Метод обнаружения сдвига ветра в пограничном слое атмосферы по оценкам ширины спектра сигнала метеорологического радиолокатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Федеральное государственное бюджетное военное

образовательное учреждение высшего образования

«Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского»

Министерства обороны Российской Федерации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ СДВИГА ВЕТРА В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ПО ОЦЕНКАМ ШИРИНЫ СПЕКТРА СИГНАЛА МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЛОКАТОРА

Денисенков Дмитрий Анатольевич

Специальность: 25.00.30 - метеорология, климатология,

агрометеорология

Санкт-Петербург - 2018

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном военном образовательном учреждении высшего образования «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского» Министерства обороны Российской Федерации.

Научный руководитель: Жуков Владимир Юрьевич,

кандидат технических наук, ФГБВОУ ВО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ

Официальные оппоненты: Шаповалов Александр Васильевич,

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией математического моделирования ФГБУ «Высокогорный геофизический институт», г. Нальчик.

Ахметьянов Валерий Равизович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник АО «НПО «ЛЕПТОН», базовая организация кафедры “Системы, устройства и методы геокосмической физики” Московского физико-технического института.

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Кавказский федеральный университет» г. Ставрополь

Защита состоится «__» ________ 2018 г. в __ часов __ минут на заседании диссертационного совета Д.212.197.01 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98, тел. (812) 633-01-82, 372-50-92.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Российского государственного гидрометеорологического университета.

Ваш отзыв на автореферат просим направлять по адресу 192007, Россия, Санкт-Петербург, ул. Воронежская, дом 79. Российский государственный гидрометеорологический университет, Диссертационный совет Д.212.197.01, Ученому секретарю.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н., доцентЛ. В. КАШЛЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Сдвиг ветра - это скрытое и труднопредсказуемое явление, встреча с которым воздушного судна на малой высоте при взлёте и посадке много раз приводила к авиакатастрофам. По данным Совета Международной организации гражданской авиации (IСAO) за прошедшие 40 лет по меньшей мере два десятка случаев авиационных происшествий были напрямую связаны со сдвигом ветра. ICAO рассматривает явление сдвига ветра, как одну из главных технических проблем, стоящих перед авиацией. На её решение во всем мире тратятся огромные средства.

В настоящее время для оперативного обнаружения сдвига ветра наибольшее распространение получили дистанционные измерители профиля ветра - профайлеры, которые можно разделить на четыре группы: оптические (лидары), радиолокационные (радары), акустические (содары) и радиоакустические системы (RASS). Все они обладают общим недостатком - невозможностью работать при любых условиях окружающей среды. Поэтому общепринята практика установки двух приборов, относящихся к разным группам и способным замещать друг друга. Для построения всепогодной системы обнаружения сдвига ветра в зоне аэропорта ICAO рекомендует сочетание лидара и радиолокационного измерителя. Первый работает в «чистой атмосфере», второй - при наличии в воздухе гидрометеоров или иных элементарных отражателей.

Многие российские аэропорты не имеют специализированного радиолокационного измерителя вертикального профиля ветра, но, при этом, оборудованы современными метеорологическими радиолокаторами ДМРЛ-С. Исходя из этого, идея возложить на них функции обнаружения опасного сдвига ветра является вполне очевидной, актуальной и обоснованной, поскольку это положительно скажется на безопасности полетов авиации и при этом не потребует значительных финансовых затрат.

Необходимо отметить, что в систему вторичной обработки информации радиолокатора ДМРЛ-С заложена возможность восстановления вертикального профиля ветра. Однако, в том виде, в котором данная функция в настоящий момент реализована, результат не удовлетворяет требованиям ICAO по разрешающей способности и диапазону высот проведения измерений. Попытка привести данные в соответствие с требованиями вызовет либо аппаратную доработку устройства, либо потребует таких изменений в его режиме работы, при которых метеорологический радиолокатор превратится в очень дорогой специализированный профайлер.

Ряд авторов в своих работах указывает на то, что из всех параметров отраженного радиосигнала для обнаружения сдвига ветра, помимо средней радиальной скорости частиц, подходит также ширина спектра принимаемого сигнала. Необходимо отметить, что карта распределения ширины спектра является стандартным продуктом, получаемым от ДМРЛ, и при этом, на данный момент практически никак не используется.

Таким образом, при необходимости своевременного обнаружения сдвига ветра в пограничном слое атмосферы для обеспечения безопасности полетов авиации в условиях отсутствия специализированных технических средств в метеорологических службах аэропортов и несовершенстве методик его обнаружения штатными метеорологическими радиолокаторами, разработка нового радиолокационного метода обнаружения сдвига ветра в пограничном слое атмосферы представляется актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение результативности обнаружения сдвига ветра в пограничном слое атмосферы радиолокационным методом для обеспечения безопасности полетов авиации.

Для достижения цели исследования в диссертации поставлены и решены следующие частные задачи исследования:

1. Научно-технический анализ проблемы обнаружения сдвига ветра.

2. Исследование взаимосвязи характеристик сдвига ветра с параметрами пространственного распределения ширины спектра радиальных скоростей гидрометеоров путем построения соответствующей математической модели.

3. Разработка метода обнаружения сдвига ветра в пограничном слое атмосферы путем решения обратной задачи (определения характеристик сдвига ветра по параметрам пространственного распределения ширины спектра радиальных скоростей гидрометеоров).

4. Разработка методики обнаружения сдвига ветра путем обработки данных метеорологического радиолокатора.

