WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

«МАЛОГАБАРИТНАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ РЛС, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ВЕТРОВОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ...»

На правах рукописи

УДК № 551.501.8

Кононов Михаил Александрович

МАЛОГАБАРИТНАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ РЛС, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ

ВЕТРОВОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ

Специальность 05.12.14 – Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени



кандидата технических наук

Москва – 2010 год

Работа выполнена на кафедре физики ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (МГУПИ).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Стерлядкин В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Троицкий В.И.

кандидат физико-математических наук, Коломиец С.Ф.

Ведущая организация: Нижегородский радиофизический институт (НИРФИ)

Защита состоится « 17 » июня 2010г. в 1600 на заседании диссертационного совета Д 223.011.02 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА) по адресу: ГСП-3, 125993, г.

Москва, А-493, Кронштадский бульвар д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в НТБ Московского государственного технического университета гражданской авиации (МГТУ ГА).

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан « 12 » мая 2010года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, / Колядов Д.В.

I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оперативная регистрация ветра в атмосфере является важной задачей метеорологии. Данные о высотном профиле ветра, интенсивности турбулентности, а также регистрация опасных метеоусловий жизненно необходимы для авиации, метеопрогнозов, при предупреждении опасных явлений, например, ураганов, торнадо, штормов и т.д.

Традиционно для измерения ветра в атмосфере используют: контактные приборы – анемометры, устанавливаемые на специальные метеорологические вышки или высотные строения; средства радиозондирования; профайлеры – радиолокаторы метрового и других диапазонов длин волн; оптические локаторы – лидары; акустические локаторы – содары и радиоакустические системы.

Каждое из указанных средств имеет свои ограничения. Так, например, применение анемометров серьезно ограничивается при обледенении, сильных ветрах или при штиле, а зона измерений анемометров ограничивается высотой вышки, на которой они установлены. Измерение параметров ветра с применением радиозондов требует немалых подготовительных работ, а полный цикл одного измерения протекает в течение несколько часов. При этом в сложных погодных условиях при сильном ветре проблемой является сам процесс выпуска шара в полет. Применение акустических средств ветрового зондирования атмосферы обычно ограничено высотами до 700…900м и затруднено в осадках и при высоком уровне естественных шумов. В условиях тумана и в осадках невозможно применение оптических средств ветрового зондирования. Существующие ветровые радиолокаторы – профайлеры, работающие в дециметровом и метровом диапазоне длин волн, практически не имеют ограничений по погодным условиям, однако они обладают большими размерами, а нижняя граница измерений начинается от 500…900м, что является существенным недостатком в их применении. Для измерения ветра применяются также радиолокаторы с излучением дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн, которые обладают меньшими размерами, чем профайлеры, но и у них размер антенн составляет несколько метров. По этой причине их трудно отнести к малогабаритным системам.

Таким образом, существующие методы и средства ветрового зондирования либо не являются малогабаритными, либо не позволяют проводить оперативные измерения ветра в широком диапазоне метеоусловий. Следовательно, задача разработки и создания оперативных малогабаритных средств ветрового зондирования атмосферы, работающих в широком диапазоне метеоусловий, является АКТУАЛЬНОЙ.

Цель настоящей работы состоит в проведение комплекса теоретических и экспериментальных работ, направленных на создание малогабаритного радиолокационного измерительного комплекса, обеспечивающего дистанционное оперативное измерение ветра в пограничном слое атмосферы в широком диапазоне метеоусловий.





Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере, существующих на настоящий момент. На основании анализа выделить наиболее перспективное направление, развитие которого позволило бы достигнуть выполнения требования применения измерительной системы в практически любых погодных условиях.

2. На основе анализа различных метеоситуаций и рассеивающих свойств метеообъектов сформировать требования, которые предъявляются к параметрам измерительной ветровой системы. В частности, для дистанционных измерительных средств такими параметрами являются рабочая длина волны, энергетический потенциал, требования к антенной системе и другие. Обосновать методику оценки степени всепогодности метеорологической РЛС.

3. Разработать и обосновать методику проведения измерений, алгоритмы сбора, обработки и анализа полученных данных. Особое внимание следовало уделить методике измерения при условии слабых отраженных сигналов, например, в условиях “ясного неба”.

4. Провести экспериментальную проверку предложенных решений, как в лабораторных, так и в натурных условиях.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались:

классические радиофизические методы определения радиолокационной отражаемости различных метеорологических образований (аэрозолей, кристаллов, капель, флуктуаций показателя преломления); методы спектрального анализа; методы математического моделирования; методы математической статистики и теории случайных процессов, а также разработанные в МГУПИ методы доплеровской томографии.

Научная новизна работы.

В процессе проведения исследований получены новые научные результаты как теоретического, так и практического характера:

1. Обоснован энергетический потенциал 8мм РЛС, обеспечивающий измерение ветра в пограничном слое атмосферы в различных метеорологических ситуациях. Разработана методика оценки степени всепогодности ветровых измерений для метеорологических РЛС.

