Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 12

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

наблюдаются флуктуации порядка Т = (0,05 -г 0,5)° C с минимальным временем нарастания 50мс. Во время «спокойных» периодов между импульсами ММТ флуктуации на темпера­турной записи отсутствуют. При возникновении слоистых структур или инверсий темпе­ратуры со сдвигом ветра пульсации температуры составляют Т = 1° C

Следовательно, при возмущенных состояниях амплитуда турбулентных пульсаций температуры составляет Т = 1° C, что значительно превышает полученный допуск ДТдоп = ±(0,2 г 0,25)° С << Т и, следовательно, влиянием ММТ на амплитуду РдЭС нельзя пренебречь. Таким образом, применение системы АПЧ при возмущенных состояниях АПС не может быть эффективным, так как в этом случае имеет место либо потеря ин­формативности, либо срыв АПЧ (промахи в измерениях).

Полученное соотношение ДТдоп =ST << Т фактически означает, что для обеспече­ния устойчивого приема эхо-сигнала и расчета погрешности измерений необходимо, что­бы искомый профиль температуры был априорно известен. Такое противоречие можно разрешить, выдвинув априорную гипотезу H[Ти (h)], состоящую в том, что реализация

истинного профиля температуры Тви (h) в данный момент времени принимает вид его ап­риорной оценки Таи (h). Далее рассчитывается зависимость

Функ-

Л(к) = 2• С, Л//, = 2 • 20,06^0) • VЛ или, Л(к)= Се\Ъе(к) = Се!^ ^2• 20,06^/Таи(к)

цию (к) представим в виде (к) = (к), где у/(к) - безразмерная непрерывная функ­ция управления частотой (ФУЧ) радиопередатчика системы РАЗ, определенная на интер­вале высоты к = кш1п *ктах, - масштабирующий множитель, имеет размерность частоты.

Тогда получим 1//(к)= Се/^ /н • 2 • 20,06^/70^ .

Функция //(к) определена на интервале времени равном периоду повторения Тп зондирующих импульсов и может быть использована для управления частотой радиопе­редатчика системы РАЗ в процессе зондирования.

При таком подходе система РАЗ выполняет функцию экспертной системы, в задачу которой входит проверка априорной гипотезы Я[Ти (к)].

СРРСН'2008

1-ч.1 - 85

Оценка Таи (к) может быть получена как реализация модели, разработанной для ка­ждого из типов термодинамического состояния АПС. В этом случае необходимо класси­фицировать тип ТДС. Эта процедура может быть выполнена на основании анализа выбо­рок эхо-сигналов акустического зондирования атмосферы [4,5].

Оценка Тш (к) может быть получена только с некоторой ошибкой. Роль системы РАЗ состоит в том, чтобы по экспериментальным значениям ке^ (к) и знаку доплеровско-

го сдвига частоты РдЭС, используя зависимость рис.2, оценить величину этой ошибки.

Выводы. В результате проведенного исследования показано, что в условиях термо­динамических возмущений в АПС система РАЗ не может выполнять функцию измерения температуры. Поскольку на возмущенные состояния приходится в среднем до 30% вре­мени года, то потери информации в системах РАЗ оказываются значительными.

В работе также приведено обоснование нового подхода к построению алгоритма функционирования системы РАЗ, согласно которому система производит экспертную оценку профиля температуры, восстановленного с помощью статистических моделей, при этом погрешность восстановления определяется по данным РАЗ. Такой подход по­зволяет значительно расширить перечень погодных условий, при которых могут быть получены оценки профилей температуры.

Реализация рассмотренного подхода окажется весьма полезной в научных исследо­ваниях по разработке моделей пограничного слоя атмосферы, включая и возмущенные состояния, модели которых в настоящее время все еще отсутствуют.

Для развития этого подхода в дальнейшем необходимо провести исследования в области разработки методов классификации типов термодинамических состояний АПС, например, по данным акустического зондирования, с целью получения априорных мо­дельных оценок профилей температуры.

