Разработка информационного обеспечения акустических комплексов и их применение в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн

СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ...............................................................4
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПОДХОДЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ И ТУРБУЛЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ....................................................14
1.1. Общие представления о строении пограничного слоя атмосферы.....14
1.2. Теория подобия для приземного слоя атмосферы...................20
1.3. Устойчивость средних значений..................................25
1.4. Методы исследования пограничного слоя атмосферы................26
1.4.1 Стандартные методы измерений.............................27
1.4.2 Локальные ультразвуковые методы..........................29
1.4.3 Методы дистанционного акустического зондирования.........33
1.5. Выводы.........................................................38
ГЛАВА 2. АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЗЕМНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН..40
2.1. Автоматизированные ультразвуковые метеорологические комплексы (АУМК) для измерения параметров приземного слоя атмосферы......41
2.1.1. Одноуровневый автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс...................................45
2.1.2. Двухуровневый автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс с гальванически развязанной системой связи 53
2.2. Акустические локаторы для зондирования атмосферного пограничного слоя...........................................................59
2.2.1. Минисодар «мС-1»........................................60
2.2.2. Акустический моностатический локатор «ЗВУК-З»...........68
2.3. Стенды для контроля метеорологических и турбулентных характеристик АПС и исследования приземного распространения звуковых волн....75
2.4. Выводы.........................................................83
2
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ..........................84
3.1. Исследование изменчивости метеорологического состояния нижней атмосферы......................................................84
3.2. Мониторинг турбулентности приземного слоя атмосферы............95
3.3. Акустические исследования структуры, динамики и турбулентности атмосферного пограничного слоя................................103
3.4. Исследование устойчивости параметров турбулентности приземной атмосферы.....................................................108
3.5. Исследование возможностей использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы ..114
3.6. Выводы........................................................120
ГЛАВА 4. АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ............................................122
4.1. Аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0»..................124
4.2. Геоинформациониый аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0». 133
4.3. Выводы........................................................154
Заключение...........................................................156
Приложение...........................................................158
Литература............................................................162
3
ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена разработке и созданию информационного обеспечения автоматизированных ультразвуковых метеорологических комплексов для локальных измерений параметров приземного слоя атмосферы, акустических локаторов для дистанционного зондирования атмосферного пограничного слоя, аппаратно-программных комплексов для исследования приземного распространения звуковых волн, прогнозирования их характеристик и дальности звукового вещания.
Актуальность
Атмосферный пограничный слой (АПС) характеризуется наибольшей изменчивостью своего состояния. Детальное изучение и понимание физических процессов, протекающих в АПС необходимо для решения ряда важных фундаментальных и прикладных задач физики атмосферы, распространения воли различной природы.
Для решения этих задач актуален оптимальный выбор информационно-измерительных средств измерений необходимых характеристик атмосферы. Непрерывный рост требований к количеству и качеству измеряемых характеристик, к точности получения текущей и прогностической метеорологической информации, а также к её оперативности, проегранственному и временному разрешению, привели к необходимости разработки более совершенных информационно-измерительных средств локальных и дистанционных измерений различных характеристик АПС.
Качественные и количественные характеристики распространяющихся в АПС звуковых волн также определяются метеорологическим состоянием атмосферы, а их прогнозирование во многом определяется исходной метеорологической информацией.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется:
4
- ростом требований к точности оперативной информации о численных характеристиках и пространственно-временной структуре полей метеорологических величин в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн;
- необходимостью разработки более совершенных информационноизмерительных средств локальных и дистанционных измерений различных характеристик АГ1С;
- необходимостью оценки влияния метеорологических величин, измеряемых акустическими методами и вычисляемых на их основе турбулентных параметров АПС, на качество прогнозирования характеристик приземного распространения звуковых волн.
Целыо диссертационной работы являлась разработка информационного обеспечения акустических комплексов и их использование в исследованиях приземной атмосферы, распространения звуковых волн, прогнозирования их характеристик и дальности звукового вещания звуковещательных станций.
Задачи исследования
В соответствии с поставленной целыо были решены следующие конкретные задачи:
1. Разработано информационно-программное обеспечение для измерения, сбора и обработки метеорологической информации от локальных ультразвуковых измерителей и средств дистанционного акустического зондирования АПС (акустических локаторов), стендов для исследования распространения звуковых волн.
