стандартными изобарическими поверхностями 1000, 925 и 850 гПа.

Немаловажно, что непосредственно значения водности в ходе стандартных гидрометеорологических наблюдений не измеряются и могут быть оценены лишь косвенно, например, по данным о дальности метеорологической видимости V путем обращения формулы (4).

Для задания нижних граничных условий для каждой из F(t)=П,D(t), получаемых по измерениям на метеостанциях, на фрагменте ряда длиной t в этом случае используется формула полиномиального тренда, позволяющего выделить синоптический фон и отделить его от суточных колебаний:

, (20)



где коэффициенты определяются методом наименьших квадратов (МНК).

Для расчета начальных профилей функций П, D(x,t) предполагалось, что потенциальная температура растет с высотой с фоновым градиентом _?, а массовая доля водяного пара - уменьшается с градиентом _S, причем для расчета последних привлекались данные реанализа за соответствующие сроки. На верхней границе расчетной области Z_Н все отклонения искомых переменных от своих фоновых значений полагались равными нулю.

На рисунке 6 демонстрируются примеры описанного выше способа анализа П_Б(t) и D_Б(t), полученные в ходе обработки данных гидрометеорологических наблюдений для метеостанции «Балтийск».

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Примеры результатов интерполяции рассчитываемых по результатам измерений величин П_Б(t) и D_Б(t) и соответствующих функций тренда по данным метеостанции «Балтийск» (август 2000 г.)

В разделе 4.5 рассмотрены приложения разработанного метода восстановления вертикальной структуры АПС для решения двух практических задач: расчета характеристик обнаружения на наклонных трассах и вычисления вертикального градиента индекса рефракции для СВЧ диапазона радиоволн.

Общая схема наблюдения некоторого наземного объекта с использованием ТСН, расположенного на высоте , представлена на рисунке 7.

Максимальная наклонная дальность L обнаружения подобного объекта будет здесь определяться следующим образом:

, (21)

, (22)

где - средняя вдоль луча L водность, а - упомянутый выше параметр «цель-качество» (формула (7)).

Рис. 7. Схема наблюдения за объектом А с высоты h под углом

С учетом того, что дифференциал приращения луча (где z - вертикальная координата), интеграл (22) может быть вычислен следующим образом:

, (23)

. (24)



Если теперь представить искомую максимальную дальность обнаружения объекта на местности с высоты наблюдения h (рис. 7) как , то в итоге из (23) - (26) можно получить:

. (25)

При наблюдениях с летательного аппарата, барражирующего на высоте h, величина представляет собой половину ширины полосы обнаружения различных объектов вдоль траектории полета.

Из (25) следует, что единственным метеорологическим параметром, определяющим условия обнаружения различных объектов на наклонных лучах наблюдения, оказывается интеграл по вертикали от водности (24), который может быть без труда рассчитан на каждый момент времени с использованием упомянутой выше модели АПС.

Глава 5. Пространственный анализ условий наблюдения

Пространственный анализ и построение карт - традиционные методы сводного представления результатов статистической обработки тех или иных характеристик атмосферы для определенной территории.

Общая схема организации информационных потоков при решении поставленной задачи с учетом выводов предыдущих глав выглядит так, как это представлено на рисунке 8.

В качестве исходных данных для расчета привлекаются ряды наблюдений на метеостанциях, данные реанализа на стандартных изобарических поверхностях, а также данные реанализа температуры морской поверхности. Все эти материалы собраны за период около 6 лет, начиная с 2000 г. Как показывает опыт прикладной климатологии (например, Дроздов О.А., 1989) пятилетнего архива в целом, оказывается достаточно для получения статистически обеспеченных характеристик атмосферы.

Свойства подстилающей поверхности, необходимые для расчета (суша или море, шероховатость поверхности) задаются с помощью слоев электронной карты территории, поддерживаемой в ГИС ArcView 3.2. Необходимый набор слоев формировался на основе топографической карты 1:200 000 и включает гидрографию и растительность, а также дополнительную информацию (населенные пункты, границы государств), необходимую для последующего наложения на карту с результатами расчета для удобства последующего использования. Все исходные ГИС-покрытия хранятся в обменных форматах ГИС (SHP-файлы).

