Московский физико-технический институт

(государственный университет)

На правах рукописи

Коломиец Сергей Федорович

Применение доплеровских методов

при вертикальном радиолокационном зондировании

осадков

в широком диапазоне длин волн

и пространственно-временных масштабов

Специальность – 01.04.03 «Радиофизика»

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2009 г.

Работа выполнена в государственном федеральном унитарном предприятии «Гидрометпоставка», г. Долгопрудный.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Андрей Габриэлович Горелик

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Борис Георгиевич Кутуза, ИРЭ РАН кандидат технических наук Сергей Александрович Кочеров,

РНИИ КП

Ведущая организация: Нижегородский радиофизический институт (НИРФИ)

Защита диссертации состоится «13» мая 2009 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д212.156.06. при Московском физикотехническом институте, по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, корпус В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, г. Долгопрудный, Московская обл., Институтский переулок, д. 9, МФТИ, Н. П. Чубинскому

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ

Автореферат разослан «20» марта 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.156.06.

кандидат технических наук, доцент Н. П. Чубинский Актуальность и современное состояние вопроса С развитием технических систем точные данные о физических процессах, происходящих в осадках, представляют интерес для наземной и спутниковой радиосвязи, электроэнергетики, радиолокации, авиации, метеорологии. Тем не менее, до сих пор в распоряжении ученых и инженеров нет точных и достоверных данных об особенностях динамических атмосферных процессов, которые происходят в условиях выпадения осадков и в частности дождей. Арсенал контактных средств при помощи которых можно получать информацию о микроструктуре дождя узок и разнороден, что затрудняет сопоставление данных. Общепринятых методик радиолокационных измерений в дождях, которые допускали бы сопоставление результатов, полученных разными авторами, в настоящее время тоже не разработано.

В 60-х и 70-х годах, в Советском Союзе был выполнен широкий комплекс совместных радиолокационных, самолетных и наземных контактных измерений микрофизических характеристик облачных систем и происходящих в них динамических процессов при выпадении дождей. В ходе этих работ была доказана необходимость дальнейшего совершенствования методов обработки и анализа радиосигналов, полученных от дождей, а так же доработки радиотехнических комплексов пусть даже ценой их усложнения. Было показано, в частности, что наиболее существенный вклад в ошибки интерпретации радиолокационных данных вносит пространственная и временная вариация микроструктуры дождя. В то же время было установлено, что контроль микроструктуры с использованием отдельных контактных инструментов, размещенных у земли, не позволяет получать достоверных данных во всем объеме дождя с необходимой точностью.

Однако надежных и хорошо обоснованных методов измерений в осадках, не требующих контроля микроструктуры дождя по данным контактных инструментов создано не было.

В нашей стране теоретические основы для разработки подобных методов были заложены в конце 50-х годов в ИРЭ АН СССР, где Г. С.

Гореликом и его сотрудниками был выполнен цикл теоретических работ, позволивший связать статистические параметры радиоэхо с движением блуждающих неоднородностей. Однако полученные зависимости не позволяли связать параметры радиоэха с реальными динамическими процессами в зондируемом объеме.

В начале 60-х годов, опираясь на работы Г. С. Горелика, А. Г.

Гореликом и Ю. В. Мельничуком были получены формулы связывающие спектральные параметры рассеянного поля и его интенсивности с микроструктурой осадков и динамическими процессами, происходящими в объеме зондирования. Им удалось связать спектральные параметры рассеянного поля и его интенсивности с реальными метеорологическим явлениями в объеме зондирования.

Было показано, что спектр рассеянного поля в масштабе по форме распределение проекций скоростей рассеивателей на направление зондирования, с учетом того вклада, который вносит каждый рассеиватель в отраженный сигнал. Спектр интенсивности рассеянного поля на выходе квадратичного детектора повторяет по форме (в масштабе F ) распределение разности проекции скоростей рассеивателей на направление зондирования с учетом того, какой вклад вносят различные рассеиватели с данным значением разности скоростей в отражаемость.

