2
Оглавление
Введение.........................................................4
Глава 1. Методы измерения скорости ветра по флуктуациям
интенсивности просвечивающего оптического излучения ...................................................... 19
1.1. Сцинтилляционные методы измерения скорости ветра.19
1.2. Экспериментальная верификация метода измерения интегральной поперечной скорости ветра по смещению корреляционной функции флуктуаций интенсивности.........24
1.3. Определение флуктуаций скорости ветра из оптических измерений. Метод производной............................26
1.4. Метод измерения скорости ветра по флуктуациям координат энергетического центра тяжести (ЭЦТ) оптического изображения.................................30
1.5. Экспериментальная верификация метода измерения скорости ветра по флуктуациям координат ЭЦТ оптического изображения.................................38
Основные выводы главы 1.................................41
Глава 2. Определение скорости ветра в атмосфере по турбулентным искажениям видеоизображений лазерного пучка.....................44
2.1. Измерение интегральной скорости из анализа скоростных видеоизображений лазерного пучка........................46
2.1.1. Описание эксперимента........................47
2.1.2. Обработка экспериментальных данных. Особенности анализа временных и пространственных реализаций 50
2.1.3. Сравнительный анализ результатов оценки интегральной скорости ветра различными методами из скоростных видеоизображений лазерного пучка 56
2.2. Профилирование скорости ветра на основе пространственной вейвлет-фильтрации видеоизображений лазерного пучка.........................................60
2.2.1. Модельный эксперимент ......................61
2.2.2. Анализ данных модельного эксперимента с применением вейвлет- фильтрации изображений пучка...............64
2.2.3. Атмосферный эксперимент......................74
Основные выводы главы 2.................................77
Глава 3. Оценивание скорости ветра из флуктуаций лидарных
сигналов в турбулентной атмосфере.......................79
3.1. Дрожание изображения аэрозольного рассеивающего
объема (АРО) в турбулентной атмосфере при бистатической схеме локации.......................................81
з
3.2. Особенности дрожания изображения АРО в турбулентной атмосфере для моностатической схемы зондирования 92
3.3. Влияние флуктуаций скорости ветра и их пространственной анизотропии на пространственно-временную структуру сигналов аэрозольного лидара 97
3.4. Способ оценки среднего значения и дисперсии флуктуаций компонент скорости ветра из измерений фазового спектра и
спектра когерентности лидарных сигналов..............105
3.5. Применение метода вейвлет-преобразования для анализа пространственно- временной структу ры ноля скорости
ветра из данных лидарного зондирования...............113
Основные выводы главы 3..................................125
Заключение.......................................................126
Литература.......................................................129
4
Введение
Одной из проблем современной атмосферной физики является исследование турбулентных ветровых полей. Информация о скорости ветра, её средней и флуктуационных составляющих необходима при изучении динамики атмосферных процессов, в расчетах потоков тепла, количества движения, переноса скалярных примесей (таких как влажность, различные аэрозольные и газовые компоненты), при построении моделей в климатологии и составлении метеорологических прогнозов. Информация о ветре используется в расчетах конструкционных нагрузок, для определения сдвигов ветра в оперативной практике обслуживания и обеспечения безопасности авиаперелётов, при решении задач переноса загрязняющих примесей, при разработке оптических систем связи, локации, устройств наблюдения, адаптивной оптики, дальнометрических и лидарных устройств.