2. Разработаны методика измерений и новый алгоритм математического обеспечения, предназначенный для обработки слабых отраженных сигналов в условиях неустойчивого режима регистрации. Методика и алгоритм включают операции сбора радиолокационных сигналов, первичной обработки данных и процедур извлечения метеорологической информации. Методика и алгоритм получили подтверждение, как при компьютерном имитационном моделировании, так и в натурных измерениях.

3. Создано и отработано в натурных условиях специализированное математическое обеспечение, реализующее разработанный алгоритм.

Практическая значимость работы заключается:

1. В создании алгоритма радиолокационного восстановления ветра в режиме слабых метеорологических сигналов, который может быть применен для импульсных и непрерывных РЛС различных типов. В методике оценки степени всепогодности ветровых измерений для метеорологических РЛС.

2. В создании рабочего макета 8-ми миллиметровой малогабаритной станции ветрового зондирования атмосферы, обеспечивающей высокую оперативность и возможность работы в круглосуточном и автоматическом режиме. Данный макет РЛС является базовым для серийного производства.

Реализация результатов работы. Результаты расчета и обоснования энергетического потенциала и облика 8-ми миллиметровой импульсной РЛС использовались 3-м ЦНИИ МО, г. Москва и ЦКБА, г. Тула при создании макета 8-ми миллиметровой малогабаритной станции ветрового зондирования атмосферы в рамках выполнения НИР “Механизм-РВО” и ОКР “Механизм-М”. Разработанная методика измерений ветра, а также алгоритмы обработки радиолокационных сигналов нашли применение при выполнении ОКР “Механизм” в ЦКБА, г. Тула; 3-м ЦНИИ МО, г. Москва и ФГУП “Радиозавод”, г. Москва.

Результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:

1. Конференция ERAD (Delft, Nederland, 2002)

2. XXI, XXIII Всероссийских симпозиумах “Радиолокационное исследование природных сред” (г. Санкт-Петербург, 2003, 2007);

3. XV-XVIII Международных научно-технических семинарах “Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации” (г. Алушта, Украина, 2006-2009);

4. Научной конференции Московского Государственного Университета Приборостроения и Информатики (г. Москва, 2008);

5. XI Международная научно-практическая конференция “Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики” (г. Сочи, 2008)

6. IV Всероссийская научная школа и конференция “Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред” (г. Муром, 2009) Результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах МГУПИ на кафедрах “Физика”, “Точные приборы и измерительные системы”, “Информационные оптико-электронные системы”.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в шестнадцати статьях, трех тезисах докладов на научных конференциях и семинарах, изложены в трех научно-технических отчетах по научно-исследовательским и опытноконструкторским работам [1-10].

На защиту выносятся:

1. Теоретически обоснованные требования к энергетическому потенциалу метеорологической РЛС, которые обеспечивают регистрацию ветра в нижнем слое атмосферы (до 1000м) в 96% метеоситуаций.

2. Методика проведения измерений ветра, включая измерения в условиях слабых радиолокационных сигналов.

3. Алгоритм, отражающий операции регистрации радиолокационных сигналов, первичной обработки, квадратурной обработки, отбраковки ошибок, получения профиля ветра, в том числе и в условиях слабых сигналов.

II. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 83 наименований. Работа изложена на 178 страницах, включает 6 таблиц и 64 иллюстрации.

Содержание работы. Во введении отражена актуальность работы. Осуществляется постановка задач и приводится характеристика работы.

В первой главе представлен обзор методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере. Анализ отражает достоинства и недостатки, присущие различным методам и группам измерителей ветра. В классификации выделены две группы – контактные и бесконтактные методы и средства измерения ветра. Первая группа представлена зондовыми средствами и анемометрами с различными принципами действия. Вторая группа отражает применение волн различной природы для измерения параметров ветра. Выделяются акустические, оптические, радиоакустические, акустооптические и радиолокационные методы и средства измерения параметров ветра. На основе анализа достоинств и недостатков всего многообразия средств измерения ветра как наиболее перспективные отмечены радиолокационные средства. Обосновано решение об использовании радиолокационного метода измерений, а в основу создаваемого измерительного комплекса заложен импульсно-когерентный радиолокатор (ИКР).

Во вводной части второй главы настоящей работы проводится классификация метеообразований, которые формируют радиоэхо. Отмечено, что при наличии осадков отражателями являются капли или снежинки, в облаках и туманах рассеяние происходит на неоднородностях концентрации или на наиболее крупных фракциях частиц аэрозоля. В условиях ясного неба радиолокационное отражение происходит от флуктуаций плотности показателя преломления воздуха.

