Измерения характеристик поля скорости ветра непрерывным доплеровским лидаром тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

«о w а.

о к

А ft. со №

S

О

4

Ж

s

cu

о

I ««

I S3

^ s «

M

«t

аз

»ft. о

"4t

й

t> ta

g

Ж

as со

ta о о о аз о а о

ж x

о' я ■f*

f-l

Ül M

е-»

о »

О

о (ц

са н

о ю

« es

t» s

ft. , t»

** ж

la

S eu о

a

S

u n

£

о M

13 О

Ы >•

о.

в

в) «о а в

■ t» Л

4

■ -

к

db

■в « '

5 К и <ь о- ее

<■>

«3 •О

О

СО

»i

■ га 8.« О

в* M

со иг

•S'

о

M

о

s

ai g

£

о о.

cm

со

00

CS-

CM

ч>

s

CL. Ен M

m g

о о ft. о

■M., о

OB >ч О'

ti о ж

M ti

w

M

s ta ft. ы'

со ta

£

m

a*

ьй

g'-cc ^ §

о >=t

CP

».

H ft.

« M

as

m m

m eu

CM ■ *

-«kw О

1« h U

S

•4 »

s

01

g

M

M

n

u «

о

H «

V

Ф

s

m

m «

M

о u

g ?

' я

со to в»

i : <8

• К

U ■:<

a/..л

hb

m ®

£ *

Pl. g

ф 5

О S

о S

м "

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .

Проблеме дистанционного измерения скорости ветра я параметров атмосферной турбулентности уделяется достаточно больяое внимание. С одной стороны это связано с необходимостью значительных экспериментальных исследования для понимания процессов обмена в атмосферном пограничном слое (внсота до I - 1,5км) для совершенствования предсказания погода и теории климата. Для пограничного слоя пока не построено сколько-нибудь общей .теории, не существует общепринятой параметризации. С другое стороны &сть острая необходимость решения некоторых специальных задач: I.Обеспечение безопасности полетов самолетов. .Воздушные катастрофы вследствие ^зарегистрированного сдвига ветра над ;взлетно-посадочной полосой вышли едва ли не на первой место.

2.Мониторинг распространения с ветровыми потоками атмосферни загрязнений в промышленных районах и крупных городах.

3,Метеорологического обеспечения работы больших телескопов.

Использование для этих цели доплеровских лидеров :(ДД)

может составить конкуренцию дорогостоящим и большим/радарам ясного неба я менее устойчивым к акустическимпомехам содара*» Более того, потенциал непрерывных ДД для указавших целей, яа наш взгляд, раскрыт еще яе в полной мере.

Цель диссертационной работы?

1.Анализ зависимости сигнала непрерывного ДД от параметров измеряемого поля,скорости ветре я параметров самого лидара.

2.Создание автоматизированной системы сбора, обработки я хранения информации для непрерывного ДЛ.

3.Проведение• параллельных сравнительных измерений профиля, вектора и структурной постоянной скорости ветра»: в натурных условиях непрерывным ДД я стандартными контактнвми способами.

4.Проведение натурных измерений скорости ветра.

Научная новизна работы: ¡.Получена связь спектра мощности фототока непрерывного ДД я измеряемого поля скоростя ветра.

2.Предложен новый метод измерения структурной постоянной поля скорости ветра по сигналу непрерывного ДД.

3.По предложенному методу в натурных условиях проведена количественно подтверждающие его измерения структурной

о m i

и «

О с я

te a m

а о. о

ф ш и

а> Й 1». о. ч о м

• «

« s . hm«

Я Ot M

m ti I

tr Ч Я-

а о в

ч и о

я- »

я - ш

га я ж

о я

я я "tu.,-

а» **

в о

я о м--

m U- ■■

и о в».,,

'Я ■

о

м я a

< в Su

:<•*,-о «к-.

' я' «ir ■

» -я ,,*>'■,

'--■si' я ф

■г» Я *> ф . ■ ■■ - Я

bt H ц Ф я

■ m .я. м. •

m я о

я о

mm в

о. в

м о ч

о

»

■■я а

.s;

w

я

ч> -

**- я-.'

■м -я-,

В: m «о i, m m :

■ -■ f» , <в .

я -tw'. <u

N -o n : 4 o to w

я » ; >>

cd «v

-я-о о.