С целью проверки основных теоретических положений был проведен цикл измерений на вертикально ориентированных импульсно-когерентных локаторах с длиной волны зондирующего излучения = 3 см и = 30 см, а затем на ЛЧМ-локаторе, который работал на длине волны = 30 см. В ходе эксперимента были зафиксированы доплеровские спектры, микроструктуры, включая трехпараметрическое гамма-распределение, была невозможна. Было установлено, что достаточно часто в зондируемом объеме дождя (особенно интенсивного) присутствуют «сверхкрупные капли», появление которых даже в небольшом количестве существенно усложняло геофизическую интерпретацию радиолокационных данных, а применение методик, ориентированных на существование в зондируемом объеме «априорного распределения» капель по размерам, требовало своего переосмысления. Полученные результаты заставляли вновь вернуться к вопросу об учете микроструктуры при проведении радиолокационных измерений в дождях и, в частности, к решению вопроса о компенсации влияния на результаты радиолокационных измерений «сверхкрупных капель».

На базе полученных теоретических и экспериментальных результатов в конце 60-х решалась задача радиолокационного измерения вертикальных воздушных потоков и скорости диссипации турбулентной энергии в атмосфере при выпадении дождей. Этот этап исследований отличался использованием усовершенствованной модели микроструктуры, которая характеризуется трехпараметрической гамма-функцией (см. ниже (1)) аппроксимирующей распределения капель по размерам и уточненной аппроксимацией зависимости скорости падения капель в атмосфере от их размера (см. ниже (2)).

В итоге, А. Г. Гореликом и В. Ф. Логуновым в 1971 году был предложен метод измерений, который впервые позволял использовать ширину спектра интенсивности в качестве одного из информационных параметров. По оценкам авторов, использование дополнительного информационного параметра позволяло довести точность метода до порядка 0.2 м/с при измерении вертикальных воздушных потоков.

Однако, область применимости методики не была определена с необходимой точностью, а способ исключения интенсивности дождя R, из состава обязательных параметров методики с целью перехода только к параметрам, измеряемым дистанционно, предполагал использование априорной, не изменяемой в ходе измерений, зависимости между радиолокационной отражаемостью Z и интенсивностью дождя R. Это не позволяло использовать её на малых пространственно-временных масштабах, когда - как показывает опыт - распределения капель по размерам не всегда можно описать гамма-распределением.

Цель диссертационного исследования радиолокационных измерений скорости и знака вертикальных воздушных потоков, а также параметров атмосферной турбулентности в дождях, которая была бы применима для доплеровского локатора, работающего в режиме вертикального зондирования в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн, с учетом вариации микроструктуры дождей на различных пространственно-временных масштабах.

Разрабатываемая методика должна быть применима без использования «контактной информации» о микроструктуре дождя у поверхности земли.

Для достижения поставленной цели исследования было необходимо решить следующие основные задачи:

1. Изучить современные публикации и сформировать требования к методике дистанционного измерения динамических параметров атмосферы, применимой в широком интервале пространственновременных масштабов и длин волн зондирующего излучения без использования контактной информации.

2. Провести анализ особенностей доплеровских спектров полученных от осадков и изучить специфические особенности контактных измерений микроструктуры дождя на малых пространственновременных масштабах.

3. Разработать рекомендации по адаптации существующих методик к особенностям измерений на малых пространственно-временных масштабах, включая разработку способов оценки достоверности измерений.

Научная новизна 1. Впервые предложена и теоретически обоснована полностью дистанционная методика измерения скорости вертикальных воздушных потоков и параметров атмосферной турбулентности, которая применима в широком спектре пространственно-временных масштабов и длин волн зондирующего излучения.

2. Впервые предложена и теоретически обоснована нечувствительная к воздействию атмосферной турбулентности методика измерения скорости вертикальных воздушных потоков с использованием информации о ширине и форме распределения капель по размерам.

