Разработка информационного обеспечения акустических комплексов и их применение в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн

Стафеев, Павел Георгиевич

Разработка информационного обеспечения акустических комплексов и их применение в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Стафеев, Павел Георгиевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка информационного обеспечения акустических комплексов и их применение в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн»

Автореферат диссертации на тему "Разработка информационного обеспечения акустических комплексов и их применение в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн"

На правах рукописи УДК 551.501.796:551.510.522

Стафеев Павел Георгиевич

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2010

2 5 ФЕБ 2010

003492360

Работа выполнена в Институте мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС) СО РАН и в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Красненко Николай Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Татаринов Виктор Николаевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Надеев Александр Иванович

Ведущая организация:

Институт физики атмосферы РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится «29» марта 2010 г. в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.268.04 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, проспект Ленина, 40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634034, г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан «12 » февраля 2010 г. Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., профессор с<:7 Акулиничев Ю.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена разработке и созданию информационного обеспечения автоматизированных ультразвуковых метеорологических комплексов для локальных измерений параметров приземного слоя атмосферы, акустических локаторов для дистанционного зондирования атмосферного пограничного слоя, аппаратно-программных комплексов для исследования приземного распространения звуковых волн, прогнозирования их характеристик и дальности звукового вещания.

Атмосферный пограничный слой (АПС) характеризуется наибольшей изменчивостью своего состояния. Детальное изучение и понимание физических процессов, протекающих в АПС необходимо для решения ряда важных фундаментальных и прикладных задач физики атмосферы, распространения волн различной природы.

Для решения этих задач актуален оптимальный выбор информационно-измерительных средств получения необходимых характеристик атмосферы. Непрерывный рост требований к количеству и качеству измеряемых характеристик, к точности получения текущей и прогностической метеорологической информации, а также к её оперативности, пространственному и временному разрешению, привели к необходимости разработки более совершенных информационно-измерительных средств локальных и дистанционных измерений различных характеристик АПС.

Качественные и количественные характеристики распространяющихся в АПС звуковых волн также определяются метеорологическим состоянием атмосферы, а их прогнозирование во многом определяется исходной метеорологической информацией.

Таким образом, актуальность темы настоящей работы определяется:

- ростом требований к точности оперативной информации о численных характеристиках и пространственно-временной структуре полей метеорологических величин в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн;

- необходимостью разработки более совершенных информационно-измерительных средств локальных и дистанционных измерений различных характеристик АПС;

- необходимостью оценки влияния метеорологических величин, измеряемых акустическими методами и вычисляемых на их основе турбулентных параметров АПС, на качество прогнозирования характеристик приземного распространения звуковых волн.

Основная цель диссертационной работы состояла в разработке информационного обеспечения акустических комплексов и их использовании в исследованиях приземной атмосферы, распространения звуковых волн, прогнозирования их характеристик и дальности звукового вещания звуковещательных станций.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- впервые разработан и создан аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0» прогнозирования распространения звуковых волн и дальности звукового вещания звуковещательных станций в приземной атмосфере, где применены геоинформационные технологии;

- впервые оценена возможность использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы;

- впервые исследовано влияние характеристик ультразвукового метеокомплекса (времени осреднения, частоты съёма информации) на качество измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы.

Практическая значимость работы заключается:

- в использовании разработанных акустических комплексов в исследованиях приземной атмосферы, распространения звуковых волн и прогнозирования их характеристик;

- в принятии устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций, в состав которого входит разработанный и созданный программный комплекс, на снабжение вооруженных сил РФ и к тиражированию.

1. Информационное обеспечение ультразвуковых измерительных комплексов с гальванически развязанной системой связи и акустических моностатических локаторов с применением внешнего модуля АЦП/ЦАП на шине USB 2.0 позволило получить высокие эксплуатационные и функциональные возможности измерения метеорологических и турбулентных характеристик приземной атмосферы.

2. Частота дискретизации 5 Гц и более и временной интервал осреднения 20 мин для измерений ультразвуковым метеорологическим комплексом соответствуют минимальной погрешности определения турбулентных параметров атмосферы.

3. Установка ультразвукового метеорологического комплекса на транспортное средство обеспечивает измерение метеорологических параметров с достаточной точностью, но создает существенные погрешности при вычислении турбулентных характеристик атмосферы.

4. Использование геоинформационных технологий позволяет создать аппаратно-программный комплекс прогнозирования распространения звуковых волн в атмосфере, достаточный для оперативного планирования тактики использования звуковещательных станций.

Апробация результатов

На за у выносятся следующие положения:

symposiums on acoustic remote sensing and associated techniques of the atmosphere and oceans (Auckland New Zeland, 2000, Cambridge UK, 2004); XI International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans (Rome, Italy, 2002); XII, XIV International Symposiums for the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing (Garmisch - Partenkirchen, Germany, 2006, Roskilde, Denmark, 2008); X, XV, XVIII сессиях Российского акустического общества (Москва, 2001, 2004,2006).

По результатам диссертационной работы опубликованы 3 статьи в отечественных рецензируемых журналах и 35 научных отчетов, статей в нерецензируемых сборниках и сборниках трудов конференций.

Личный вклад автора

Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Большинство опубликованных работ написано в соавторстве с научным руководителем д.ф.-м.н., проф. Н.П. Красненко. Личный вклад автора состоит в разработке алгоритмов и программ, а также проведении экспериментальных исследований и анализе полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание работы изложено на 172 страницах, включая 7 таблиц и 89 рисунков. Список литературы содержит 103 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость диссертационной работы. Определены цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются общие представления о строении пограничного слоя атмосферы и теория подобия для приземного слоя атмосферы. Также проводится обзор методов измерения и вычисления метеорологических и турбулентных характеристик приземной атмосферы. Среди них стандартные методы измерений с использованием самолетов-лабораторий и высотных метеорологических мачт, пульсационный ультразвуковой акустический метод локальных измерений и метод дистанционного акустического зондирования атмосферы.

Метод локальных акустических измерений основан на использовании зависимости скорости звука в воздухе от его абсолютной температуры, скорости ветра и влажности (уравнение Клапейерона):

-'к

1+0.31926 107т"2£

ра

где х = = 1.402 - отношение теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме; р = 28.96 - молекулярный вес газа; Я = 8.315-Ю7 -универсальная газовая постоянная, эрг/град; Т^ - температура, К; ра - атмосферное

давление; Е - относительная влажность воздуха; т = 7.66577(243.33+7); Т -температура воздуха, °С.

Принцип работы акустической метеостанции заключается в измерении времени прохождения акустического сигнала между парами ультразвуковых преобразователей (датчиков), разнесенных на известные расстояния вдоль выбранных направлений. При этом оценивается модуль групповой скорости звука, используя соотношение расстояний между парой датчиков деленного на время прохождения акустического сигнала между этими датчиками. Поскольку вектор скорости характеризуется значениями его трех ортогональных компонент, то для алгоритмического выделения вкладов ветра и температуры в получаемые значения групповой скорости необходимо иметь минимум четыре канала распространения ультразвука в воздухе, отличающихся по ориентации в пространстве.

К главному достоинству ультразвуковых метеостанций можно отнести то, что из их данных непосредственно вычисляют различные параметры турбулентности для приземного слоя атмосферы. Этих параметров достаточно для оценивания динамического режима турбулентности в приземном слое атмосферы, в том числе для определения класса устойчивости атмосферной стратификации, а также восстановления профилей атмосферных параметров до высоты верхней границы приземного слоя атмосферы. .