В разделе 2.1 отмечено, что большинство метеообразований представляют собой объемную множественную цель, которую удобно характеризовать не эквивалентным поперечником рассеяния (ЭПР), а величиной – удельной радиолокационной отражаемостью – суммарной ЭПР рассеивателей, располагающихся в единице объема. В данном разделе рассмотрены радиолокационные отражающие свойства метеообъекта, который в метеорологии принято называть “ясным небом”.

Для описания флуктуаций показателя преломления воздуха использована теория В.И. Татарского. В этой теории неоднородности показателя преломления связаны с турбулентным перемешиванием различных слоев воздуха. Для описания интенсивности турбулентности вводится параметр Cn2 [м–2/3].

В случае однородной изотропной турбулентности связь между удельной радиолокационной отражаемостью и Cn2 описывается соотношением:

–  –  –

(1) где – длина волны, на которой ведется зондирование, Cn2 – параметр, характеризующий интенсивность турбулентности.

Из данного выражения следует, что зависимость 1() незначительно растет с уменьшением длины волны. В разделе также приводятся экспериментальные данные по величинам Cn2, полученные на различных высотах в различные времена года и суток. Для слабой турбулентности значения Cn2 имеют значения от 10–17[м–2/3], а интенсивная турбулентность характеризуется значениями Cn2 до 10–12[м–2/3]. Соответствующие значения удельной радиолокационной отражаемости меняются от 210–17 до 210–12 [м–1].

В разделе 2.2 приводятся значения удельной радиолокационной отражаемости осадков, облаков и аэрозолей. В большинстве случаев размеры частиц в таких метеообъектах много меньше длины волны, поэтому рассеяние носит дипольный характер и описывается механизмом Рэлея (рэлеевское рассеяние). В этом случае ЭПР отдельной частицы ~D6/4, где D – характерный размер отражателя (диаметр капли). Отмечено, что в предположении однократного рассеяния удельная величина радиолокационной отражаемости складывается некогерентно и может быть представлена как сумма отражаемостей всех рассеивателей в единице объема. По этой причине удельная радиолокационная отражаемость осадков и аэрозолей быстро растет с уменьшением длины волны, как 4. Отсюда следует, что для регистрации облаков и осадков привлекательным является использование коротковолнового диапазона длин волн (мм и см).

Проведенный анализ показывает, что облака всех типов в см и мм диапазонах длин волн дают сигналы, превышающие уровни отражений от турбулентности, поскольку для аэрозолей резко возрастает с уменьшением. В данном разделе делается вывод о целесообразности использования максимально коротких длин волн, в частности был выбран миллиметровый диапазон длин волн.

Вопросы “прозрачности” атмосферы рассматриваются в разделе 2.3. Приводятся графики поглощения стандартной атмосферы для различных длин волн, из которых следует вывод о привлекательности использования 8мм диапазона длин волн. Дополнительным аргументом является уровень технологического освоения данного диапазона, а также возможность создания малогабаритных антенн, обладающих узкой диаграммой направленности с малым уровнем “боковых лепестков”, что особо важно при регистрации слабых отраженных сигналов.

Расчет метеорологического потенциала радиолокатора, обеспечивающего надежное измерение ветра в нижнем 1000м слое атмосферы, проведен в разделе

2.4. В разделе приводится основное уравнение метеорологической радиолокации.

Проводится оценка мощности минимально обнаружимого сигнала Pmin с учетом шумовой температуры системы Ts, ширины полосы анализа f и некогерентного накопления спектров, приведенного ко времени измерения 1 секунда. Учет всех факторов, влияющих на мощность шумов, позволил оценить уровень минимально обнаружимого сигнала величиной Pmin=41020Вт.

В предположении, что рассеиватели полностью заполняют зондируемый объем, пренебрегая ослаблением по трассе, при удельной отражаемости min= =610–17[м–1] и дальности L=1000м для регистрации отраженного сигнала на уровне Pmin необходимо обеспечить метеорологический потенциал П=0.67103[Втм3].

На основе уравнения радиометеорологии были оценены параметры радиолокатора, обеспечивающие требуемый потенциал: средняя излучаемая мощность Pt около 25Вт, длительность импульса имп=0.5мкс, пространственная протяженность импульса h=75м, площадь антенны РЛС должна составлять 6.5м2, что соответствует диаметру антенны 2.9м. Реальные размеры антенны при проектировании малогабаритной РЛС ограничены диаметром 1м. Следовательно, потенциал, реализуемый РЛС, будет почти в 10 раз меньше, чем необходимо для регистрации сигнала в любых погодных условиях. Реализуемый потенциал соответствует регистрации удельной радиолокационной отражаемости на уровне =61016[м–1], что для случая турбулентности соответствует Cn2=31016[м–2/3].