3. Сформированы концепции «обобщенного мультипликативного коэффициента», и «динамической модели дождя» позволяющие моделировать Z-R соотношение в случае «мгновенных» измерений, измерений на конечном интервале времени и с учетом условий дифракции Релея и Ми.

4. Предложен метод улучшения контактных оценок среднего диаметра капель с использованием классических контактных инструментов, основывающийся на исключении статистического смещения.

Практическая ценность работы Результаты, представленные в диссертации, используются для получения данных о протекающих в дождях динамических процессах в широком интервале пространственно-временных масштабов с использованием вертикально ориентированных доплеровских зондирующего излучения.

метеорологии и климатологии, а также для мониторинга динамических процессов в атмосфере при решении задач, связанных с контролем и обеспечением заданных режимов полета летающих аппаратов (включая неблагоприятных погодных условиях, в первую очередь при взлете и посадке.

Положения, выносимые на защиту 1. Определение области применимости метода Горелика-Логунова при измерениях вертикальных воздушных потоков и скорости диссипации измерениям на малых пространственно-временных масштабах в широком диапазоне длин волн зондирующего излучения.

2. Концепция «обобщенного мультипликативного коэффициента», времени и с учетом условий дифракции Релея и Ми.

3. Концепция «динамической модели дождя» и полученные с её использованием результаты моделирования Z-R соотношения на конечных периодах времени измерения и в различных диапазонах Апробация работы радиолокационные методы измерений и обработки информации» 25- «Дистанционные методы исследования природной среды», 16-24 апреля, 2007, г. Санкт-Петербург, Россия, Третьей Международной молодежной научно-технической конференции студентов, аспирантов и ученых "Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2007", 16апреля, 2007, г. Севастополь, Украина, на семинарах в ИРЭ РАН, ЦАО и МГУПИ. Результаты диссертации были опубликованы в 12 печатных работах, 11 из которых – в центральных журнала и тезисах докладов международных конференций.

Содержание диссертационной работы Диссертация содержит введение, четыре главы и заключение. В приложении содержатся замечания по реализации и один из возможных методической точности динамических параметров атмосферы с осадками доплеровскими вертикального зондирования.

Во введении Рис. 1. Отклонение в % между диздрометрическим обосновывается минимальный и максимальный размер регистрируемых актуальность выбранной темы, формулируется основная цель и задачи Смещения показаны сплошными тонкими линиями. С исследования, граница не изменяется, нижняя - незначительно приводится краткий обзор основных результатов, которые были известны до начала работы. Основное внимание уделяется исследованиям микроструктуры дождей у земли по данным различных контактных инструментов.

В первой главе атмосфера рассматривается как объект исследования контактными инструментами. Детально рассматривается имеющаяся в частицах, динамике их свободного жидкокапельных осадков. Проведен анализ возможных путей развития микроструктуры дождя, с учетом ближайшем будущем потребностей предложен метод улучшения оценок использованием классических гравитационного падения v g как функция статистического смещения (см. капель по размерам в мм) рис. 1).

Во второй главе атмосфера рассматривается как объект исследования используемые для описания отражения от сплошной среды и рассеяния на отдельных частицах разреженной среды. Рассматриваются основные отражения от разреженной среды. Вводится новое содержание понятия «эффективная радиолокационная отражаемость», которое более удобно при сопоставлении результатов многоволновых измерений. Приводятся схемы расчета. Рассматриваются особенности доплеровских спектров дождевых капель, которые получены в режиме вертикального зондирования предложенного в 1971 году.

изменениям параметрического используемых для определения крупной каплей высоты зондируемого объема.

Результаты расчетов приведены на рис. 4. Изменения наиболее выражены в области экстремальных и средних значений V g и параметра log(Z/R).

Полученные результаты позволяют более достоверно и в оперативном режиме контролировать гипотезу об аппроксимации гамма-функцией распределения капель по размерам в зондируемом объеме.

В третей главе проводится анализ экспериментальных доплеровских спектров от дождей. Показано, что бимодальность (см. рис. 3) является одним из основных отклонений формы спектра от той формы, которая может быть сформирована микроструктурой рассеивателей, описываемой гамма-распределением. Показано, что с уменьшением времени измерения следует ожидать увеличения относительного количества наблюдаемых бимодальных спектров.

