Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Афанасьев Алексей Леонидович
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА ИЗ ТУРБУЛЕНТНЫХ ФЛУКТУАЦИЙ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ
Специальность 01.04.05 - Оптика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Томск - 2012
Работа выполнена в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Научный консультант: доктор физико-математических наук Банах Виктор Арсентьевич Научный консультант: кандидат технических наук Ростов Андрей Петрович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Астафуров Владимир Глебович доктор физико-математических наук Погодаев Виталий Алексеевич
Ведущая организация: Институт физического материаловедения СО РАН (г. Улан-Удэ)
Защита состоится 15 июня 2012 г. в 16 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 003.029.01 в Институте оптики атмосферы им.
В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы им В.Е. Зуева СО РАН Автореферат разослан 14 мая 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук В.В. Веретенников
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы и объект исследования Одной из проблем современной атмосферной физики является исследование турбулентных ветровых полей. Информация о скорости ветра, её средней и флуктуационных составляющих необходима при изучении динамики атмосферных процессов, в расчетах потоков тепла, количества движения, переноса скалярных примесей (таких как влажность, аэрозольные и газовые компоненты), при построении моделей в климатологии и составлении метеорологических прогнозов. Данные о ветре используются в расчетах конструкционных нагрузок, для определения сдвигов ветра в оперативной практике обслуживания и обеспечения безопасности авиаперелётов, при разработке оптических систем связи, локации, дальнометрических и лидарных устройств.
Для измерения скорости ветра используются ветровые датчики, чашечные и акустические анемометры. Однако потребность получения данных о ветре в местах, недоступных для установки датчиков, требует развития дистанционных методов измерения скорости и направления ветра. Значительный интерес представляют измерения вертикальных профилей, а также усредненных на различных пространственных или временных интервалах ветровых параметров, которые могут быть реализованы методами дистанционного оптического зондирования. В настоящее время для измерения скорости ветра широко применяются такие средства дистанционного зондирования, как радары ясного неба, содары и лидары. Все они основаны на использовании эффекта доплеровского смещения частоты излучения, рассеянного движущимися за счет ветра рассеивателями, и позволяют измерять так называемую радиальную скорость вдоль направления распространения зондирующего излучения. Для получения информации о векторе скорости ветра измерения осуществляются под различными углами.
Наряду с доплеровскими, одним из основных методов дистанционной диагностики природных и искусственных сред является метод зондирования, заключающийся в просвечивании среды эталонными сигналами и анализе их искажений, вызванных неоднородностями среды распространения. В настоящее время известно большое количество работ по определению скоростей турбулентных потоков лазерными методами на основе анализа пространственновременной структуры поля флуктуаций излучения, прошедшего случайно неоднородную среду. Физическую основу этих методов составляет теория флуктуаций электромагнитных волн в средах со случайными неоднородностями.
В отличие от доплеровских методов, здесь источником информации служат флуктуации интенсивности зондирующего излучения и их пространственновременная структура. Эти флуктуационные методы во многих случаях позволяют определять поперечный к трассе вектор интегральной скорости без использования сканирования, их реализация не требует громоздких конструкций, как в случае радаров и содаров. Именно практическая потребность в компактных, относительно дешевых и простых в эксплуатации дистанционных измерителях интегральной скорости ветра определяет актуальность разработки и исследования эффективности лазерных флуктуационных методов измерения скорости.
Однако, несмотря на большую практическую потребность в таких измерителях, количество реальных оптических измерений ветра в атмосфере флуктуационными методами относительно невелико. Это объясняется не столько сложностью и дороговизной реализации, сколько многочисленными ограничениями, присущими существующим методам оценки статистических параметров скорости ветра из оптических измерений. Поэтому разработка методологии и научной технологии лазерных методов и средств измерения параметров ветра и атмосферной ветровой турбулентности и исследование ее пространственно-временной структуры являются актуальными направлениями исследований. В диссертации предложены новые оптические методы измерения средней и флуктуационной составляющих скорости ветра, расширяющие возможности лазерного ветрового зондирования. Приведенные в диссертации материалы формируют методическую базу дистанционных измерений параметров поля скорости ветра и могут быть использованы при разработке оптических систем оперативного измерения турбулентной скорости ветра в атмосфере.
Все расчеты, представленные в диссертационной работе, основываются на соотношениях, вытекающих из условия локальной замороженности Татарского, являющегося обобщением классической гипотезы Тейлора. Круг рассматриваемых в диссертации методов измерения скорости ветра на основе анализа пространственно- временной структуры флуктуаций параметров оптического излучения в турбулентной атмосфере формально ограничен по признаку использования гипотезы локальной замороженности.
Рассматриваемые в диссертации методы можно разделить на две большие группы: лидарно-локационные и методы просвечивания. И хотя методы этих двух групп различаются геометрией измерений, общим для них является то, что все они основываются на анализе искажений оптического сигнала на турбулентных флуктуациях скорости ветра и неоднородностях показателя преломления воздуха.