5. Экспериментальная проверка разработанной методики.

Научная новизна:

1. Впервые разработана математическая модель пространственного распределения ширины спектра сигнала, принимаемого метеорологическим радиолокатором, при наличии в пограничном слое сдвига ветра.

2. Разработан метод обнаружения сдвига ветра радиолокационным способом, отличающийся тем, что не требует восстановления вертикального профиля скорости ветра.

3. Разработана методика обработки данных метеорологического радиолокатора для обнаружения сдвига ветра в пограничном слое атмосферы, отличающаяся тем, что в ней используются оценки ширины спектра радиальных скоростей гидрометеоров.

4. Получены результаты экспериментальных исследований по проверке разработанной методики.

Научная и практическая значимость работы:

- разработанная математическая модель способствуют более глубокому пониманию особенностей распространения радиоволн в атмосфере;

- разработанная методика позволяет более полно использовать радиолокационную информацию для обнаружения опасных явлений природы;

- реализация разработанной методики в метеорологических радиолокаторах позволит оперативно обнаруживать сдвига ветра в пограничном слое атмосферы, а, следовательно, повысит качество метеорологического обеспечения полетов авиации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель пространственного распределения ширины спектра сигнала, принимаемого метеорологическим радиолокатором, при наличии в пограничном слое сдвига ветра.

2. Метод обнаружения сдвига ветра в пограничном слое атмосферы по оценкам ширины спектра радиолокационного сигнала.

3. Методика обработки данных метеорологического радиолокатора с целью обнаружения сдвига ветра.

4. Результаты экспериментальной проверки разработанной методики.

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается всесторонним анализом предшествующих научных работ в области построения систем обнаружения сдвига ветра, корректностью постановки научной задачи исследования, строгостью принятых допущений и ограничений, логической непротиворечивостью рассуждений, а также корректным использованием современного математического аппарата. Достоверность основных результатов исследований подтверждается соответствием карт ширины спектра радиальных скоростей гидрометеоров, рассчитанных при помощи разработанной модели, реальным картам на выходе программы вторичной обработки информации радиолокатора ДМРЛ-С; хорошим совпадением данных, полученных по разработанной методике с данными аэрологического зондирования; непротиворечивостью частных результатов исследования с результатами других авторов; апробацией на всероссийских научно-технических конференциях и семинарах кафедры; публикацией результатов в ряде ведущих научных изданий.

Личный вклад автора.

Постановка задачи и выбор методов исследования осуществлены совместно с научным руководителем. Автором самостоятельно создана математическая модель пространственного распределения ширины спектра сигнала, принимаемого метеорологическим радиолокатором, при наличии в пограничном слое сдвига ветра; выявлены основные закономерности поведения исследуемого параметра в зависимости от характеристик сдвига ветра. Также самостоятельно разработан метод обнаружения сдвига ветра в пограничном слое атмосферы по оценкам ширины спектра радиолокационного сигнала, разработана методика обработки выходных данных радиолокатора с целью обнаружения сдвига ветра, произведена экспериментальная проверка разработанной методики и сделаны выводы по всем разделам диссертации.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: III Всероссийской научной конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды» (Санкт-Петербург, 2014); XIV Санкт-петербургской межрегиональной конференции «Региональная информатика «РИ-2014» (Санкт-Петербург, 2014); V Всероссийских Армандовских чтениях (Муром, 2015); IV Всероссийской научной конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды», посвященной 80-летию кафедры технологий и средств геофизического обеспечения (Санкт-Петербург, 2016); VI Всероссийских Армандовских чтениях (Муром, 2016); XXV Всероссийской открытой конференции «Распространение радиоволн», посвященной 80-летию отечественных ионосферных исследований (Томск, 2016); VII Всероссийских Армандовских чтениях (Муром, 2017); Х Санкт-петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России» (ИБРР-2017) (Санкт-Петербург, 2017); XI Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 2017).

Основные публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 8 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 146 ссылок. Общий объем диссертации - 139 страниц, включая 4 таблицы и 63 рисунка. сигнал ширина гидрометеор радиолокационный

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели диссертации и решаемые задачи, основные положения, выносимые на защиту, обоснованы научная ценность и практическая значимость полученных результатов работы, приведено краткое содержание диссертации.

Первая глава В первой главе диссертации проведен анализ существующих методов дистанционного измерения параметров ветра. Рассмотрены четыре группы приборов, различающиеся принципом действия: акустические измерители ветра (содары); оптические системы (лидары); радиолокационные системы (радары); радиоакустические системы (RASS). Разобраны преимущества и недостатки, свойственные каждому методу. Показано, что для обеспечения всепогодности измерений необходимо использовать два совместно работающих измерителя, относящихся к разным видам, способных взаимно замещать друг друга. При этом одним из них, как правило, является радиолокационный профайлер, в котором сдвиг ветра обнаруживаются путем восстановления вертикального профиля ветра методом VAD и его дальнейшим анализом.

Оценены возможности по обнаружению сдвига ветра метеослужб в российских аэропортах. Выявлена нехватка специализированных измерителей профилей ветра при одновременном наличии современного доплеровского метеорологического радиолокатора практически во всех крупных аэропортах. Оценены перспективы использования радиолокатора ДМРЛ-С (как наиболее распространенного) для обнаружения сдвига ветра в особенно важном для авиации слое атмосферы (от 0 до 500 метров). Исследована возможность решения данной задачи при помощи встроенной программы вторичной обработки и выявлено, что при штатном режиме работы радиолокатор не сможет восстановить профиль ветра в нужном диапазоне высот с необходимой точностью.