На рисунке 1 представлены данные о среднемесячных отражающих свойствах безоблачной атмосферы на разных высотах, полученные в течение многолетних измерений [Sekelsky S.M.,... RCS-IOR millimeter-wave radar calibration and data intercomparison. Proc. of 5ARM science team meeting, San Diego, California, 1995].

–  –  –

Из рисунка 1 видно, что уровень обнаружения, соответствующий значению Cn2=31016[м–2/3], не обеспечивает получение сигнала в зимние месяцы, т.е. для проектируемой РЛС получаем “слепой” период с ноября по февраль. Однако даже в этот период не все так плохо, так как далеко не все дни являются полностью безоблачными, а любая облачность будет регистрироваться нашим радиолокатором.

Регистрация ветра контактным анемометром в нижнем 5 метровом слое атмосферы и в слое облачности позволяет с хорошей точностью восстановить весь профиль параметров ветра на основе статистических априорных данных. Это замечание тем более справедливо, поскольку относится к метеоситуациям со слабой турбулентностью и слабым ветром (самая стабильная ситуация). Следовательно, только зимние дни с безоблачной атмосферой и слабым ветром будут понастоящему являться “слепыми” для проектируемого ИКР. По данным ТСХА (Тимирязевская сельскохозяйственная академия) для Москвы и центральной европейской части России на указанный “слепой” период приходится 14 ясных дней, т.е. 4 % всей длительности года. Остальной же период (96%) можно считать пригодным для эксплуатации системы за счет присутствия облаков, осадков и аэрозольных образований в нижней приземной атмосфере. Т.е. система измерения ветра на базе РЛС, обладающей указанными в настоящей работе параметрами, должна обеспечивать регистрацию сигналов в 96% метеоситуаций в году.

В последнем разделе главы предложена функциональная схема ИКР. Для реализации потенциала и высотного разрешения 30м требуется зондирование атимп=0.5мкс мосферы импульсами длительностью с частотой повторения fповт=25кГц. В работе предлагается квадратурная схема регистрации знака скорости, которая частично реализуется аппаратно, а частично программно при обработке сигналов.

В конце главы на основе анализа физических принципов формирования радиолокационного сигнала, отраженного от различных метеообразований, обоснованы основные параметры метеорологической РЛС ветрового зондирования, обеспечивающей надежное измерение ветра до высот 1000м в широком диапазоне метеоусловий (96% всех случаев):

- длина волны зондирующего излучения =8мм;

- метеорологический потенциал радиолокатора П=0.67103[Втм3];

- диаметр антенны – 1м;

- длительность импульса имп=0.5мкс; частота повторения импульсов fповт=25кГц;

- средняя излучаемая мощность Pt=25Вт; диаметр антенны D=1м;

- квадратурная система определения знака скорости движения рассеивателей;

- уровень “боковых лепестков” –30дБ на излучение и –60дБ на излучение/прием;

- частота дискретизации АЦП 2.5МГц на каждый канал;

Загрузка...

- динамический диапазон АЦП 70дБ.

Третья глава настоящей диссертации отражает методику измерений ветра, алгоритмы обработки полученных данных и процедуру восстановления высотного профиля ветра. Во вводной части третьей главы рассмотрен принцип измерения ветра с применением импульсно-когерентного радиолокатора (ИКР). Отмечено, что отражатели, увлекаемые ветром, формируют радиоэхо, которое принимается той же антенной с некоторой задержкой зад относительно момента излучения импульса. Измерение и оцифровка таких сигналов по мере распространения импульса, накопление серии импульсов в течение нескольких секунд позволяет получить матрицу данных, содержащую всю информацию о профиле ветра вдоль луча. Для каждой дальности по первым моментам доплеровских спектров можно определить профиль проекций скорости рассеивателей на направление зондирования. Совместная обработка данных, полученных с нескольких направлений зондирования, позволяет восстановить высотные профили скорости ветра V(H) и направления ветра (H) с высоким пространственным разрешением.

В разделе 3.1 подробно обсуждены различные модели формирования радиоэхо. Предполагается, что радиоэхо формируется от большого числа рассеивателей, которые расположены в пространстве случайным образом. С другой стороны рассеивателей не слишком много, так что при формировании сигнала достаточно рассматривать однократное рассеивание на частицах.

Метод “круговых диаграмм” и моделирование прямой задачи описаны в разделе 3.2. Метод опирается на методику VAD (velocity azimuth display), предложенную Атласом Д., в которой проводится непрерывное круговое азимутальное сканирование пространства. Основой предложенной методики является проведение азимутального “разреза” пространства, при фиксированном угле места и переменном азимуте зондирования, который изменяется по кругу с некоторым шагом.

Предполагается, что поле ветра можно считать слоисто-однородным и стационарным в течение всего времени измерений. При усреднении поля ветра на площади в несколько км2 средний масштаб вертикальных движений составляет не более несколько см/сек. Однако орография земной поверхности влияет на поле ветра в приземном слое и вызывает нарушение его слоистости. Поэтому при измерении ветра необходимо проводить осреднение данных не только во времени, но и в пространстве. Такую возможность предлагает метод “круговых диаграмм”.