Для извлечения информации о средней величине и флуктуационных параметрах скорости ветра в этих методах используются как корреляционные, так и спектральные характеристики флуктуаций оптического излучения.
Цель и основные задачи Целью диссертационной работы является разработка и развитие дистанционных оптических методов измерения средней и флуктуационной составляющей скорости ветра, основанных на анализе пространственновременной структуры поля флуктуаций излучения в турбулентной атмосфере.
Для достижения цели работы были сформулированы следующие задачи:
Ц изучение возможности использования в качестве измеряемых характеристик первых производных временных изменений логарифма амплитуды, фазы и компонент вектора смещения энергетического центра тяжести изображения пучка, аэрозольного рассеивающего объема (АРО) для оценки параметров интегральной по трассе турбулентной скорости ветра, разработка и экспериментальная верификация метода оценки скорости ветра и ее дисперсии из измерений скорости изменения параметров оптического излучения;
- разработка и экспериментальная реализация методов измерения скорости турбулентных потоков на основе двумерного пространственного вейвлетпреобразования видео изображений лазерного пучка в плоскости приема;
Ц исследование случайных смещений энергетического центра тяжести изображения аэрозольного рассеивающего объема (АРО), подсвечиваемого зондирующим пучком с целью оценки совместного влияния на величину дисперсии смещений изображения аэрозольной и турбулентной компонент атмосферы - внутренней дискретной структуры объема рассеяния, его формы и размеров и структурной характеристики показателя преломления на трассе;
Ц изучение особенностей моностатической схемы зондирования - влияния распространения в прямом и обратном направлении по одним и тем же неоднородностям среды на величину дрожания АРО;
Ц оценка влияния сильных пульсаций скорости ветра, их пространственной анизотропии при интерпретации данных лидарного зондирования методами корреляционного и когерентного анализа;
Ц разработка способов оценки среднего значения и дисперсии флуктуаций компонент скорости ветра из измерений фазового спектра и спектра когерентности лидарных сигналов;
Научная новизна Перечень основных новых результатов диссертации сводится к следующему.
1. Предложен и апробирован в атмосферных экспериментах метод оценки скорости ветра и ее дисперсии из измерений скорости изменения параметров оптического излучения.
2. Разработан и реализован в экспериментах на атмосферных оптических трассах метод измерения интегральной скорости турбулентных потоков на основе анализа пространственно- временной статистики интенсивности видео изображений лазерного пучка в плоскости приема.
3. Предложена концепция атмосферной реализации метода измерения скорости турбулентных потоков на основе двумерного пространственного вейвлет-преобразования видео изображения пучка в плоскости приема. Показано, что данный метод позволяет определять расположение турбулизованных зон вдоль трассы распространения просвечивающего оптического пучка и получать оценку скорости движения среды в этих зонах. Осуществлено тестирование метода в модельном эксперименте.
4. Показано, что с увеличением длины трассы L вклад в дисперсию случайных дрожаний изображения АРО аэрозольной компоненты (внутренней структуры, формы и размеров АРО) убывает L-2, а вклад турбулентных неоднородностей среды растет L. Это позволяет разделить вклад этих двух компонент. На трассах L >100 м для любых концентраций частиц вкладом аэрозольной компоненты можно пренебречь, что позволяет осуществлять дистанционные измерения интегрального значения структурной характеристики показателя преломления на трассе зондирования. Вариации прозрачности атмосферы и коэффициента аэрозольного рассеяния не влияют на величину смещения изображения АРО.
5. Установлено, что при моностатической локации в турбулентной атмосфере происходит компенсация наклонов волнового фронта и ослабление дрожания изображения рассеивающего объема вследствие корреляции прямой и отраженной волн, распространяющихся через одни и те же неоднородности среды. Эффект максимален для сфокусированного и узкого коллимированного зондирующих пучков и практически не сказывается при зондировании в режиме плоской и сферической волн.
6. Показано, что учет пульсаций скорости ветра приводит к существенному изменению зависимости наклона фазового спектра лидарных сигналов от средней скорости по сравнению со случаем отсутствия флуктуаций ветра.
7. Предложен и апробирован в экспериментах новый способ оценки среднего значения и дисперсии флуктуаций компонент скорости ветра из измерений фазового спектра и спектра когерентности лидарных сигналов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. В режиме слабых флуктуаций интенсивности в атмосфере дисперсии первых временных производных логарифма амплитуды и фазы оптической волны, а также координат энергетического центра тяжести изображения оптического источника связаны линейно с дисперсиями компонент интегральной поперечной скорости ветра. Это позволяет реализовать способ измерения средней поперечной скорости ветра и дисперсий ее компонент с использованием лишь одного приемного устройства.
2. Вейвлет фильтрация изображений лазерного пучка позволяет выделять зоны повышенной турбулентности вдоль трассы распространения и скорость движения среды в этих зонах.