Произведен анализ публикаций ряда отечественных и западных ученых. Он показал, что получаемые метеорологическим радиолокатором в штатном режиме работы карты ширины спектра радиальных скоростей гидрометеоров содержат информацию о наличии в контролируемом пространстве сдвигов ветра, что выражается в появлении на них характерных областей больших значений данного параметра в виде дуг окружностей (рисунок 1 а) или спиралей (рисунок 1 б). Это позволило выдвинуть гипотезу о том, что параметры получаемых на карте распределений (максимальное значение параметра, угол, под которым расположены указанные области и др.) тесно связаны с особенностями вертикального профиля ветра.

а. угол места 2° б. угол места 1°

Рисунок 1 - Карты распределения ширины спектра радиолокационного сигнала по коническому разрезу, полученные радиолокатором МРЛ-5 (пос. Воейково, Ленинградская обл.) в 1986 г. с использованием алгоритма ALPD для получения ширины спектра

Суть гипотезы заключается в том, что при наличии в атмосфере двух слоев с различными по направлению и по величине векторами скорости ветра отраженный сигнал от разрешаемого объема (рисунок 2 а), находящегося на определенной дальности R_i, при установке антенны радиолокатора под некоторым углом места будет иметь в общем виде двухмодальный спектр (рисунок 2 б).

а. б.

V₁, V₂ - скорости ветра в первом и во втором слое; ₁, ₂ - направления ветра в первом и во втором слое; V_r1, V_r2 - среднее значение радиальной скорости частиц в первом и во втором слое; S₁(Vr), S₂(Vr) - спектральные составляющие, соответствующие первому и второму слою; ₁, ₂ - ширины спектра сигнала, отраженного от первого и от второго слоя.

Рисунок 2 - Формирование двухмодального спектра радиолокационного сигнала

Расстояние между составляющими спектра, равное модулю разности их радиальных скоростей |V_r2 - V_r1|, зависит как от разности направлений ветра в слоях, так и от азимута зондирования (рисунок 3), и меняется в интервале от 0 до ||. Соответственно будет изменяться и ширина суммарного спектра . На некотором азимуте ₁ она будет максимальна, а при азимуте - минимальна. При этом максимальное значение ширины спектра сигнала будет аномально большим, т.е. недостижимым в случае одномодального спектра.

Рисунок 3 - Формирование областей аномально широкого и узкого спектра отраженного сигнала

Вторая глава посвящена проверке гипотезы о том, что наблюдаемые на картах ширины спектра радиальных скоростей гидрометеоров области аномально больших значений параметра в виде дуг окружности или спиралей вызываются существованием в окружающем пространстве слоя со сдвигом ветра по величине и/или направлению, а величина этого сдвига влияет на характеристики данных областей. Для этого была разработана математическая модель пространственного распределения ширины спектра сигнала, принимаемого метеорологическим радиолокатором, при наличии в пограничном слое сдвига ветра. Данная модель связывает параметры распределения вектора скорости ветра по высоте с параметрами пространственного распределения ширины спектра радиальных скоростей гидрометеоров (рисунок 4). С её помощью исследуются взаимосвязи характеристик пространственного распределения указанного параметра с характеристиками сдвига ветра.

- рабочей длиной волны радиолокатора; - ширина диаграммы направленности радиолокатора; б - азимут антенны; R - дальность.

Рисунок 4 - Математическая модель формирования карты ширины спектра радиальных скоростей гидрометеоров

При описании окружающей среды полагалось, что ветер имеет слоисто-однородную структуру, т.е. на конкретной высоте параметры ветра будут одинаковыми для всех исследуемых дальностей. При этом влиянием подстилающей поверхности на рассматриваемых высотах пренебрегалось.

Каждый из слоев характеризовался тремя независимыми параметрами, являющимися функциями высоты:

1. V (h) - функция, описывающая распределение скорости движения частиц в зависимости от высоты h.

2. (h) - функция, описывающая распределение направления движения частиц в зависимости от высоты h.

3. K (h) - функция, описывающая распределение отражаемости метеоцели в зависимости от высоты h.

В качестве граничных условий принимался диапазон высот (от 50 до 2000 м) и диапазон рассматриваемых дальностей (окружность радиусом 125 км - максимальный радиус работы метеорологических радиолокаторов в режиме измерения спектральных характеристик сигнала).

Рассматривались два различных случая структуры сдвига ветра:

- «Скачок ветра». Характеризуется двумя смежными слоями с разной отражаемостью K1 и K2, разным направлением ветра 1 и 2 и разной скоростью ветра V1 и V2 в каждом из них (рисунок 5 а), при этом данные параметры неизменны в пределах слоя. Высота расположения границы раздела слоев - h₀. Такая структура характерна для случая, когда наблюдаются два слоя облаков со слоем «чистой» атмосферы между ними или в случае, когда линейный размер элемента разрешения радиолокатора соизмерим или превосходит толщину слоя, внутри которого имеет место сдвиг ветра.

- «Сдвиг ветра». Характеризуется тремя слоями с разной отражаемостью K1, K2 и K3, разным направлением ветра 1, 2 и 3 и разной скоростью ветра V1, V2 и V2 в каждом из них (рисунок 5 б). Высоты границ раздела слоев: 1 и 2 - h₁, 2 и 3 - h₂. При этом первый и третий слои характеризуется неизменными с высотой параметрами V и , а второй (промежуточный) - наличием градиентов скорости V и направления ветра по высоте. Подобная структура встречается, когда присутствует облачный слой большой толщины или в случае облачности с осадками, а линейный размер элемента разрешения меньше толщины второго слоя.