Дистанционное зондирование атмосферы звуковыми волнами основано на эффектах сильного взаимодействия этих волн с атмосферой, в частности на способности акустических волн рассеиваться на неоднородностях показателя преломления образованного атмосферной турбулентностью. Оно оказывается намного сильнее, чем для электромагнитных волн большинства областей спектра, и поэтому для зондирования может быть использована относительно простая аппаратура. Можно выделить пять основных типов взаимодействия звуковых волн с атмосферой, на основе которых разрабатываются методы зондирования:

1) зависимость скорости звука от значений метеопараметров;

2) рассеяние;

3) поглощение, имеющее сильную частотную зависимость;

4) рефракция; /

5) доплеровский сдвиг частоты измерения.

Сущность метода акустического зондирования заключается в следующем. В атмосферу направленно излучается звуковой сигнал, который, распространяясь, взаимодействует с ней. Рассеянное неоднородностями или проходящее излучение 'принимается приемной антенной, и по его параметрам судят о характеристиках атмосферы.

Приведённый обзор методов для измерения метеорологических параметров и определения турбулентных характеристик в АПС показывает, что контактные

методы (такие как измерения с мачт, самолётов, привязных аэростатов) весьма громоздки и дороги. Это делает их практически непригодными в задачах непрерывного контроля (мониторинга) АПС и распространения звуковых волн. К тому же используемым стандартным метеорологическим приборам присущи существенные инерционные и радиационные ошибки. Следовательно, очевидно преимущество локального ультразвукового метода измерений характеристик атмосферы в приземном слое и метода дистанционного акустического зондирования АПС над контактными методами, особенно в практических приложениях распространения волн, где требуются мобильные комплексы.

Однако при вычислении турбулентных параметров приземной атмосферы с применением локальных ультразвуковых измерений восстановленные в рамках модели Монина-Обухова профили атмосферных параметров не отражают реальных значений, а лишь приближают их с определённой погрешностью. В данном случае преимущество имеют дистанционные методы измерения, которые реально измеряют профили атмосферных параметров.

Таким образом, важен оптимальный выбор средств измерений и модели атмосферного пограничного слоя применительно к решению конкретной прикладной задачи. Так же следует учитывать характер задачи, для которой проводятся измерения, сообразуя с ними частоту и продолжительность измерений во времени и пространстве, а так же требования к точности, инерционности и другим параметрам измерительной аппаратуры. Отсюда возникает необходимость создания информационно-измерительных комплексов на основе описанного локального ультразвукового и акустического дистанционного метода, а так же проведения исследований с использованием этих комплексов применительно к конкретным задачам приземного распространения звуковых волн и звукового вещания.

Описание созданных информационно-измерительных комплексов с применением локальных акустических и дистанционных методов измерений, результаты исследований с их использованием, а также обоснование и выбор оптимальных параметров измерений, представлены в последующих главах.

Во второй главе описываются разработанные и созданные с непосредственным участием автора аппаратно-программные комплексы для измерения параметров атмосферного пограничного слоя и распространения звуковых волн в атмосфере.

Рассматриваемые в этой главе аппаратно-программные комплексы для измерения параметров атмосферного пограничного слоя и для приземного распространения звуковых волн представлены в порядке их разработки и создания, где конкретным вкладом автора была разработка алгоритмов и программ по обработке измеряемых параметров атмосферы, архивации и визуализации полученных данных.

Созданный в 1999 г. совместно с В.В.Бурковым ультразвуковой метеорологический комплекс (рис.1) представляет собой устройство по предварительному сбору метеорологической информации, в состав которого входит акустическая головка, сопряжённая с персональным компьютером через

последовательный порт, датчики давления и влажности, а так же программа по сбору и отображению информации.

Для избавления от недостатков, связанных с подключением датчиков непосредственно к последовательным портам компьютера, совместно с В.И. Галкиным и В.Г. Ушаковым разработан и создан двухуровневый автоматизированный метеорологический комплекс с гальванически развязанной системой связи (ГРСС). ГРСС предназначена для подключения приборов, имеющих последовательный интерфейс типа Я5-232 и организации связи нескольких блоков по последовательному каналу №-485 на расстоянии до 1000 м, буферизации принимаемых блоков информации.

Рис. 1. Внешний вид ультразвукового метеокомплекса (слева) и программный интерфейс (справа) с отображением текущих параметров измерения (компонент скорости ветра, температуры, давления и влажности)

1 - монитор

2 - системный блок

3 - развязанная система связи

4 - микроконтроллер-приемник

5 - микроконтроллер-передатчик

6 - кабель

7,8 - ультразвуковые головки 9,10 - датчики давления и влажности 11 - метеомачта

Рис. 2. Структурная схема автоматизированного метеорологического комплекса

Измерительный комплекс с применением ГРСС размещался на полигоне ИМКЭС СО РАН и состоит из стационарной (приемной и обрабатывающей) и

выносной (измерительной) части. Структурная схема комплекса приведена на рис. 2. На рис. 3 приведен интерфейс управляющей программы.

Созданный всепогодный метеорологический комплекс позволяет в автоматическом режиме проводить непрерывный мониторинг метеорологических величин и характеристик атмосферной турбулентности.

Также, с непосредственным участием автора, были разработаны и созданы два акустических локатора: минисодар (совместно с В.Ю. Ивановом) и содар «ЗВУК-З» (совместно с Е.Е. Мананко).

• х »«*» бх аНЕ1я

■V /.. ШЖкШуЪт/* Шо! аА

т:

УМ«

/ I л 1 ИИ — - — 2 7;5 3 15 ЛхДм! 35 Л 1 и •г!» ад- 2«г ± гаг

Э"£Г

-а: ''у - 5 ■ ^ - •"

« 11»« ' ИЫН4' I

Рис.3. Интерфейс двухуровневого (различные стрелки) измерения трех компонент скорости ветра, температуры, горизонтального ветра и его направления (слева) и (справа) текущая запись мгновенных значений метеорологических величин (трех компонент скорости ветра и температуры) на двух высотах (разные кривые). По

горизонтали - ч; мин: с

[л—

эк

"С

о— о—

эк

"С

Рис. 4. Структурная схема трехкомпонентного доплеровского акустического локатора (слева) и внешний вид акустический локатора «мС-1» (справа)

Минисодар «мС-1» (рис. 4) работает на частотах от 3 до 7 кГц с минимальной высотой зондирования 8 м, максимальной высотой 200 м и разрешением 8 м. Из-за его малых размеров он легко может быть применен в том числе и для измерений характеристик осадков непосредственно с поверхности земли.

Предварительные испытания показали, что данный минисодар может быть использован для исследования физических процессов рефракции звука, рассеяния 1 звука турбулентностью, контроля нижнего слоя атмосферы, с его помощью можно получать профили ветра, температурную стратификацию, параметры осадков и турбулентности.

Моностатический доплеровский акустический локатор «ЗВУК-З» (рис. 5-7) предназначен для контроля температурной стратификации пограничного слоя атмосферы. Он в реальном времени определяет тип стратификации (класс | устойчивости атмосферы), высоту слоя перемешивания, высоты температурных инверсий и конвективных потоков, структурную характеристику поля температуры, радиальную (по направлению оси антенны) составляющую скорости ветра.

Антенна

Рис. 5. Структурная схема акустического локатора «ЗВУК-З»

Рис. 6. Общий вид локатора «ЗВУК-З»

Локатор отличается компактностью, высокой степенью автоматизации, не требует вмешательства оператора в процесс работы. Высокий уровень защиты от шумов позволяет локатору работать в сложной шумовой обстановке. Регистрация отраженного сигнала, его обработка и управление работой локатора осуществляется с помощью персональной ЭВМ.

На основе созданных ультразвуковых метеорологических комплексов и акустического локатора на полигоне ИМКЭС СО РАН были созданы исследовательские (испытательные) стенды: стенд для контроля метеорологических

параметров и турбулентных характеристик АПС и акустический стенд для исследования приземного распространения звуковых волн в атмосфере. Обобщенный состав этих стендов приведен на рис. 8.

