ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ВЕТРОВЫХ ПОЛЕЙ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСНОГО КОГЕРЕНТНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ЛИДАРА
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ВЕТРОВЫХ ПОЛЕЙ 8
1.1 Контактные методы изучения атмосферных ветровых полей 8
1.1.1 Анемометр 9
1.1.2 Радиозонд 9
1.2 Дистанционные методы изучения атмосферных ветровых полей 10
1.2.1 Акустические системы ветрового зондирования (содары) 11
1.2.2 Радарные ветровые профайлеры 12
1.2.3 Системы радиоакустического зондирования 14
1.2.4 Лидары 15
1.3 Когерентные доплеровские лидары 16
1.4 Эффект Доплера 16
1.5 Основные типы когерентных доплеровских лидаров 19
1.5.1 Непрерывный когерентный доплеровский лидар 19
1.5.2 Импульсный когерентный доплеровский лидар 21
1.5.3 Технические характеристики импульсного когерентного
доплеровского лидара «Stream Line» 23
1.5.4 Программное обеспечение лидара 25
2 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ВЕТРА ИМПУЛЬСНЫМ
КОГЕРЕНТНЫМ ДОПЛЕРОВСКИМ ЛИДАРОМ 28
2.1 Метод конического сканирования 28
2.2 Метод определения скорости ветра из двух направлений зондирующего
луча (двухлучевой метод) 35
2.3 Методы оценивания вектора скорости ветра из данных импульсного
когерентного доплеровского лидара 36
2.3.1 Метод прямой синусоидальной подгонки 37
2.3.2 Метод фильтрованной синусоидальной подгонки 38
3 ПРОВЕДЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ВЫСОТНОГО ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА ИЗ ДАННЫХ
ИМПУЛЬСНОГО КОГЕРЕНТНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ЛИДАРА «STREAM LINE» 40
3.1 Проведение эксперимента по измерению высотного профиля скорости и направления ветра с помощью лидара «Stream Line» 41
3.2 Измерения скорости и направления ветра с помощью двухлучевого метода доплеровским лидаром «Stream Line» в приземном слое атмосферы 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 60
Приложение А 63
1 МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ВЕТРОВЫХ ПОЛЕЙ 8
1.1 Контактные методы изучения атмосферных ветровых полей 8
1.1.1 Анемометр 9
1.1.2 Радиозонд 9
1.2 Дистанционные методы изучения атмосферных ветровых полей 10
1.2.1 Акустические системы ветрового зондирования (содары) 11
1.2.2 Радарные ветровые профайлеры 12
1.2.3 Системы радиоакустического зондирования 14
1.2.4 Лидары 15
1.3 Когерентные доплеровские лидары 16
1.4 Эффект Доплера 16
1.5 Основные типы когерентных доплеровских лидаров 19
1.5.1 Непрерывный когерентный доплеровский лидар 19
1.5.2 Импульсный когерентный доплеровский лидар 21
1.5.3 Технические характеристики импульсного когерентного
доплеровского лидара «Stream Line» 23
1.5.4 Программное обеспечение лидара 25
2 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ВЕТРА ИМПУЛЬСНЫМ
КОГЕРЕНТНЫМ ДОПЛЕРОВСКИМ ЛИДАРОМ 28
2.1 Метод конического сканирования 28
2.2 Метод определения скорости ветра из двух направлений зондирующего
луча (двухлучевой метод) 35
2.3 Методы оценивания вектора скорости ветра из данных импульсного
когерентного доплеровского лидара 36
2.3.1 Метод прямой синусоидальной подгонки 37
2.3.2 Метод фильтрованной синусоидальной подгонки 38
3 ПРОВЕДЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ВЫСОТНОГО ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА ИЗ ДАННЫХ
ИМПУЛЬСНОГО КОГЕРЕНТНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ЛИДАРА «STREAM LINE» 40
3.1 Проведение эксперимента по измерению высотного профиля скорости и направления ветра с помощью лидара «Stream Line» 41
3.2 Измерения скорости и направления ветра с помощью двухлучевого метода доплеровским лидаром «Stream Line» в приземном слое атмосферы 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 60
Приложение А 63
Одной из проблем современной атмосферной физики является исследование атмосферной турбулентности. Под атмосферной турбулентностью понимают и флуктуации температуры, и флуктуации плотности воздуха, и флуктуации скорости ветра, возникающие вследствие разрушения регулярного движения воздуха в атмосфере. Многочисленные экспериментальные исследования в моделируемых турбулентных потоках и в атмосфере показывают, что в турбулентных течениях наряду со случайными движениями могут присутствовать и организованные квазидетерминированные структуры в виде вихрей. Эти неслучайные (когерентные) вихри в турбулентном потоке могут образовываться за счёт энергии потока при его опрокидывании и затем разрушаться, переходя в хаотическое движение, а могут быть диссипативными и, наоборот, потреблять для своего существования энергию хаотических движений в потоке [1]. Наряду с ветровой турбулентностью, большой практический интерес представляет исследование вихревых структур техногенного происхождения, например, попутных самолётных вихрей, возникающих за крыльями самолёта, или ветровых сдвигов, вызываемых лопастями ветровых электростанций. Исследование попутных вихрей важно, как с целью снижения аварийности авиаполётов, так и повышения пропускной способности взлётно-посадочных полос в аэропортах.