а. «скачок» ветра

б. сдвиг ветра

Рисунок 5 - Распределение по высоте параметров, входящих в модель среды

Главный лепесток ДН антенны по мощности аппроксимируется двумерной гауссовой функцией. Зондирующий импульс принят прямоугольным.

При рассмотрении того, какие факторы влияют на ширину спектра отраженного сигнала, были выявлены четыре основных составляющих: сдвиг ветра, движение антенны, гравитационное падения капель, и турбулентность. Показано, что в исследуемом нами случае образования аномально широких спектров наибольшее влияние на ширину спектра оказывает сдвиг ветра, при этом остальными составляющими можно пренебречь.

При расчете спектральных характеристик разрешаемый объем, центр которого расположен на высоте h₀, разбивался по высоте на элементарные слои. Каждому слою соответствовала радиальная скорость и мощность отражения, пропорциональная произведению отражаемости и весовой функции, определяемой диаграммой направленности антенны (рисунок 6).

Радиальная скорость частиц каждого элементарного слоя, находящегося на высоте h_i, рассчитывалась в соответствии с угловыми координатами антенны и параметрами среды V и ц на высоте h_i

, (1)

Где б, в - азимут и угол места антенны.

Мощности отражений от соответствующих слоев рассчитывались по формуле

, (2)

Где f(h_i, h₀) - функция, описывающая диаграмму направленности антенны радиолокатора в вертикальной плоскости.

Суммирование в знаменателе происходит для всех высот, попавших в разрешаемый объем.

Ширина спектра принимаемого сигнала определялась в соответствии с выражением

, (3)

Где M(h₀) - средняя частота спектра сигнала, рассчитываемая по формуле

.(4)

В итоге расчет карты распределения ширины спектра радиальных скоростей частиц по коническому разрезу происходил по следующему алгоритму:

h_i - высота расположения i-го элементарного слоя, f(h_i, h₀) - вес, с которым мощность i-го слоя входит в суммарный сигнал.

Рисунок 6 - Радиальное сечение разрешаемого объема

1. Задавался угол места в.

2. Задавался начальный азимут б = 0.

3. Разрешаемый объем устанавливался на дальности R_min и в нем следующим образом рассчитывались спектральные характеристики отраженного сигнала: для каждого слоя толщиной Дh, расположенного на высоте h_i, определялись соответствующие ему три величины, описывающие параметры среды (K (h_i), V (h_i), (h_i)), после чего применялись формулы (1) - (4).

4. Разрешаемый объем сдвигался по дальности на расстояние R, равное пространственной протяженности зондирующего импульса и вновь вычислялись спектральные характеристики. Данная операция повторялась для всех разрешаемых объемов из интервала дальностей [R_min,; R_max].

5. Изменялся азимут на величину б, равный ширине ДН антенны, и повторялся расчет спектральных характеристик для разрешаемых объемов из диапазона дальностей [R_min,; R_max]. Данная операция производилась для всех азимутов из диапазона [0; 359°]. В результате получался массив данных у(б, R), содержащий значения ширины спектра для всех разрешаемых объемов при заданном угле места.

6. Строилась карта по рассчитанным значениям у(б; R).

Моделирование проводилось для нескольких характерных вариантов структуры приземного ветра. Результаты некоторых из них представлены на рисунке 7:

Карта, изображённая на рисунке 7 а, получена для «скачка» ветра по величине (рисунок 5 а) - два слоя частиц с разными по величине и постоянными по всей толщине слоя скоростями (1=0, 2=90).

На рисунке 7 б изображена карта, полученная при наличии сдвига ветра по направлению. Величина сдвига ветра в данном случае составляла 90 на 500 м высоты в среднем слое (рисунок 5 б).

На рисунке 7 в представлен результат моделирования для сдвига ветра по величине. Величина сдвига ветра в данном случае составляла 15 м/с на 500 метров высоты в среднем слое (рисунок 5 б). Для каждой варианта структуры приземного ветра были получены характерные пространственные распределения ширины спектра радиальной скорости частиц. Установлено, что параметры данного распределения зависят от того, насколько быстро изменяются с высотой величина и направление вектора скорости частиц. Делается предположение о том, что возможно решение обратной задачи - по особенностям расположения параметра на рассматриваемых картах обнаружить появление опасного для воздушных судов сдвига ветра.

Дальность, км

Дальность, км Дальность, кмДальность, км

Дальность, км

Дальность, км

, м/с

, м/с , м/с

б. Dj =90 на 500м

в. DV=15м/с на 500м

Рисунок 7 - Карта распределения ширины спектра по конической поверхности

Результаты численного решения разработанной модели полностью подтверждают выдвинутую в первой главе гипотезу. Полученные карты идентичны тем, что имеют место на выходе системы вторичной обработки информации метеорологического радиолокатора ДМРЛ-С.