о ■

а о»

а« то

S

ob

я

h

о о

л ■

я

>>

к

« я

0 я

Я Я •

О. О M

01 « я

«.«гш

u m

о ь и

Я M о

ь к Ч

« й> о

в а

Я я я

я

«

* * "т

О. M я

**. tr Я

V Р»

m я л

«

2

■Ш- я fr Я m

а. ч ■■ о ф о. я « о к

tí' «S .Я' ■ ■ о я

Е4 а a я

к ta>. .f. Я PtfX m я лi ® ч о

Pal». О

а> я Я'.1 ,*■ Р. Ч и о во«

m я я

я |< о

ч о (•

• о •

Я о. я моя

'' Я Я

о я

«В О.

Я M

я я о

J» я о

ч я ю

■ « о »• <х

Я « к я

«в « в Я

о. • О О'.'Я

h *♦

о u

Я Я Q

Я .я. « в >

я я я

« а ®

Ф я ч

ч « t» V- к

Я о о.

в* я е*

ш н: О.

ф О ',. -В U

: .-о■ « . я

о а п

*•■■■«■ о

ЯНА

к ■

о я (v

а я

о а я

А О В<

I - *• Я « Я

о я я

я я о

CT О Ф

Я в V « 1С Я

Б 5 S 3 s °

a I«

et л m и . я

.£ f-'- Q

ж «• m

. «0 г

в» О. я в' **

я « о

в в *>

о о я

Ф О К

В О. я

ь» а р,

о я ...

- "о

"Я, - . .'

о я «

*• я a

a о g то и я

•5 -л- " о

s s §

Я 'Ou 'да

в. .*?'. я' о «О

•■■-■» ч

■О g

Я CL, '

я я в о я. я В а

я я о а •я- а. №

я ■ в я о M Я я

ф ш. и h " о я л'*'

ч О' о о ф ' В'. о Я" ¥ «

m ш о « я о Я' • Я.

m я я я я я- Я M о. M

m о H ч ■ M Я ф О

-Я' я л я f «л Ш ф

о -и ф к я Я" т. *

ta и ч о m йг ф. со я я

• /1« о ' s я в t-

«р. » 9 о< « ■Р' о

о в< я '.-А ■»• 0, 1»

я t» ф W а ф 43 я

« t. а в. а в.. Я 'Я

Ф О

я ^

я о

» ч

я я

п •

■ m Я

о

h

' я ч

о »í

, »• ' -. «

я

• о в. . ■ п »г

4 п « а я а

f-o ■■,.,

5 в<

« а я

« Я О

я ■> о

S. я а.

я о

(О Я я

О 6< о

о. о ■■.;'.

ф: "Bf *я ч о, ф в «» ч

о » « «

■ ■ «о. я ,

4Я О. О.

я - а>

я m ' я

а m

Ф в я

ее. о .. ,■

я »* *í *>■<*■■»

В <=С я о о 5 ■ « Я '

я я а

№ Я ■„ «i '"о «*•-

IM я

t>> Я M яки

я о

ф

' » V я

•я Я Я

1 h |>

Я о .

е> ч •>

а> о О

V о. я

я » а

й Я О

й ч

ч ' о

о о ь. 0. .я

«ял

я — —

а. • я

m я я

Я-

ф о. о

ф я

я а> вг

я я я

S я

к у ü -

о«

я Я Я

Я .-Я.''«*

7 и '

п о м

» 8 я

i*'.« а>

Я я о .

» о »

g Ч Я

а. я о

. ч

ф л «в .

« сь к

ч я .

Q <0

я

i

m I

2) Доплеровский сдвиг частоты линеен по скорости, поэтому удобнее сразу рассматривать спектры зависящими от скорости, а не частоты. 3) Рассеивающих частичек в атмосфере достаточно много - даже в чистом атмосферном воздухе в 1си3 содержится не менее Ю2 различных частиц (пыль, пыльца, аэрозоль и т.д.) с характерными размерами от долей до единиц микрометров, которые из-за своего малого размера полностью увлекавтся ветром. Поэтому можно отождествлять локальную скорость ветра и скорость движения рассеивателей.

Мгновенный с.м. фототока ДЛ, порожденный рассеянием на одном рассеивателе предполагается имеющим вид дельта-функции. Обсуждаются физические аспекты такого предположение.

В реальных экспериментах мы имеем дело со с.м., усредненном за некоторое время т. Т.е. мы получаем функцию:

s2(v) з | ^(v.t, H(t) dt = = }J (3fr,t) § fr,t) H(t) «( v-V<r,t) ) ¿T dt (I)

Т.о. с.м. доплеровского сигнала есть гистограмма распределения продольной скорости, взятая с пространственно-временным весом |3<r,t) pQ(r,t) H(t).