Рис. 7. Интерфейс управляющей программы локатора «ЗВУК-З»: слева факсимильная запись температурной стратификации атмосферы (по вертикали - высота, по горизонтали - текущее время), справа - реализация принятого сигнала

Рис. 8. Обобщенный состав стендов для контроля метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы и исследования приземного распространения звуковых волн: 1 - операторская; 2 - акустический локатор; 3 - точечный излучатель звука трассового измерителя; 4 - акустическая излучающая антенна; 5 — микрофон опорного измерителя уровня звука; 6 - датчики давления и влажности ультразвукового метеокомплекса; 7 — ультразвуковые головки метеокомплексов (слева на мачте высотой 5 м и справа на двух уровнях на 10-метровой мачте); 8 - устройство связи и

кабельная сеть

Две ультразвуковые головки двухуровневого метеокомплекса крепятся на метеорологической мачте, расположенной на стационарной метеорологической

площадке на расстоянии 200 м от операторской на высотах 2 и 10 м, соответственно. Для другого метеокомплекса — третья ультразвуковая головка и датчики давления и влажности крепятся на разборной мачте высотой 5 м, расположенной на расстоянии 50 метров от операторской. Через устройство связи и кабельную сеть данные с ультразвуковых датчиков и датчиков давления и влажности поступают на вход персонального компьютера, где производится их дальнейшая обработка. На основе поступивших данных определяются текущие значения скорости и направления ветра в трёх ортогональных координатах, а также температуры воздуха в трех точках пространства, давления и влажности воздуха. При этом диапазон измерений скорости ветра составляет 0...40 м/с с погрешностью измерения ±0.1 м/с, направления ветра 0...360 °С погрешностью ±2°, температуры воздуха -40... +40 °С с погрешностью ±0.1 °С.

Точечный излучатель звука предназначен для измерения структурной постоянной акустическогр показателя преломления С„2 косвенным базовым методом путем определения флуктуации амплитуды непрерывного сигнала относительно среднего значен™.

В результате проведенной комплексной работы разработаны и созданы аппаратно-программные комплексы для исследования приземной атмосферы на основе локальных ультразвуковых и дистанционных акустических методов, а так же стенд для контроля метеорологических параметров и турбулентных характеристик АПС и акустический стенд для исследования приземного распространения звуковых волн в атмосфере.

Проведены сравнительные измерения при помощи созданных акустических измерительных комплексов и стандартных метеорологических приборов. Получена высокая корреляция измеренных данных.

Созданные акустические комплексы дают возможность для дальнейших исследований АПС и распространения звуковых волн с их использованием.

В третьей главе рассматривается серия экспериментов по исследованию изменчивости приземной атмосферы и оценке возможности прогнозирования распространения звуковых волн с использованием акустических комплексов для измерений и вычислений турбулентных параметров приземной атмосферы. В задаче прогнозирования распространения звуковых волн локально-измеренные значения метеорологических параметров атмосферы могут иметь значительные различия в разных точках на ограниченной территории, что увеличивает погрешность в результатах прогнозирования.

В разделе 3.1 отражён анализ пространственной изменчивости метеорологического состояния нижней атмосферы на ограниченной территории Томского академгородка (рис. 9) по измерениям в трех пунктах, включающих в себя метеорологическую станцию ИМКЭС СО РАН, ТОЯ-станцию и акустическую станцию ИОА СО РАН. Измерения проводились в осенний период в течение 19 дней с 23 сентября по И октября 1996 г., характеризующийся наибольшей изменчивостью метеорологического состояния атмосферы.

Основываясь на полученных результатах были сделаны следующие выводы: в условиях пересеченной местности с неоднородным рельефом даже при относительно небольших расстояниях (до 700 м) наблюдается пространственная

изменчивость метеорологических полей в приземном слое атмосферы. Однако данная изменчивость не влияет на тип стратификации атмосферы. Так же, использование акустического локатора совместно с ультразвуковой метеорологической станцией позволило фиксировать более точную пространственно-временную структуру и изменчивость метеорологических полей в атмосферном пограничном слое, дополняя стандартные метеорологические измерения.

Рис. 9. Схема расположения измерительных пунктов (слева направо): ультразвуковая метеостанция и ТОЯ-станция ИОА СО РАН, метеорологическая станция

ИМКЭС СО РАН

В результате исследования пространственно-временной изменчивости с применением различных методов измерения метеопараметров установлено, что на ограниченной территории выполняются условия замороженной турбулентности, что дает предпосылки применения локальных ультразвуковых методов для измерения динамики турбулентности приземного слоя атмосферы применительно к задаче прогнозирования звукового вещания.

В разделе 3.2 приводятся результаты исследований атмосферного пограничного слоя, проведенные в течение года в различные сезоны. Измерения проводились двумя различными измерителями: моностатическим доплеровским акустическим локатором «ЗВУК-З» и ультразвуковым метеорологическим комплексом. Они располагались на территории метеостанции ИМКЭС СО РАН на окраине академгородка г. Томска. Данные акустического локатора дополнялись данными ультразвукового метеорологического комплекса, что позволило более точно описывать состояние атмосферы в наблюдаемый момент времени.

На основе непрерывного мониторинга в течении 2005 г., получены результаты содарных и ультразвуковых исследований нижнего слоя атмосферы. Проанализированы суточные и сезонные закономерности хода стратификации атмосферы и взаимосвязи ее параметров.

Показано, что характеристики структуры АПС (температурной стратификации и особенно температурных инверсий), получаемые с помощью акустического локатора, важны для оценки климатических предпосылок загрязнения атмосферы.

В разделе 3.3 приводятся результаты исследований, проведенных на протяжении нескольких месяцев в разные сезоны года ультразвуковым метеорологическим комплексом. Помимо стандартных метеорологических параметров, определялись такие параметры турбулентности как полная энергия турбулентных движений, потоки импульса, тепла, масштабы ветра, температуры, Монина - Обухова и др., а также их статистические характеристики. Определялись классы устойчивости атмосферы за время измерений. Проводилось сравнение с данными стандартных измерений метеорологической станции. Оценивалось поведение измеренных параметров в зависимости от общего состояния атмосферы. Основываясь на измеренных данных, проводилась оценка параметров устойчивости приземного слоя атмосферы.

В результате проведения серии экспериментов в различные времена года накоплены большие массивы данных. Помимо мониторинга результатом работы стала прежде всего отработка алгоритмов обработки метеорологических параметров и методов вычисления турбулентных характеристик. Подтверждением того является высокая корреляция между измеренными параметрами и параметрами стандартных метеоизмерителей, а также высокая корреляция классов устойчивости, определённых по разным методикам.

В разделе 3.4 приводятся результаты исследования устойчивости параметров турбулентности нижней атмосферы в эксперименте по оценке оптимальной частоты дискретизации и времени осреднения метеорологических параметров атмосферы. В ходе эксперимента в результате измерений были накоплены длинные ряды мгновенных значений метеорологических параметров атмосферы, измеренных с максимально возможной частотой дискретизации. Непрерывность этих рядов позволила оценить устойчивость средних значений метеорологических параметров смоделировав сеть одновременных локальных измерений в одной точке с разной частотой дискретизации и с разным интервалом осреднения.

Непрерывные круглосуточные измерения метеовеличин проводились в период с 28 февраля по 1 марта и с 12 по 13 марта 2004 г. на территории метеостанции ИМКЭС СО РАН (в окрестностях академгородка г. Томска). Все вычисления производились на персональном компьютере с помощью оригинального программного обеспечения, а также с использованием программного пакета 8ТАТ18Т1СА 6.0.