Каждому из рассмотренных вариантов вертикального профиля ветра соответствует свое особенное распределение ширины спектра радиальных скоростей частиц на карте конического разреза данного параметра. Изменение какого-либо параметра вертикального профиля ветра ведет к изменениям характеристик пространственного распределения ширины спектра радиальных скоростей частиц на карте. В частности, заметно реагируют на изменения вертикального профиля ветра три параметра: максимальное значение ширины спектра радиальных скоростей; скорость «завития» спирали; угол, под которым расположены области повышенных значений ширины спектра. При этом наиболее удобным для практического использования в задаче обнаружения опасного сдвига ветра является максимальное значение ширины спектра, поскольку оно единственное из трех приведенных параметров реагирует как на сдвиг по величине, так и на сдвиг по направлению. Два оставшихся параметра при постоянстве направления ветра на разных высотах оказываются неинформативными и, следовательно, могут использоваться только как источники дополнительной информации к той, что извлекается при помощи первого.

Полученные результаты позволяют заключить, что возможно решение обратной задачи: определение параметров вертикального профиля ветра по характеристикам распределения ширины спектра гидрометеоров на соответствующих картах. При этом, поскольку аномально широкий спектр есть результат существования в принимаемом сигнале двух составляющих, отраженных от слоев частиц с разными скоростями движения, из всех рассмотренных вариантов структуры поля ветра достаточно остановиться только на двух:

- скачке ветра. В этом случае среда состоит из двух слоёв, при этом скорости ветра в обоих слоях постоянны, но отличаются по величине;

- сдвиге ветра по величине. В данном случае среда также из двух слоёв, но скорость ветра в одном слое постоянна, а в другом меняется с высотой по заданному закону.

Поиску решения обратной задачи посвящена третья глава. Для нахождения аналитического решения модели был взят разрешаемый объем, расположенный на такой высоте, чтобы он захватывал оба слоя. Его центр находится на высоте h₀ (рисунок 8). Для упрощения расчетов, без существенной потери точности, поперечный разрез разрешаемого объема был аппроксимирован квадратом, равным по площади кругу с радиусом (рисунок 8), при этом длина стороны квадрата составляла . Разрешаемый объем по координате дальности аппроксимирован равномерным распределением на интервале , где - протяженность разрешаемого объема по координате дальности; с - скорость света, t_и - длительность зондирующего импульса, A - высота части квадрата, попавшая во второй слой.

Рисунок 8 - Аппроксимация элемента разрешения квадратом

Замена поперечного сечения с круга радиусом r на квадрат с длиной стороны не приводит к существенным ошибкам в оценке спектральных параметров принимаемого сигнала. Это было подтверждено расчетами с использованием модели, разработанной во второй главе. При этом использовались две аппроксимации разрешаемого объема: в первой сечение импульсного объема плоскостью, перпендикулярной оси антенны, имеет форму круга, а во второй - квадрата. На рисунке 9 приведены карты, построенные для «скачка ветра по направлению» при ц1 = 0 и ц2 = 90. Максимальная ширина спектра в обоих случаях практически одинаковая: у_круг = 7,064 м/с, у_{квадрат} = 7,067 м/с. На рисунке 9 заметна незначительная разница в радиальном размере областей повышенных значений параметра. В остальном изменений нет.

Дальность, км

Дальность, км , м/с

Дальность, км

Дальность, км , м/с

а. сечение импульсного объема - круг

б. сечение импульсного объема - квадрат

Рисунок 9 - Карта распределения ширины спектра по поверхности конического разреза для двух видов аппроксимации импульсного объема

Получена формула для расчета квадрата ширины спектра сигнала, отраженного от гидрометеоров, попавших в данный разрешаемый объем:

, (5)

Где P₁, P₂ - мощности составляющих суммарного сигнала, образуемые отражениями от первого и второго слоев соответственно;

F₁, F₂ - средние частоты спектра составляющих сигнала, соответствующих участкам первого и второго слоев, попавшим в разрешаемый объем;

у_f1, у_f2 - ширина спектра сигнала, отраженного первым и вторым слоями соответственно.

Было установлено, что максимум ширины спектра суммарного сигнала у_f для «скачка» ветра имеет место при равенстве мощностей P₁ и P₂. После подстановки данного условия в формулу (5) и перехода к скоростям с помощью формулы для доплеровского сдвига частоты, было получено выражение для разности скоростей ветра V:

, (6)

Где V₁, V₂ - скорость ветра в нижнем и верхнем слоях соответственно;

- длина волны радиолокатора;

У - ширина спектра скоростей суммарного сигнала;

у₁, у₂ - ширина спектра скоростей сигнала, отраженного первым и вторым слоями соответственно.

На рисунке 10 показано, как можно найти параметры из правой части выражения (6) по карте распределения ширины спектра на вертикальном разрезе.

Рисунок 10 - Оценка величин ₁ и ₂ по отражениям от соответствующих элементов разрешения

Искомая величина сдвига ветра рассчитывается в данном случае по формуле

, (7)

Где Дh - толщина слоя, внутри которого скорость ветра непостоянна.

Величина Дh оценивается, используя тот факт, что слой со сдвигом ветра существует на всех просматриваемых дальностях, но наблюдается только с того ее значения, при котором размер элемента разрешения становится больше толщины слоя. Таким образом, необходимо найти последний разрешаемый объем перед зоной со сдвигом ветра (обозначен а на рисунке 10). Его вертикальный размер и будет являться искомой величиной. Чтобы ее найти, необходимо определить дальность расположения этого разрешаемого объема (обозначена R_а на рисунке 10) и оценить его вертикальный размер Дh используя формулу

Дh = R_а , (8)

Где и - ширина диаграммы направленности антенны.

В случае сдвига ветра по величине для расчета квадрата ширины спектра сигнала была получена формула

, (9)

Где W(h) - градиент скорости ветра по высоте во втором слое.