Литература

1. М.А. Каллистратова, А.И. Кон. Радиоакустическое зондирование атмосферы, М, «Наука», 1985, с 197.

2. А.Г. Горелик, В.Р. Жежерин, М.А. Каллистратова, Л.В. Князев, И.В, Петенко, П.О. Шишков, Е.А. Шурыгин. Радиоакустическое зондирование атмосферного погранич­ного слоя с автоподстройкой частоты. Метеорологические исследования, 1987, том 28, 82 - 92с.

3. Л.Г. Макалистер, А.Р. Махони, Д.Р. Поллард, П.Д.Р. Шоу. Акустическое зонди­рование - новый метод исследования строения атмосферы. //Тр. ИИЭР - 1968. - №4.-

С.231-240.

4. Семенец В.В., Леонидов В.И. Методика акустического зондирования в задаче экологического контроля пограничного слоя атмосферы. Прикладная радиоэлектроника,

№3, 2005, с.

5. Леонидов В.И. Усовершенствование комплексной системы радиоакустического и акустического зондирования пограничного слоя атмосферы. Прикладная радиоэлектро­ника Том 5, №2 2006, с 201-213.

СРРСН'2008

1-ч.1 - 86

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭХО-СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ В ЗОНЕ МЕГАПОЛИСА

Бондаренко М.Ф., Семенец В.В., Леонидов В.И. Харьковский национальный университет радиоэлектроники 61166, Харьков, пр. Ленина 14, каф. Биомедицинских электронных систем Тел. (057) 702 -13 -64, е-mail: bvkh@kture.kharkov.ua; факс(057) 702-11-13 The local thermodynamics state of atmosphere is examined in the megapolys area in clear days at the intensive sun warming up of laying surface

Введение. Исследование причин глобального потепления климата планеты, разви­тие численных методов прогнозирования катаклизмов, разработка методов активного воздействия на погодные системы требуют создания информационной сети, позволяю­щей в реальном масштабе времени получать некоторый объем информации, достаточный для расчета распределений метеоэлементов, а также для расчетов конвективных и турбу­лентных потоков тепла в атмосферном пограничном слое (АПС) над территориями си­ноптического масштаба.

Информационная система, отвечающая поставленным требованиям, может быть создана на базе метеорологических локационных систем дистанционного акустического, радиоакустического и радиолокационного зондирований АПС.

Роль систем АЗ в комплексной информационной системе (КИС) состоит в иденти­фикации некоторых типов термодинамического состояния (ТДС) АПС, при которых на­блюдается развитый процесс турбулентного теплообмена, а также в получении исходных данных для разработки моделей количественного описания пространственно-временного распределения метеоэлементов над территориями синоптического масштаба.

Целью настоящей работы является обоснование возможности использования АЗ для решение одной частной задачи, состоящей в идентификации особого термодинамиче­ского состояния АПС, при котором наблюдается развитый процесс притока явного тепла в атмосферу и который поддерживается процессом турбулентного теплообмена в режиме контактной конвекции в приземном слое АПС.

Сущность. Эхограммы акустического зондирования АПС, полученные в условиях интенсивного прогрева подстилающей поверхности, показывают существенные различия в пространственно-временных структурах (ПВС) эхо-сигналов, полученных в жаркий летний день в зоне мегаполиса и над зоной с естественным ландшафтом. На рис. 1 приве­ден пример записи, полученной в зоне мегаполиса в летний день при слабой облачности при высоте h установки локатора h = 20л/ над по­верхностью Земли (на крыше здания). р------

Возникновение относительно мощного аку­стического эхо-сигнала свидетельствует о генерации   t250 при этом состоянии развитой микромасштаонои е [1,2] турбулентности (ММТ) в поле температуры.