При рассмотрении метода “круговых диаграмм” использовалось соотношение, связывающее проекции скорости движения рассеивателей на направление зондирования с вектором ветра, а также со скоростью гравитационного падения рассеивателей и направлением луча:

V(Vв, в,,,Vг, V)=Vвcos(в)cos+Vгsin+V, (2)

где Vв – модуль скорость ветра; в – направление ветра; H – высота зондирования; – азимут зондирования; – местный угол зондирования; Vг – модуль скорости гравитационного падения рассеивателей; V – слагаемое, учитывающее пульсации ветра, турбулентность и т.д.

На основе выражения (2) проводилось моделирование прямой задачи – получение круговых диаграмм при различных параметрах ветра, скорости гравитационного падения и турбулентности.

В разделе 3.3 предложена и обоснована методика проведения измерений ветра по 12 направлениям с шагом по азимуту =30°. Ограничения по количеству направлений зондирования, с одной стороны, обусловлены ограниченным временем полного цикла измерения, а, с другой стороны, требованием к надежности и точности регистрации ветра. Местный угол зондирования выбирается из следующих факторов. С уменьшением уменьшается вклад вертикальных движений, что повышает точность измерения скорости ветра. С другой стороны, при этом снижается высота зондирования. Оценки показали, что оптимальным диапазоном углов является =25°…30°.

В разделе 3.4 диссертации рассмотрен алгоритм регистрации данных, процедура записи и обработки радиолокационных данных. Отмечено, что быстродействующий АЦП должен регистрировать “мгновенную” фазу сигнала для 50-ти различных дальностей, отстоящих друг от друга на расстоянии R=c/(2fАЦП). При частоте АЦП fАЦП=1.25МГц R составляет 120м дальности или, при =30°, H=60м по высоте. Полная дальность зондирования составляет 6000м, а частота повторения импульсов fповт=25кГц.

Регистрация последовательности импульсов на каждой дальности позволяет сформировать доплеровский сигнал в виде двумерной матрицы (высотавремя).

Описаны процедуры получения спектров с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), методика цифрового поворота фазы одного из каналов на /2, процедуры сглаживания, накопления и нормировки сигналов по мощности и спектральная нормировка по шумам. На рисунке 2 представлены результаты обработки спектров для одного из каналов.

–  –  –

в) Рисунок 2 –Результаты спектральной обработки данных натурных измерений

а) исходный спектр; б) сглаженный и усредненный спектр; в) результат нормировки по шумам Из рисунка 2в видно, что спектральная нормировка по шумам позволяет регистрировать доплеровскую частоту как глобальный экстремум спектра мощности.

Степень превышения максимума над шумами учитывается в виде коэффициента достоверности результата измерения. В результате обработки всех данных матрицы получается высотный профиль проекции скоростей V(Hi), где =1…12, i=1…50, для каждого из 12 направлений зондирования.

На следующем этапе для каждой i-ой высоты (i=1…50) формируется невязка:

<

–  –  –

(3) =1 где N – число направлений зондирования (при полном обороте N=12); Vв, в – искомые параметры ветра, соответствующие минимуму невязки;, V – азимут зондирования и соответствующая проекция скорости ветра; Dv – показатель достоверности измерения на данном направлении зондирования; Vг – скорость гравитационного падения, определяемая на основе анализа спектров, полученных при зондировании в противоположные направлениях.

Минимизация невязки по параметрам Vв и в методом “градиентного спуска” позволяет получить значения модуля скорости ветра Vв и его азимут в для каждой высоты Hi. Так восстанавливается высотный профиль ветра в виде функций Vв(H) и в(H).

В разделе 3.5 проводилось математическое моделирование устойчивости решения обратной задачи минимизации невязки в различных условиях: при ограниченном количестве направлений зондирования, при различных уровнях ошибки измерений, обусловленных турбулентностью и другими факторами. Моделирование показало устойчивость решений даже для невязки, сформированной из трех направлений зондирования, и турбулентности на уровне V=2м/с. При этом среднеквадратическое отклонение восстановленных параметров ветра от модельных составило: по скорости V=0.4м/с, а по азимуту =6°.

В разделе 3.6 проведена оценка погрешностей радиолокационных измерений параметров ветра методом “круговых диаграмм”. Учтены нестабильность параметров аппаратуры, поля отражателей и самого поля ветра, турбулентность, погрешности позиционирования радиолокатора, ошибки оцифровки данных и их обработки. С учетом всех факторов получено, что погрешность измерения высоты составляет величину порядка H=23м, погрешность измерения модуля скорости ветра V=1.8м/с, погрешность измерения азимутального направления ветра не хуже =17.2°. Показано, что проведенные оценки погрешностей являются оценками сверху, которые обеспечиваются при получении достоверных измерений всего по двум направлением зондирования. В случае обеспечения шести достоверных измерений из двенадцати, оценки погрешностей снижаются до величин: H=9.5м, V=0.74м/с и =7.0°. При полном наборе из двенадцати достоверных измерений погрешности снижаются до величин: H=6.7м, V=0.5м/с и =4.9°.