Перспективой развития средств получения информации о турбулентных ветровых полях является использование радиофизических методов, обеспечивающих дистанционность и оперативность измерений и имеющих меньше ограничений на пространственное и временное разрешение получаемых данных, чем измерения с помощью традиционных датчиков.
В самых различных сферах жизнедеятельности человека требуется информация о ветровых характеристиках атмосферы. В результате в настоящее время для определения таких параметров ветра, как его скорость и направление, все более широкое распространение получают дистанционные методы зондирования атмосферы. Благодаря развитию технологической базы и бурному росту вычислительных мощностей компьютерной техники активно развиваются лидарные методы, в основе работы которых лежит эффект Доплера.
Из созданных к настоящему времени радиофизических средств для дистанционного измерения параметров ветровой турбулентности нижней тропосферы, что важно не только для понимания процессов обмена в пограничном слое, но и в прикладном аспекте наиболее подходят импульсные когерентные доплеровские лидары. На трассах, ограниченных поверхностью топографического объекта, импульсный лидар позволяет измерять пропускание по изменению сигнала, рассеянного поверхностью объекта. Они позволяют достичь высокой точности, не искажая результаты и не воздействуя на окружающую среду, существенно расширяют возможности экспериментального исследования не только ветровой турбулентности, но и когерентных структур, в частности вихрей, генерируемых летящим самолётом.
В связи с вышеизложенным областью исследования работы являются дистанционные методы оценки скорости и направления ветра, а предметом исследования методики и средства получения высотного профиля скорости ветра импульсным когерентным доплеровским лидаром во всём диапазоне высот.
Целью работы является модификация методики оценки вектора скорости ветра и направления из измерений импульсного когерентного доплеровского лидара с помощью двухлучевого метода.
Задачи, необходимые для достижения данной цели:
- определение точности и границ применимости методов, определение оптимальных параметров измерения лидаром «Stream Line» и процедур обработки данных;
- проведение атмосферных экспериментов с лидаром «Stream Line» в городских условиях (Томский Академгородок), вне города (Базовый экспериментальный комплекс ИОА СО РАН, 10 км от Томска);
- обработка экспериментальных данных и анализ полученных результатов;
- подготовка текста диссертации.
На защиту выносится положение: двухлучевой метод определения скорости и направления горизонтальной составляющей скорости ветра в пограничном слое атмосферы, основанный на использовании данных импульсного когерентного доплеровского лидара «Stream Line» по двум фиксированным направлениям в атмосфере, позволяет определять радиальную скорость ветра в диапазоне значений угла места от 0 до 12°.
Аппробацией работы является публикация в международном периодическом научном издании «Научные труды Sworld» (2017 г) статьи «Анализ методов измерения вектора скорости ветра» [2].
Перспективой развития средств получения информации о турбулентных ветровых полях является использование радиофизических методов, обеспечивающих дистанционность и оперативность измерений и имеющих меньше ограничений на пространственное и временное разрешение получаемых данных, чем измерения с помощью традиционных датчиков.
В самых различных сферах жизнедеятельности человека требуется информация о ветровых характеристиках атмосферы. В результате в настоящее время для определения таких параметров ветра, как его скорость и направление, все более широкое распространение получают дистанционные методы зондирования атмосферы. Благодаря развитию технологической базы и бурному росту вычислительных мощностей компьютерной техники активно развиваются лидарные методы, в основе работы которых лежит эффект Доплера.
Из созданных к настоящему времени радиофизических средств для дистанционного измерения параметров ветровой турбулентности нижней тропосферы, что важно не только для понимания процессов обмена в пограничном слое, но и в прикладном аспекте наиболее подходят импульсные когерентные доплеровские лидары. На трассах, ограниченных поверхностью топографического объекта, импульсный лидар позволяет измерять пропускание по изменению сигнала, рассеянного поверхностью объекта. Они позволяют достичь высокой точности, не искажая результаты и не воздействуя на окружающую среду, существенно расширяют возможности экспериментального исследования не только ветровой турбулентности, но и когерентных структур, в частности вихрей, генерируемых летящим самолётом.