Проведен анализ возможных причин формирования немономодальных спектров при измерениях в дождях.

Указывается на возможность формирования дополнительного спектрального пика в области «высоких доплеровских скоростей» спектральной аппаратурой радиолокатора даже при рассеяния на Рис. 4. Результаты уточненного расчета области микроструктуре дождевых вертикальных воздушных потоков, предложенной капель, которая может быть описана гаммаинтенсивности, слева – средняя гравитационная распределением. скорость при заданных log(Z/R) и ширине спектра.

Рассматриваются спектральные эффекты, которые порождаются наличием отдельных крупных капель в зондируемом объеме одновременно с микроструктурой дождевых капель, которая может быть описана гамма-распределением.

Показано, что наличие крупных капель в зондируемом объеме может приводить к ошибкам в 2-3 раза при оценке параметров турбулентности на коротких периодах времени измерения (в случае использования только «интегральных» параметров: средней доплеровской частоты и ширины доплеровских спектров и проводится анализ методических трудностей их применения. Рассматриваются особенности использования диапазона длин волн, характеризующихся рассеянием Ми на каплях дождя с целью предполагающих использование данных о форме доплеровского спектра.

На основе результатов исследования возможных причин формирования бимодальных доплеровских спектров с выбросом в области высоких доплеровских частот предлагаются оптимальные длины волн ( = 4.5 мм - мм), которые наиболее предпочтительны для проведения измерений в динамических параметров атмосферы с использованием информации о ширине распределения капель по размерам у земли. Получены основные формулы. Особенностью предлагаемой методики является простой способ исключения воздействия атмосферной турбулентности – как наиболее трудноизмеримого параметра – на результаты радарных оценок скорости вертикальных воздушных потоков.

В четвертой главе формулируется обосновывается теоретически размерам вида:

где N0 – концентрация капель дождя в единице объема, m, – параметры формы гамма-распределения, D – диаметр капли дождя.

и уточненной формулы аппроксимации для зависимости Ганна-Кинцера вида:

свободного, гравитационного падения.

формулу мультипликативного коэффициента A0 в зависимости Z=A0Rb при параметра b = 2 предлагается называть «обобщенным мультипликативным коэффициентом». Отметим, что сам параметр b=2 имеет достаточно ясную монодисперсного дождя с максимально крупными каплями. Для A0 получено следующее выражение:

где:

B = 18.67 [ м с ], С = 0.318 мм 1, Е = 1.145 103 с 1 коэффициенты из (2), Учитывая известные соотношения:

справедливые для гамма-функции, могут быть получены выражения для сомножителей Y и U с использованием диаметра D0 и дисперсии гамма распределения капель по размерам. Подобные выражения могут быть интересны тем, что указанные параметры, теоретически, могут лучше «поддаваться» дистанционным измерениям. Выражение для Y в этом случае выглядит следующим образом:

Вывод аналитической зависимости для мультипликативного коэффициента A0 связан с необходимостью интегрирования за пределами области формул в широком диапазоне распределений капель по размерам, аппроксимируемых модифицированной гамма-функцией.

а) Результаты расчетов с использованием обобщенного мульипликативного коэффициента модельных временных рядов динамической модели дождя интервалах измерений была сформирована динамическая модель дождя.

предлагается следующие основные её параметры:

гамма распределение для среднего диаметра капель D0 за время среднеквадратичным отклонением от 0 мм до 7 мм.

измерения со средним значением 100 м-3 < N0 < 800 м-3 и среднеквадратичным отклонением от 0 м-3 до 400 м-3, что следует из распределения интенсивности рис. 3.

нормальное распределение для m со средним значением m = 5 и среднеквадратичным отклонением от 0 до 1.5.

Результаты, полученные для «мгновенных» измерений в условиях зондирования. Для этого используется понятие Ze - «эффективной отражаемости Z0 на некоторый коэффициент µ.