В конце главы 3 кратко изложены основные результаты и выводы по методике измерений, алгоритму обработки данных и погрешностям измерений.

В четвертой главе настоящей работы отражены результаты лабораторной апробации разработанных методик и алгоритмов. В период 2001-2002гг. на базе ЦАО (г. Долгопрудный) был проведен анализ возможностей серийно выпускаемого импульсного когерентного радиолокатора 1РЛ133 и проведена его модернизация с целью использования для регулярных ветровых измерений. Техническая модернизация отражена в разделе 4.1. Модернизация включала создание и калибровку измерительного канала дальности. Дополнительно был создан интерфейс сопряжения радиолокатора с ПЭВМ, в который вошли фильтры, АЦП и программное обеспечение. Проведенная модернизация позволила использовать макет ветровой РЛС для экспериментальных измерений поля ветра в осадках любого рода и различной интенсивности.

В разделе 4.2 описана последовательность настройки оборудования и рассмотрены все этапы отработки методики измерения и алгоритмов обработки и восстановления высотного профиля. Алгоритмы реализованы в специальном программном обеспечении, рабочие экраны которого описаны в разделе 4.3 данной главы. Интерфейсы программного обеспечения макета отражены на рисунках 3 и

4. Программное обеспечение позволяло в реальном времени записывать в оперативную память доплеровские данные и данные о дальности, а экранный интерфейс (см. рисунок 3) контролировал форму сигнала и текущий спектр на выбранной дальности. Кроме того, программа позволяла обрабатывать накопленные файлы данных в любой последовательности после завершения измерений. Окончательный вид данных представлен на рисунке 4 в виде высотных профилей модуля скорости ветра V(H) и направления ветра (H). Дополнительно для визуального контроля на выбранной высоте прописывался азимутальный разрез и восстановленный вектор скорости. Особенности алгоритмов таковы, что их легко использовать в системах, работающих на любой другой длине волны. Таким образом, в главе 4 отражены результаты проверки принципов доплеровских измерений скорости ветра, методик измерений и алгоритмов на базе специального макета, созданном на базе ИКР 1РЛ133. На созданном макете в течение двух лет были отработаны как методика проведения измерений методом “круговых диаграмм”, так и основные приемы, и алгоритм обработки измерительных данных, описанные в главе 3.

Рисунок 3 – Интерфейс настроек и подключения файлов данных

Данный этап работы обеспечил получение неоценимого опыта ветровых измерений с помощью импульсных РЛС. Позволил отработать методику, которая использовалась нами при проектировании и создании высокопотенциальной ветровой РЛС, предназначенной для работы в широком диапазоне метеоусловий.

Рисунок 4 – Интерфейс результатов измерений

Пятая глава настоящей диссертации отражает результаты натурных испытаний макета 8мм импульсно-когерентного радиолокатора, созданного в рамках НИОКР “Механизм” совместно с ЦКБА (г. Тула). При реализации данного макета были максимально учтены требования к аппаратной и программной частям измерительного комплекса, отраженные в главах 2 и 3, соответственно. Натурные сравнительные испытания проводились на полигоне ФГУП “Метеоприбор” в г.

Обнинск. При этом проводилось сравнение результатов радиолокационных измерений с данными анемометров, расположенных на разных ярусах высотной вышки. В рамках данного эксперимента была поставлена задача – осуществить испытания созданного макета 8мм ветровой ИКС и определить погрешность радиолокационного измерения ветра при различных условиях. Сравнения проводились для разных ярусов метеовышки в диапазоне высот до 300м (определяется высотой вышки). При проведении данного эксперимента в натурных условиях были проверены как методика измерений, так и математическое обеспечение, описанные в главе 3 настоящей диссертации. На рисунке 5 представлены результаты сравнения измеренных значений скорости и направления ветра, полученные с помощью вышки и ИКС в течение 8 сентября 2004г на отдельно взятых высотах (позициях анемометров на метеовышке).

Рисунок 5 – Результаты сравнительных испытаний макета ИКР и 300м метеовышки в г. Обнинск в 2004г.

Сравнение результатов (см. рисунок 5) показало, что среднеквадратическое отклонение результатов определения модуля скорости разными средствами составило 0.973м/с, а направления ветра, соответственно, 2°. Полученные различия находятся в пределах погрешности сравниваемых методов, что подтверждает надежность и точность измерения ветра в атмосфере радиолокационными средствами.