3. В турбулентной атмосфере при приеме рассеянного строго назад излучения происходит уменьшение дрожания изображения рассеивающего объема по сравнению с бистатической схемой локации. Эффект максимален в случае рассеяния сфокусированных и узких коллимированных пучков, когда отношение дисперсий дрожания изображения при моно- и бистатической локации уменьшается до значения 0.75.
4. В условиях флуктуирующего ветра наклон фазового спектра лидарных сигналов, принятых из пространственно разнесенных рассеивающих объемов, 2 определяется не средней V0, а "кажущейся" скоростью Vк = V0 1+v V02, где v - () дисперсия флуктуаций скорости. Это позволяет из одновременных измерений спектров когерентности и фазы лидарных сигналов оценивать величину средней и флуктуационной компонент скорости ветра.
Научная значимость результатов диссертации заключается в том, что предложены новые оптические методы измерения средней и флуктуационной составляющих скорости ветра, расширяющие возможности дистанционного лазерного зондирования поля скорости ветра и имеющие ряд преимуществ перед известными.
Решенные в диссертации задачи формируют методические основы оперативного контроля турбулентной скорости ветра в атмосфере методами, основанными на анализе пространственно временной структуры флуктуаций просвечивающего оптического излучения.
Практическая значимость представленных в диссертации результатов определяется запросами промышленности и ведомств по созданию компактных, недорогих и простых в эксплуатации измерителей интегральной скорости ветра.
Тематика диссертационной работы включена в планы научноисследовательской работы Института оптики атмосферы СО РАН по базовым бюджетным проектам Волновые процессы при взаимодействии лазерного излучения с компонентами атмосферы (номер государственной регистрации 0120.0 406064), Волновые взаимодействия в атмосферной оптике (номер государственной регистрации 01.2.007 04740). Распространение мощного лазерного излучения в неоднородных средах (номер государственной регистрации 01.2.010 51376). Направлена на выполнение проектов программ отделения общей физики РАН Проблемы радиофизики (2003-2005 гг.), (20062008 гг.), и Электродинамика атмосферы, радиофизические методы исследования атмосферных процессов (2009-2011 гг.), проектов РФФИ 94-0516601, 98-05-03131, 00-05-64033, 03-05-64194, 06-05-64445, 06-05-96951-р_офи, 09-05-00054.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием при решении рассматриваемых задач известных методов теории распространения волн в случайно-неоднородных средах; применением при расчетах обоснованных предположений и допущений, являющихся во многих случаях общепринятыми и используемыми в работах других авторов по данной тематике;
непротиворечивостью конечных формул, описывающих поведение рассчитываемых характеристик, фундаментальным закономерностям;
совпадением полученных в диссертации новых формул и соотношений в частных случаях с результатами других авторов; апробацией предложенных новых методов в модельных и натурных атмосферных экспериментах; сравнением результатов оценок параметров скорости ветра предложенными методами с одновременными оценками независимыми оптическими и акустическими методами.
Апробация работы Материалы диссертации в полном объеме опубликованы в научной печати, в 40 работах, в т.ч.: в 8 статьях в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК, в 30 тезисах докладов и трудах международных, всесоюзных и российских конференций и симпозиумов и защищены двумя авторскими свидетельствами СССР.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на 7-м, 9-м Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (г. Томск, 1982, 1987); III Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (г. Томск, 1983); 2-й Всесоюзной научно-технической конференции Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации (г. Ленинград, 1984); 1-м, 2-м, 3-м, 4-м Межреспубликанском симпозиуме Оптика атмосферы и океана (г. Томск, 1994, 1995, 1996, 1997); 81 OSA Annual Meeting (USA, Long Beach, October 12-17, 1997);
European Symposium on Remote Sensing Laser Radar Techniques (Ranging and Atmospheric Lidar) (Spain, Barselona, 1998); 17th, 25th International Laser Radar Conference (Japan, Senday, 1994, St.-Petersburg, Russia, 2010); VI, VIII, IX, X, XI, XII, XIII, XIV, XV и XVI Международных симпозиумах Atmospheric and oceanic optics. Atmospheric physics (г. Иркутск, 2001, г. Томск, 1999, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2009, г. Улан-Удэ, 2007, г. Красноярск, 2008); 6-м Международном симпозиуме Контроль и реабилитация окружающей среды (г. Томск, 2008);
XXII Всероссийской научной конференции Распространение радиоволн (г. Ростов-на-Дону, 2008); VII Всероссийском симпозиуме Контроль окружающей среды и климата (г. Томск, 2010); Российской научной конференции Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой (г. Улан-Удэ, 2010);
Основные положения диссертации обсуждались на научных семинарах лаборатории распространения волн Института оптики атмосферы СО РАН.
ичный вклад автора заключается в проведении аналитических и численных расчетов при решении поставленных задач с целью обоснования предложенных методов, участием в проведении модельных и натурных экспериментов, а также в разработке алгоритмов компьютерной обработки массивов экспериментальных данных, интерпретации результатов и сопоставлении с данными других исследований и теоретических расчетов.
Все представленные в данной работе результаты исследований были получены и опубликованы при непосредственном личном участии автора.