Рис. 8. Общая схема информационных потоков при решении задачи пространственного анализа характеристик наблюдения

На начальном этапе производится совмещение всех исходных данных в точках проведения расчетов. Для поверхности суши в качестве таких точек выбрано местоположение метеостанций, куда из градусной сетки реанализа (2,5⁰х2,5⁰) переносились сведения о скорости ветра, температуре и влажности на стандартных изобарических поверхностях. Для моря в качестве таких точек рассматривались узлы регулярной градусной сетки (1⁰х1⁰), для которых была известна температура.

Далее, для выбранных точек расчета восстанавливались фоновые характеристики атмосферы, после чего для каждых суток за изучаемый период путем интегрирования уравнений модели суточных колебаний на каждый час восстанавливалась вертикальная структура АПС, и рассчитывались искомые характеристики наблюдения. На следующем этапе производилась статистическая обработка результатов, полученных на каждый час суток за выбранный временной период анализа (месяц, сезон года, день или ночь).

На завершающем этапе расчетов построенное таким образом растровое поле преобразовывалось в векторное с использованием специальной процедуры векторизации с получением, в итоге, ГИС-покрытия рассчитываемой характеристики наблюдения в SHP-форматах. Данный слой совмещался в ГИС ArcView 3.2 с другими слоями и далее формировался в качестве выходного документа.

В таблице 2 представлен сводный перечень полученных описанным выше способом электронных карт для каждого из регионов Калининградской, Челябинской и Сахалинской областей.

Таблица 2. Сводный перечень электронных карт характеристик наблюдения

Диапазон	День/Ночь	Картируемая характеристика
СВЧ	День	Градиент индекса рефракции
-«-	День	Вероятность субрефракции
-«-	День	Вероятность суперрефракции
-«-	День	Среднесезонная высота слоя суперрефракции (высота волновода)
-«-	День	Вероятность высоты волновода более 10 м
-«-	День	Вероятность высоты волновода более 20 м
Оптический	День	Градиент индекса рефракции
-«-	День	Вероятность субрефракции
-«-	День	Вероятность суперрефракции
-«-	День	Вероятность превышения среднего по лучу визирования своего критического значения 0,5 (-ед.м-1/3)2
-«-	День	Вероятность необнаружения фигуры движущегося человека на дальности свыше 1000 м с использованием бинокля Б-8
-«-	День	Вероятность необнаружения фигуры движущегося человека на дальности свыше 1000 м с использованием бинокля Б-12
-«-	День	Вероятность необнаружения фигуры движущегося человека на дальности свыше 1000 м с использованием ТПБ-2
СВЧ	Ночь	Градиент индекса рефракции
-«-	Ночь	Вероятность субрефракции
-«-	Ночь	Вероятность суперрефракции
-«-	Ночь	Среднесезонная высота слоя суперрефракции (высота волновода)
-«-	Ночь	Вероятность высоты волновода более 10 м
-«-	Ночь	Вероятность высоты волновода более 20 м

В разделе 5.2 рассмотрены результаты расчетов применительно к оптическому диапазону.

Результаты расчета дальностей обнаружения объекта «человек» с обеспеченностью 99% со стандартной пограничной вышки при использовании таких ТСН, как бинокль Б-8, представлены на рисунке 9. Фактически, это те максимальные границы дальностей обнаружения, которые могут оказаться ниже в тот или иной сезон, а также в то или иное время суток лишь с вероятностью 1%. Как можно убедиться из представленных материалов, дальности обнаружения для региона Сахалинской области практически во всех ситуациях оказываются существенно ниже, чем для прочих. Особенно малы эти величины в летний период, не превышая для Б-8 значений 100 м.



Рис. 9. Расчетные величины 99%-й обеспеченности обнаружения объекта «человек» в бинокль Б-8 со стандартной пограничной вышки для летнего периода: 1 - Калининградская обл., 2 - Челябинская обл., 3 - Сахалинская обл.

