авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Восстановление характеристик атмосферы по данным лидарного зондирования

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Потапова Ирина Александровна

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ

ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.30 – метеорология, климатология и агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико – математических наук

Санкт – Петербург

2009

Работа выполнена в ГОУВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет»

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Мазуров Геннадий Иванович
доктор физикоматематических наук, профессор Ивлев Лев Семенович
доктор физикоматематических наук, профессор Покровский Олег Михайлович
Ведущая организация: Военнокосмическая академия имени А.Ф.Можайского

Защита состоится «15» октября 2009 года в 1530 на заседании диссертационного совета Д 212.197.01 при ГОУВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет» по адресу: 195196, СанктПетербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет».

Автореферат разослан « » сентября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

д-р физ. мат. наук, профессор

А.Д.Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена проблеме интерпретации результатов зондирования атмосферы лидарными системами и направлена на совершенствование методов лидарных измерений параметров атмосферного воздуха. Особое внимание уделяется лидарному измерению наклонной дальности видимости (НДВ).

Наиболее острой задачей метеорологического обеспечения современной авиации является получение оперативной информации о состоянии нижнего слоя атмосферы, от которого зависит возможность посадки и взлета самолетов, особенно, в сложных метеорологических условиях. При решении этой задачи необходима достоверность получаемой информации, в том числе, визуальной НДВ взлетно–посадочной полосы. Резко выраженная пространственно–временная изменчивость величины НДВ существенно затрудняет получение надежной информации. Кроме того, для определения такого весьма важного параметра как НДВ метеослужба до настоящего времени вообще не располагает необходимой аппаратурой.

В практике определения концентраций загрязняющих веществ используются, в основном, контактные методы измерений. Недостаток этих методов состоит в том, что они дают возможность определять локальные значения характеристик загрязнения атмосферы. Например, оптическими счетчиками частиц и фильтровыми аспирационными устройствами измеряются параметры аэрозоля лишь в непосредственной близости от этих приборов, что не позволяет оперативно определять пространственное распределение загрязняющих компонентов.

Для измерения НДВ, для определения пространственного распределения атмосферного аэрозоля, газовых компонентов атмосферы в нашей стране и за рубежом интенсивно разрабатываются методы лидарного зондирования среды. Применение лидарных методов для мониторинга состояния атмосферы целесообразно в связи с тем, что они обеспечивают дистанционность, высокое пространственное разрешение и оперативность выполнения измерений.

Важные для решения проблемы лидарного зондирования среды результаты получены многими исследователями. В частности, достигнуты значительные успехи в решении комплексной научной проблемы создания приемопередающей аппаратуры для определения концентраций аэрозоля и концентраций газовых компонентов, загрязняющих атмосферу. Решен ряд вопросов, связанных с особенностями спектрального диапазона лазерного излучения; особенностями регистрирующей аппаратуры, кратностью рассеяния лазерного излучения частицами аэрозоля.

Вместе с тем, остается трудность, обусловленная следующими особенностями проблемы: неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе интерпретации результатов (оно содержит более чем одну величину, неизвестную во многих точках пространствах – коэффициент ослабления и коэффициент обратного рассеяния) и математической некорректностью обратной задачи. Эти особенности негативно сказываются на достоверности определения искомых величин и существенно усложняют проблему. Информативность лидарных измерений оказывается низкой при зондировании неоднородной атмосферы.

Особенно сложной является задача дистанционного лазерного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, зондирования, выполняемого на значительных расстояниях от лидара. Это связано с существенной ролью случайной и систематической погрешности измерений, включая погрешности изза фоновой засветки, сдвига нуля эхо сигнала и неточности его коррекции на геометрический фактор.

Сложность учета рассмотренных особенностей лидарного определения оптических характеристик атмосферы в проблеме интерпретации данных зондирования дополняется сложностью параметризации оптико–микроструктурных свойств аэрозольных частиц.

Таким образом, совершенствование методов интерпретации данных лидарного зондирования атмосферы в настоящее время, приобретает особую актуальность.

Цель работы – повышение достоверности результатов интерпретации лидарной информации на основе применения усовершенствованных алгоритмов обработки экспериментальных результатов.

Алгоритмы базируются на строгом решении обратной задачи, апостериорной оценке возможности введения дополнительных данных, реалистическом описании физических свойств аэрозольных частиц. Исследование направлено на разработку метода лидарного зондирования неоднородной атмосферы, не требующего привлечения непроверяемой априорной информации и процедуры непосредственного дифференцирования сигналов обратного рассеяния; метода лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы. В отличие от традиционного подхода рассматривается статистическое интегральное решение обратной задачи многолучевого лидарного зондирования среды. Решение предназначено для практики лидарного определения НДВ и атмосферных загрязнений.