Экспериментальные исследования проводились с использованием аппаратуры, разработанной научным консультантом к.т.н. А.П. Ростовым, при личном участии автора.
Постановка задач и конкретизация направлений исследований осуществлялась научным руководителем работы д. ф.-м. н. В.А. Банахом.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения. Общий объем текста 139 страниц, включая 43 рисунка, и список литературы, содержащий 1наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении дан обзор современного состояния исследований в области разработки оптических методов измерения скорости ветра в атмосфере.
Определен круг рассматриваемых в работе методов измерения скорости.
Сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее актуальность, новизна, научная и практическая значимость. Приведены защищаемые положения.
В первой главе диссертации рассмотрены основные принципы дистанционных методов измерения скорости ветра, основанных на анализе искажений оптического сигнала на турбулентных неоднородностях показателя преломления воздуха.
Установлена возможность определения среднего значения и дисперсии интегральной по трассе турбулентной скорости ветра на основе измерений скорости изменения флуктуационных параметров просвечивающего оптического излучения. Показано, что дисперсии первых производных временных изменений логарифма амплитуды, фазы и компонент вектора смещения центра тяжести изображения связаны с дисперсиями эффективной скорости среды линейными соотношениями. Предложен метод оценки средней и флуктуационной компонент скорости ветра и проведена его экспериментальная верификация в атмосфере.
В параграфе 1.1 рассмотрены известные сцинтилляционные методы измерения скорости ветра. Приведена базовая схема измерений. Проводится обзор корреляционных и спектральных методов.
В параграфе 1.2 описаны результаты экспериментальной верификации классического способа оценки интегральной поперечной скорости ветра по смещению максимума кросс- корреляционной функции флуктуаций интенсивности просвечивающего лазерного пучка. Приведены результаты сравнения с независимыми данными массива из 14-и акустических анемометров равномерно размещенных на оптической трассе в момент измерений.
В параграфе 1.3 анализируются недостатки рассмотренных спектрально- корреляционных двухточечных методов оценки скорости ветра. Предложен способ измерения скорости ветра, позволяющий устранить отмеченные ограничения. В приближении метода плавных возмущений рассчитаны дисперсии первых производных временных изменений логарифма амплитуды и фазы оптической волны и установлена их линейная связь со средним значением и дисперсией флуктуаций скорости ветра. Откуда делается вывод о принципиальной возможности дистанционного определения ветровых параметров из расчетов скорости изменения характеристик регистрируемого просвечивающего оптического излучения.
Предложенный метод проще, чем известные методы, с точки зрения обработки первичных данных, поскольку не требует расчетов взаимных пространственно- временных корреляций, спектральных характеристик и применения алгоритмов БПФ, как корреляционный и спектральный методы.
Возможность оценки флуктуаций скорости из оптических измерений в пределах интервала статистического усреднения может быть полезной во многих практических приложениях и является достоинством метода.
В параграфе 1.4 выполнен теоретический анализ влияния средней скорости среды и ее флуктуаций на статистические характеристики флуктуаций энергетического центра тяжести (ЭЦТ) изображения оптического источника для связной схемы распространения и схемы с отражением от плоского зеркала.
В предположении об отсутствии флуктуаций потока принимаемого излучения через входную апертуру и нормального распределения горизонтальной V и вертикальной V компонент поперечной скорости ветра y z показано, что дисперсии компонент скорости дрожания ЭЦТ изображения 2 источника 'cy и 'cz связаны с характеристиками скорости ветра соотношениями вида:
пл.
2 2 'cy = V02 + v y + V02 + vz K'сф.
() () { }, y z c (1) пл.
2 2 'cz = V02 + v y + V02 + vz K'сф.
() () { }.
y z c Здесь V {V,V } - среднее значение поперечной к трассе составляющей 0 0y 0z 2 2 скорости ветра, v v y,vz - дисперсия флуктуаций скорости. Коэффициент { } пл.
{ } в (1) учитывает зависимость дисперсии дрожания оптического изображения K'сф.
c 2 2 'cy,'cz от размера приемной апертуры, параметров спектра { } c турбулентности, типа волны (плоская, сферическая) и схемы распространения.
Из (1) видно, что вклады средней и флуктуационной составляющих скорости ветрового перемещения турбулентных неоднородностей в продольную и поперечную относительно среднего направления ветра компоненты дрожания изображения различаются. Это позволяет, в отличие от метода, рассмотренного в п. 1.3, осуществлять на основе (1) оценивание среднего значения и дисперсий компонент скорости ветра по отдельности и реализовать способ измерения средней поперечной скорости ветра и дисперсий ее компонент с использованием лишь одного приемного устройства. Метод обладает повышенной светочувствительностью, т.к. позволяет использовать в качестве приемников оптические системы с большими апертурами и защищен авторским свидетельством на Способ измерения скорости ветра.
