Допплерівсько-поляриметрична радіолокаційна система для оцінки турбулентності в опадах - Автореферат

Виявлення небезпечних метеорологічних явищ за допомогою радіолокаційних засобів розпочало свою історію з 1941 року, коли 10-ти сантиметровий радіолокатор, встановлений на англійському узбережжі, виявив грозу на відстані 7 миль. Широке впровадження і постійне удосконалення методів радіолокаційного спостереження за метеорологічними явищами, в тому числі для забезпечення авіації, призвело до суттєвого покращення якості метеорологічної інформації та безпеки польотів в складних метеорологічних умовах. З самого початку застосування радіолокації для дослідження опадів і хмар існує складна проблема одержання непрямої інформації (якісної та кількісної) про характеристики обєктів за результатами обробки відбитих радіосигналів. Розробка дослідницьких зразків допплерівсько-поляриметричних метеорологічних радіолокаторів (МРЛ) у Великій Британії, США, Німеччині та Нідерландах і експериментальні вимірювання, виконані протягом останніх років довели, що допплерівсько-поляриметричний підхід має незрівнянно більші потенційні можливості порівняно із «звичайними» когерентними МРЛ, наприклад, NEXRAD (WSR-88D), мережі яких зараз покривають всю територію США і багато інших країн, не говорячи уже про некогерентні МРЛ, які ще досі експлуатуються в Україні. Незважаючи на розробку і впровадження новітніх технологічних засобів, інформація про метеорологічні умови в польоті отримується, як і десятки років тому, за допомогою метеонавигаційних радіолокаційних станцій (МНРЛС), кращі зразки яких за останні роки набули якостей когерентних (допплерівських) радіолокаторів.У вступі представлено існуючу ситуацію у галузі радіолокаційних систем метеорологічного застосування, обґрунтовано актуальність теми роботи, розкрито її звязок з програмами удосконалення радіолокаційної техніки, мету і задачі роботи, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведені анотований опис змісту розділів, відомості про апробацію, публікації та втілення результатів. Розроблена модель спирається на існуючі співвідношення для базової моделі турбулентності та розподілу крапель за розмірами, але вона доповнена віднайденими співвідношеннями для розподілу крапель за швидкостями, обумовленими гравітацією та впливом турбулентності. Залежність спектральної диференціальної відбиваності від турбулентності: Було віднайдено звязок характеристики спектральної диференціальної відбиваності - тангенсу кута нахилу її лінійної частини до осі швидкості - з турбулентністю. В результаті спектри на горизонтальній та вертикальній поляризації стають більш подібними, і при збільшенні інтенсивності турбулентності сигнали на обох поляризаціях стають майже рівними, тобто кут нахилу SZDR(v) зменшується. Побудувавши графік залежності спектральної диференціальної відбиваності від швидкості дисипації кінетичної енергії турбулентності (міра інтенсивності турбулентності) можна побачити закономірність, що кут нахилу лінійної частини спектральної диференціальної відбиваності є мірою інтенсивності турбулентності.Розроблено радіолокаційну систему з ортогональними поляризаціями, функціональні модулі (цифрової обробки даних, виділення допплерівської частоти, розрахунку спектрів та метеорологічних параметрів), які дозволять розраховувати нову характеристику - спектральну диференціальну відбиваність. Допплерівсько-поляриметрична радіолокаційна система відповідає першому напрямку розвитку CNS/ATM - впровадження останніх досягнень мікроелектроніки, нових алгоритмів, обчислювальної техніки й нових матеріалів, що дозволяють поліпшити характеристики й можливості бортового й наземного встаткування CNS/ATC/ATM, тому що має покращені можливості виявлення турбулентності; Досліджена нова характеристика - спектральна диференціальна відбиваність SZDR, яка завдяки допплерівсько-поляриметричній природі може використовуватись як додаткове джерело інформації при визначенні ступеня небезпеки метеорологічних явищ; Показано, що найбільш доцільним є застосування параметру SLP спектральної диференціальної відбиваності, що є тангенсом кута нахилу лінійної частини, як додатку до ширини допплерівського спектру та/або інших параметрів при виявленні турбулентності; Розроблена математична модель сигналу, відбитого від зони опадів, що враховує інерцію краплин, їх орієнтацію у просторі, турбулентність та швидкість сталого падіння, дозволяє вивчати розсіяння крапель у турбулентній атмосфері.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Розроблено радіолокаційну систему з ортогональними поляризаціями, функціональні модулі (цифрової обробки даних, виділення допплерівської частоти, розрахунку спектрів та метеорологічних параметрів), які дозволять розраховувати нову характеристику - спектральну диференціальну відбиваність. Застосування таких МНРЛС підвищить рівень інформаційного забезпечення екіпажів в складних метеорологічних умовах особливо на етапах злету та посадки ПС;

2. Допплерівсько-поляриметрична радіолокаційна система відповідає першому напрямку розвитку CNS/ATM - впровадження останніх досягнень мікроелектроніки, нових алгоритмів, обчислювальної техніки й нових матеріалів, що дозволяють поліпшити характеристики й можливості бортового й наземного встаткування CNS/ATC/ATM, тому що має покращені можливості виявлення турбулентності;

3. Досліджена нова характеристика - спектральна диференціальна відбиваність SZDR, яка завдяки допплерівсько-поляриметричній природі може використовуватись як додаткове джерело інформації при визначенні ступеня небезпеки метеорологічних явищ;