Наилучшими оказываются при этом условия наблюдения в Челябинской области, достаточно засушливой территории, на которой туманы и сильные дымки образуются сравнительно редко. Что касается Калининградской области, то, как и можно было ожидать, эта территория в летний период оказывается в некотором промежуточном положении: дальности обнаружения малы лишь в утренние часы (вероятно, из-за радиационных туманов). В зимний период условия наблюдения как в Калининградской, так и в Сахалинской областях оказываются сходными (вероятно, из-за влияния туманов испарения, образующихся над морской поверхностью в прибрежной зоне).

Остановимся теперь на анализе пространственной изменчивости условий наблюдения в различных регионах.

На рисунке 10 для региона Калининградской области для летнего и зимнего периодов представлены карты вероятности необнаружения объекта «человек» на дальностях более 1000 м в течение светлого времени суток с высоты стандартной пограничной вышки с помощью бинокулярной трубы ТПБ-2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. Расчетные характеристики наблюдения для Калининградской области. Карты вероятностей (%) необнаружения объекта «человек» на дальностях более 1000 м в течение светлого времени суток с высоты стандартной пограничной вышки с помощью бинокулярной трубы ТПБ-2 для летнего (слева) и зимнего (справа) периодов

Как можно видеть из рисунка, для почти всей протяженности государственной границы (включая береговую зону) вероятность необнаружения нарушителя на расстоянии более 1000 м в летний период несколько ниже (2-4%), чем в зимний, когда эта величина на южной границе области и в прибрежной зоне достигает 10%, причем в последнем случае также увеличивается и степень пространственной неоднородности в связи с существующими в это время года значительными горизонтальными температурными градиентами.

Полученный результат можно трактовать следующим образом. Если выбрать среднее расстояние между пограничными вышками 2 км, то надежность такого рода системы составит 95 - 98% в том смысле, что из 100 нарушителей границы обнаружены с использованием прибора ТПБ-2 могут быть лишь от 94 - 96 человек в летний период и только 85 - 90 человек в зимний (в зависимости от участка).

В Челябинской области (рис. 11) вероятность обнаружения с использованием ТПБ-2 оказывается весьма близкой к аналогичным величинам в Калининградской области.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Расчетные характеристики условий наблюдения для Челябинской области для летнего периода. Слева - вероятность (%) необнаружения объекта «человек» на дальностях более 1000 м в течение светлого времени суток с высоты стандартной пограничной вышки с помощью бинокулярной трубы ТПБ-2. Справа - вероятность (%) превышения средней вдоль луча визирования величиной своего критического значения 0,5 (-ед.м^-1/3)²

Между тем, если в Калининградской области ухудшение видимости за счет рассеяния света на турбулентных неоднородностях практически не происходит (вероятность превышения критических значений не превышает 2% летом и 1% зимой), то в регионе Челябинской области вследствие континентальности климата этот эффект оказывается заметным.

Летом вероятность превышения средних значений вдоль луча визирования критических величин достигает 15%.

В разделе 5.3 рассмотрены некоторые примеры расчета характеристик условий наблюдения применительно к СВЧ диапазону.

Одной из основных характеристик условий распространения радиоволн СВЧ диапазона вблизи подстилающей поверхности является средний вертикальный градиент индекса рефракции, который, как уже отмечалось, в отличие от индекса рефракции в оптическом диапазоне, зависит также и от вертикального распределения влажности в приземном слое. На рисунке 12 представлены примеры расчета среднесезонных карт N-градиента в приземном слое для территории Калининградской области.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Среднесезонные карты среднего градиента индекса рефракции для СВЧ радиоволн в слое 0-20 м для территории Калининградской области в летний (а, б) и зимний (в, г) периоды в дневное (а, в) и ночное (б, г) время, N-ед./км

Как можно видеть, в летний период практически на всей территории области, как в дневное, так и в ночное время суток, наблюдаются условия суперрефракции, причем максимальных по абсолютной величине значений N-градиенты достигают летом в прибрежной зоне -320 N-ед./км. Зимой условия рефракции оказываются достаточно близкими к стандартным, причем лишь в северной части области N-градиенты снижаются до -100 N-ед./км.

Весьма показательной характеристикой устойчивости условий суперрефракции СВЧ радиоволн являются представленные на рисунке 13 карты вероятностей превышения приповерхностным радиоволноводом (приземным или приводным) высоты 20 м.

...