В параграфе 1.5 представлены результаты экспериментальной верификации метода измерения скорости ветра по флуктуациям координат энергетического центра тяжести изображения объекта. Проведены сопоставления оценок скорости, полученных одновременно на одной и той же атмосферной оптической трассе данным методом и независимым методом по смещению максимума взаимной пространственно-временной корреляционной функции интенсивности, а также с показаниями ультразвукового анемометра.
По результатам главы 1 сформулировано первое защищаемое положение.
Во второй главе рассмотрены способы измерения скорости ветра в атмосфере по турбулентным искажениям видеоизображений лазерного пучка.
Показано, что данный подход может быть использован при измерениях скорости ветра методами, основанными на анализе как флуктуаций интенсивности, так и дрожания видеоизображений.
Представлены результаты экспериментального исследования вклада турбулентных неоднородностей, локализованных на отдельных участках оптической трассы, в суммарные искажения распределения интенсивности распространяющегося вдоль этой трассы пучка.
Предложен метод определения скорости локального турбулентного потока и его местоположения на трассе из анализа искажений скоростных видеоизображений просвечивающего лазерного пучка в плоскости приема.
В параграфе 2.1 на основе анализа видеозаписей просвечивающего лазерного пучка, полученных в натурных экспериментах на атмосферных оптических трассах, проведено сравнение одновременных оценок интегральной скорости ветра пятью независимыми оптическими методами. Для записи случайных реализаций распределений интенсивности просвечивающего лазерного излучения использована технология регистрации высокоскоростных цифровых видеоизображений, являющаяся удобным способом получения трехмерного пространственно- временного массива данных о флуктуациях интенсивности оптического излучения с высоким временным и пространственным разрешением (частота кадров до 4 кГц с размерами кадра 512 512 пикселей и до 200 кГц при уменьшении размеров кадра).
Для получения локальных данных о скорости ветра также использовался массив из десяти ультразвуковых анемометров, равномерно размещенных вдоль измерительной трассы. Схема эксперимента представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема эксперимента по верификации оптических методов оценки интегральной скорости ветра с применением скоростной видеозаписи.
При обработке массивов видеоданных рассмотрены особенности использования корреляционно-спектрального анализа в двух пространственновременных вариантах. Показано, что варианты анализа временных рядов с пространственным разносом и пространственных рядов с временным разносом имеют противоположные зависимости измеряемых параметров (сдвига максимума взаимной корреляционной функции, наклон фазового спектра) от величины скорости ветра. Даны рекомендации выбора того либо другого варианта анализа в зависимости от диапазона измеряемых скоростей с целью повышения точности измерений.
Результаты сопоставления оценок скорости ветра пятью оптическими методами с акустическими данными представлены на рис. 2. Коэффициенты корреляции между кривыми на рис.2а равны: b12 = 0.74, b13 = 0.92, b14 = 0.7, и на рис.2б b14 = 0.58, b15 = 0.72, b16 = 0.93. Удовлетворительное согласие временных рядов скорости ветра, получаемых методом производной ЭЦТ, предложенным в п. 1.4, и известными оптическими методами для одних и тех же массивов экспериментальных данных, а также с данными акустических измерений подтверждает работоспособность предложенного метода и позволяет рассматривать его как достаточно простой и надежный при проведении оценок параметров интегральной скорости ветра в атмосфере.
а) б) Рис. 2. Сравнение оценок интегральной скорости ветра различными методами: 1 - усредненные данные по линейке акустических анемометров; 2 и 3 - оценки скорости ветра по смещению максимумов взаимных корреляционных функций по временным и пространственным рядам флуктуаций интенсивности, соответственно; 4 - оценки эффективной интегральной скорости из временной статистики ЭЦТ; 5 и 6 - временной и пространственный варианты оценки скорости ветра методом когерентного анализа из наклона фазовых спектров.
В параграфе 2.2 проведено исследование возможностей восстановления профиля скорости турбулентного потока вдоль оптической трассы из пространственно-временной статистики турбулентных искажений видеоизображений лазерного пучка.
Предложен метод профилирования скорости поперечного воздушного потока по флуктуациям интенсивности просвечивающего оптического излучения. Метод основан на фильтрации изображений с использованием двумерного пространственного вейвлет-преобразования. Осуществлено тестирование метода в модельном эксперименте в закрытом помещении с искусственным турбулентным потоком. Искусственный слой движущейся поперек трассы турбулентной среды моделировался при помощи термофена. Перемещением термофена вдоль трассы реализовывались ситуации наличия турбулентных потоков на различных дальностях.
На рис.3 представлены видеокадры изображения пучка, соответствующие различным расстояниям до искусственного турбулентного воздушного потока.
Хорошо прослеживается увеличения характерных масштабов изображения по мере удаления турбулентного потока от плоскости регистрации.
