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:     | 1 || 3 |

Восстановление характеристик атмосферы по данным лидарного зондирования

-- [ Страница 2 ] --

Если фоновая засветка не определена экспериментально, она может быть найдена из решения уравнения (1). Коэффициент ослабления, его производные и производные коэффициента обратного рассеяния определяются тогда (вне ближней зоны лидара – при К = 1) на основании решения системы уравнений:

(4)

где

(5)

(6)

(7)

где – угол места.

При выполнении условия, которое можно рассматривать как уравнение, определяющее коэффициент ослабления однородной атмосферы, система может быть решена (ее решение записано ниже в конечно-разностном виде).

Решение (2), включающее процедуру дифференцирования, отягчено значительной случайной погрешностью. Оно может быть реализовано, например, на участках достаточно однородной атмосферы. На таких участках различие логарифмических производных сигналов, принятых с различных направлений, не должно быть значимым. Другая возможность реализации строгого решения уравнения (1) связана с существованием физических причин, способствующих образованию в атмосфере горизонтально однородных слоев.

Строгое решение лидарного уравнения может быть использовано и при определении параметров приближенных решений. В частности, удается определить постоянную с в степенной связи коэффициента обратного рассеяния с коэффициентом ослабления

(8)

которая привлекается при разработке методов зондирования неоднородной атмосферы. Величина c определяется соотношением

(9)

где угол места,

(10)

(11)

Коэффициент ослабления неоднородной атмосферы (R) вне горизонтально однородной области связывается с его значением (R) внутри этой области интегральным соотношением:

, (12)

в котором m = 1/c.

Для получения аналога традиционного интегрального решения лидарного уравнения оно заменяется системой уравнений Клетта на трассах многопозиционного зондирования. Проблема неопределенности рассматриваемой задачи решается тогда разработкой схем обработки сигналов обратного рассеяния, предполагающих пересечение трасс в точках, принадлежащих исследуемому объему, и апостериорным определением связи неизвестных коэффициентов в конкретных условиях зондирования неоднородной среды.

Запишем эту систему уравнений на пересекающихся трассах, формирующих замкнутый многоугольник, введя в рассмотрение новую неизвестную функцию

(13)

где c – постоянная, определяющаяся минимизацией погрешности решаемой системы уравнений.

Если обозначить

, (14)

, (15)

, (16)

(знак зависит от направления зондирования) и , отрезки и, то система уравнений, позволяющая связать значение Z1 в i-ой вершине многоугольника с введенной функцией , интегрируемой по сторонам многоугольника, запишется в виде:

(17)

(18)

а её решение следующим образом:

, (19)

где

, (20)

, (21)

, (22)

. (23)

Данное решение особенно полезно, если функция может быть представлена в виде степенного ряда. Рассмотрением различных многоугольников, имеющих общие точки, определяется искомая величина, для чего целесообразно ограничиться первым членом ряда в разложении функции .

В настоящей главе для анализа экспериментальных результатов определения свойств аэрозольных частиц рассматривается модель частицы с радиально изменяющимся показателем преломления в оболочке, покрывающей однородное ядро. Показатель преломления частицы задается действительной или комплексной величиной.

Моделирование рассеяния излучения частицами основывается на решении системы уравнений Максвелла относительно векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Традиционные методы решения уравнений Максвелла базируются на использовании специальных функций. Это ограничивает область их применимости: рассматриваются частные случаи неоднородных облучаемых структур, в основном, разрывных. С тем, чтобы существенно расширить область применимости, предлагается решение системы уравнений Максвелла для случая модельного радиального распределения комплексного показателя преломления как разрывного, так и непрерывного. Уравнения, которыми описываются потенциалы Дебая (переходящие в уравнение Гельмгольца при постоянном показателе преломления), решаются методом разделения переменных. В результате каждое из уравнений разделяется на три обыкновенных дифференциальных уравнения. При этом вместо дифференциальных уравнений Бесселя получаются дифференциальные уравнения второго порядка с переменными коэффициентами (переходящие в уравнение Бесселя при постоянном показателе преломления), которые интегрируются численно для неоднородной оболочки, покрывающей однородное ядро и находящейся в однородной среде.