Для измерения скорости ветра используются ветровые датчики, чашечные и акустические анемометры. Однако потребность получения данных о ветре в местах, недоступных для установки датчиков, требует развития дистанционных методов измерения скорости и направления ветра. Значительный интерес представляют измерения вертикальных профилей, а также усредненных на различных пространственных или временных интервалах ветровых параметров, которые могут быть реализованы методами дистанционного оптического зондирования. В настоящее время для измерения скорости ветра широко применяются такие средства дистанционного зондирования, как радары, содары и лидары [1 - 3]. Все они основаны на использовании эффекта доплеровского смешения частоты излучения, рассеянного движущимися за счет ветра рассеивателями, и позволяют измерять так называемую радиальную скорость вдоль направления распространения зондирующего излучения. Для получения информации о векторе скорости ветра измерения осуществляются под
5
различными углами. Традиционно для дистанционного исследования динамики турбулентного поля скоростей в жидкостных и газовых потоках применяются лазерные доплеровские измерители скорости (ЛДИС) [4] и Particle Image Velocimetry (PIV) методы [5, 6], основанные на измерении скоростей движения микрочастиц, искусственно внедряемых в исследуемый поток. При измерениях шероховатости материалов, формы объектов, их перемещения и деформации используются методы спекл фотографии и спекл интерферометрии [7 - II], где источником информации об объекте являются флуктуации интенсивности рассеянного или пропущенного диффузной поверхностью лазерного излучения. Когерентные лидарные методы измерения скорости ветра в атмосфере [12 - 15J но принципу действия аналогичны PIV и ЛДИС, но в отличие от последних, не требуют искусственного «засевания» изучаемых турбулентных потоков рассеивающими частицами, используя естественный атмосферный аэрозоль.
Наряду с доплеровскими, одним из основных методов дистанционной диагностики природных и искусственных сред является метод зондирования, заключающийся в просвечивании среды эталонными сигналами и анализе их искажений, вызванных неоднородностями среды распространения. Одним из таких методов является метод лазерного просвечивания. В отличие от доплеровских методов, здесь источником информации служат флуктуации интенсивности зондирующего излучения и их пространственно-временная структура. Эти флуктуационные методы во многих случаях позволяют определять поперечный к трассе вектор интегральной скорости без использования сканирования; их реализация не требует громоздких конструкций, как в случае радаров и содаров. Именно практическая потребность в компактных, относительно дешевых и простых в эксплуатации дистанционных измерителях интегральной скорости ветра определяет актуапьность разработки и исследования эффективности лазерных флуктуационных методов измерения скорости.
6
В настоящее время известно большое количество работ по определению скоростей турбулентных потоков лазерными методами на основе анализа пространственно-временной структуры поля флуктуаций излучения, прошедшего случайно неоднородную среду, например [16 -25]. Физическую основу этих методов составляет теория флуктуаций электромагнитных волн в средах со случайными неоднородностями [16 - 19, 26 - 39].
Однако, несмотря на большую практическую потребность в таких измерителях, количество реальных оптических измерений ветра в атмосфере флуктуационными методами относительно невелико. Это объясняется не столько сложностью и дороговизной реализации, сколько многочисленными ограничениями, присущими существующим методам оценки статистических параметров скорости ветра из оптических измерений. Поэтому на момент начала работы над диссертацией задача разработки методологии и научной технологии лазерных методов и средств измерения параметров ветра и атмосферной ветровой турбулентности и исследование ее пространственно-временной структуры являлась актуальной, каковой она продолжает оставаться и на сегодняшний день. В диссертации предложены новые оптические методы измерения средней и флуктуационной составляющих скорости ветра, расширяющие возможности дистанционного лазерного ветрового зондирования. Приведенные в диссертации материалы формируют методическую базу дистанционных измерений флукгуационных параметров поля скорости ветра и могут быть использованы при разработке оптических систем оперативного измерения турбулентной скорости ветра в атмосфере.
Очевидно, что единственно возможным способом получения информации о скорости перемещения среды из пространственно- временных измерений параметров излучения является наличие функциональной связи между характеристиками среды (концентрация частиц, коэффициент
7
аэрозольного рассеяния, величина показателя преломления) в двух точках, разделенных в пространстве и во времени.