Сравнение временной динамики полученных видеозаписей показывает, что при одной и той же скорости возмущающего потока, дальние от приемника турбулентные неоднородности среды создают на экране быстро перемещающиеся изображения крупного масштаба, а ближние к приемнику - более медленные с мелким масштабом. Таким образом, для локального турбулентного потока на трассе можно предположить однозначное соответствие характерного масштаба Sz видеоизображения пучка и расстояния Z до турбулентного слоя, проецирующего этот масштаб на экран. Откуда для скорости потока Vz на дальности Z можно RS записать соотношение VZ = k, где k =1- Z / L - геометрический фактор, L - длина трассы, =1/ f, f - частота кадров при регистрации изображения, RS - пространственное межкадровое смещение неоднородностей изображения с характерным масштабом Sz.
Рис. 3. Единичные кадры изображения пучка при различных расстояниях до возмущающей турбулентной струи.
Для определения этого масштаба осуществлялся анализ изображений, полученных для конкретной дальности потока, с использованием вейвлет- x - преобразования (s,) = s-1/2 F(x) dx, где s - масштаб, - сдвиг (в s - данном случае пространственные), () - вейвлет-функция. Объектом вейвлетпреобразования служили массивы, образованные значениями яркости единичных пикселей кадров изображений F(x). На рис. 4 показано двумерное вейвлет- преобразование единичного кадра изображения (в центре) на различных масштабах s.
Рис. 4. Пример двумерных вейвлет-преобразований единичного кадра изображения на различных масштабах.
Характерный масштаб изображения определялся по положению максимума (s,) вейвлет-спектра E(s) = - распределение E(s,)d, где E(s,) = плотности энергии в вейвлет-плоскости.
Зная зависимость характерного масштаба s от Z, осуществляя пространственную вейвлет-фильтрацию изображения в плоскости наблюдения на конкретном масштабе и отслеживая его перемещение, мы можем судить о скорости потока на соответствующей дальности.
Таким образом, рассмотренный метод позволяет выделять в приемной плоскости пространственные неоднородности распределения интенсивности различных масштабов, осуществлять оценку положения турбулизованных зон вдоль трассы распространения и скорости движения среды в этих зонах путем анализа временной динамики перемещений фильтрованных изображений.
По результатам параграфа 2.2 сформулировано второе защищаемое положение.
Третья глава диссертации посвящена методам измерения скорости ветра на основе статистического анализа флуктуаций лидарных сигналов, обусловленных как вариациями коэффициента аэрозольного рассеяния, так и турбулентными флуктуациями показателя преломления.
Рассмотрены особенности моностатической схемы локации.
Предложен способ оценки среднего значения и дисперсии флуктуаций компонент скорости ветра из измерений фазового спектра и спектра когерентности лидарных сигналов.
Описано применение метода вейвлет-преобразования для анализа пространственно- временной структуры поля скорости ветра в атмосфере по данным лидарного зондирования.
В параграфе 3.1 проведено теоретическое исследование случайных смещений энергетического центра тяжести изображения аэрозольного объема, подсвечиваемого зондирующим пучком, в случае бистатической схемы локации, с целью оценки совместного влияния на величину дисперсии смещений изображения аэрозольной и турбулентной компонент атмосферы - внутренней дискретной структуры объема рассеяния, его формы и размеров и структурной характеристики показателя преломления на трассе.
Относительный вклад аэрозольной и турбулентной компонент атмосферы в дисперсию дрожания изображения АРО 2 на горизонтальной приземной R трассе в зависимости от дистанции зондирования L показан на рис.5. Расчет выполнен при конкретных значениях поперечного и продольного размеров АРО: av = 0.2м и av =1м.
При всех значениях концентрации аэрозоля и структурной характеристики флуктуаций показателя преломления воздуха Cn на трассах протяженностью L >100 м вкладом аэрозольной компоненты в 2 можно пренебречь. Вкладом R аэрозольной компоненты можно пренебречь также в случае, если приемная оптическая система не разрешает отдельные частицы, или если время отклика приемника превышает время стационарности аэрозольной среды. Это позволяет разделить вклады аэрозольной и турбулентной компонент.
Рис. 5. Дисперсия дрожания изображения аэрозольного рассеивающего объема В параграфе 3.2 рассмотрено влияние эффекта корреляции турбулентных флуктуаций падающего и рассеянного излучения на дрожание АРО при моностатической локации. Проведена количественная оценка величины эффекта уменьшения дрожания изображения АРО вследствие двукратного прохождения по одним и тем же турбулентным неоднородностям в зависимости от параметров пучка и турбулентных условий распространения на трассе.
В предположении отсутствия флуктуаций потока через приемную апертуру (условие полного перехвата), для отношения дисперсий дрожания изображения АРО при моностатической и бистатической схемах локации получено выражение:
2 q RM K = =1-. (2) RB 9 L 4q + + 314 Fi Это отношение зависит от параметра, характеризующего турбулентные условия -2 распространения на трассе q = L k0, где 0 = 1.45k2Cn L - радиус ( ) () когерентности плоской волны, k = 2 - волновое число, L - длина трассы, параметра Френеля излучающей апертуры радиуса a0 - = ka0 L-1 и параметра фокусировки пучка L Fi. Результаты расчета величины K представлены на рис. 6.