В § 2.2 исходя из формулы (I) показывается, что п-ый момент с.м. доплеровского сигнала связан с полей скорости ветра только через поле n-ой степени скорости скорости ветра. Предполагая независимость флуктуаций поля скорости ветра, коэффициента обратного рассеяния и рефрактивных свойств атмосфера получаем, что среднее значение n-го момента с.м. доплеровского есть среднее значение n-ой степени скорости скорости ветра, взятое с пространственно временный весом <^(r,t) P0<r,t)>H(t). Угловые скобки означают статистическое среднее.

Отсюда следует, что I) среднее значение центра тяжести с.м.фототока ДЛ есть несмещенная оценка средней скорости ветра, если последняя существует и не зависит от координат и времени и 2) сумма дисперсии центра .тяжести и квадрата интегральной ширийн (2-го нормированного центрального момента) с.и.фототока есть дисперсия флуктуаций скорости ветра, е/зда последняя существует и не зависит от координат ш времена.

где о( г ) - структурная функция поля скорости ветра,

= аЩ Рв(г, )Н(Ч> - г + - ч> >н(^> а?

а - константа, обеспечивавшая | у^Сг) <гг * i, где 70 - вектор средней скорости ветра.

Т.е. < > есть половина среднего значения структурной функции скорости ветра, взятого с весом, зависящим от параметров ДЛ, измерения и средней скорости ветра. При этом, если

| и2 (г) сГг « I и { ^ (г) ¿г « I,

г < г > ьех1

' внутренний масштаб турбулентности, для атмосферы имеет порядок сантиметра. ьехЬ - внешний масштаб турбулентности, характерный размер рассматриваемой области. Т.е. если основная часть веса приходится на инерционный интервал, то <Дд> пропорционален с^ - структурной постоянной поля скорости ветре.

Далее показано, что при определении соотношения между с2 и < Ад > среднюю скорость ветра v0 необходимо звать с точность« до Шт. На практике Дь/т часто достигает нескольких десятков м/с, и влиянием на <д*> можно вообще пренебречь, я при дь « ьехЬ использовать совтноиеяяе:

< ь1 > = с* к1(р/ь0) (2 ш2/г (2)

Результат численного расчета кгШ приведен на рис.2.

Е§ 2.5 приводится описание методов дистанционного измерения с^ по сигналу импульсно-когеревтвнж радаров. Показывается внутреннее родство методов обработки сягкадо* для радаров в ДЛ. Сравнение теоретических посылок предлагаемого метода в радарных (принципиально различных их два) вокаэввае?, что предлагаемый исполъзуег меньше ограничений. Постоянство коэффициента обратного рассеяния полагается по сути во всех трех методах. Две радарных метода фактически предполагает мгновенность измерения, по не позволяет использовать длительное накопление сигнала. )тметии, что радарные методы в принципе могут быть адаптирован с немгновенному измерению. Более существенно на нав взгляд

использование предположения в одной из них сферической сииыет-рии измерительного объема, г в другом гауссовости флуктуации разности скоростей в двух точках. Предлагаемый подход показывает, что возможно получение связи между структурной функцией и <Дд> не используя таких сильных ограничений.

$ 2.6 посвящен отношению сигнал/шум для непрерывного ДЛ. в литературе для ОСШ непрерывного ЯЛ обычно записывают:

в Рр т X р . 1С

ОСЩ = -?-1 - * агс*д (-£->) <3>

е Д£ 1 2 V -

е - заряд электрона, &£ полоса частот приемной системы. Такое выраж&ние можно получить проинтегрировав р0<г,^ по г и

разделив полученное на шумы гетеродинированяя в полосе Д£. Стандартный вывод: ОСШ при изменении р от 0 до » падает в 2 раза. Однако в ДЛ информация получается из с.и. фототока, а значит при вычислении ОСШ нужно учитывать лишь шум попавший в полосу частот сигнала. Положим полосу частот равной удвоенной интегральной полуширине с.м. - кг = 2 2/Х. Используя (2) и

учитывая, что I / <1(р/ь0)~ а? 1.1, получаек:

в Рр т X2 р (. , ь,, 1 1/3

ОСШ = 0,22

Ограничения на применимость полученного выражения - это ограничения применимости формулы (2) пльс требование к полосе частот сигнала быть не меньше аппаратного уяярения Это предотвращает формальное обращение ОСЩ в бесконечность при г * 0. На рис.3. приведены изменения ОСШ от Р/Ьр, даваемые формулами (3) и (4). Для определенности значение ОСШ при К/Ьр « 0,4 принято за I. Учет изменения полосы пропускания приводит к качественно иной зависимости ОСШ от р.

