Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
ентные МРЛС, использующие рассеяние на гидрометеорах, предоставляют возможность определять свойства наблюдаемых метеообразований по энергетическим параметрам принимаемого сигнала, доплеровские (когерентные) станции этого типа позволяют дополнительно измерять динамические характеристики перемещения и эволюции метеообразований по спектру радиосигнала [10,12]. Информативными являются методы поляризационного распознавания классов метеообъектов, реализуемые как в когерентных, так и в некогерентных станциях.
В последнее время интенсивно развиваются доплеровские МРЛС вертикального зондирования, основанные на явлении рассеяния радиоволн турбулентными неоднородностями показателя преломления воздуха [8,10]. Эти станции, получившие название радиолокационных ветровых профилеров (РВП) [10], позволяют определять высотные профили скорости и направления ветра в диапазоне высот от 500 м до 15-20 км непосредственно над местом расположения РЛС. РВП представляют собой высокопотенциальные когерентно-импульсные РЛС дециметрового или метрового диапазонов. Высотное разрешение измерений составляет 150-500 м, время получения одного профиля от нескольких минут до одного часа [12].
Работа лазерных метеорологических локаторов - лидаров основана на рассеянии световых волн частицами атмосферного аэрозоля, а также молекулами кислорода, азота, натрия и др. [14,15]. Лидары способны оценивать скорости движения рассеивателей как в верхних слоях атмосферы (для этого используется ультрафиолетовый диапазон излучения), так и в нижних слоях (при использовании видимого и инфракрасного диапазонов). Скорость ветра определяется по доплеровскому сдвигу частоты рассеянного сигнала, либо путем оценивания скорости перемещения в пространстве рассеивающих структурных неоднородностей с использованием корреляционного анализа интенсивностей принимаемых сигналов.
Пространственное разрешение лидарных систем лучше, чем у РВП. Но выполнение лидарных измерений возможно только в темное время суток, а точность получаемых результатов существенно зависит от степени замутненности атмосферы.
Радиолокационные и лазерные средства позволяют получать ценную метеоинформацию с достаточно больших территорий и высот. Однако приземный и пограничный слои атмосферы, а также прилегающие к ним области высот, играющие чрезвычайно важную роль в жизнеобеспечении всего живого на Земле и формировании протекающих метеопроцессов, не могут быть детально исследованы существующими радиолокационными и лидарными станциями [2].
Большие возможности для исследования нижних слоев атмосферы предоставляют методы дистанционного зондирования с использованием звуковых волн - акустический и радиоакустический методы. Звуковые волны гораздо интенсивнее взаимодействуют с атмосферой, чем электромагнитные волны радио и оптического диапазонов, что, с одной стороны, расширяет их возможности по оцениванию метеопараметров, с другой стороны, снижает проникающую способность, а, следовательно, дальность зондирования. В соответствии с этим диапазон дальности акустических и радиоакустических локаторов ограничен, как правило, высотами порядка нескольких километров, а наиболее подходящим объектом для их использования является атмосферный пограничный слой (АПС) [2,4].
В методе радиоакустического зондирования (РАЗ) атмосферы определение метеопараметров осуществляется по характеристикам радиосигнала, отраженного от распространяющегося в атмосфере звука.
Дистанционное зондирование атмосферы акустическими волнами основано на рассеянии звуковых волн мелкомасштабными неоднородностями показателя преломления, обусловленными турбулентными флуктуациями температуры, скорости ветра и влажности.
За всю сорокалетнюю историю метода РАЗ отношение к нему исследователей и потенциальных потребителей информации неоднократно менялось от восторженно-оптимистического до крайне пессимистического и наоборот. Вначале это было связано с тем, что метод сразу был предложен как практический для определения метеопараметров до высот в несколько десятков километров. Однако многочисленные аспекты распространения звука в реальной атмосфере и механизма взаимодействия радиоволн со звуком не были к тому времени в достаточной степени изучены.
1.2 Параметры некоторых аналогичных систем
Первые попытки по созданию реальных систем РАЗ были предприняты в США в 1961 году При испытании установки радиоакустического зондирования не удалось получить отраженный радиосигнал с высот более 30 метров и теоретические и практические работы в данном направлении были прекращены.
Установка(EMAC)работала на звуковой частоте 22кГц, а ее диапазон высот при этом был ограничен 30 метрами. Неудачи в этой первой попытке обуславливались, в первую очередь, опрометчивым выбором звуковой частоты, при которой, для того, чтобы скомпенсировать поглощение, осуществили наращивание акустической мощности источника звука, что привело к образованию ударных звуковых волн, быстро рассеивающих свою энергию в атмосфере. Положительными особенностями этой установки можно считать ее малые геометрические размеры, которые позволяют говорить о ней как о мобильной, допускающей размещение на различных подвижных объектах. Применение низких звуковых частот для радиоакустической системы зондирования атмосферы (РСЗА) в других попытках позволило получить дальность зондирования до 1,5км, но разрешающая способность при этом по дальности была очен