Из рисунка видно, что для коллимированных пучков двукратное прохождение волн через одни и те же неоднородности среды приводит к уменьшению дисперсии случайных смещений изображения наиболее сильно в случае узкого ( ~ 1) коллимированного пучка и практически не сказывается в режиме плоской ( >>1) и сферической ( <1) волн. Для сфокусированного излучения увеличение приводит к уменьшению эффективной ширины пучка (пропорционально -1 ) и усилению эффекта компенсации дрожания до значения 0.75.
Рис. 6. Зависимость отношения K от дифракционного размера источника при различных турбулентных условиях распространения на трассе. Кривые 1 - 4 соответствуют коллимированному, 5 - 8 - сфокусированному пучкам; q: 1, 5 - 10-2; 2, 6 - 210-1;
3, 7 - 510-1; 4, 8 - По результатам параграфа 3.2 диссертации сформулировано третье защищаемое положение.
В параграфе 3.3 рассмотрено влияние величины пространственной анизотропии флуктуаций скорости ветра на взаимные характеристики сигналов аэрозольного ветрового лидара во временной и спектральной областях. Получены аналитические выражения, из которых следует, что анизотропия флуктуаций скорости ветра существенно влияет на взаимную корреляционную функцию лидарных сигналов.
Уменьшение дисперсии вертикальной компоненты скорости ветра по сравнению с горизонтальной, приводит к смещению максимума корреляции в область бльших временных задержек, вызывает уширение корреляционной функции и повышение максимального уровня корреляции по сравнению со случаем изотропных флуктуаций.
Проведен анализ влияния флуктуаций скорости ветра на взаимные характеристики флуктуаций эхо-сигналов аэрозольного лидара. Рассчитан взаимный спектр W r, = B r, e-id сигналов при произвольном ( )1 ( ) 2 - соотношении средней и флуктуационной компонент скорости ветра.
Показано, что наряду с уменьшением взаимной когерентности r, = W r, W 0,0, флуктуации скорости ветра приводят к изменению ( ) ( ) ( ) ImW r, ( ) наклона фазового спектра r, = arctg лидарных сигналов.
( ) ReW r, ( ) На рис. 7 представлены измеренные спектры когерентности и фазы лидарных сигналов в сравнении с теоретическим расчетом с учетом и без учета флуктуаций скорости ветра. Исходные значения метеопараметров, используемые в расчете, измерялись синхронно с работой лидара с помощью акустической метеостанции, расположенной вблизи рассеивающих объемов. Из рисунка видно, что теоретические кривые, рассчитанные с учетом флуктуаций скорости, лучше соответствуют экспериментальным данным как для спектра когерентности, так и для фазового спектра.
Рис. 7. Сравнение экспериментальных спектров когерентности 1 и фазовых спектров 1' с теоретическим расчетом для V0 = 2.12 м/c: с учетом флуктуаций скорости при 32 = 0.61 м2/с(кривые 2, 2') и без учета флуктуаций при 32 = 0 (кривые 3, 3').
В параграфе 3.4 получены аналитические выражения для спектра когерентности и фазового спектра лидарных сигналов в виде:
1, ; -2 + -2 2 + 2 ()( ) a r L 2 r, = exp -, r, = -, (3) ( ) ( ) 2 r 1, ;-2 2 + 2 () aL где 1,1 6; z - модифицированная гипергеометрическая функция, a, L - ( ) УхарактерныеФ частоты, обусловленные временем ветрового переноса турбулентных неоднородностей на расстояния, определяемые размерами рассеивающих объемов aV и внешним масштабом турбулентности L0.
Соотношения (3) позволяют определять значения средней скорости и дисперсии компонент по измеренным значениям спектров когерентности и фазы на фиксированной частоте и заданной геометрии зондирования. Действительно, при фиксированных параметрах , aV, L из (3) имеем систему двух уравнений относительно двух неизвестных r и :
f1 r = ( ) , f2 = ( ) из которой можно определить характерные частоты r и , связанные со значениями средней скорости и дисперсии скорости соотношениями:
r V0 =, 2 = 2V02, (4) r 1+ 6 r где r - расстояние между центрами рассеивающих объемов.
На основе проведенных расчетов предложен способ оценки среднего значения и дисперсии флуктуаций компонент скорости ветра из измерений фазового спектра и спектра когерентности лидарных сигналов, защищенный авторским свидетельством на устройство лоптический измеритель скорости ветра.
По результатам параграфа 3.4 диссертации сформулировано четвертое защищаемое положение.
В параграфе 3.5 рассмотрено применение метода вейвлет-преобразования для анализа пространственно-временной структуры поля скорости ветра в атмосфере с целью индикации организованных структур и исследования их эволюции. На основе функции локальной когерентности вейвлет-преобразований сигналов проведен анализ временных рядов скорости ветра, полученных на различных высотах в атмосфере с помощью лидарного зондирования. На примере конкретного эпизода измерений продемонстрирована возможность выделения групп ветровых данных с согласованным поведением. Показано, что при компенсации локальных сдвигов фазы одинакового масштаба функция когерентности позволяет определять 2-D области в частотно-временных координатах с высокой корреляцией данных о скорости ветра.