Глаза з посвящена ослсаниь используемых в работе установок: ДЛ1 и ДЛ2. Каждый из этих лндаров можно разделить на два блока: оптико-механический и устройство обработки информации. Оптико-механический блок реализует оптическую схему ДЛ я имеет своим выходом фототок фотоприемника после предварительного уся-

В 5 4.1.1 описаны оборудование и методика измерений на ВМЙ, НПО "Тайфун", г.Обнинск, Калужская обл. ВММ представляет собой единственную в нашей стране метеорологическую мачту выше 100м. Погрешности измерения скорости ветра ч для аппаратуры ВПК (контактные механические датчики типа 16А-1): 0,5 м/с + 0,05у; направления: 10°; диапазон измерения скорости ветра: 1,5 * 50 м/с; направления 0° * 360°. Измерения производятся на 12 уровнях на высотах I, 2, 4, 8, 25,.49, 73, 121, 169, 217, 265, 301 м. При проведении одновременных с ДЛ измерений всегда использовалось осреднение данных за 10 мин, как наиболее часто встречающееся в практических метеорологических измерениях.

В § 4.1.2 приведены результаты одновременного измерения профиля скорости ветра с помощью ДЛ1 и аппаратуры ВММ. ДЛ находился на расстоянии 225 м по азимуту £>0 - 125°. р = 226 м либо 152 м. Угол места зондирования е был выбран исходя из условия, что центр измерительного объема должен быть на высоте какого-либо анемометра ВММ. Длина измерительно объема по уровню 1/2 в этих случаях составляла 126 и 60 и соответственно.

В течении одной серии измерений ( Юмин ) р оставалась неизменной, менялся лишь £, Т.о.последовательность измерений для ДЛ была следующей: в течении времени х проводилось измерение ( % = 7с соответствует число усреднений с.м.фототеке нА=128, х = 14с - нд=256), результат записывался на гибкий магнитный диск, менялся е и цикл повторялся. Это происходило в течении т = ю мин одновременно с измерениями на ВММ. При этом удава-лось сделать по 5-7 измерений на каждой высоте. Для получения сравнимых величин данные ДЛ пересчитывались на модуль скорости.

Коэффициент корреляции данных ДЛ и ВНМ по всем (35) измерениям: 0,95; коэффициенты линейной регрессии: 0,95 в 0,77 м/с. Эти коэффициенты для измерений только с р а 256 и (15 измерений): 0,93, 1,04 и 0,47 м/с, а для измерений только с г = 152 м (20 измерений) 0,96, 0,94 и 0,78 м/с соответственно.

в § 4.1.3 приведены результаты одновременного измерения структурной постоянной поля скорости, ветра с помощью ДЛ1 и аппаратуры ВММ. ДЛ находился на' расстоянии 225 и, ро » 125°. Методика проведения этих экспериментов: одновременно с измерениями на ВММ проводилась серия измерений с помощь» ДЛ, в которой параметры измерения (р, г, р, нА) оставались неизменными.

- 13 -

г

Рис. 3. Зависимость отношения сигнал/шум от параметра фокусировки. 1 -без учета изменение полосы частот сигна ла, 2 - с учетом такого изменения. Значение ОСШ при Р/1л>-0,4 принято за I.

0.1

f/Ld

1 2

о Я

о

о §-

8

1 бО . 1 АО-Ё

1 ¿о4

1 ОО

12

эовос ВММ

-----дп

Вреыа,м«а.

Р л. в в Ю 12

Рис. 4. Пример результате« параллельного измерения вектора скорости ветре с помощью оборудования ВММ м ДЛ2. Высота датчиков ВММ я центра измержтелшо-го объем* ДЛ 49 м. Фокусировка телескопа ДЛ - 96 м, 64-кратное осрсднеияе

структурной функций поля скорости ветра с весок, зависящим только от параметров ДЛ .

4. В выражении для отношения сигнал/шум непрерывного ДЛ учтено изменение полосы частот сигнала ДЛ при изменении фокусировки непрерывного ДЛ. Полученное новое выражение предсказывает большее изменение отношения сигнал/вум при изменении фокусировки непрерывного ДЛ.

5. Создана автоматизированная системы сбора, обработхи и хранения информации для непрерывного ДЛ, позволявшая производить осреднение с.м. фототока ДЛ с частотой 20 Гц.