В данном случае квадрат ширины спектра суммарного сигнала достигнет максимума при условии P₂ ? 2P₁. В результате, выражение для расчета величины сдвига ветра W будет иметь вид

, (10)

Где R₀ - дальность, на которой наблюдается максимальное значение ширины спектра.

Значение дальности R₀ легко находится по карте распределения ширины спектра на вертикальном разрезе. Нахождение высоты границы раздела слоёв h₁ также основано на том, что слой с повышенной шириной спектра проявляется на карте только с такой дальности, при которой разрешаемый объем превосходит линейным размером слой со сдвигом ветра. Следовательно, определив высоту центра этого элемента разрешения, мы найдем искомую высоту h₁. В результате высоту границы раздела слоев можно рассчитать по формуле

h₁ = R_min sin(в). (11)

Из всех параметров, входящих в выражения (6) и (10), наименее точно по карте распределения ширины спектра определяется параметр h₁, поскольку оценка данной величины сильно зависит от распределения отражаемости по высоте. При этом мы всегда можем выбрать зондирование под меньшим углом, при котором второй разобранный вариант будет сведен к первому вследствие увеличения вертикального размера того разрешаемого объема, с которого начинает проявляться зона повышенных значений ширины спектра. Исходя из этого, «сдвиг» ветра является универсальным случаем структуры поля ветра.

На основании сказанного, методика обнаружения сдвига ветра в пограничном слое атмосферы по оценкам ширины спектра радиолокационного сигнала будет иметь следующий вид:

Рисунок 11 - Оценка параметров на карте ширины спектра радиальных скоростей частиц радиолокатора ДМРЛ-С (вертикальный разрез) для определения сдвига ветра

1. На первом этапе анализируются карты распределения ширины спектра гидрометеоров по коническому разрезу на присутствие характерных особенностей определенного вида.

2. После обнаружения на карте особенностей в виде симметричных полуокружностей, в которых значение параметра достигает аномально большого значения (более 6 м/с), в направлении максимального значения ширины спектра делается вертикальный разрез (рисунок 11). На данном разрезе также четко прослеживается слой повышенных значений параметра (нижняя часть рисунка 11)

3. На вертикальном разрезе в слое с аномально широким спектром находится разрешаемый объем с максимальной шириной спектра и определяется ее величина у (рисунок 12).

Рисунок 12 - Оценка параметров на карте ширины спектра радиальных скоростей частиц радиолокатора ДМРЛ-С (вертикальный разрез) для определения сдвига ветра

4. Производятся оценки ширины спектра у₁ и у₂. (рисунок 12). Для нахождения у₁ берётся разрешаемый объем, расположенный выше того, в котором производилась оценка величины у. Для нахождения у₂ - ниже.

5. Полученные оценки для у, у₁ и у₂ подставляются в формулу (6) и вычисляется разница скоростей ветра V.

6. На вертикальном разрезе находится разрешаемый объем, предшествующий зоне со сдвигом ветра (обозначен a на рисунке 12), определяется его дальность R_а и вычисляется его вертикальный размер Дh по формуле (8).

7. Рассчитывается величина сдвига ветра по формуле (7).

На заключительном этапе исследования необходимо оценить результативность нового метода. Для этого был проведен эксперимент по обнаружению сдвига ветра в соответствии с разработанной методикой.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальной проверки разработанной методики обнаружения сдвига ветра в пограничном слое атмосферы по оценкам ширины спектра радиолокационного сигнала. В эксперименте оценивалась результативность обнаружения сдвига ветра разработанным методом через сравнение данных, полученных в результате обработки радиолокационной информации по новой методике с результатами обработки информации, полученной контактным методом измерения. В качестве контактного был принят метод температурно-ветрового зондирования. Для оценки результативности метода были приняты следующие характеристики: оправдываемость P_опр и достоверность P_дост.

Источником радиолокационных данных послужил доплеровский метеорологический радиолокатор ДМРЛ-С, установленный в городе Валдай Новгородской области. В качестве источника опорных данных была выбрана аэрологическая станция (26298) в городе Бологое Тверской области. Выбор данной станции был обусловлен ее относительно небольшой удаленностью от ДМРЛ-С на Валдае - всего 45 км (рисунок 13). Данные аэрологической станции Бологое в наиболее подробном варианте представлены на сайте Вайомингского университета.

Рисунок 13. Расположение аэрологической станции «Бологое» и радиолокатора ДМРЛ-С в г. Валдай.

В эксперименте исследовались данные, полученные с обоих источников за период с 1 декабря 2011 по 28 февраля 2012, с целью обнаружения сдвига ветра в диапазоне высот 100ч1500 метров. Указанный диапазон высот несколько больше того, который наиболее интересен для целей обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов на этапе взлета и посадки. Он был выбран с целью увеличения статистики ввиду относительно небольшой выборки данных результатов наблюдений радиолокационным методом, которые имелись в распоряжении автора.