Если полагать, что для N0 одинаковых капель с эквивалентным диаметром D можно записать: Ze(N0, D) = µ(D)Z(N0, D), где µ = Qm/ Qr – безразмерная величина, изменяющаяся от 0 до 1, выражающая отношение поперечника рассеяния для условий дифракции Ми к поперечнику рассеяния для условий дифракции Релея, тогда для Ze можем записать:

Если предположить, что существует функция µ(m, ), такая, что:

тогда:

Вычисление полученного выражение для µ(m, ), не намного сложнее вычисления µ(D). Таким образом, в рамках предложенного подхода, задача интерпретации Z-R соотношения для условий рассеяния Ми может быть сведена к задаче для условий рассеяния Релея. В некоторых случаях может потребоваться использование конечного предела интегрирования Dmax,:

радиофизического метода определения скорости вертикальных воздушных потоков скорости диссипации атмосферной турбулентности обеспечивает увеличение оперативности получаемых данных о динамических параметрах атмосферы (что равносильно переходу к меньшим пространственным «долгоизмеряемого» параметра R – интенсивности дождя, и перейти к коэффициента требуется информация о форме доплеровского спектра, но её же можно использовать и для контроля области применения методики, предполагающей гамма-распределение капель по размерам в зондируемом объеме.

В заключении сформулированы основные выводы, состоящие в следующем:

1. Разработана и теоретически обоснована полностью дистанционная методика измерения динамических параметров атмосферы для вертикального зондирования, которая применима в различных пространственно-временных масштабах и на различных длинах волн. В методике используется концепция «обобщенного мультипликативного коэффициента», который требует учета параметров формы доплеровского спектра. Форма доплеровского спектра может использоваться также для оперативного контроля области определения методики с целью повышения достоверности измерений.

2. Сформулирована и теоретически обоснована концепция «обобщенного мультипликативного коэффициента» для измерений Z – R на малых («мгновенных») периодах времени измерения.

Получены формулы для «обобщенного мультипликативного коэффициента», использующие параметры формы доплеровского спектра или распределения капель по размерам.

3. Сформулированы основные положения «динамической модели дождя», и с её использованием предложен механизм применения «обобщенного мультипликативного коэффициента» на периодах экспериментальных результатов. Предлагаемые зависимости позволяют проводить более точную и достоверную интерпретацию в терминах микроструктуры результатов дистанционных измерений интенсивности дождя, полученных в широком интервале периодов измерения и усреднения.

4. Предложен механизм применения концепции «обобщенного мультипликативного коэффициента» в условиях рассеяния Ми, что позволяет расширить диапазон длин волн зондирующего излучения при проведении измерений динамических параметров атмосферы в режиме вертикального зондирования. Получены окончательные расчетные формулы. С использованием «динамической модели дождя» показано удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных результатов для условий рассеяния Ми на конечных периодах времени измерения.

распределения капель по размерам. Получены основные формулы.

Особенностью предлагаемой методики является простой способ наиболее трудноизмеримого параметра – на результаты радарных требует дальнейших исследований в части способов достоверного определения верхней границы распределения капель по размерам в зондируемом объеме.

6. На основе анализа характера нижней и верхней границы диапазона контактных измерений у земли, предложен метод улучшения оценок статистического смещения.

Приведенные выше результаты основывались на следующих основных предпосылках, сформированных в ходе настоящего исследования:

1. С использованием массовых экспериментальных данных установлено, размерам от формы гамма-распределения на коротких периодах измерения является локальные отклонения формы распределения в «крупнокапельными отклонениями» следует ожидать на периодах времени измерения, равном времени пересечения наиболее крупной каплей высоты зондируемого объема.

2. Расчетным путем установлено, что наличие крупных капель в зондируемом объеме может приводить к переоценке интенсивности турбулентности в 2-3 раза. Этот факт говорит о необходимости разработки и использования критериев применимости методик, априорно допускающих гамма-распределение капель по размерам в дождях. Для случая крупных капель такие критерии могут быть получены с использованием формы доплеровских спектров.