Проанализировав поведение турбулентных параметров приземной атмосферы при различных типах стратификации в зависимости от частоты дискретизации измерений метеопараметров получили их устойчивые значения на частотах не ниже с 5 Гц.

Так же показано, что для достоверного вычисления турбулентных параметров атмосферы необходимо использовать временной интервал осреднения не менее 1200 с.

В разделе 3.5 приводятся результаты исследований возможности использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства (БТР) для измерения метеорологических и турбулентных параметров атмосферы в задаче прогнозирования распространения звуковых волн.

В проведенном эксперименте сравнивались измерения бортового метеокомплекса, расположенного на транспортном средстве и аналогичного метеокомплекса, расположенного на стационарной мачте над землей вблизи. Комплексы запускались в работу одновременно, т.е. соблюдалась синхронность измерений. Измерялись такие метеорологические параметры, как температура воздуха, скорость и направление ветра, давление и влажность.

По измеренным данным мгновенных значений метеорологических параметров вычислялись турбулентные параметры, а именно масштаб Монина - Обухова, структурные постоянные температуры, скорости ветра и акустического показателя преломления, а так же температурный градиент.

Анализ результатов показал, что установка метеорологического комплекса на транспортное средство позволяет иметь достаточную точность измерений метеорологических параметров для задачи прогнозирования распространения звуковых волн в атмосфере, но создает существенные погрешности при вычислении турбулентных характеристик атмосферы. Необходима модернизация бортового метеокомплекса данного типа, либо замена его на другой метеокомплекс, реально измеряющий профили метеорологических и турбулентных параметров атмосферы.

В четвертой главе описываются разработанные и созданные аппаратно-программные комплексы для исследования и прогнозирования распространения звуковых волн в приземной атмосфере.

Разработанный и созданный аппаратно-программный комплекс (АПК) «Прогноз-3.0» предназначен для контроля и прогнозирования приземного распространения звуковых волн слышимого диапазона частот в атмосфере. Он позволяет осуществлять оперативный расчет и прогнозирование среднего поля звуковых давлений в приземном слое атмосферы с учетом введенных характеристик источника звука, метеорологических параметров атмосферы, трассы распространения и параметров подстилающей поверхности.

Аппаратно-программный комплекс состоит из бортового компьютера класса IBM PC, бортового метеорологического комплекса и, непосредственно, программного обеспечения в виде программного комплекса «Прогноз-3.0» и, в приложении к задаче звукового вещания, реализован для мобильного использования в составе звуковещательной станции в жестких условиях эксплуатации.

Аппаратно-программный комплекс обеспечивает функционирование устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательной станции (ЗС), предназначенного для определения возможностей озвучивания ЗС заданной области наземного пространства в конкретных условиях применения и для выдачи оператору ЗС рекомендаций по оптимальному применению последней. Они. осуществляются путем расчетов на бортовом компьютере характеристик распространения в атмосфере звуковых колебаний (сообщений), излучаемых ЗС, на основе получаемых с бортового метеокомплекса метеорологических данных, а также с учетом характеристик трассы вещания.

Основным звеном АПК является непосредственно программный комплекс, который осуществляет функции управления, расчета и выдачи рекомендаций, и в котором заложена модель решения задачи распространения.

Личный вклад автора в создании программного комплекса «Прогноз-3.0» заключался в разработке алгоритмов и написании блока процедуры ТигЬ для вычисления турбулентных характеристик атмосферы. Набор вычисляемых выходных параметров данной процедуры является необходимым и достаточным для осуществления прогнозирования распространения звуковых волн в приземной атмосфере программным комплексом «Прогноз-3.0». После завершения процесса измерения массив мгновенных значений метеорологических параметров передается из программы ультразвуковой метеостанции в аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0», где посредством блока процедур ТигЬ производятся вычисления по формулам из теории атмосферной турбулентности.

Результатом работы блока процедур ТигЬ является отображение на экран результатов статистической обработки мгновенных значений метеорологических параметров (рис. 10). Таким образом, получаются исходные метеорологические данные, необходимые для прогноза распространения звуковых волн.

¿I Прогноз

Действия Метео Справка

Ш Е 2 e¡»

Параметры \

Время метеоизмерений, мин |11 Высота метеодатчиков,м 5.30 Азимут метеодатчиков, гр Р Параметры трассы звуковещания Дальность, м Азимуг,гр

Ориентация антенны ЗС, гр по углу места

Тип поверхности

| трава до 0.2 м

207.0

по азимуту

¡о.'о..........

Характеристики окружающего шума Т ип ЗС

Спектральная плотность |з6.0 Коэффициент спада

Метеорологические параметры

Атмосф. давление, мм.рт.ст. 1756 00 Влажность воздуха.^ Температура воздуха. С Скорость ветра, м/с Направление вегра,гр Темпер.градиенг. гр/км Высота верк, границы слой.

6.G0 |32§Ж"

ГЗшюо

1-96.89

Масштаб Монина-Обуховз. м

Структ. постоянная Флуктуаций ..............

акуст.показателя преломления. ;011818 в1/мл2/3 "ИГ-В 1 '

Структ. постоянная Флуктуаций Тооог&Г температуры, в град"2/см'2УЗ ^

Струк. постоянная Флуктуаций ¡0 01280 скорости serpa, в м\сл2/смл2/3

Рис. 10. Интерфейс аппаратно-программного комплекса «Прогноз-3.0»

Представленный аппаратно-программный комплекс прошел натурные государственные испытания. Полученные результаты эксперимента являются удовлетворительными, что подтверждает надежность и работоспособность всего комплекса.

Следующим этапом в разработке аппаратно-программного комплекса «Прогноз-3.0» стал выход на новый качественный уровень, удовлетворяющий современным требованиям к комплексам подобного типа, а именно:

- создание удобного и гибкого интерфейса;

- стандартной процедуры автоматической инсталляции программного комплекса;

- автоматического тестирования целостности при запуске;

- архивации результатов прогнозирования и сохранение их в базу данных в формате, понятном только средствам просмотра программного комплекса «Прогноз-3.0»;

- применение ГИС-технологий;

- базы данных карт местности с возможностью добавления новых карт;

- автоматического переключения между картами.

Все эти требования были учтены и реализованы, что является основным вкладом автора в разработку геоинформационного аппаратно-программного комплекса «Прогноз-3.0» (рис.11). Данный комплекс предназначен для функционального объединения составных частей устройства прогнозирования звукового вещания в единое изделие и для определения возможностей озвучивания ЗС заданной области наземного пространства и выдачи оператору рекомендаций по использованию ЗС в конкретных условиях применения, с использованием спутниковой навигации и электронных карт местности.

Зоны сишиимоеун ЗС Г.">1. в аентт

Программный ко;

экс "Прогноз у. 3.0f02.8801 J"

Действия Cnj

2 ft Ш 'if

Карта I ДанныеJ \ Результаты прогноза Архив |

2. Рекомендации j JLA4X ] 4. Лучевая картина!

Слышимость хорошая 11Хи [ р.Дб ] с/ш,Дб Д !

к.......■¿■-...................... .....—....................-'.¡ШМбар 4о.о !

Разборчивость ИМШИ

удовлетворительная ^1250 Б1.7 47.2

Выбор позиции ЗС удачен И600 54.7 46.1

I Щ-".....—-------•

углу места 13.7 по азимуту относительно П 0.3 В Слышимость слабая, разборчивость отсутствует в Слышимость удовлет., разборчивость слабая

Слышимость хорошая, разборчивость удовлет. [~| Приемный пункт звуковещания .."' '^таф.;..^..«'-;1" Направление ветра ■■;,адгг;г:.,,и. Ориентация антенны ЗС

Волноводный режим распространения звука

12:15:32 Задание исходны« данным задачи

Рис. 11. Окно, отображающее результаты прогноза звукового вещания

Все операции с программой (за исключением специально оговоренных случаев) производятся при включенной аппаратуре устройства прогнозирования звукового вещания и при установленных ОС Microsoft Windows, драйверов принтера и программного обеспечения бортового метеокомплекса.