Сделаны выводы о возможности использования описанной процедуры не только для протяженных во времени периодических сигналов, но также и для оценки величины периода и скорости распространения отдельных ветровых возмущений. Предлагаемый подход предназначен для выявления и исследования динамики когерентных ветровых образований в атмосфере и позволяет выявлять области существования регулярных компонент с согласованным поведением, проводить оценки масштабов и их временной и частотной локализации.
В заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертационной работе.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах 1. Афанасьев А. Л., Беленький М. С., Покасов В. В. Способ измерения скорости ветра. А.С.
№1276086. 1985.
2. Афанасьев А. Л., Беленький М. С., Макаров А. А., Смолин В. В. Оптический измеритель скорости ветра. А.С. №1276087. 1985.
3. Афанасьев А. Л., Беленький М. С. Случайные смещения изображения аэрозольного рассеивающего объема при моностатической локации в турбулентной атмосфере // Оптика и спектроскопия. - 1989. - Т.66. - вып. 4. - C. 848Ц851.
4. Афанасьев А. Л., Патрушев Г. Я. Влияние флуктуаций скорости ветра на пространственно- временную структуру сигналов аэрозольного лидара // Оптика атмосферы и океана. - 1994. - Т.7. - №9. - C. 1228-1232.
5. Afanasiev A. L., Matvienko G. G., Patrushev G. Y., Rostov A. P., Grishin A. I., Vorevodin Y. M.
Correlation lidar measurements of fluctuating wind velocity. // Proc. of 17 International Laser Radar Conference. Japan. Senday. - 1994. P. 583Ц586.
6. Афанасьев А. Л., Ростов А. П. Экспериментальная проверка модели спектрального тензора поля скорости ветра // Оптика атмосферы и океана. - 1996. - Т.9. - №7. - C. 963Ц969.
7. Афанасьев А. Л., Банах В. А., Ростов А. П. Пространственно-временная статистика мелкомасштабной турбулентности приземного слоя атмосферы по результатам измерений с помощью массива ультразвуковых датчиков // Оптика атмосферы и океана. - 1999. - Т.12. - №8. - C. 701Ц707.
8. Afanasiev A. L., Banakh V. A., Rostov A. P. Estimate of wind velocity from optical measurements in atmosphere // Proc. SPIE. Atmospheric and Ocean Optics. - 2002. - V. 5027. - P. 136Ц144.
9. Afanasiev A. L., Banakh V. A., Rostov A. P. Estimation of wind speed fluctuations on basis of spectral analysis of lidar signals // Proc. SPIE. Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics. - 2004. - V. 5743. - P. 456Ц461.
10. Afanasiev A. L., Banakh V. A. Application of the wavelet-transform to the analysis of spatiotemporal wind velocity field structure // Proc. SPIE. Atmospheric and Ocean Optics.
Atmospheric Physics. - 2005. - V. 6160. - P. 431Ц437.
11. Афанасьев А. Л., Банах В. А. Применение вейвлет- преобразования для анализа пространственно- временной структуры поля скорости ветра // Оптика атмосферы и океана.
Ц 2006. - Т.19. - №7. - C. 604Ц610.
12. Афанасьев А. Л., Банах В. А., Ростов А. П. Вейвлет профилирование скорости ветра по флуктуациям интенсивности лазерного пучка, распространяющегося в атмосфере // Оптика и спектроскопия. - 2008. - Т.105. - №4. - С.698Ц705.
13. Афанасьев А. Л., Банах В. А., Ростов А. П. Локализация турбулентных потоков по флуктуациям интенсивности просвечивающего лазерного излучения // Оптика атмосферы и океана. - 2008. - Т.21. - №7. - C. 640Ц647.
14. Афанасьев А. Л., Банах В. А., Ростов А. П. Определение скорости ветра в атмосфере по турбулентным искажениям видеоизображений лазерного пучка // Оптика атмосферы и океана. - 2010. Т. - 23. - № 8. - С.723Ц729.
15. Afanasiev A. L., Petrakov A. V., Rostov A. P., Atmospheric wind speed estimation from laser beam image centroid measurements. // Proc. of 25th International Laser Radar Conference. St.Petersburg. Russia. - 2010. - V.1. - P.328Ц331.
16. Афанасьев А. Л., Банах В. А., Ростов А. П. Определение скорости ветра в атмосфере из анализа турбулентных искажений скоростных видеоизображений лазерного пучка. // "Известия высших учебных заведений. Физика". - 2010. - Т. 53. - № 9/3. - С.81Ц83.
17. Афанасьев А.Л., Банах В.А., Маракасов Д.А., Ростов А.П. Восстановление профиля поперечной компоненты скорости ветра по флуктуациям расходящегося лазерного пучка // "Известия высших учебных заведений. Физика". - 2010. - Т. 53. - № 9/3. - С.101Ц103.