По результатам всех натурных экспериментов были сделаны выводы, главным из которых является то, что доказана возможность создания малогабаритной высокопотенциальной системы измерения ветра в нижнем слое атмосферы. Экспериментально подтверждены как правильность выбора длины волны радиолокатора, так и расчеты его энергетического потенциала, подтверждены методика измерений и обработки измерительной информации.

III. В заключении диссертации приводятся основные результаты работы и выводы

1) В результате анализа существующих методов и средств измерения параметров ветра в атмосфере в качестве основы малогабаритного измерителя ветра был обоснован выбор импульсно-когерентной РЛС миллиметрового диапазона длин волн.

2) На основе анализа различных метеоситуаций и рассевающих свойств метеообъектов обоснована длина волны РЛС, энергетический потенциал метеолокатора, требования к антенной системе и другие требования к облику импульсной РЛС, обеспечивающей измерение ветра в пограничном слое атмосферы практически в любых погодных условиях (более 90% возможных метеоситуаций).

3) Разработана и обоснована методика проведения измерений ветра с помощью импульсных РЛС, в том числе в условиях слабых сигналов и неустойчивой регистрации отраженных сигналов. Разработан новый алгоритм математического обеспечения РЛС всепогодного ветрового зондирования атмосферы, отработанный как в режиме компьютерного моделирования, так и в натурных условиях, создано математическое обеспечение, реализующее разработанный алгоритм.

4) Создан макет 18мм импульсно-когерентного радиолокатора, на котором были экспериментально отработаны как методика проведения измерений методом “круговых диаграмм”, так и основные приемы, и алгоритмы обработки принятых сигналов. Опыт двухлетней эксплуатации макета в натурных условиях лег в основу предложений МГУПИ при разработке технического задания и создания макета всепогодной малогабаритной доплеровской 8мм РЛС.

5) На макете 8мм РЛС, созданном в ЦКБА, г. Тула, проведены совместные натурные измерения и получены экспериментальные данные, которые подтвердили возможность проведения ветровых измерений в широком диапазоне метеоусловий. Экспериментально подтверждена эффективность разработанных методик измерений и обработки измерительной информации.

6) Показано, что повышение потенциала станции, например, за счет увеличение размеров антенны до 3м, а также уменьшение мертвой зоны, позволят повысить информационные возможности комплекса и довести обеспеченность измерений до 98% метеослучаев.

Таким образом, достигается цель данной диссертационной работы – обоснование и создание малогабаритной системы ветрового зондирования атмосферы работающей в широком диапазоне метеоусловий.

IV. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) Кононов М.А. Алгоритм и методика измерения ветра в пограничном слое атмосферы импульсно-когерентной РЛС. / Научный вестник МГТУ ГА №117 / серия “Радиофизика и радиотехника”. – М.: МГТУ ГА. 2007г.

2) Кононов М.А., Стерлядкин В.В. Расчет потенциала и оценка возможностей ветровой метеорологической РЛС мм диапазона длин волн. / Научный вестник МГТУ ГА №158 / серия “Радиофизика и радиотехника”. – М.: МГТУ ГА. 2010г.

3) Кононов М.А., Петухов Д.Б., Стерлядкин В.В. Выделение тонкой структуры отраженного радиолокационного сигнала, пригодного распознавания движущихся объектов. / Научный вестник МГТУ ГА №158 / серия “Радиофизика и радиотехника”. – М.: МГТУ ГА. 2010г.

4) Kononov M.A., Sterlyadkin V.V., Lobanov D.V. Testing of the Doppler tomography methods by radar sounding of wind fields. / ERAD 2002, Delft, Nederland, 2002г.

5) Кононов М.А., Лобанов Д.В., Стерлядкин В.В., Чистовский К.Г. Моделирование метода доплеровской томографии на основе данных импульснокогерентной РЛС. / Труды XX и XXI Всероссийских симпозиумов “Радиолокационное исследование природных сред”, выпуск 3. – СПб.: ВКА им. Можайского, 2003г.

6) Кононов М.А., Прудывус А.В., Стерлядкин В.В. О возможности создания малогабаритного всепогодного измерителя ветра. / Труды XXV Всероссийского симпозиума “Радиолокационное исследование природных сред”. – СПб.: 2007г.

7) Кононов М.А., Стерлядкин В.В. Разработка алгоритма работы и математического обеспечения малогабаритной ветровой РЛС. / Труды XXV Всероссийского симпозиума “Радиолокационное исследование природных сред”. – СПб.:

2007г.

8) Кононов М.А., Стерлядкин В.В. Оценка эффективности расчетного метеорологического потенциала ветровой доплеровской РЛС / Труды IV Всероссийская научная школа и конференция “Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред”, электронный сборник (на CD-ROM). – Муром: МИ ВлГУ, 2009г.