Таким образом, с учётом современных требований к измерительной аппаратуре и Федерального закона "О навигационной деятельности" был создан геоинформационный аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0», прошедший натурные испытания в полевых условиях и принятый на вооружение министерством обороны РФ.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы:

1. Разработано и создано информационно-программное обеспечение для измерения, сбора и обработки метеорологической информации от локальных ультразвуковых измерителей и средств дистанционного акустического зондирования АПС (акустических локаторов), стендов для исследования распространения звуковых волн.

2. Проведены сравнительные эксперименты для проверки работоспособности и достоверности разработанного информационно-программного обеспечения путем сопоставления результатов, полученных с помощью акустических комплексов и стандартных измерительных приборов.

3. Проведены экспериментальные исследования влияния характеристик акустических' комплексов (времени осреднения, частоты съёма информации) на качество измерения метеорологических и турбулентных параметров в приземном слое атмосферы.

4. Исследована возможность использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы.

5. Проведены исследования пространственно-временной изменчивости параметров атмосферного пограничного слоя для оценки его горизонтальной неоднородности.

6. Разработано и создано информационно-программное обеспечение аппаратно-программного комплекса прогнозирования распространения звуковых волн в атмосфере и дальности звукового вещания звуковещательных станций, удовлетворяющего современным требованиям к программному обеспечению средств измерений.

В приложении приведены акты о практическом использовании результатов диссертационной работы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Галкин В.И., Красненко Н.П., Стафеев П.Г., Ушаков Г.В. Гальванически развязанная система связи с удаленными датчиками // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 5. С. 155 - 156.

2. Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Автоматизированный комплекс по измерению, сбору и обработке метеорологических данных от удаленных датчиков // Приборы и техника эксперимента. 2006. № 1. С. 160 - 162.

3. Красненко Н.П., Кудрявцев А.Н., Мананко Е.Е., Стафеев П.Г. Акустический локатор "ЗВУК-З" для зондирования атмосферы // Приборы и техника эксперимента. 2006. № 6. С. 144 - 145.

4. Стафеев П.Г. Программное обеспечение ультразвукового метеорологического комплекса // Современные проблемы физики и технологии: Сб. статей молодых учёных. Томск: Изд. Научно-техн. Лит. СФТИ. 2000. С. 117 - 118.

5. Красненко Н.П., Стафеев П,Г. Исследование изменчивости метеорологических и турбулентных характеристик приводного слоя атмосферы по результатам экспедиции «ПОЙМА-99» // Экология пойм сибирских рек и Арктики -Труды I Межрегионального совещания. Томск: Изд. Сибирского Отд. РАН. 1999. С. 176- 183.

6. Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Эксперимент по исследованию метеорологических и турбулентных характеристик приводного слоя атмосферы // Материалы II Международного симпозиума «Контроль и реабилитация окружающей среды». Томск: Изд-во «Спектр» СО РАН. 2000. С. 111 - 112.

7. Иванов В.Ю., Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Минисодар для атмосферных исследований // YII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана». Материалы симпозиума. Томск: Изд. Сибирского Отд. РАН. 2000. С. 95 -96.

8. Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Integrated study of the spatiotemporal variability of the lower atmosphere // Proc. of the 10th International Symposium on Acoustic Remote Sensing of the Atmosphere and Oceans and Associated Techniques. 1SARS2000 (Auckland, New Zealand). 2000. P. 150 - 154.

9. Krasnenko N.P., Stafeev P.O. Ultrasonic measurement of meteorological and atmospheric turbulence parameters // Proc. of the 10th International Symposium on Acoustic Remote Sensing of the Atmosphere and Oceans and Associated Techniques. ISARS2000 (Auckland, New Zealand). 2000. P. 342 - 344.

10. Ivanov V.Yu., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Minisodar for Atmospheric Investigations//Proc. SPIE. 2000. V. 4341. P. 339 -342.

11. Бухлова Г.В., Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Мониторинг турбулентности приземного слоя атмосферы // Четвертое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск): Тез. докл. 2001. С. 12 - 13.

12. Бухлова Г.В., Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Мониторинг турбулентности приземного слоя атмосферы // «Физическая акустика. Распространение и дифракция волн». Сб. трудов XI сессии Российского акустического общества. М.: ГЕОС. 2001. Т. 1. С. 268-271.

13. Иванова А.Ю., Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Аппаратно-программный комплекс для прогноза уровня акустических шумов. // «Архитектурная и строительная акустика. Шумы и вибрация»: Сб. трудов XI сессии Российского акустического общества. М.: НИИСФ РААСН. 2001. Т. 4. С. 175 - 178.

14. Buhlova G.V., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Monitoring of the Turbulence in the Near-Ground Layer of the Atmosphere // YIII Joint Symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics»: Symp. Proc. 2001. P. 196.

15. Buhlova G.V., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Monitoring of the Turbulence in the Near-Ground Layer of the Atmosphere // Proc. of SPIE. 2001. V. 4678. P. 431 -438.

16. Buhlova G.V., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Monitoring of the Turbulence in the Near-Ground Layer of the Atmosphere // Proc. of the XI Session of the Russian Acoustical Society. "Wave diffraction and propagation". 2001. P. 244-247.

17. Ivanova A.Yu., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Instrumental Program Complex for Predicting the Acoustic Noise Level // Proc. of the XI Session of the Russian Acoustical Society. "Noise and vibration". 2001. P. 531 - 533.

18. Бухлова Г.В., Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Определение классов устойчивости атмосферы на основе безинерционных измерений // III Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды»: Материалы симпозиума. Томск: Изд-во «Спектр» СО РАН. 2002. С. 20-21.

19. Иванов В.Ю., Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Аппаратно-программное обеспечение средств измерений параметров нижнего слоя атмосферы // III Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды": Материалы симпозиума. Томск: Изд-во «Спектр» СО РАН. 2002. С. 48 - 49.

20. Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Исследование явлений застоя воздуха на ограниченной территории пригорода // III Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды": Материалы симпозиума. Томск: Изд-во «Спектр» СО РАН. 2002. С. 72 - 73.

21. Красненко Н.П., Иванова А.Ю., Стафеев П.Г. Контроль и прогнозирование приземного распространения звуковых волн в атмосфере. // III Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды": Материалы симпозиума. Томск: Изд-во «Спектр» СО РАН. 2002. С. 104 - 105.

22. Бухлова Г.В., Иванова А.Ю., Стафеев П.Г. Прогнозирование распространения звуковых волн в приземном слое атмосферы // Восьмая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург): Тезисы докладов. 2002. С. 667.

23. Ivanova A.Yu., Mananko Е.Е., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Insrumental-Program Complex for Investigations of the Near-Ground Atmospheric Sound Propagation // Proc. of the 11th International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans (Italy, Rome). 2002. P. 51 - 53.

24. Buhlova G.V., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Monitoring of the Turbulence in the Near-Ground Layer of the Atmosphere // Proc. of the 11th International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans (Italy, Rome). 2002. P. 357-360.

25. Красненко Н.П., Мананко E.E., Бухлова Г.В., Стафеев П.Г. Акустический мониторинг атмосферного пограничного слоя // Восьмая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург): Тезисы докладов. 2002. С. 664.

26. Сайдахметова М.Х., Стафеев П.Г. Исследование турбулентных характеристик приземного слоя атмосферы. // Сб. статей молодых ученых "Физика окружающей среды". 2000. С. 105 - 107.