В третьей главе исследуется интегральный метод многопозиционного лидарного зондирования.

Исследуется решение (19) системы интегральных уравнений многопозиционного зондирования (17) (18), связывающей неизвестные величины в точках замкнутого многоугольника, сформированного пересечением трасс зондирования, с измеряемыми мощностями эхо сигналов.

Среднее квадратичное отклонение коэффициента ослабления в вершине 1 многоугольника ((r1) = Y1) рассчитывается в линейном приближении:

(24)

по формуле, получающейся с учетом решения (21):

(25)

Система (17) - (18) решается также и приближенно умножением i–го уравнения на коэффициент А i и сложением уравнений, в связи с большими величинами погрешностей

(26)

(27)

где коэффициенты выбираются из условия минимума погрешности определения искомых величин.

Анализ предлагаемого решения выполнен на примере конкретных схем зондирования атмосферы (k = 3; 4) (трехпозиционное зондирование – рис.1).

Исследование характеристик разрабатываемых новых схем обработки данных выполняется с учетом реалистических зависимостей погрешностей эхо сигнала от его величины. В работе применяется степенная зависимость (показатель степени 0.5).

Сравнение результатов определения коэффициента ослабления методом лидарного зондирования с данными регистратора дальности видимости (РДВ) дает возможность оценить погрешность лидарных измерений в однородной атмосфере и погрешность эхо сигнала.

Используя результаты оценки на основании выражения для определения случайной погрешности в линейном приближении можно проанализировать эффективность интегрального метода многопозиционного зондирования.

В табл.1 представлены величины погрешностей треугольной схемы зондирования, рассчитанные для параметров лидара, выполненного на основе лазерного измерителя высоты облаков (ЛИВО), для различных значений коэффициента А включая 0 и 1 (в системе уравнений (26–27) два коэффициента равны А, один – 1). Рассматривается случай расположения точек посылок импульсов на общей прямой. Зондирование из точки R3 вдоль трассы содержащей точки r1, r3 осуществляется перпендикулярно к этой прямой. Зондирование из точек R1, R2 по направлению к точке r2 осуществляется под равными углами к ней.

В табл.1 1/1 – среднее квадратичное отклонение, – максимальная дальность

 Рис 1. Лидарная система посылающая импульсы вдоль трех направлений (1–2, 2–3, 1–3)-60

Рис 1. Лидарная система посылающая импульсы вдоль трех направлений (1–2, 2–3, 1–3) (треугольная схема лидарного зондирования атмосферы), – позиции лидара

зондирования (отношение сигнал/шум = 2).

Результаты расчетов показывают, что при увеличении глубины зондирования в многопозиционных схемах случайная погрешность становится чрезвычайно большой. Вместе с тем, ее удается уменьшить до уровня погрешности традиционных измерений за счет рационального выбора коэффициента А, причем систематическая погрешность оказывается значительно меньше, чем ее традиционная величина.

Анализ показал, что для типичных атмосферных условий приемлемой является треугольная схема. Наибольшая точность достигается для измерений в ближней вершине треугольника. Отношение случайных погрешностей в ближней и дальней вершинах не превышает 0,5. Еще более точной оказывается схема

Таблица 1

Точностные характеристики интегрального многопозиционного алгоритма

d1 d2 d3 1,1/км 1/1 1(сист)/1 A
0,09 0,14 0,63 3,0 300 30 30 0 30 70 1,0 0,4 0,0
0,20 0,34 0,52 2,0 200 20 15 0 30 50 1,0 0,4 0,0
0,12 0,18 0,58 1,0 500 30 30 0 40 80 1,0 0,4 0,0
0,17 0,35 0,65 0,5 700 30 30 0 40 80 1,0 0,4 0,0

четырехпозиционного зондирования: отношение погрешностей, характерных для нее и треугольной схемы, не превышает 0,6.