Переход от пространственных характеристик к временным является ключевым моментом на самом начальном этапе теоретического рассмотрения всех методов измерения турбулентной скорости, обсуждаемых в диссертационной работе. Формально говоря, только в результате такого перехода в расчетных формулах появляется величина скорости перемещения.
Функциональную пространственно-временную связь характеристик среды для турбулентных потоков дает высказанная Дж. Тейлором в 1938 г. гипотеза о «замороженности» турбулентности [40], которая сводится к предположению о переносе, как целого, всей совокупности пространственных неоднородностей с постоянной скоростью V без учета флуктуации скорости переноса и эволюции неоднородностей в процессе их движения. В этом случае все временные изменения пространственною распределения неоднородностей и пульсации показателя преломления л(г) в моменты времени / + ти / определяются переносом
и(г,Г + т) = и(г-VI,/), (1)
где г = {д:уу,г\ - пространственная координата.
Однако скорость турбулентных потоков является сугубо непостоянной и хаотически изменяется по сложным законам и в пространстве и во времени. Чтобы учесть флуктуации скорости переноса и эволюцию неоднородностей Татарский [16] предложил считать скорость переноса функцией координат и времени У(г,^), но при этом ввел ограничение на величину временного интервала х, в течение которого соотношение (1) остается справедливым. Он предположил, что скорости движения отдельных неоднородностей в каждой точке пространства для достаточно малых времен х можно считать постоянными. Это означает, что выполняется соотношение
п(г,г + т) = и(г- У(г,О*,0> (2)
8
где У(г,/) скорость того элемента среды, который в момент / + х находится в точке г. Поскольку х мало, то при изменении I на величину порядка х скорость V практически не меняется. Поэтому в (2) не делается различия между У(г,/ + х) и У(г,0, и можно записать У(г,/) вместо |У(г,/)^х.
Условие (2) означает консервативность переносимой турбулентностью характеристики воздуха - в данном случае, показателя преломления.
Условие (2) по внешнему виду напоминает условие «замороженности»
(1), но в отличие от (1), в (2) скорость меняется от точки к точке и не является постоянной в течение длительных промежутков времени. Условие
(2) называется условием «локальной замороженности» [16]. Оно позволяет рассматривать скорость переноса как случайную величину и проводить статистические осреднения, пользуясь соответствующими моделями вероятностных законов распределения скорости.
Все расчеты, представленные в диссертационной работе, основываются на соотношениях, вытекающих из условия «локальной замороженности» Татарского, являющегося обобщением классической гипотезы Тейлора. Поэтому круг рассматриваемых в диссертации методов измерения скорости ветра на основе анализа пространственно- временной структуры флуктуаций параметров оптического излучения в турбулентной атмосфере формально ограничен по признаку использования гипотезы «локальной замороженности».
Рассматриваемые в диссертации методы можно разделить на две большие группы: лидарно-локационные и методы просвечивания. Хотя методы этих двух групп различаются геометрией измерений, общим для них является то, что они основываются на анализе искажений оптического сигнала на турбулентных флуктуациях скорости ветра и неоднородностях показателя преломления воздуха. Для извлечения информации о средней величине и флуктуационных параметрах скорости ветра в этих методах
9
используются как корреляционные, так и спектральные характеристики флуктуаций оптического излучения.