Основные задачи исследования, которые решаются для достижения цели и решение которых составляет содержание работы:

– анализируются особенности методов, применяемых для определения параметров атмосферы, оцениваются систематические погрешности, существенно влияющие на результаты решения обратной задачи, и разрабатываются схемы обработки сигналов лидарного зондирования атмосферы и алгоритмы, учитывающие особенности измерительной аппаратуры и условия зондирования;

– оцениваются возможности методов, предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного определения НДВ;

– осуществляется моделирование эхо сигнала, принимаемого лидаром, решение прямой и обратной задачи с введением возмущения в сигнал обратного рассеяния при вычислении коэффициента ослабления с учетом экспериментальных данных;

– осуществляется моделирование процесса рассеяния электромагнитных волн облучаемыми структурами, необходимое для уточнения микрооптических характеристик аэрозоля, с учетом экспериментальных данных;

– анализируется наблюдательный материал, собранный в процессе выполнения натурных экспериментов, позволяющий учесть при исследовании и разработке схем обработки эхо сигналов особенности аппаратуры и условия зондирования атмосферы;

– выполняется сравнительный анализ данных лидарных, трансмиссометрических и других измерений, выполненных в Ленинградской области и в разнообразных других условиях (в крупном промышленном центре, пустынной, горной зонах) в целях расширения области применимости разрабатываемых схем.

Методы исследования базируются на строгом решении лидарного уравнения. Используются методы численного анализа, компьютерное моделирование с применением данных натурных экспериментов, статистический анализ.

Научная новизна работы. В работе систематизируются и обобщаются итоги исследований точностных характеристик методов лидарного зондирования атмосферы, включая интерпретацию данных натурных экспериментов (Комплексного ленинградского эксперимента - КЛЭ, Советско–американского эксперимента АВТОЭКС и др.), авиалидарного зондирования. К основным научным результатам работы, относятся:

– найдено новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций – коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния,

– выполнен анализ погрешностей определения искомых характеристик для симметричных схем обработки данных (для двух равных шагов дифференцирования) и несимметричных схем (для двух разных шагов дифференцирования). На основе анализа показано, что погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы;

– установлена специфика применения дифференциальных и интегральных методов в практике лидарного зондирования;

– построены новые интегральные решения лидарного уравнения, на которых базируется метод измерения прозрачности атмосферы и НДВ;

– на основе найденных решений лидарного уравнения на уровне изобретений разработаны методы многопозиционного лидарного зондирования;

– показано, что повышенная точность методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующихся на строгом решении лидарного уравнения, обусловлена определенностью их области применимости;

– установлено, что для адекватного описания характеристик неоднородной атмосферы необходимо сочетание строгого и интегрального решений лидарного уравнения и учет возможности существенных вариаций связей между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния;

– показано, что повышение достоверности результатов интерпретации данных лидарного зондирования нетрадиционными методами достигается посредством привлечения апостериорной информации.

Таким образом, совокупность сформулированных и обоснованных в диссертационной работе положений можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области многопозиционного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующегося на строгом решении лидарного уравнения.

Основные положения, выносимые на защиту:

– новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций – коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния,

– симметричные и несимметричные схемы реализации найденного решения, отличающиеся случайной погрешностью коэффициента ослабления и фоновой засветки,

– основы метода лидарного зондирования, осуществляемого в неоднородной атмосфере вдоль трасс, пересекающихся в точках, принадлежащих исследуемому объему;

– интегральные решения лидарного уравнения, исключающие процедуру дифференцирования на участках неоднородной среды и предназначенные для обработки сигналов многопозиционного лидарного зондирования атмосферы;

– схемы лидарного зондирования атмосферы с апостериорно проверяемой эффективностью, предназначенные для достижения приемлемых погрешностей измерения НДВ.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что в работе используется подход, базирующийся на строгом решении лидарного уравнения, являющегося следствием фундаментального уравнения переноса радиации в дисперсных средах, причем данное решение не предполагает введения традиционных непроверяемых априорных допущений. Разработка методов лидарного зондирования производится на основе найденных решений и с учетом данных натурных экспериментов. Установлена сопоставимость результатов определения характеристик атмосферы лидарными методами и традиционными контактными методами измерений.