27. Bukhlova G.V. Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Retrieval of meteorological parameter profiles from the data of ultrasonic measurements in the near-ground atmospheric layer // Proc. (Addendum) of the 12th International Symp. On Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans (UK, Cambridge). 2004. P. 11-13.

28. Бухлова Г.В., Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Восстановление профилей метеорологических параметров по данным ультразвуковых измерений в приземном слое атмосферы // Сб. трудов XY сессии Российского акустического общества "Акустические измерения. Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика океана. 2004. Т. II. С. 107 - 110.

29. Красненко Н.П., Абрамочкин В.Н., Бухлова Г.В., Дружин О.В., Егоров А.Н., Иванова А.Ю., Кушнер А.А., Мананко Е.Е., Соколов Ю.М., Стафеев П.Г., Фомичев А.А. Звуковое вещание в приземной атмосфере и его прогнозирование // Сб. трудов XY сессии Российского акустического общества "Акустические измерения. Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика океана". М.: ГЕОС. 2004. Т. II. С. 110 - 113.

30. Красненко Н.П., Кудрявцев А.Н., Мананко Е.Е., Стафеев П.Г. Аппаратный комплекс для исследования приземного распространения звуковых волн в атмосфере II Сб. трудов XY сессии Российского акустического общества "Акустические измерения. Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика океана". М.: ГЕОС. 2004. Т. II. С. 113 - 117.

31. Bukhlova G.V., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Retrieval of meteorological parameter profiles from the data of ultrasonic measurements in the near-ground atmospheric layer // Proc. of the XY Session of the Russian Acoustical Society (Moscow). 2004. P. 321 -323.

32. Krasnenko N.P., Abramochkin V.N., Bukhlova G.V., Druzhin O.V., Egorov A.N., Ivanova A.Yu., Kushner A.A., Mananko E.E., Sokolov Yu.M., Stafeev P.G., Fomichev A.A. Sound broadcasting in the near-ground atmosphere and its prediction // Proc. of the XY Session of the Russian Acoustical Society (Moscow). 2004. P. 324 - 327.

33. Krasnenko N.P., Kudryavtsev A.N., Mananko E.E., Stafeev P.G. Instrumental complex for investigation of the near-ground acoustic wave propagation in the atmosphere // Proc. of the XY Session of the Russian Acoustical Society (Moscow). 2004. P. 328 -331.

34. Bukhlova G.V., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Acoustic Investigations of the Atmospheric Boundary Layer Structure, Dynamics and Turbulence // Intern. Symp. For the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing (Gatmisch-Partenkirchen, Germany). 2006. P. 146 - 147.

35. Бухлова Г.В., Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Акустические исследования структуры, динамики и турбулентности атмосферного пограничного слоя // "Акустические измерения и стандартизация. Электроакустика, Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика океана": Сб. трудов XVIII сессии Российского акустического общества. М.: ГЕОС. 2006. Т. 2. С. 162 — 166.

36. Бухлова Г.В., Красненко Н.П., Стафеев П.Г. Акустические исследования структуры, динамики и турбулентности атмосферного пограничного слоя // Седьмое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск): Материалы конференции. 2007. С. 161 - 163.

37. Bukhlova G.V, Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Acoustic Investigations of the Structure, Dynamics and Turbulence of the Atmospheric Boundary Layer // Proc. of the XVIII Session of the Russian Acoustic Society (Moscow). 2006. P. 345 - 349.

38. Bukhlova G.V., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Dynamics of the thermal structure of the lower atmosphere above Tomsk from the data of acoustic sounding // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Bristol, UK and Philadelphia, USA). 2008. V. 1. P. 1-8.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 3.

Тираж отпечатан в типографии Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1 Тел. (382-2) 49-10-93

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Стафеев, Павел Георгиевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПОДХОДЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ И ТУРБУЛЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ.

1.1. Общие представления о строении пограничного слоя атмосферы.

1.2. Теория подобия для приземного слоя атмосферы.

1.3. Устойчивость средних значений.

1.4. Методы исследования пограничного слоя атмосферы.

1.4.1 Стандартные методы измерений.

1.4.2 Локальные ультразвуковые методы.

1.4.3 Методы дистанционного акустического зондирования.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЗЕМНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН.

2.1. Автоматизированные ультразвуковые метеорологические комплексы (АУМК) для измерения параметров приземного слоя атмосферы.

2.1.1. Одноуровневый автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс.

2.1.2. Двухуровневый автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс с гальванически развязанной системой связи

2.2. Акустические локаторы для зондирования атмосферного пограничного слоя.

2.2.1. Минисодар «мС-1».

2.2.2. Акустический моностатический локатор «ЗВУК-З».

2.3. Стенды для контроля метеорологических и турбулентных характеристик АПС и исследования приземного распространения звуковых волн.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.

3.1. Исследование изменчивости метеорологического состояния нижней атмосферы.

3.2. Мониторинг турбулентности приземного слоя атмосферы.

3.3. Акустические исследования структуры, динамики и турбулентности атмосферного пограничного слоя.

3.4. Исследование устойчивости параметров турбулентности приземной атмосферы.

3.5. Исследование возможностей использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ.

4.1. Аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0».

4.2. Геоинформационный аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0».

4.3. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка информационного обеспечения акустических комплексов и их применение в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн"

Актуальность

Для решения этих задач актуален оптимальный выбор информационно-измерительных средств измерений необходимых характеристик атмосферы. Непрерывный рост требований к количеству и качеству измеряемых характеристик, к точности получения текущей и прогностической метеорологической информации, а также к её оперативности, пространственному и временному разрешению, привели к необходимости разработки более совершенных информационно-измерительных средств локальных и дистанционных измерений различных характеристик АПС.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется:

Целью диссертационной работы являлась разработка информационного обеспечения акустических комплексов и их использование в исследованиях приземной атмосферы, распространения звуковых волн, прогнозирования их характеристик и дальности звукового вещания звуковещательных станций.

Задачи исследования

В соответствии с поставленной целью были решены следующие конкретные задачи:

1. Разработано информационно-программное обеспечение для измерения, сбора и обработки метеорологической информации от локальных ультразвуковых измерителей и средств дистанционного акустического зондирования АПС (акустических локаторов), стендов для исследования распространения звуковых волн.

3. Проведены экспериментальные исследования влияния характеристик акустических комплексов (времени осреднения, частоты съёма информации) на качество измерения метеорологических и турбулентных параметров в приземном слое атмосферы.

5. Проведено исследование пространственно-временной изменчивости параметров атмосферного пограничного слоя для оценки его горизонтальной неоднородности.

6. Разработано информационно-программное обеспечение аппаратно-программного комплекса прогнозирования распространения звуковых волн в атмосфере и дальности звукового вещания звуковещательных станций, удовлетворяющего современным требованиям к программному обеспечению средств измерений.

Методы исследования

Поставленная в работе цель достигается экспериментальными исследованиями, которые проводились в различных условиях и различными методами. Измерения метеорологических параметров проводились ультразвуковым методом и методом дистанционного акустического зондирования атмосферы. Анализ и обработка исходных метеорологических данных проводилась с помощью методов математической статистики. При разработке алгоритмов вычисления турбулентных параметров атмосферы по потоку измеренных текущих значений температуры воздуха и вектора скорости ветра использованы методы, основанные на закономерностях, вытекающих из теории подобия Монина - Обухова. В основу методики использования акустических методов в задаче распространения звуковых волн в атмосфере и прогнозирования дальности звукового вещания легли результаты теоретических и экспериментальных исследований соавторов.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- впервые разработан аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0» прогнозирования распространения звуковых волн и дальности звукового вещания звуковещательных станций в приземной атмосфере, где применены геоинформационные технологии;

- впервые . исследовано влияние характеристик ультразвукового метеокомплекса (времени осреднения, частоты съёма информации) на качество измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы.