Таким образом, целью диссертационной работы ивляетсн разработка и развитие дистанционных оптических методов измерения средней и флуктуационной составляющих скорости ветра, основанных на анализе пространственно-временной структуры поля флуктуаций лазерного излучения в турбулентной атмосфере и использующих для связи пространственных и временных характеристик гипотезу локально замороженной турбулентности.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- изучение возможности использования в качестве измеряемых характеристик первых производных временных изменений логарифма амплитуды, фазы оптической волны, а также компонент вектора смещения энергетического центра тяжести изображений зондирующего пучка и аэрозольного рассеивающего объема (АРО) для оценки параметров интегральной по трассе турбулентной скорости ветра; разработка и экспериментальная верификация метода оценки скорости ветра и ее дисперсии из измерений скорости изменения параметров оптического излучения;
-разработка и экспериментальная реализация методов измерения скорости турбулентных потоков на основе вейвлет-фильтрации видеоизображений просвечивающего поток лазерного пучка в плоскости приема;
- исследование возможностей восстановления профиля скорости турбулентного потока вдоль оптической трассы из пространственно-временной статистики турбулентных флуктуаций лазерного излучения;
-теоретическое исследование случайных смещений энергетического центра тяжести изображения АРО, подсвечиваемого зондирующим пучком, в зависимости от внутренней дискретной структуры объема рассеяния, его
10
формы, размеров и турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха на трассе зондирования;
- изучение влияния особенностей моностатической схемы зондирования, обусловленных корреляцией волн, распространяющихся в прямом и обратном направлениях по одним и тем же неоднородностям среды, на величину случайных дрожаний изображения АРО;
-учет пульсаций скорости ветра и их пространственной анизотропии при анализе лидарных данных методами корреляционного и когерентного анализа;
-разработка способов оценки среднего значения и дисперсии флуктуаций компонент скорости ветра из измерений фазового спектра и спектра когерентности лидарных сигналов;
В диссертации получены следующие новые результаты.
1. Предложен и апробирован в атмосферных экспериментах метод оценки скорости ветра и ее дисперсии из измерений скорости изменения параметров оптического излучения. Результаты опубликованы в [41 - 47, 49 -53].
2. Разработан и реализован в экспериментах на атмосферных оптических трассах метод измерения интегральной скорости турбулентных потоков на основе анализа пространственно-временной статистики интенсивности видео изображений лазерного пучка в плоскости приема. Результаты опубликованы в [48 - 53).
3. Предложена концепция атмосферной реализации метода измерения скорости турбулентных потоков на основе двумерного пространственного вейвлет-преобразования видео изображения пучка в плоскости приема. Показано, что данный метод позволяет определять расположение турбулизованных зон вдоль трассы распространения просвечивающего оптического пучка и получать оценку скорости движения среды в этих зонах. Осуществлено тестирование метода в модельном эксперименте. Полученные
11
с использованием двумерной вейвлет-фильтрации видеоизображений оценки скорости турбулентного потока для выделенных точек трассы согласуются с прямыми измерениями скорости акустическими анемометрами, размещенными в этих точках. Результаты опубликованы в [57 - 66].
4. Показано, что с увеличением длины трассы Ь вклад в дисперсию случайных дрожаний изображения ЛРО аэрозольной компоненты (внутренней структуры, формы и размеров АРО) убывает ~/Г2, а вклад турбулентных неоднородностей среды растет ~£. Это позволяет разделить вклад этих двух компонент. На трассах /.>100 м для любых концентраций частиц вкладом аэрозольной компоненты можно пренебречь, что позволяет осуществлять дистанционные измерения интегрального значения структурной характеристики показателя преломления на трассе зондирования. На коротких трассах, наоборот, вклад турбулентной компоненты мал, и возникает возможность определения концентрации рассеивающих частиц из измерений дрожания изображения АРО. Вариации прозрачности атмосферы и коэффициента аэрозольного рассеяния не влияют на величину смещения изображения АРО. Результаты опубликованы в [67 - 69].
5. Установлено, что при моностатической локации в турбулентной атмосфере происходит компенсация наклонов волнового фронта и ослабление «дрожания» изображения рассеивающего объема вследствие корреляции прямой и отраженной волн, распространяющихся через одни и те же неоднородности среды. Корреляция встречных волн наиболее сильно сказывается на величине дисперсии случайных смещений изображения АРО в случае сфокусированного и узкого коллимированного зондирующего пучка и практически не оказывает влияния на дисперсию дрожания при зондировании в режиме плоской и сферической волн. Результаты опубликованы в [70, 71].
- Київ+380960830922