3. Расчетным путем получены оценки количества «крупных капель» в зондируемом объеме, которые могут приводить к бимодальной форме экспериментально. Установлено, что для крупнокапельных дождей и дождей с широким распределением – это отдельные капли во всем зондируемого объема.

4. На основе результатов анализа возможных причин формирования бимодальных доплеровских спектров с выбросом в области высоких характеризующиеся рассеянием Ми ( = 4.5 мм - 5 мм), которые наиболее предпочтительны для проведения измерений в дождях.

Публикации Результаты исследования опубликованы в следующих статьях и докладах:

1. Горелик А. Г., Коломиец С. Ф., О взаимосвязи радиолокационной отражаемости и интенсивности дождя. Успехи современной радиоэлектроники, 11, 2006.

2. Горелик А. Г., Коломиец С. Ф., Влияние микроструктуры дождя на достоверность и точность определения скорости вертикальных воздушных потоков. Успехи современной радиоэлектроники, 11, 2006.

3. Горелик А. Г., Коломиец С. Ф., Определение параметров мелкомасштабной и крупномасштабной турбулентности в режиме вертикального радиолокационного зондирования. Научный вестник МГТУ ГА, Серия "Радиофизика и электроника", вып. 132, 2006.

4. Коломиец С. Ф. Оценка параметров распределения капель по размерам по данным диздрометрических измерений. Научный вестник МГТУ ГА, Серия "Радиофизика и электроника", вып. 132, 2006.

5. Горелик А. Г., Коломиец С. Ф., Влияние микроструктуры дождя на достоверность и точность определения скорости вертикальных воздушных потоков. Научный вестник МГТУ ГА, Серия "Радиофизика и электроника", вып. 136, 2006.

6. Горелик А. Г., Коломиец С. Ф. Рассеяние радиоволн разреженной средой и статистическая радиометеорология. Научный вестник МГТУ ГА, Серия "Радиофизика и электроника", вып. 137, 2006.

7. Коломиец С. Ф. Интерпретация результатов радиолокационных измерений в дождях с использованием обобщенного мультипликативного коэффициента Z-R соотношения. Научный вестник МГТУ ГА, Серия "Радиофизика и электроника", вып. 137, 2006.

8. Коломиец С. Ф., Методы контроля точности и достоверности радиолокационных измерений скорости вертикальных воздушных потоков в атмосфере с использованием радиолокатора работающего в режиме вертикального зондирования. Труды XXV Симпозиума по радиолокационному зондированию природных сред, 16 - 21 апреля, 2007 г. — Санкт-Петербург.

9. Горелик А. Г., Коломиец С. Ф., Теория рассеяния радиоволн на блуждающих неоднородностях и статистическая метеорология. Труды XXI Симпозиума по радиолокационному зондированию природных сред, 16 — 21 апреля, 2007 г. — Санкт-Петербург.

10. Горелик А. Г., Коломиец С. Ф., Теория рассеяния радиоволн на блуждающих метеообразований. Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова/РНТОРЭС им. А. С. Попова, Ин-т радиотехники и электроники РАН, Российская секция IEEE – М., 2007 – 204 с.

11. Коломиец С. Ф., Усовершенствованная методика дистанционного измерения скорости вертикальных воздушных потоков с использованием доплеровского радиолокатора в режиме вертикального зондирования. Материалы 3-ей междунар. молодежной науч.-техн. конф. Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ - 2007», 16 - 21 апреля, 2007 г. — Севастополь:

Изд-во СевНТУ, 2007. — 330 с.

12. Коломиец С. Ф., Интерпретация Z-R соотношения в дождях на конечных периодах времени измерения с учетом условий рассеяния Ми. Успехи современной радиоэлектроники, 12, 2007.

при вертикальном радиолокационном зондировании осадков и пространственно-временных масштабов Государственное образовательное учреждение Московский физико-технический институт (государственный университет) 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер.,