Практическая значимость работы заключается:

На защиту выносятся следующие положения:

2. Частота дискретизации более 5 Гц и временной интервал осреднения 20 мин для измерений ультразвуковым метеорологическим 7 комплексом соответствует минимальной погрешности определения турбулентных параметров атмосферы.

Апробация результатов

Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих всесоюзных и международных семинарах, симпозиумах и конференциях: I межрегиональном совещании «Экология пойм Сибирских рек и рек Арктики» (Томск, 1999); Школе-семинаре молодых учёных «Современные проблемы физики и технологий» (Томск, 1999); VI—VIII международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1999-2001); II, III международных симпозиумах «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2000, 2002); IV, VII Сибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001, 2007); Восьмой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2002); X, XII International symposiums on acoustic remote sensing and associated techniques of the atmosphere and oceans (Auckland New Zeland, 2000, Cambridge UK, 2004); XI International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans (Rome, Italy, 2002); XII, XIV International Symposiums for the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing (Garmisch - Partenkirchen, Germany, 2006, Roskilde, Denmark, 2008); X, XV, XVIII сессиях Российского акустического общества (Москва, 2001, 2004, 2006).

Личный вклад автора

Внедрение результатов работы

Материалы разработок и исследований использованы в ИМКЭС СО РАН, ТУСУР при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, грантов РФФИ и Федеральных целевых программ.

Аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0» прошел государственные испытания и в составе устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций принят на снабжение вооруженных сил РФ и к тиражированию.

Практическая значимость отражена в актах о практическом использовании результатов диссертационной работы П.Г. Стафеева (приложение).

Структура и объем диссертации

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Стафеев, Павел Георгиевич, Томск

1. Вызова H.Л., Иванов В.H., Гаргер E.K. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 263 с.

2. Smith F.B., Carson D.J. Some thoughts on the specifications of the boundary-layer relevant to numerical modeling. Bound.-Layer Met., 1977. vol. 12. № 3. P. 307-330.

3. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Под ред. Ф.Т.М. Ньюстадта и Х.Ван Допа. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 351 с.

4. Вагер Б.Г., Надежина Е.Д. Пограничный слой атмосферы в условиях горизонтальной неоднородности. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 136 с.

5. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 290 с.

6. Ламли Дж., Пановский Г. Структура атмосферной турбулентности. Пер. с англ. М.: Мир, 1966.

7. Маслова Е.Ю., Лазарева H.A., Орленко Л.Р. Об универсальных функциях теории подобия Монина Обухова при устойчивой стратификации // Труды ГГО, 1987. вып. 506. С. 64-79.

8. Дубов A.C., Быкова Л.П., Марунич C.B. Турбулентность в растительном покрове. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

9. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970.

10. Лайтхман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970,

11. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Ч. 1 и 2. М.: Наука, 1965, 1967.

12. Оке Т.Р. Климаты пограничного слоя, пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

13. Орленко Л.Р. Строение планетарного пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

14. Методические указания. Расчет турбулентных потоков тепла, влаги и количества движения над морем. Рота-принт ГГО, 1981.

15. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 640 с.

16. КухарецВ.П., ЦвангЛ.Р., ЯгломА.М. О связи характеристик турбулентности приземного и пограничного слоев атмосферы. В кн.: Физика атмосферы и проблема климата / Под ред. Г. С. Голицина и А. М. Яглома. М.: Наука, 1980. С. 162-193.

17. Мазурин Н.Ф. Оценка ошибок за счет конечности интервала осреднения при определении среднего значения и дисперсии метеорологических параметров пограничного слоя атмосферы // Труды ИЭМ, 1974, вып. 6 (44). С. 146-162.

18. МонинА.С. О структуре полей скорости ветра и температуры в приземном слое воздуха.

19. Мазурин Н.Ф., ТофанчукН.П. Датчик пульсаций температуры // Труды ИЭМ, 1981, вып. 27 (100). С. 100-103.

20. Винниченко Н.К., ПинусН.З., Шметер С.М., ШурГ.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 287 с.

21. Кухарец В.П., Цванг Л.Р. О скорости диссипации турбулентной энергии в неустойчиво стратифицированном атмосферном пограничном слое // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1977. т. 13. № 6. С. 620-628.

22. КухарецВ.П., ЦвангЛ.В., ЯгломА.М. О связи характеристик турбулентности приземного и пограничного слоя в атмосфере // Физика атмосферы и проблема климата. М.: Наука, 1980. С. 162-193.

23. Белан Б.Д., Зуев В.Е., Панченко М.В. Основные результаты самолетного зондирования аэрозоля в ИОА СО РАН (1981 1991 гг.) // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 1-2. С. 131-156.

24. Андреев В.Д., Иванов В.Н., Линкин В.М. и др. Измерительный комплекс для аэростатного зондирования пограничного слоя атмосферы // ТРОПЭКС-72. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. С. 654-662.

25. Андреев В.Д., Иванов В.Н., Королев B.C. и др. Результаты аэростатного зондирования пограничного слоя атмосферы в экваториальной зоне Атлантики//ТРОПЭКС-74. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. Том 1. С. 394-409.

26. Barret W., Suomi Е.: // J. Meteorol. 1949. V. 6. N 4.

27. Фатеев Н.П. // Труды ГГО. 1955. Вып. 52. 114 с.

28. Бовшеверов В.М., Воронов В.П. // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1960. № 6. 882 с.

29. Мордухович М.И., Бовшеверов В.М. // Вестник АН СССР. 1961. № 9.

30. Мордухович М.И. // Труды ИФА АН. 1962. № 4. С. 30-80.

31. Гурвич A.C. //Акустич. ж. 1959. Т. 5. Вып. 3. 368 с.

32. Бовшеверов В.М., Гурвич A.C., Мордухович М.И., Цванг Л.Р. // Труды ИФА АН СССР. 1962. № 4. С. 21.

33. Kaimal J.C., Businger J.A. // J. Appl. Meteorol. 1963. V. 2. № 2. P. 156164.

34. Mitsuta Y. // J. Meteorol. Soc. Japan. 1966. V. 44. № 1. P. 12-23.

35. Kaimal J.C., Wyngard J.C., Haugen D.A. // J. Appl. Meteorol. 1968. V. 5. № 10. P. 827-837.

36. Kaimal J.C. // Radio Sei. 1969. V. 4. P. 1147-1153.

37. Антошкин Л.В., Емалеев O.H., Лукин В.П., Суконкина В.М., Хацко В.В., Янков А.П. // Приборы и техника эксперимента. 1986. № 3. С. 240241.

38. Антошкин Л.В., Лукин В.П. // 3-й Болгаро-Советский семинар "Лазерные и радиометоды контроля окружающей среды" (Тезисы докл.). 1990. С.383-388.

39. Hanafusa Т., Fujitani Т., Koboi Y., Mitsuta Y. // Pap. Meteorol. Geophys. 1982. V. 33. P. 1-19.

40. Анисимов M.B., Монастырный E.A., Патрушев Г.Я., Ростов А.П. // Приборы и техника эксперимента. 1988. № 4. С. 196-199.

41. Fairall C.W., Edson J.B., Larsen S.E., Mestayer P.G. // J. Atmosph. and Oceanic Technology. 1990. V. 7. N 6. P. 425-453.

42. Патрушев Г.Я., Ростов А.П., Иванов А.П. // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7.№ 11-12. С. 1636-1638.