Исследование точностных характеристик схем зондирования неоднородной атмосферы выполнено посредством решения прямой и обратной задачи на основе собранного наблюдательного материала, что позволяет учесть в процессе моделирования особенности аппаратуры и условий зондирования атмосферы.

Для описания оптических параметров на основе данных, полученных вблизи С. –Петербурга и в п.Сиверский, была использована степенная связь между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния (см. ниже).

На рис.2 представлены погрешности m/ m для схемы рис.1. Анализ результатов показал, что точность интегрального метода многопозиционного зондирования обеспечена возможностью апостериорного определения связи между коэффициентами обратного рассеяния и ослабления. Новый метод более эффективен для оптически более плотной и (или) неоднородной атмосферы.

m m, %

3, км-1 Точностные характеристики треугольной схемы, углы зондирования 90o, 30o, m=1, 1-613, км-1

Рис.2. Точностные характеристики треугольной схемы, углы зондирования 90o, 30o, m=1,

1 - 3 /2 = 0,5; 2 - 2 = 2 км-1

Дополнительная точность при использовании схемы связана с увеличением угла между направлениями 3–2, 1–3. Ошибка может быть меньше 20%.

В четвертой главе рассматриваются результаты применения интегрального метода обработки данных лидарного зондирования атмосферы.

В январе-феврале 1991 г. было произведено лидарное зондирование атмосферы в окрестности перекрёстка: пр.Непокоренных и Пискаревского пр. Для обеспечения более полного анализа состояния воздушного бассейна лидар был установлен в фургоне передвижной лаборатории. Лидарные измерения осуществлялись ГГО им А.И.Воейкова с использованием устройства, выполненного на базе серийного лазерного измерителя высоты облаков (ЛИВО).

Посылка импульсов осуществлялась из нескольких точек обследовавшегося района в различных направлениях. Было отмечено существенное затухание светового импульса, связанное со значительной концентрацией частиц, содержавшихся в воздухе.

Его изменение вдоль трассы может быть связано не только с ослаблением излучения, но и с изменением коэффициента обратного рассеяния в пространстве. Разделить эти два фактора можно, осуществив посылку зондирующих импульсов по одной прямой в противоположных встречных направлениях из двух различных точек. В таком случае эхо сигналы для каждой из точек посылки импульсов будут убывать с расстоянием, если определяющим фактором является ослабление излучения. Если определяющим фактором является изменение коэффициента обратного рассеяния, то эхо сигнал, принятый в одной точке, будет убывать, а в другой - возрастать с расстоянием от точки приема (посылки).

Анализ результатов выявил определяющую роль фактора ослабления излучения. В частности, отношение сигналов в сериях зондирования в двух противоположных направлениях не отличалось значимо от единицы.

Для интерпретации результатов лидарного зондирования атмосферы в окрестности пересечения городских автомагистралей, наряду с дифференциальным методом, был применён интегральный метод. В табл.2 представлены результаты определения коэффициентов ослабления в окрестности пересечения пр. Непокорённых и Пискарёвского пр. Для сравнения в ней приведены результаты ослабления найденные дифференциальным () и

Таблица 2

Коэффициенты ослабления в окрестности пересечения пр.Непокорённых и Пискарёвского пр.

Дата Время , км-1 i,км-1 МДВ, км
23.01.91 24.01.91 30.01.91 20.02.91 22.02.91 11.00 10.30 12.40 16.00 15.00 3 ± 1 0.7 ± 0.2 2.4 ± 0.9 1.1± 0.2 0.8 ±0.1 3,0/2,7 0.6/0,5 2.4/2,5 1.0/1,2 0.7/0,6 1 5-6 1 3 4-5


Pages:     | 1 || 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.