При этом мы считаем, что основными источниками тепла являются элементы инфраструктуры мегапо-

лиса, ПОЛуЧИВШИе Нагрев ПОД ДеЙСТВИем СОЛНечНОЙ 5 0 пте,т>пи&* 20—-

радиации инфракрасного диапазона электромагнит- р ^

ных волн.

Автоматическая идентификация ТДС такого типа позволит применить специали­зированную модель расчета притока тепла в АПС и, таким образом, учесть дополнитель­ный, до настоящего времени не учтенный, фактор потепления атмосферного воздуха и, следовательно, климата планеты.

Учитывая, что площадь, занимаемая мегаполисами составляет значительную часть поверхности суши, мы предполагаем, что доля тепла, поступающая в атмосферу за счет теплоотдачи от нагретых элементов инфраструктуры мегаполисов достаточно велика для того, чтобы существенно ускорить процесс потепления климата планеты. Эти предполо­

СРРСН'2008

I-ч.і - 87жения, по-видимому, в значительной степени оправданы в отношении территории Евро­пейской части континента и северной Америки, а также некоторых регионов Дальнего Востока.

Структура эхо-сигналов, получаемых в приземном слое в летнее время при слабой облачности и при интенсивном прогреве подстилающей поверхности в зоне мегаполиса при скорости ветра Уг = (0,5 -г- 2)м/с , характеризуется отсутствием организованных тер­мических струй и по внешнему виду ближе к структуре, получаемой при устойчивом ТДС со сдвигом ветра [3]. Верхняя граница слоя рассеяния представлена некоторой ми­нимальной мощностью (высотой) слоя, относительно которой наблюдаются квазиперио­дические всплески высотой до к = 120м , возникающие, по-видимому, под действием из­менений скорости ветра. Внутри слоя пространственно-временная структура эхо-сигналов статистически однородна.

Термодинамическая модель возмущенного слоя в зоне мегаполиса определяет­ся высотой слоя шероховатости, которая существенно зависит от высоты и плотности расположения зданий и сооружений. Процесс формирования возмущенного слоя над ме­гаполисом отличен от процесса формирования термических струй [4].

Основной (входной) поток, который возможно содержит организованную (ячейко­вую) структуру, дробится в приземном слое при взаимодействии с элементами инфра­структуры мегаполиса (строениями), на более мелкие вихри. Следовательно, в спектре флуктуаций верхней границы при смешении струй от отдельных, рядом расположенных элементов, появляются относительно короткопериодные составляющие.

В ясные дни элементы мегаполиса прогреваются под действием солнечных лучей. Нагретые вихри приобретают силу плавучести и создают турбулентный слой также и в поле температуры.

При увеличении скорости ветра возрастает интенсивность перемешивания, следо­вательно, температура вихрей приобретает тенденцию к выравниванию. В результате этого мощность турбулентного слоя уменьшается, а скорость теплопередачи растет.

Рассмотренные процессы объясняют существование эхо-сигнала в виде турбулент­ного слоя с флуктуирующей мощностью.

Исследуем особенности эхограмм, получаемых при ТДС такого типа.

Модель эхограммы представим в виде т х п матрицы и амплитуд эхо сигналов, у которой вектор-столбцы есть векторы 1^ = (и1 у-,и2у-...иту-) моделей единичных профилей

эхосигналов и } (кг), где г = (1,2...т), т = ктах , ктах - высота зондируемого слоя атмо­сферы, А к - дискретный шаг высоты. Полагая Ак = 1 м и ктах = 510 м, получим т = 510. Координата высоты зондирования к(г) = г ■ Акр, где г - номера строки матрицы и .

Примем длительность выборки Тмв = 0,5 час, период повторения зондирующих

импульсов Тр = 2ктах/С5 , где С5 = 340м/с - скорость распространения звуковой волны. Тогда число профилей эхосигналов в матрице-выборке п = ТМв/Тр = 600 п = 600 . Координату времени зададим в виде (эх(})= } ■ Тр , где } = (1,2....п) Модель профилей эхосигнала получим из известного уравнения акустической ло­кации

ной последовательности квазислучайных чисел, генерируемые программно с нормаль­ным законом распределения плотности вероятности и статистическими моментами М [д] = 0 и а[д] = 1.