2. Проведены сравнительные эксперименты для проверки работоспособности и достоверности разработанного информационнопрограммного обеспечения путем сопоставления результатов, полученных с помощью акустических комплексов и стандартных измерительных приборов.
5
3. Проведены экспериментальные исследования влияния характеристик акустических комплексов (времени осреднения, частоты съёма информации) на качество измерения метеорологических и турбулентных параметров в приземном слое атмосферы.
4. Исследована возможность использования ультразвукового
метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы.
5. Проведено исследование пространственно-временной изменчивости параметров атмосферного пограничного слоя для оценки его г оризонтальной неоднородности.
6. Разработано информационно-программное обеспечение аппаратно-программного комплекса прогнозирования распространения звуковых волн в атмосфере и дальности звукового вещания звуковещательных станций, удовлетворяющего современным требованиям к программному обеспечению средств измерений.
Методы исследования
Поставленная в работе цель достигается экспериментальными исследованиями, которые проводились в различных условиях и различными методами. Измерения метеорологических параметров проводились ультразвуковым методом и методом дистанционного акустического зондирования атмосферы. Анализ и обработка исходных метеорологических данных проводилась с помощью методов математической статистики. При разработке алгоритмов вычисления турбулентных параметров атмосферы по потоку измеренных текущих значений температуры воздуха и вектора скорости ветра использованы методы, основанные на закономерностях, вытекающих из теории подобия Монина - Обухова. В основу методики использования акустических методов в задаче распространения звуковых волн в атмосфере и прогнозирования дальности звукового вещания легли результаты теоретических и экспериментальных исследований соавторов.
6
Научная новизна работы состоит в том, что:
- впервые разработан аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0» прогнозирования распространения звуковых волн и дальности звукового вещания звуковещательных станций в приземной атмосфере, где применены геоинформационные технологии;
- впервые оценена возможность использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы;
- впервые . исследовано влияние характеристик ультразвукового метеокомплекса (времени осреднения, частоты съёма информации) на качество измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы.
Практическая значимость работы заключается:
- в использовании разработанных акустических комплексов в исследованиях приземной атмосферы, распространения звуковых волн и прогнозирования их характеристик;
- в принятии устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций, в состав которого входит разработанный и созданный программный комплекс, на снабжение вооруженных сил РФ и к тиражированию.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Информационное обеспечение ультразвуковых измерительных комплексов с гальванически развязанной системой связи и акустических моностатичсских локаторов с применением внешнего модуля ЛЦП/ЦАП на шине ШВ 2.0 позволило получить высокие эксплуатационные и функциональные возможности измерения метеорологических и турбулентных характеристик приземной атмосферы.
2. Частота дискретизации более 5 Гц и временной интервал осреднения 20 мин для измерений ультразвуковым метеорологическим
7
комплексом соответствует минимальной погрешности определения турбулентных параметров атмосферы.
3. Установка ультразвукового метеорологического комплекса на транспортное средство обеспечивает измерение метеорологических параметров с достаточной точностью, но создает существенные погрешности при вычислении турбулентных характеристик атмосферы.
4. Использование геоинформационных технологий позволяет создать аппаратно-программный комплекс прогнозирования распространения звуковых волн в атмосфере, достаточный для оперативного планирования тактики использования звуковещательных станций.
Апробация результатов
Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих всесоюзных и международных семинарах, симпозиумах и конференциях: I межрегиональном совещании «Экология пойм Сибирских рек и рек Арктики» (Томск, 1999); Школе-семинаре молодых учёных «Современные проблемы физики и технологий» (Томск, 1999); VI—VIII международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1999-2001); И, III международных симпозиумах «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2000, 2002); IV, VII Сибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001, 2007); Восьмой Всероссийской научной конференции студептов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2002); X, XII International symposiums on acoustic remote sensing and associated techniques of the atmosphere and oceans (Auckland New Zeland, 2000, Cambridge UK, 2004); XI International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans (Rome, Italy, 2002); XII, XIV International Symposiums for the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing (Garmisch - Partenkirchen, Germany, 2006, Roskildc, Denmark, 2008); X, XV, XVIII сессиях Российского акустического общества (Москва, 2001, 2004, 2006).
8
По результатам диссертационной работы опубликованы 3 статьи в отечественных рецензируемых журналах и 35 научных отчетов, статей в нерецензируемых сборниках и сборниках трудов конференций.
Личный вклад автора
Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Большинство опубликованных работ написано в соавторстве с научным руководителем д.ф.-м.н., проф.
Н.П. Красненко. Личный вклад автора состоит в разработке алгоритмов и программ, а также проведении экспериментальных исследований и анализе полученных результатов.
Внедрение результатов работы
Материалы разработок и исследований использованы в ИМКЭС СО РАН, ТУ СУР при выполнении научно-исследовательских и опытноконструкторских работ, грантов РФФИ и Федеральных целевых программ.
Аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0» прошел государственные испытания и в составе устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций принят на снабжение вооруженных сил РФ и к тиражированию.
Практическая значимость отражена в актах о практическом использовании результатов диссертационной работы П.Г. Стафеева (приложение).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание работы изложено на 172 страницах, включая 7 таблиц и 89 рисунков. Список литературы содержит 103 наименования.
9
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и практическая значимость диссертационной работы. Определены цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются общие представления о строении пограничного слоя атмосферы и теория подобия для приземного слоя атмосферы. Также проводится обзор методов измерения и вычисления метеорологических и турбулентных характеристик приземной атмосферы. Среди них стандартные методы измерений с использованием самолетов-лабораторий и высотных метеорологических мачт, пульсационный ультразвуковой акустический метод локальных измерений и метод дистанционного акустического зондирования атмосферы.
Приведённый обзор методов для измерения метеорологических параметров и определения турбулентных характеристик в АПС показывает, что контактные методы (такие как измерения с мачт, самолётов, привязных аэростатов) весьма громоздки и дороги. Это делает их практически непригодными в задачах непрерывного контроля атмосферного пограничного слоя и распространения звуковых волн. К тому же используемым стандартным метеорологическим приборам присущи существенные инерционные и радиационные ошибки. Следовательно, очевидно преимущество локального ультразвукового метода измерений характеристик атмосферы в приземном слое и метода дистанционного акустического зондирования АПС над контактными методами, особенно в практических приложениях распространения волн, где требуются мобильные комплексы.
Важен оптимальный выбор средств измерений и модели атмосферного пограничного слоя применительно к решению конкретной прикладной задачи. Также следует учитывать характер задачи, для которой проводятся измерения, сообразуя с ними частоту и продолжительность измерений во
10
времени и пространстве, а также требования к точности, инерционности и другим параметрам измерительной аппаратуры. Из этого следует необходимость в создании информационно-измерительных комплексов на основе описанных локального ультразвукового и акустического дистанционного методов. Также необходимо проведение исследований с использованием созданных комплексов применительно к конкретным задачам приземного распространения звуковых волн и звукового вещания.
Во второй главе описываются разработанные и созданные аппаратно-программные комплексы для измерений параметров атмосферного пограничного слоя с использованием локального ультразвукового и дистанционного акустического метода измерений, а также испытательные стенды для исследования распространения звуковых волн. Отражён основной личный вклад автора, который заключается в разработке информационнопрограммного обеспечения к данным акустическим комплексам и сравнительных экспериментальных исследованиях.
В результате проведенной комплексной работы с непосредственным участием автора созданы аппаратно-программные комплексы для исследования приземной атмосферы на основе локальных ультразвуковых и дистанционных акустических методов, стенд для контроля метеорологических параметров и турбулентных характеристик АПС (СКМП) и акустический стенд для исследования приземного распространения звуковых волн в атмосфере.
Проведены сравнительные измерения при помощи созданных акустических измерительных комплексов и стандартных метеорологических приборов. Отмечается высокая корреляция данных.
Созданное информационно-программное обеспечение акустических комплексов дало предпосылки для дальнейших исследований с их использованием, результаты которых приведены в следующей главе.
В третьей главе рассматривается серия экспериментов по исследованию изменчивости приземной атмосферы и оценке возможности
11
прогнозирования распространения звуковых волн с использованием акустических комплексов для измерений и вычислений турбулентных параметров приземной атмосферы. В задаче прогнозирования распространения звуковых волн локально-измеренные значения метеорологических параметров атмосферы могут иметь значительные различия в разных точках на ограниченной территории, что увеличивает погрешность в результатах прогнозирования.
В результате проведения мониторинговых исследований структуры, динамики и турбулентности атмосферного пограничного слоя были апробированы созданные акустические информационно-измерительные комплексы, оценено поведение измеренных параметров атмосферы в зависимости от общего состояния атмосферы, проведена оценка параметров устойчивости приземного слоя атмосферы и выявлены основные закономерности возникновения температурных инверсий в различные времена года.
В результате проведения экспериментального исследования устойчивости параметров турбулентности приземной атмосферы с применением ультразвукового метеорологического комплекса показано, что для вычисления турбулентных параметров атмосферы необходимо использовать частоту дискретизации измерений более 5 Гц и временной интервал осреднения не менее 1200 с.
Также проведено исследование возможностей использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы с выдачей соответствующих рекомендаций.
В четвертой главе описываются разработанные и созданные аппаратно-программные комплексы для исследования и прогнозирования распространения звуковых волн в приземной атмосфере.
На основе заданных моделей по приземному распространению звуковых волн в атмосфере и звуковому вещанию, разработок и
12
исследований автора в области создания акустических комплексов, а также с учётом современных требований к измерительной аппаратуре и Федерального закона “О навигационной деятельности” был создан геоинформационный аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0» [130], входящий в состав устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций. Данное устройство прошло государственные испытания, принято на снабжение вооруженных сил РФ и к тиражированию. Аналогов в мире нет. Его применение позволяет повысить эффективность боевого применения звуковещательных станций, а именно оперативность планирования тактики использования звуковещательных станций. Полученные в результате экспериментального исследования частота дискретизации и время измерения метеорологических параметров были включены в геоинформационный аппаратно-программный комплекс и использовались в автоматическом режиме измерений.
В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.
В приложении приведены акты о практическом использовании результатов диссертационной работы.
13
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПОДХОДЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ И ТУРБУЛЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ
1.1. Общие представления о строении пограничного слоя атмосферы
Пограничный слой атмосферы - это слой воздуха между свободной атмосферой и неподвижной подстилающей поверхностью [1 -17], прилегающий к поверхности Земли. В нем существенно сказывается динамическое и тепловое влияние подстилающей поверхности на воздушный поток, что порождает турбулентность, термическая стратификация пограничного слоя усиливает или подавляет ее, изменяя в широких пределах. Высота по1раничного слоя зависит от метеорологических условий и колеблется от нескольких сотен метров до 2 - 3 км. Изменения по вертикали всех величин наиболее сильно выражены до высоты порядка 100 м, в так называемом приземном слое атмосферы, выше в среднем наблюдается замедление этих изменений с постепенным приближением к значениям в свободной атмосфере.
Все величины, характеризующие состояние атмосферы Земли, изменяются во времени. Спектры метеорологических величин, являющиеся некоторой количественной характеристикой этой изменчивости, не ограничены каким-то одним диапазоном частот. Из рис. 1.1 [1] видно, что низкочастотная граница мелкомасштабной турбулентности не является фиксированной и перекрывается такими мезомасштабными явлениями, как кучевые облака и конвективные ячейки, внутренние волны, смерчи и грозовые возмущения. Эти последние явления существуют при определенных условиях и расположены в мезомасштабном минимуме, вблизи низкочастотной границы мелкомасштабной турбулентности. В высокочастотном диапазоне турбулентность подчиняется универсальным законам, однако ее уровень и границы действия этих законов в разных условиях и на разных расстояниях от земной поверхности различны.
14
Циклоны Горные волны Турбулентность
средних широт
Тропические Фронты^ Ячейки, кучевые облака
циклоны
Длинные волны Местные ветры Внутренние волны Стерчи
Рис. 1.1. Масштабы атмосферных явлений для давления Р, скорости ветра V и
температуры Т в диапазоне от нескольких лет до нескольких секунд
Пространственная шкала соответствует временной приближенно при условии выполнения гипотезы замороженности и при средней скорости ветра равной 10 м/с, что, естественно, не всегда справедливо. Огромный диапазон масштабов, составляющий более 10 порядков, включает климатические изменения, эволюцию обшей циркуляции атмосферы, с одной стороны, и мелкомасштабную турбулентность — с другой.
Текущие значения метеорологических величин в АПС (компонент скорости ветра, температуры, влажности, давления и др.) принято определять суммой трех составляющих [1], в соответствии с формулой
= 1(х Д + ?(х,0 + £'(х,0. (1.1)
Среднее значение ^ зависит от крупномасштабных погодных характеристик и в невозмущенпых условиях измеряется с обычной в метеорологической практике дискретностью (1 - 3 ч) при осреднении за 10 мин. Промежуточная мезомасштабная часть \ в большей степени зависит от
15