9) Евлашкин Р.А., Кононов М.А., Стерлядкин В.В., Чистовский К.Г., Цопов А.А.

Разработка математического обеспечения для РЛС ветрового зондирования атмосферы. / Труды XV Международного научно-технического семинара “Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации”, тез. доклада, Алушта: 2006г.

10)Кононов М.А., Самохина М.В., Стерлядкин В.В. Оценка эффективности расчетного потенциала ветровой доплеровской РЛС. / Труды XVIII Международного научно-технического семинара “Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации”, тез. доклада, Алушта:

2009г.

–  –  –



Похожие работы:

«Лебедев Кирилл Сергеевич Разработка метода и инструментальных средств создания приложений для системы управления содержанием веб-сайтов Специальность 05.13.11 – Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Иркутск 2008 Работа выполнена на кафедре Автоматизированных систем Иркутского государственного технического университета Научный руководитель:...»

«Литманович Андрей Михайлович Исследование и разработка оптико-электронных информационноуправляющих систем на основе метода теневой локации. Специальность: 05.13.06 „„Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2012 г. Работа выполнена на кафедре «Системы автоматического управления и контроля» национального исследовательского университета...»

«Великовский Дмитрий Юрьевич КРИСТАЛЛЫ СЕМЕЙСТВА КАЛИЙ-РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ВОЛЬФРАМАТОВ КАК МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АКУСТООПТИКИ Специальность: 01.04.01 «Приборы и методы экспериментальной физики» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2015 2 -Работа выполнена в ФГБУН «Научно-технологический центр...»

«ТЕЛЫШЕВ Дмитрий Викторович ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ АВТОМАТИЧЕСКИМ НАРУЖНЫМ ДЕФИБРИЛЛЯТОРОМ 05.13.01 – системный анализ, управление и обработка информации (приборостроение) Автореферат диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук Москва – 2011 Работа выполнена на кафедре биомедицинских систем Московского государственного института электронной техники (технического университета) Научный...»

«АУНГ СО ЛВИН ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА БОРТОВЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ДВИЖУЩИХ ОБЪЕКТОВ Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2013 Работа выполнена на кафедре «Системы автоматического управления и контроля в микроэлектронике» Национального иследовательского унивеситета «МИЭТ»...»

«АЛИМУРАДОВ Алан Казанферович АЛГОРИТМЫ И УЗЛЫ ОБРАБОТКИ РЕЧЕВЫХ КОМАНД ПОДСИСТЕМ ГОЛОСОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ПЕНЗА 2015 Работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная техника и метрология» Федерального государственного бюджетного образовательного...»

«МЕДУНЕЦКИЙ Виталий Викторович Исследование качества электроэродированных поверхностей с использованием непараметрических критериев Специальность 05.11.14 – Технология приборостроения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Санкт-Петербург Работа выполнена на кафедре Технологии приборостроения СанктПетербургского национального университета информационных технологий, механики и оптики. Научный руководитель: доктор технических наук,...»

«Аро Хабиб Олалекан СИНТЕЗ РОБАСТНЫХ АЛГОРИТМОВ УГЛОВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ РАКЕТЫ Специальность 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург Работа выполнена на кафедре компьютерного проектирования аэрокосмических измерительно-вычислительных комплексов в СанктПетербургском государственном университете аэрокосмического...»

«ТХАН ЗО У ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ НАГРУЗКИ НА ОПЕРАТОРОВ ДИСПЕТЧЕРСКИХ СИСТЕМ Специальность 05.13.01. Системный анализ, управление и обработка информации (в приборостроении) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2013 Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» в Национальном исследовательском университете «МИЭТ». Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Лупин Сергей Андреевич....»

«Александров Владимир Алексеевич РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ Специальности: 05.11.14 – «Технология приборостроения» 01.04.01 – «Приборы и методы экспериментальной физики» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Ижевск 2006 Работа выполнена в Институте прикладной механики УрО РАН Научный руководитель: доктор физико-математических наук Михеев Геннадий Михайлович Научный...»

«Шубочкин Андрей Евгеньевич РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИХРЕТОКОВОГО И МАГНИТНОГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОПРОКАТА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЕГО ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА Специальность 05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва – 2014 Работа выполнена в ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр», г. Москва Официальные оппоненты: Шкатов Петр Николаевич доктор технических наук, профессор...»

«Казакова Людмила Сергеевна КОНСТИТУЦИОННЫЕ ПРАВА НЕСОВЕРШЕННОЛЕТНИХ И ОСОБЕННОСТИ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНОВ МЕСТНОГО САМОУПРАВЛЕНИЯ Специальность 12.00.02 – конституционное право; муниципальное право. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата юридических наук Москва – 2012 Работа выполнена на кафедре конституционного и международного права ФГКОУ ВПО «Санкт-Петербургский университет Министерства внутренних дел Российской Федерации» Научный...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.