Обоснованность результатов обусловлена аргументированностью исходных положений исследований, выполненных с применением современного математического аппарата, и логической последовательностью рассуждений.

Практическая значимость работы определяется, в соответствии с поставленной целью, повышением достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы. Полученные результаты использованы в учебном процессе, для интерпретации данных натурных экспериментов и могут быть использованы для целей совершенствования лазерных технических средств, предназначенных для определения НДВ, для наземного и авиалидарного мониторинга загрязнения атмосферы.

Личный вклад автора

Все основные результаты получены автором лично. Автор выполнил анализ современного состояния проблемы. Нашел новые дифференциальные и интегральные решения лидарного уравнения. Разработал эффективные схемы реализации найденного решения. Применил полученные результаты для интерпретации данных натурных экспериментов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ряде научных конференций:

– конференции-выставке “Экология и современные технологии” (Санкт-Петербург, 1995),

– Четвертой международной школе–семинаре–выставке “Лазеры и современное приборостроение” (Санкт-Петербург, 1995),

– семинаре Российского аэрозольного общества (Санкт–Петербург, 1997),

– Международном конгрессе РАRТЕС 98 (Нюрнберг, 1998),

– семинаре “Аналитическое приборостроение для энергетики и точного машиностроения” (Сосновый Бор, Ленинградская область, 2001),

– III, IV Международной конференции “Естественные и антропогенные аэрозоли” (Санкт-Петербург, 2001, 2003),

– научно-технической конференции, посвященной 75–летию Архангельского ГТУ (2004),

– международной школе – конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда», РГГМУ, 2005,

– итоговой сессии Ученого совета РГГМУ (2006, 2008).

Публикации. Основные результаты, обобщенные и систематизированные в работе, отражены в 33 научных трудах и изобретениях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы – 203 наименования, списка обозначений и сокращений. В ней содержится 290 страниц текста, 19 таблиц, 45 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении анализируется современное состояние рассматриваемой проблемы, обосновывается актуальность темы диссертации, указывается цель работы, формулируются основные задачи исследования и положения, выносимые на защиту, отмечается научная новизна работы, ее практическая значимость, аргументируется обоснованность и достоверность полученных результатов, дается краткая характеристика диссертации.

В первой главе осуществляется физическая и математическая постановка задачи интерпретации данных лидарного зондирования атмосферы, которая основывается на обращении лидарного уравнения, записанного для коротких зондирующих импульсов и в приближении однократного рассеяния

(1)

мощность сигнала обратного рассеяния,

радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента,

радиус-вектор точки посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния, причем рассматривается как однопозиционное зондирование с фиксированным радиусвектором , так и многопозиционное зондирование (i й точке расположения приемопередатчика соответствует радиусвектор , ),

геометрический фактор лидара,

K коэффициент заполнения,

A – постоянная лидара,

коэффициент обратного рассеяния,

коэффициент ослабления,

текущий радиусвектор точки прямой, проходящей через точки i, j,

отрезок , по нему вычисляется интеграл в уравнении (1),

элемент длины отрезка,

мощность солнечного излучения, рассеянного атмосферой в направлении на приемное устройство лидара, зависящая от положения точки посылки импульсов и связанного с ним направления на исследуемый объем.

Рассматривается задача нахождения оптико–микроструктурных связей аэрозольных частиц.

Делается вывод о целесообразности разработки методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, сочетающих преимущества строгого и интегрального решения лидарного уравнения, а также об актуальности теоретического анализа оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц, найденных экспериментальным путем, и моделирования их оптических свойств на этой основе.

Во второй главе разрабатываются методы интерпретации сигналов обратного рассеяния.

Анализируются особенности методов, связанные с неопределенностью лидарного уравнения. Отмечается, в частности, что за счет введения традиционных предположений для определения неизвестных величин систематическая погрешность коэффициента ослабления может превысить сотни процентов. Делается вывод о необходимости поиска новых подходов к решению рассматриваемой проблемы.

Вычитанием из приходящего сигнала величины фоновой засветки выделяется сигнал, зависящий от коэффициента обратного рассеяния и коэффициента ослабления. В этом случае строгое решение уравнения (1) записывается в виде:

(2)

где S – скорректированный эхо сигнал, равный P/f,

– производная по i – му направлению зондирования,

n – размерность пространства зондирования,

(3)

cos ij – направляющие косинусы, равные

где Xi, xi – декартовы координаты, соответственно, рассеивающего элемента и приемопередатчика.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.