43. Азбукин A.A., Богушевич А.Я., Бурков В.В. и др. // 3-й Межреспубл. симп. "Оптика атмосферы и океана" (Тезисы докл.). Томск: ИОА СО РАН, 1996. С. 160.

44. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. // 3-й Межреспубл. симп. "Оптика атмосферы и океана" (Тезисы докл.). Томск: ИОА СО РАН, 1996. С. 167.

45. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. М: Наука, 1981. 125 с.

46. Богушевич А.Я. Ультразвуковые методы оценивания метеорологических и турбулентных параметров атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 2. С. 170-175.

47. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М: Гостехтеоретиздат, 1954. 795 с.

48. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / Пер. нем. М.: Изд-во иностр. лит., 1956.

49. ОсташевВ.Е. Распространение звука в движущихся средах. М: Наука, 1992. 208 с.

50. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя. Томск. 2001. 278 с.

51. Brown Е.Н., Hall F.F Jr. Advances in atmospheric acoustics /Rev. Geophys. And Space Phys. 1978. V. 16. N I. P. 47-110.

52. Каллистратова M.A., Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М.: Наука, 1985. 198 с.

53. Proc. of 8th International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans / Ed. By M.A. Kallistratova, Moscow, Russia. 1996.

54. Макаллистер Л.Г., Поллард Д.Р., Махони A.P., Шоу Р.Д. Акустическое зондирование — новый метод исследования строения атмосферы // ТИИЭР. 1969. Т. 57. N 4. С. 222-230.

55. Н.П. Красненко Акустическое зондирование атмосферы. Новосибирск: Наука, 1989. 168 с.

56. Орлов М.Ю. Радиоакустическое зондирование атмосферы. Обзор. Обнинск: Изд. ВНИИГМИ МОД, 1982. вып. 7. 52 с.

57. Каллистратова М.А. Экспериментальное исследование рассеяния звуковых волн в атмосфере // Тр. ИФА АН СССР. 1962. N 4. С. 203-256.

58. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967.

59. Монин А.С. Некоторые особенности рассеяния звука в турбулентной атмосфере // Акуст. Журн. 1961. Т. VII. Вып. 4. С. 457-461.

60. Weill A. Atmospheric applications of sodar // Proc. of the Second Int. Symp. on Acoustic Remote Sensing of the Atmosphere and Oceans. 1983. Rome, Italy, Istituto di Fisica Dell'Atmosphera. P. 1-41.

61. Coulter R.L., Martin T. J. Minisodar Measurements of Rain. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1989. v. 6. № 3.

62. Локощенко М.А. Исследование приземных инверсий методом акустического зондирования //Метеорология и гидрология. 1994. № 6. С. 54-65.

63. Афиногенов Л.П., Грушин С.И., Романов Е.В. Аппаратура для исследования приземного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. С. 319— 320.

64. Бурков В.В., Красненко Н.П., Стафеев П.Г. // В кн. II Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды". Материалы Симпозиума. / Под общей редакцией М.В. Кабанова, Н.П. Солдаткина. Томск: Изд-во "Спектр" ИОА СО РАН, 2000. С. 78-79.

65. Стафеев П.Г. Программное обеспечение ультразвукового метеорологического комплекса // Современные проблемы физики и технологии (Сб. статей молодых учёных). Томск: Изд. Научно-техн. Лит. СФТИ, 2000. С. 117-118.

66. Стафеев П.Г., Красненко Н.П. Автоматизированный комплекс по измерению, сбору и обработке метеорологических данных от удаленных датчиков // Приборы и техника эксперимента. 2006. № 1. С. 160-162.

67. Браун Р.А. Аналитические методы моделирования планетарного пограничного слоя. JL: Гидрометеоиздат, 1978. 150 с.

68. Обухов А.М. Турбулентность и динамика атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1988. 413 с.

69. Атмосфера: Справочник. JL: Гидрометеоиздат, 1991. 509 с.

70. Стафеев П.Г., Сайдахметова М.Х. Исследование турбулентных характеристик приземного слоя атмосферы. // В сб. статей молодых ученых "Физика окружающей среды". Томск. 2002. С. 105-107.

71. Стафеев 77.Л, Галкин В.И., Красненко Н.П., Ушаков Г.В. Гальванически развязанная система связи с удаленными датчиками // Приборы и техника эксперимента. 2005. С. 155 156.

72. СтафеевП.Г., БухловаГ.В., Красненко Н.П. Мониторинг турбулентности приземного слоя атмосферы// В сб. трудов XI сессии Российского акустического общества "Физическая акустика. Распространение и дифракция волн". Т. 1. М.: ГЕОС. 2001. С. 268-271.

73. Buhlova G.V., Krasnenko N.P., Stafeev P. G. Monitoring of the Turbulence in the Near-Ground Layer of the Atmosphere // Proc. of SPIE. 2001. V. 4678. P. 431438.

74. Иванов В.Ю., Красненко Н.П., СтафеевП.Г. Минисодар для атмосферных исследований // YII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана». Материалы симпозиума / Под общей ред М.В.Панченко, Г.П.Коханенко. Томск: ИОА СО РАН, 2000.

75. Ivanov V.Yu., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Minisodar for Atmospheric Investigations. Proc. of SPIE. 2000, v. 4341.

76. Little C.J. On the detectability of fog, cloud, rain and snow by acoustic echo-sounding methods // J. Atmosph. Sci. 1972. v. 29. № 5. P. 748-755.

77. КрасненкоН.П., КудрявцевA.H., МананкоЕ.Е., СтафеевП.Г. Акустический локатор «ЗВУК-З» Для зондирования атмосферы // Приборы и техника эксперимента. 2006.№ 6. С. 144-145.

78. Мананко Е.Е. Направленные акустические антенны для атмосферных исследований. Диссертация на соискание учёной степени кандидата наук. ТУ СУР. Томск. 2003.

79. Proc. of the 6th European Conference on Noise Control "Euronoise 2006". 30 May 1 June 2006. Tampere, Finland. 2006.

80. Региональный мониторинг атмосферы. Часть 3. Уникальные измерительные комплексы: Коллективная монография / Под редакцией М.В.Кабанова. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. С. 238.

81. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Зуев В.В., Зуев В.Е. и др. TOR станция мониторинга атмосферных параметров // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 8. С. 1085-1092.

82. Гладких В.А., Карпов В.И., Красненко Н.П., Федоров В.А. // III Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана". Тезисы докл. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 1996. С. 143.

83. Gladkikh Y.A., Krasnenko N.P., Fedorov V.A. ZVUK-2 Acoustic Sounder // COST-76 Profiler Workshop 1997. (Extended abstracts). Switzerland, Engelberg. 1997. V.l. P. 174-177.

84. Региональный мониторинг атмосферы. Часть 2. Новые приборы и методики измерений: Коллективная монография / Под редакцией М.В.Кабанова. Томск: Изд-во "Спектр" ИОА СО РАН, 1997. С. 208-216.

85. Красненко Н.П., Шаманаева Л.Г. Структурная характеристика температуры и внешний масштаб атмосферной турбулентности по данным акустического зондирования // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. № 1. С. 65-70.

86. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 3.Ч. 1.

87. Решетов В.Д. Изменчивость метеорологических элементов в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 104 с.

88. Krasnenko N.P. Sound propagation in the atmosphere above the ground surface at long distances. Proc. of SPIE 2005. vol 6160. Part 2. P. 1-12.

89. Абрамов Н. Г., Богушевич А. Я., Красненко Н. П. Учет атмосферного канала при приземном распространении шумов // Акустика в промышленности. 1 сессия РАО. Москва. 1992.

90. Программный комплекс «Прогноз-3.0». Спецификация. 634.03534200.00001-01. Инв. № 521. Томск. ИМКЭС СО РАН. 2004.