6. Проведены одновременные измерения в натурных условиях непрерывным ДЛ и метрологически аттестованными контактными датчиками НПО "Тайфун":

- профиля проекции скорости ветра не высотах 25 - 170 м. Коэффициенты линейной регресии данных ДЛ на данные датчиков составляют 0,95 и 0,77 м/с при коэффициенте корреляции 0,95.

- вектора скорости ветра на высотах 50 и 70 м. Получено совпадение результатов в пределах точности измерений датчиков.

7. Проведены одновременные измерения структурной постоянной поля скорости ветра с помощью непрерывного ДЛ по предложенному методу и с помощью контактных датчиков скорости ветра по стандартным процедурам НПО "Тайфун". Совпадение результатов измерений подтверждает предложенный метод.

8. Проведены измерения с помощью ДЛ над морской поверхностью. Результаты измерений показывают пригодность непрерывных ДЛ' для измерений над морской поверхность*» и подтверждают а.4.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

¡.Берсенев В.И., Гордиенко В.М., Курочкзн H.H., Логутжо к.Я., Приезжев A.B., Путивский D.H., Савин B.I., Санородов В.Д. «Дистанционное лазерная доплеровская диагностика эароэодьннх потоков». // Тез. докладов хп Всесоюэ. нояф. по вогереятной а нелинейной онтике, Москве - lees - c.iis-iao. 2.Ахманов СЛ., Берсенев В.М., Гордиенко В.М., Курочмв Н.Н., Яогутко А.Л., Приезжев A.B., Савв и В.И., Саиородав Ю.Д. Ш-леровскяй гетеродинный идар для жзмервни* скорости ветра. //

лазерное доплеровской спектроскопия ■ адаптивной оптики в ч комплексной дистанционном зондирования атмосферной турбулентности. // В кн.: Атмосферная радиация я ахтмяометряя. -1988 - ТОМСК: ЯЗД. I0A СО АН СССР, С.4-9.

П.Гордиенко В .П., Курочкян H.H., Сазин В.«. Результата дистаи-ционши иэыеренай схоростя ветра веарернвням доплеровсххм лидером. // В кн.: Лазерн в народном хозяйств«. - 1988 - М.: МДНТП, С.88-92. *

12.Курочкян H.H./ Яряезхев A.B. Определение скоростя ветра ■ параметров турбулентности атмосфера недрерввннм доплеровекям лидаром¡теоретические аспекта метода я зксперяментальяяе результата.// В кн.: Прикладная физическая оптика. - 1989 -язд.МЭ1, с. 125-129.

13.Гордяенко В.И., Косовский Л-А., Курочкян H.H., Логосов Г.А., Пржезяеа A.B. Вепрерявный доплеровский лядар для измерения вектора скорости ветра вприземвом слое атмосфера. // В сО. тез. докладов всесоиз. семянгра "Измерения в яотохах. Методн,аппаратураипряменеиня* 12-14фев. 1990 - 1990 -M.s^мзд^ЦВТАН,

14.Бязова Н-Л., Гордяеяхо В.М., Курочкян Н.В., Аарячева Е.П., Мазурин н.в., Пррезяев А.В., Савмн Б.1. Совместнне язмереняя

: скорости ветра доплеровсхим лидером и аяемомеграмя яа гасотно* мачте. // Метеорология ягидрология - 1991 - м.з, С. 120-123. - ../;" .

J5.Ax«8hcb С.а., Гордиеяхо В-и.» Косовом« Л.л., Курочкян H.H., Погосов Г.А., Лриезяев A.B. ¿оплеровсхяе инфракрасные яляер-няе системы для дистанционного яэмереяяя ветровмх потоков. // 13в. 1в СССР. Свр. фязяч..1991 - t.ss, 11.2» с. 194-19».

Гб.ГордяеяЕо В.М., Курочкян В.В., Оряезяеа A.B., Яутявсхмй S.I. Язмеревяе скорости ветровмх потоков с сомом» доояаровского лидара на базе одночастотиого TEA С02 лазера. // В хм.: faa. докладов Xi Всесовз. сямя. по распространения лазаряого : излучения в атмосфера я водннл средах, Томе» - 1991 - с. 1*3.

17.Гордяевко В.М., К/рочкнн В Н., Прявзхаа A.B., ПутяасхяВ В.Ж. Измерение скорости ветровил потоков с оомояы* допларовсхого лядара на базе одночастотиого TSa С02 лааара. // Оятмяа ЭТМОСферН. - 1991 - Т.4, Я.10 - С.1114-1117.

18.uordieako V.M., ДкЬамют ».»., tamMv Y.I., toawity t.1.,