4. Показано, що найбільш доцільним є застосування параметру SLP спектральної диференціальної відбиваності, що є тангенсом кута нахилу лінійної частини, як додатку до ширини допплерівського спектру та/або інших параметрів при виявленні турбулентності;

5. Розроблена математична модель сигналу, відбитого від зони опадів, що враховує інерцію краплин, їх орієнтацію у просторі, турбулентність та швидкість сталого падіння, дозволяє вивчати розсіяння крапель у турбулентній атмосфері. Модель була перевірена експериментально, результати моделі та експерименту мають досить високий ступінь кореляції;

6. За допомогою моделі та експериментальних даних підтверджено взаємозвязок між параметром SLP.

Отримані результати є важливими для розробки нових радіотехнічних систем дистанційного зондування метеорологічних обєктів та підвищення ефективності їх застосування в задачах забезпечення безпеки польотів авіації, метеорології, кліматології, гідрології тощо.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Марчук В.В. Доплеровско-поляриметрические параметры турбулентности в зоне осадков / В.В. Марчук, Ф.И. Яновский // Радиофизика и электроника. - 2006. - 11, №2. - С. 229-233.

2. Marchuk V.V. Analysis of Interconnection between Doppler-Polarimetric Parameter and Turbulence Intensity in Precipitation Zone / V.V. Marchuk, F.J. Yanovsky. // Telecommunications and Radio Engineering.. - 2007. - Volume 66, Issue 10, - P. 863-870.

3. Marchuk V.V. Microwave scattering from particles in turbulent atmosphere and its application for hydrometeor type recognition and turbulence detection / F.J. Yanovsky, V.V. Marchuk, Ya.P. Ostrovsky, A.A. Pitertsev, S.H. Khraisat, L.P. Ligthart. // Вісник Інженерної академії України. - 2007. - №3-4. - С. 16-23.

4. Marchuk V.V. The Doppler-Polarimetric Parameters of Turbulence in Precipitation Zone / V. V. Marchuk, F. J. Yanovsky //Telecommunications and Radio Engineering. - 2007. - Volume 66, Issue 5, - P. 441-451.

5. Марчук В.В. Методика обробки даних допплерівсько-поляриметричного радіолокатора / І.В. Мазура, В.В. Марчук, Я.П. Островський, Ф.Й. Яновський. // Аерокосмічні системи моніторингу та керування (“Авіа’2004”): 6-та міжнародна науково-технічна конференція, 2004: Матеріали. - Київ (Україна), 2004. - Т. 2, - С. 21.78-21.81.

6. Marchuk V.V. Backscattering from Rain. Mathematical Models / Y.P. Ostrovsky, I.V. Mazura, V.V. Marchuk, F.J. Yanovsky // Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (“MMET’2004”), 10th international conf., Sept. 14-17, 2004: Proceedings. - Dnipropetrovsk (Ukraine), 2004. - P. 168-170.

7. Marchuk V.V. Backscattering from Rain. Data processing / V.V. Marchuk, I.V. Mazura, Y.P. Ostrovsky, F.J. Yanovsky // Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (“MMET’2004”), 10th international conf., Sept. 14-17, 2004: proceedings. - Dnipropetrovsk (Ukraine), 2004. - P. 171-173.

8. Marchuk V.V. Analysis of Interconnection between Doppler-Polarimetric Parameter and Turbulence Intensity in Precipitation Zone / V.V. Marchuk, F.J. Yanovsky // International Workshop on Microwaves, Radar and Remote Sensing(“MRRS’2005”), Sept.19-21, 2005: Proceedings. - Kiev (Ukraine), 2005. - P. 159-164. радіолокаційний інформаційний цифровий

9. Marchuk V.V. Methods of Turbulence Detection by Analyzing Precipitation Behaviour / V.V. Marchuk, Y.P. Ostrovsky, I.V. Mazura, F.J. Yanovsky // IEEE Int. Radar Symposium (“IRS’2006”), 2006: Proceedings. - Krakow(Poland), 2006. - P. 161-164.

10. Marchuk V.V. Identification of the Dangerous Meteorological Objects on Doppler-Polarimetric Radar Data Using the Neural Network Based Algorithm / A.A. Pitertsev, V.V. Marchuk, F.J. Yanovsky // IEEE Int. Radar Symposium (“IRS’2006”), 2006: Proceedings. - Krakow (Poland), 2006. - P. 225-228.

11. Marchuk V.V. Neural Network Identification Algorithm for Weather Radar / F.J. Yanovsky, A.A. Pitertsev, Y.P. Ostrovsky, I.V. Mazura, V.V. Marchuk // Int. Symposium on Tropospheric Profiling (“ISTP7”), June 11-17, 2006: CD-ROM. - Boulder, Co (USA), 2006. - P. 1-9.

12. Marchuk V.V. Neural Network Identification Algorithm for Weather Radar / F.J. Yanovsky, A.A Pitertsev, Y.P. Ostrovsky, I.V. Mazura, V.V. Marchuk // Int. Symposium on Tropospheric Profiling (“ISTP7”), June 11-17, 2006: extended abstracts. - Boulder, Co (USA), 2006. - Paper 6.2, - P. 1-3.

Размещено на .ru