В связи с вышеизложенным областью исследования работы являются дистанционные методы оценки скорости и направления ветра, а предметом исследования методики и средства получения высотного профиля скорости ветра импульсным когерентным доплеровским лидаром во всём диапазоне высот.
Целью работы является модификация методики оценки вектора скорости ветра и направления из измерений импульсного когерентного доплеровского лидара с помощью двухлучевого метода.
Задачи, необходимые для достижения данной цели:
- определение точности и границ применимости методов, определение оптимальных параметров измерения лидаром «Stream Line» и процедур обработки данных;
- проведение атмосферных экспериментов с лидаром «Stream Line» в городских условиях (Томский Академгородок), вне города (Базовый экспериментальный комплекс ИОА СО РАН, 10 км от Томска);
- обработка экспериментальных данных и анализ полученных результатов;
- подготовка текста диссертации.
На защиту выносится положение: двухлучевой метод определения скорости и направления горизонтальной составляющей скорости ветра в пограничном слое атмосферы, основанный на использовании данных импульсного когерентного доплеровского лидара «Stream Line» по двум фиксированным направлениям в атмосфере, позволяет определять радиальную скорость ветра в диапазоне значений угла места от 0 до 12°.
Аппробацией работы является публикация в международном периодическом научном издании «Научные труды Sworld» (2017 г) статьи «Анализ методов измерения вектора скорости ветра» [2].
Данная работа посвящена проведению измерений с использованием методики оценивания вектора скорости ветра импульсным когерентным доплеровским лидаром.
В ходе выполнения работы был проведен обзор литературы по теории и экспериментальным исследованиям ветровых полей с помощью лидарного зондирования, изучены методы оценивания параметров ветровых полей в атмосфере с помощью импульсного когерентного доплеровского лидара. Определена стратегия измерения лидаром «Stream Line» и процедура обработки исходных данных, позволяющая визуализировать поля ветра.
В результате проведенных исследований с использованием методики оценки скорости и направления горизонтального ветра, основанная на измерении радиальной скорости импульсным когерентным доплеровским лидаром вдоль двух фиксированных направлений зондирующего пучка и проведены эксперименты и обработка данных измерений скорости и направления ветра двухлучевым методом, методом конического сканирования зондирующим пучком лидара и акустической метеостанции с целью определения точности оценки вектора скорости ветра. Установлено, что методика с использованием двухлучевого метода позволяет проводить измерения радиальной скорости ветра в диапазоне значений угла места от О до 12°.
По проведенным исследованиям можно сделать следующие выводы:
1) двухлучевой метод расширяет возможности использования импульсного когерентного доплеровского лидара «Stream Line» при изучении особенностей движений воздушных масс в приземном слое атмосферы при наличии особенностей рельефа в месте проведения измерений, близстоящих высоких деревьев и строений, которые не могут позволить осуществить полное коническое сканирование зондирующим лучом;
2) при проведении измерений с использованием двухлучевого метода необходимо контролировать наличие крупномасштабной ветровой турбулентности, которая приводит к погрешности измерений скорости ветра;
3) данный метод может быть использован для измерения вектора скорости ветра при малых значениях угла места, вплоть до горизонтальных атмосферных трасс.
В ходе выполнения работы был проведен обзор литературы по теории и экспериментальным исследованиям ветровых полей с помощью лидарного зондирования, изучены методы оценивания параметров ветровых полей в атмосфере с помощью импульсного когерентного доплеровского лидара. Определена стратегия измерения лидаром «Stream Line» и процедура обработки исходных данных, позволяющая визуализировать поля ветра.
В результате проведенных исследований с использованием методики оценки скорости и направления горизонтального ветра, основанная на измерении радиальной скорости импульсным когерентным доплеровским лидаром вдоль двух фиксированных направлений зондирующего пучка и проведены эксперименты и обработка данных измерений скорости и направления ветра двухлучевым методом, методом конического сканирования зондирующим пучком лидара и акустической метеостанции с целью определения точности оценки вектора скорости ветра. Установлено, что методика с использованием двухлучевого метода позволяет проводить измерения радиальной скорости ветра в диапазоне значений угла места от О до 12°.
По проведенным исследованиям можно сделать следующие выводы:
1) двухлучевой метод расширяет возможности использования импульсного когерентного доплеровского лидара «Stream Line» при изучении особенностей движений воздушных масс в приземном слое атмосферы при наличии особенностей рельефа в месте проведения измерений, близстоящих высоких деревьев и строений, которые не могут позволить осуществить полное коническое сканирование зондирующим лучом;
2) при проведении измерений с использованием двухлучевого метода необходимо контролировать наличие крупномасштабной ветровой турбулентности, которая приводит к погрешности измерений скорости ветра;
3) данный метод может быть использован для измерения вектора скорости ветра при малых значениях угла места, вплоть до горизонтальных атмосферных трасс.