(1)

шума, q м = (д1 дт ) - вектор дискрет-

СРРСН'2008

1-ч.1 - 88

Рис. 3 Рис.2

Профиль параметра Ст (к) в выражении (1) представим в виде двух составляющих: усредненного профиля Ст (к), вид которого определяется типом ТДС и случайного ком­понента - Ст (к), обусловленного турбулентностью АПС.

Выражение для Ст (к) получим аппроксимацией реального профиля Ст ), кото­рый получим из выражения (1) при подстановки реального усредненного профиля мощ­ности эхо-сигнала Рг(к), полученного в результате экспериментального зондирования, то есть

' ( -к1,85 >^

Ст (к) = 0,625

0,012 + 0,02е 5000

при    к = к0 - к,

(2)

Ст (к) = 0

при   к = +1) кт

Модель Ст (к) получим, используя в качестве исходной функции вектор Чс = (#1 ), где Р = т + т-1, определяемый аналогично вектору q м.

Процедуру усреднения эхо-сигнала в пределах разрешающей способности системы по дальности Акв промоделируем процедурой скользящего усреднения вектора Чс

1   й+ т-1

дА(сі) = км — ■ ^#;(р), где т = (АкГ)/Ак), й = (1,2...т), км - масштабный коэффи-

циент. При Акв = , получим т = 5,

Модель высоты возмущенного слоя к8 зададим в следующем виде

'2- Л

к, (і) = к0 + Атчт + Аґ чґ + 4 8ш| -2л- і + А

Т

(3)

где к0 - минимальная мощность слоя, чт р - векторы, аналогичные вектору чс, А - весо­вые коэффициенты.

На рис.2-3 приведены реализации матриц-выборок эхосигналов, полученных при следующих параметрах модели: к = 15м , Ат = 10м, А5 = 1. На рис.2 и рис.3 Ар = 10м и Ар = 50м соответственно.

Рассчитаем коэффициенты корреляции между двумя строками матрицы-выборки,

разделенными одной строкой и построим зависимость кг () =-^ | хі,і х+2)

ахІ 'ахі + 2 і=1 V

На рис. 4 приведены результаты расчетов, выполненных по реализациям моделей эхограмм для ряда значений Ар = (10,20,30,40,50). Вид полученных функций указывает

на существование явно выраженного максимума, величина которого зависит от амплиту­ды пульсаций мощности возмущенного слоя. Мы предполагаем, что при анализе реаль­

СРРСН'2008

1-ч.1 - 89ных эхограмм величина кг тах может быть сопоставлена с амплитудой флуктуации гори­зонтальной скорости ветра.

Для сопоставления с модельным расчетом, на рис. 5 приведена зависимость кг (), полученная по реальной эхограмме, приведенной на рис. 1.

Рис. 4 Рис. 5

Заключение. В результате проведенной работы на основании анализа результатов акустического зондирования атмосферы построена модель эхосигналов акустического зондирования при развитом притоке тепла, поддерживаемого контактной конвекцией в приземном слое атмосферы. Проведен модельный анализ эхосигналов и выявлены осо­бенности эхограмм, получаемых в условиях интенсивного притока тепла в приземном атмосферном слое.

Литература

1. Ж.В. Мигем, Энергетика атмосферы Под ред. Л.Т. Матвеева, Гидрометиздат, Л.,1977, 328 с.

2. Л.Г. Макалистер, А.Р. Махони, Д.Р. Поллард, П.Д.Р. Шоу. Акустическое зонди­рование - новый метод исследования строения атмосферы. //Тр. ИИЭР - 1968. - №4.-С.231-240.

3. Семенец В.В., Леонидов В.И. Методика акустического зондирования в задаче экологического контроля пограничного слоя атмосферы. Прикладная радиоэлектроника,

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа