СодержаниеВведение 4
Глава 1. Временные и пространственные характеристики
атмосферного ветра
1.1. Пространственный спектр флуктуаций горизонтальной
скорости ветра 6
1.2. Временной спектр флуктуаций горизонтальной скорости
ветра 11
1.3. Вертикальный профиль средней скорости ветра 11
Глава 2. Существующие методы измерения скорости ветра 14
2.1. Доплеровские когерентные методы
2.1.1. Прямое гетеродирование 15
2.1.2. Дифференциальная схема 21
2.1.3. Метод модуляции непрерывного излучения 22
2.2. Некогерентные доплеровские методы
2.2.1 “Краевой” метод измерения доплеровского сдвига
частоты 30
2.2.2 Использование спектрометров с высоким разрешением 34
2.3. Корреляционные методы измерения скорости и
направления ветра
2.3.1. Временной корреляционный анализ 36
2.2.2. Пространственный корреляционный анализ 41
2.2.3. Метод подобия 42
2.4. Комбинированный метод 43
2.5. Сравнение методов измерения скорости ветра 47
Глава 3. Корреляционный лидар с малой базой для оперативного определения скорости и направления ветра
3.1. Схема построения измерений скорости и направления
ветра корреляционного лидара с малой базой 49
3.2. Функциональная схема корреляционного лидара
с малой базой 53
Глава 4. Исследование работы корреляционного локатора
4.1. Математическое моделирование скорости ветра 56
4.2. Фильтр Калмана 59
4.3. Адаптивный Фильтр Калмана
4.3.1. Определение дисперсии ошибок измерений
скорости ветра 61
4.3.2. Определение среднего значения скорости ветра 63
4.3.3. Определение дисперсии флуктуаций скорости ветра 66
4.3.4. Алгоритм адаптивного фильтра Калмана 67
4.4. Примеры работы адаптивного фильтра Калмана 68
4.5. Выводы 79
Глав 5. Расчет энергетического потенциала корреляционного лидара
5.1. Расчет фоновой засветки приемника излучения 81
5.2. Расчет пороговой мощности лидарного сигнала 82
5.3. Расчет энергетического потенциала лидара 84
Заключение 86
Список литературы 87ВведениеПредметом данной диссертации является разработка и исследование корреляционного лидара с малой базой, служащего для оперативного измерения скорости и направления атмосферного ветра.
Цель работы – показать возможность реализации и надежного функционирования лазерного локатора для оперативного определения скорости и направления ветра. Для достижения этой цели решаются следующие задачи:
- обзор работ по пространственным характеристикам атмосферного ветра
- обзор существующих методов измерения скорости ветра
- разработка функциональной схемы корреляционного лидара с малой базой для оперативного измерения скорости и направления ветра
- энергетический расчет лидара
- разработка системы обработки результатов измерений на основе фильтра Калмана.
Во многих технических приложениях необходимо оперативно измерять пространственное распределение или среднюю по трассе зондирования скорость и направление ветра, причем время проведения измерений должно составлять единицы секунд. Эту задачу можно решить с помощью корреляционного лидара с малой базой измерения. В ранее разработанных корреляционных лидарах время проведения измерений составляет порядка единиц минут [6].
В данной работе исследуется корреляционный лидар с малой базой измерения, для которого время проведения измерений составляет порядка 6 с. Предложенный метод позволяет определять направление скорости ветра без сканирующих устройств. Разработан новый адаптивный фильтр для задач измерения скорости ветра. Данный фильтр обладает рядом преимуществ по сравнению со скользящим усреднением. Эти преимущества особенно проявляются при нестационарных ситуациях, при резких порывах и большой скорости ветра.
Полученные результаты могут быть положены в основу разработки и создания макетного образца корреляционного лидара с малой базой измерения для оперативного измерения скорости и направления атмосферного ветра.
На защиту магистерской диссертации выносятся следующие вопросы:
- результаты математическое моделирования скорости атмосферного ветра
- результаты разработки адаптивного фильтра Калмана для задачи обработки результатов измерений усредненной по трассе скорости ветра
- результаты математического моделирования работы адаптивного фильтра Калмана
- функциональная схема корреляционного локатора с малой базой для оперативного измерения скорости и направления атмосферного ветра
- результаты энергетического расчета корреляционного лидара, предназначенного для работы на трассе до 2 км.
Основные результаты работы адаптивного фильтра Калмана применительно к обработке измерений скорости атмосферного ветра были изложены на 8-ой научно-технической конференции “медико-технические технологии на страже здоровья” в 2006 [31].
Данная работа содержит 90 страниц, 42 рисунка и 3 таблицы. Состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы.Литература1. Основы импульсной лазерной локации: Учеб. Пособие для вузов / В. И. Козинцев, М. Л. Белов, В. М. Орлов и др.; под ред. В. Н. Рождествина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. -512 с.: ил. – (Электроника)
2. Козинцев В. И., Орлов В. М., Стрелков Б. В. Расчет энергетического потенциала одночастотного аэрозольного лидара: Методическое Пособие. –М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. -18 с.
3. Применение фотоэлектронных умножителей [Электрон. ресурс] – 27 февраля 2007. –Режим доступа: http://www.yeint.ru/.
4. Fabry-Perot Etalons [Электрон. ресурс] – 27 февраля 2007. –Режим доступа: http://www.lambda.cc/.
5. PL2200series diode pumped picosecond Nd:YAG laser [Электрон. ресурс] – 20 февраля 2007. –Режим доступа: http://www.ekspa.com/.
6. Корреляционные методы лазерно-локационных измерений скорости ветра / Матвиенко Г.Г., Заде Г. О., Фердинандов Э. С. и др. –Новосибирск: Наука, 1985.
7. Сигналы и помехи в лазерной локации / В. М. Орлов, И. В. Самохвалов, Г. М. Креков и др.; под ред. В. Е. Зуева. –М.: Радио и связь, 1985-264с.
8. Турбулентность в свободной атмосфере. Издание второе переработанное и дополненное / Н. К. Винниченко, Н. З. Пинус, С. М. Шметер, Г. Н. Шур. –Ленинград: Гидрометеоиздат, 1976.
9. Монин А. С., Яглом А. М. / Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. Часть2. –М.: Наука, 1967.
10. В. А. Банах, И. Н. Смалихо. Оценивание скорости диссипации турбулентной энергии из данных импульсного доплеровского лидара // Оптика атмосферы и океана, 1997, Т. 10, N12.
11. В. А. Банах, А. В. Фалиц. Спектры флуктуаций неоднородного поля ветра в атмосфере, измеренного с усреднением по пространству // Оптика атмосферы и океана, 2003, Т. 16, N8.
12. Банах В. А., Миронов В. Л. Локационное распространение лазерного излучения в турбулентной атмосфере. – Новосибирск: ”Наука”, 1986.
13. В. А. Банах, Х. Вернер, Н. П. Криволуцкий, И. Н. Смалихо. Компьютерное моделирование работы непрерывного доплеровского ветрового лидара в турбулентной атмосфере. // Оптика атмосферы и океана, 1999, Т. 12, N10.
14. Матвеев Л. Т. Физика атмосферы. Издание третье, переработанное и дополненное. –Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат. 2000.
15. Борисенко М. М. Вертикальные профили ветра и температуры в нижних слоях атмосферы / Тр. ГГО, Выпуск N320 – М. Московское отделение гидрометеоиздата, 1974.
16. Дж. Л. Ламли, Г. А. Пановский. Структура атмосферной турбулентности. –М.: Мир, 1966.
17. Бызова Н. Л., Иванов В. Н., Гаргер Е. К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. –Ленинград: Гидрометеоиздат, 1989.
18. Захаров В. М., Костко О. К., Хмелевцов С. С., Лидары и исследование климата. Ленинград: гидрометеоиздат, 1990.
19. C. Laurence Korb, Bruce M. Gentry, and Chi Y. Weng. Edge technique: theory and application to the lidar measuarement of atmospheric wind // Applied optics. 1992, Vol. 31, N 21.
20. C. Laurence Korb, Bruce M. Gentry, ands. Xingfu Li. Edge technique Dopper lidar wind measurements with high vertical resolution// Applied optics. 1997, Vol. 36, N 24.
21. Mftthew J. McGill, Wilbert R. Skinner, Todd D. Irgang. Analysis techniques for the recovery of wind and backscatter coefficients from a multiple-channel incoherent Doppler lidar // Applied optics. 1997, Vol. 36, N 6.
22. David Rees and I. Stuart McDermid. Doppler lidar atmospheric wind sensor: reevaluation of a 355-nm incoherent Doppler lidar // Applied optics. 1990, Vol. 29, N 28.
23. Vincent J. Abreu, John E. Barnes, and Paul B. Hays. Observation of winds with an incoherent lidar detector// Applied optics. 1992, Vol. 31, N 22.
24. Жиглинский А. Г., Кучинский В. В. Реальных интерферометр Фабри-Перо. Ленинград, Машиностроение. 1983.
25. Jack A. McKay. Assessment of a multibeam Fizeau wedgeinterferometr for Doppler wind lidar // Applied optics. 2002, Vol. 41, N 9.
26. Орлов В. М., Матвиенко Г. Г., Самохвалов И. В. и др. Применение корреляционных методов в атмосферной оптике. Новосибирск: Наука, 1983.
27. А. С. N2032180 С1, М7 G 01 Р 5/26. Способ определения поля скоростей. Заявка N92015449/10 от 30.12.92 г., опубл. 27.03.95, бюл. N9.
28. Б. И. Шахтарин. Случайные процессы в радиотехнике. 2-е изд., испр. и дополн.. Ч. 1. Линейные сисемы, - м.: Радио и связь, 2002.
29. К. Браммер, Г. Зиффлинг. Фильтр Калмана-Бьюси. М. “Наука” 1982.
30. Ленская О. Ю. Мезомасштабная организация и эволюция систем осадков на юге Бразилии : Дис. канд. географ. наук: 25.00.30. - М., 2006.
31. Белов М. Л., Иванов С. Е., Козинцев В. И. Использование фильтра Калмана для улучшения оценки скорости ветра при серийных измерениях// Научно-техническая конференция “Медико-технические технологии на страже здоровья”, 2006 г., НИИ РЛ МГТУ им. Баумана. - .73-74.
32. R. L. Armstrong, James B. Mason, and Teddy Barber. Detection of atmospheric aerosol flow using transit-time lidar velocimeter// Applied optics. 1976, Vol. 15, N 11.
|
|