Предварительно из всех радиолокационных данных были отобраны только те, которые получены за каждые сутки в 00:00 и 12:00 UTC, соответствующие моментам запуска радиозондов. В некоторые дни радиолокатор не работал, поэтому вместо 182 карт было просмотрено 168. На первом этапе из исходной выборки исключались обзоры, проводимые в условиях малой отражаемости и малой облачности. В результате были выбраны 19 карт, которые исследовались на предмет наличия характерных распределений параметра, указывающих на наличие сдвига ветра. На картах вертикальных разрезов фиксировались области аномально широкого спектра (ширина спектра радиальных скоростей равна или более 6 м/с), а также высота и дальность, на которых они наблюдались. Далее проверялось, не вызвано ли расширение спектра простым уменьшением мощности отражений от просматриваемого участка метеоцели. Для этого использовались карты радиолокационной отражаемости. В результате было выявлено 8 случаев с характерным чередованием зон малых и аномально больших значений, для которых в соответствии с разработанной методикой рассчитывался сдвиг ветра. Он считался обнаруженным, если полученная оценка превышала пороговое значение 1 м/с на 30 м высоты. Для остальных выбранных карт полагалось, что сдвиг ветра отсутствует. В результате сдвиг ветра был обнаружен в семи случаях.

Также были обработаны данные, полученные с аэрологической станции в те же 19 периодов времени, которые были отобраны на первом этапе при анализе радиолокационных данных. Для каждой пары смежных по высоте отсчетов скорости и направления ветра рассчитывался сдвиг ветра по формуле

, (12)

Где W_i - сдвиг ветра;

h_i, h_i+1 - высоты, на которых сделаны измерения;

V_i, V_i+1 - скорость ветра на этих высотах;

q_--i,--q_i+1 - направление ветра на этих высотах.

Критерием обнаружения сдвига ветра, так же, как и для радиолокационного метода, считалось превышение градиентом скорости величины 1 м/с на 30 м высоты. В результате сдвиг ветра был обнаружен в девяти случаях.

В таблице 1 сведены результаты обнаружения сдвига ветра разработанным и опорным методами.

Таблица 1 - Сводная таблица расчета сдвига ветра.

Месяц, год	Дата	Время (UTC), ч	Аномально широкий спектр	Радиолокационный метод	Аэрологический метод
				Данные	Расчет	Величина сдвига, м/с на 100 футов
				Ширина спектра	Ra,, км	?h, км	?V, м/с	?V/??h, м/с на 100 футов
				(-1), м/с	, м/с	(+1), м/
Декабрь, 2011	3	00	Есть	3,25	8	3	13	225	14,61	1,96	2,09
	5	00	Есть	2	7	2,5	18	315	13,25	1,3	1,02
	10	00	Нет	-	-	-	-		-	0	1,82
	16	12	Нет	-	-	-	-		-	0	0
	18	12	Есть	1,5	7	2,25	9	160	13,47	2,6	2,8
Январь, 2012	3	12	Нет		-	-	-		-	0	0
	4	12	Есть	2,5	7	1,5	9	300	13,38	1,4	1,97
	5	00	Есть	1,75	7,75	2	10	175	15,04	2,6	1,89
	7	00	Нет		-	-	-		-	0	0
	12	00	Нет		-	-	-		-	0	2,76
	13	00	Есть	1	7,25	2	10	175	14,15	2,46	4
	15	12	Нет		-	-	-		-	0	0
	21	12	Нет		-	-	-		-	0	0
	22	00	Есть	2,25	7	1,75	37	650	13,41	0,6	0
Январь, 2012	5	12	Нет		-	-	-		-	0	0
	8	00	Нет		-	-	-		-	0	0
	22	00	Нет		-	-	-		-	0	0
	23	00	Есть	1,25	7	1	17	300	13,82	1,41	1,4
	24	00	нет		-	-	-		-	0	0

На заключительном этапе была оценена результативность разработанного метода. Для этого были рассчитаны оправдываемость и достоверность обнаружения сдвига ветра в соответствии с разработанной методикой.

Формула для расчета оправдываемости обнаружения сдвига ветра:

(13)

Где N_х/аэро - количество зафиксированных случаев сдвига ветра методом на основе оценок ширины спектра радиолокационного сигнала, подтвержденных аэрологическим методом;

N_аэро - общее количество случаев сдвига ветра, зафиксированных аэрологическим методом.

Достоверность обнаружения сдвига ветра вычисляется по формуле:

(14)

Где N_х - общее количество зафиксированных случаев сдвига ветра методом на основе оценок ширины спектра радиолокационного сигнала.

В результате расчетов были получены следующие значения: P_опр = 78%; P_дост = 100%. Они подтверждают высокую результативность разработанного метода.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе работы над диссертацией.

1. В результате анализа методов и средств обнаружения опасного сдвига ветра сделан вывод об актуальности разработки такого метода обработки информации, который позволил бы использовать для этих целей доплеровские метеорологические радиолокаторы, устанавливаемые в настоящее время в большинстве крупных аэропортов России. Однако реализация традиционных способов обнаружения данного опасного явления через восстановление вертикального профиля ветра (методом VAD, например) оказывается невозможной без изменения их конструкции или режима работы. Одновременно было обращено внимание на то, что карты ширины спектра радиальной скорости гидрометеоров часто показывают характерные распределения параметра в виде полуколец повышенных значений. Сопоставление данных карт с другими продуктами системы вторичной обработки радиолокаторов ДМРЛ-С позволило выдвинуть гипотезу о том, параметры указанного распределения связаны с параметрами вертикального профиля ветра и могут быть использованы для обнаружения сдвига ветра. При этом достаточно только дополнительной обработки информации, получаемой радиолокатором в штатном режиме без каких-либо изменений в его конструкции или режиме работы.

2. Разработана модель пространственного распределения ширины спектра сигнала, принимаемого метеорологическим радиолокатором, при наличии в пограничном слое атмосферы сдвига ветра. Рассмотрены несколько вариантов метеообстановки: «скачок» по величине; «скачок» по направлению; сдвиг по величине; сдвиг по направлению. На полученных численным методом картах были зафиксированы те же характерные распределения рассматриваемого параметра, что и на реальных картах радиолокатора ДМРЛ-С. Это подтвердило правильность сделанной гипотезы. Было установлено, что изменения параметров сдвига ветра ведет к изменениям следующих характеристик распределения ширины спектра радиальных скоростей частиц: максимального значения; угла, под которым располагаются области повышенных значений; скорости «завития» спирали этих областей.

3. Сделан вывод о том, что наиболее информативным из трех приведенных выше параметров является максимальное значение ширины спектра радиальных скоростей гидрометеоров. Решена обратная задача нахождения величины сдвига ветра по оценке последнего для двух возможных вариантов метеообстановки - «скачка» и сдвига ветра. Установлено, что именно первый из них является универсальным и на основе полученных для него закономерностей сформулирован метод обнаружения сдвига ветра по оценкам ширины спектра радиальных скоростей частиц.

4. На основании разработанного метода определена методика, позволяющая по полученным данным о максимальном значении ширины спектра радиальных скоростей гидрометеоров и ее значениям в смежных по вертикали элементах разрешения оценить величину сдвига ветра независимо от того, вызван он изменением величины скорости частиц или ее направления.

5. Проведена экспериментальная проверка разработанной методики путем сравнения получаемых с ее помощью данных с данными аэрологического зондирования. В результате подтверждена работоспособность новой методики.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в российских рецензируемых научных журналах

1. Денисенков, Д.А. Обнаружение сдвига ветра на основе анализа карт ширины спектра сигнала, принимаемого метеорологическим радиолокатором / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков // Вестник РосНОУ. - 2015. - № 10. - С. 10-13.

2. Денисенков, Д.А. О влиянии сдвига ветра на пространственное распределение ширины спектра радиолокационного сигнала / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2016. - № 1 (21). - С. 5-14.

3. Метод обнаружения сдвига ветра при помощи доплеровского метеорологического радиолокатора / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков, Р.В. Первушин, Г.Г. Щукин // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2016. - № 3 (23). - С. 68-73.

4. Радиолокационные исследования поля ветра в атмосфере / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков, Д.М. Караваев, Г.Г. Щукин // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2016. - № 12/2. - С. 15-19.

5. Экспериментальная проверка метода определения сдвига ветра по ширине спектра радиолокационного сигнала / Д.А. Денисенков, М.А. Жданова, В.Ю. Жуков, Г.Г. Щукин // Ученые записки РГГМУ. - 2016. - №45. - С. 113-118.

6. Исследование эффективности метода обнаружения сдвига ветра по оценкам ширины спектра радиолокационного сигнала / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков, О.А. Сивак, Г.Г. Щукин // Ученые записки РГГМУ. - 2016. - № 42. - С. 109-116.

7. Верификация метода обнаружения сдвига ветра по оценкам ширины спектра радиолокационного сигнала / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков, О.А. Сивак, Г.Г. Щукин // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. - 2016. - № 2 (653). - С. 159-163.

8. Восстановление поля ветра методами метеорологической доплеровской радиолокации / А.М. Девяткин, Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков, Ю.В. Кулешов, С.В. Чернышев, Г.Г. Щукин // Метеорология и гидрология. - 2018. - № 1. - С. 107-115.

Публикации в других изданиях

1. Денисенков, Д.А. Исследование влияния профиля ветра в пограничном слое на пространственное распределение ширины спектра / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков // Труды III Всероссийской научной конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды» - СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2014. - Т. 2 - С. 65-71.

2. Денисенков, Д.А. Оценивание характеристик высотного распределения скорости ветра в пограничном слое атмосферы с помощью карт ширины спектра сигнала, принимаемого метеорологическим радиолокатором / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков // Труды XXIX Всероссийского симпозиума «Радиолокационное исследование природных сред». - СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2015. - Т. 2 - С. 332-339.

3. Денисенков, Д.А. Исследование зависимости пространственного распределения ширины спектра радиолокационного сигнала от распределения ветра по высоте в пограничном слое атмосферы / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков, Г.Г. Щукин // Сборник трудов V Всероссийских Армандовских чтений «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». - Муром: ВлГМУ, 2015. - С. 176-180.

4. Денисенков, Д.А. Исследование эффективности методов радиолокационного измерения профиля ветра / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков // Сборник трудов VI Всероссийских Армандовских чтений «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред». Муром: ВлГМУ, 2016, С. 402-406.

5. Денисенков, Д.А. Определение величины сдвига ветра по направлению с помощью карт ширины спектра радиолокационного сигнала / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков // Сборник трудов VII Всероссийских Армандовских чтений «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции радиоволн». - Муром: ВлГМУ, 2016. - С. 402-406.

6. Денисенков, Д.А. Метод восстановления профиля ветра по оценкам ширины спектра радиолокационного сигнала / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков, Г.Г. Щукин // Материалы Х Санкт-петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2017)». - СПб.: 2017. - С. 269-270.

7. Денисенков, Д.А. Многопараметрический радиолокатор как средство контроля состояния атмосферы / Д.А. Денисенков, В.Ю. Жуков, Е.А. Коровин, Г.Г. Щукин // Материалы XI Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь». - М.: ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, 2017. - С. 277-281.

Размещено на Allbest.ru