CC BY
105
УДК 551.521
В .И. Козинцев, С .Е. Иванов, М. Л. Белов, В . А. Городничев, Б . В . Стрелков
ЛАЗЕРНЫЙ ДИСТАНЦИОННЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ МГНОВЕННОЙ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА
Описан лазерный дистанционный метод оценки мгновенной скорости и направления ветра. Показано, что использование однолучевого импульсного лидара и анализ измеренных пространственных реализаций объемного коэффициента обратного аэрозольного рассеяния атмосферы на плоскости время измерения - расстояние от лидара позволяют получить оценку мгновенной скорости с погрешностью ~ 20... 30 % и оценку направления ветра с погрешностью ~ 25...30°.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: мгновенная скорость и направление ветра, лазерный
дистанционный метод.
Для многих практических приложений актуальной является задача дистанционного измерения скорости и направления ветра.
При метеорологических наблюдениях измерению подлежат средняя за 2 или 10 мин скорость ветра (зависит от типа измерительного прибора) и мгновенная скорость с осреднением 2.. .5 с, но метеорологические приборы проводят измерения только в точке расположения прибора.
Лазерные методы могут обеспечить дистанционное измерение мгновенной скорости ветра, ее отдельных компонент (поперечной по отношению к оптической оси лидара и продольной) и направления ветра при использовании малой измерительной базы (см, например, [1-5]). Однако для решения полной задачи определения модуля и направления мгновенной скорости ветра необходимы сложные методы измерения (использующие многолучевые схемы и требующие запоминания больших объемов данных) и сложные алгоритмы обработки данных измерений.
Более просто получить приближенную оценку мгновенной скорости и направления ветра на горизонтальной трассе. Это можно сделать без многолучевых схем и запоминания больших объемов данных.
Приближенная оценка мгновенной скорости и направления ветра интересна сама по себе, но кроме того позволяет упростить сложные алгоритмы обработки данных измерений, используемые для получения точного значения мгновенной скорости ветра.
Геометрическая схема измерений лидара для получения оценки мгновенной скорости и направления ветра показана на рис. 1.
Рис. 1. Геометрическая схема измерений скорости ветра
Однолучевой лидар облучает атмосферу короткими зондирующими импульсами. Лазерные импульсы рассеиваются на атмосферном аэрозоле (во всех направлениях, в том числе и в направлении назад на лидар) и поступают в приемную систему лидара.
В приближении однократного рассеяния мощность Р(Ь) лидар-ного сигнала (обратно рассеянного атмосферным аэрозолем лазерного сигнала) определяют по следующей формуле [1, 2]:
P( L) = KtKrcTuSrß( L)b(n)TP0G (L) / 2L2
(1)
где К1, Кг - коэффициенты пропускания передающей и приемной (вместе с интерференционным фильтром) оптических систем; с -скорость света; ти - длительность лазерного импульса; 8Г - площадь приемного объектива; ДЬ) - объемный коэффициент аэрозольного рассеяния; Ь - расстояние до рассеивающего объема атмосферы, связанное с временем задержки I прихода эхо-импульса на приемник лидара соотношением ^ = 2Ь/с; Ь(п) - индикатриса обратного рассеяния; Ь(п) - объемный коэффициент обратного аэрозольного рассеяния; ( ь \
- коэффициент пропускания атмосферы; Р0 -
T 1/2(L) = exp
-jß( г )dz
V о
мощность лазерного источника излучения; О(Ь) - геометрическая функция лидара (учитывающая частичное перекрытие лазерного пучка полем зрения приемной оптической системы в случае биаксиальной оптической системы лидара).
Из анализа формулы (1) следует, что при небольших расстояниях, когда коэффициент пропускания атмосферы Т~1, мощность обратно рассеянного лазерного сигнала прямо пропорциональна объемному коэффициенту обратного аэрозольного рассеяния. Поэтому анализ
флуктуаций мощности обратно рассеянного лазерного сигнала позволяет определять характеристики флуктуаций поля объемного коэффициента обратного аэрозольного рассеяния атмосферы в(Ь) Ь(п) и измерять перемещение этого поля (т.е. проводить измерение ветра).
Пример экспериментальных результатов (для схемы измерения, показанной на рис. 1) приведен на рис. 2. Данные измерений представлены в виде изолиний (относительных флуктуаций (в процентах) объемного коэффициента обратного рассеяния) на плоскости время измерения - расстояние от лидара (расстояние от лидара определяется по задержке принимаемого эхо-импульса). Для рис. 2 скорость ветра, измеренная анемометром, составляет 3 м/с, направление ветра почти совпадает с оптической осью и направлено от лидара. Размеры и ориентация неоднородностей регистрируемого случайного поля (на плоскости время измерения - расстояние от лидара) объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы содержат информацию о скорости и направлении ветра.
1 2 3 4 5 Время, с
Рис. 2. Пример экспериментальных результатов
Рассмотрим метод оценки мгновенной скорости и направления ветра, основанный на анализе размеров неоднородностей объемного коэффициента обратного аэрозольного рассеяния на двумерной плоскости время измерения - расстояние от лидара. Метод базируется на регистрации временных реализаций сигналов обратного рассеяния атмосферы, однако не является ни доплеровским, ни корреляционным.
Исходной информацией для описываемого лидарного метода оценки мгновенной скорости и направления ветра являются временные реализации принимаемых лазерных сигналов, полученные для
каждого зондирующего импульса. Эти реализации используют для получения пространственных реализаций (в зависимости от расстояний от лидара) объемного коэффициента обратного аэрозольного рассеяния атмосферы вдоль трассы зондирования [1, 2] (расстояние от лидара определяют по времени задержки лазерного импульса). Узкий лазерный пучок и короткие зондирующие импульсы позволяют достаточно точно локализовать рассеивающие объемы атмосферы и описать пространственное распределение объемного коэффициента обратного аэрозольного рассеяния атмосферы.
Из-за наличия атмосферного ветра пространственные реализации объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы меняются во времени. Полученные в течение времени /изм данные измерений пространственных реализаций объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы представляют в виде двумерного массива данных на плоскости время измерения - расстояние от лидара (рис. 3, контуры неоднородностей показаны в виде изолиний, соответствующих заданному пороговому значению отклонения объемного коэффициента обратного рассеяния от его среднего значения). Для оценки мгновенной скорости ветра время измерения /изм составляет 2...5 с
(частота повторения импульсов лазерного источника - сотни герц и более).
Рис. 3. Двумерный массив данных (изолиний) на плоскости время измерения - расстояние от лидара
Для оценки мгновенной скорости и направления ветра проводят анализ размеров какой-либо неоднородности на двумерной плоскости время измерения - расстояние от лидара. Для этого на данной плоскости выделяют произвольно выбранную неоднородность - односвязан-ную область, в пределах которой объемный коэффициент обратного рассеяния больше или меньше (на некоторое заданное пороговое значение, определяемое по данным математического моделирования или
Расстояние от лидара
Нео лнопо ттности
Время
экспериментальным исследованиям) среднего значения объемного коэффициента обратного рассеяния. Выбранная неоднородность должна целиком находиться в области регистрации - двумерной плоскости время измерения - расстояние от лидара (рис. 4).
Рис. 4. Выбранная неоднородность на двумерной плоскости время измерения - расстояние от лидара
Для выбранной неоднородности определяют:
• размеры неоднородности по оси времени ( Дt);
• координаты начала и конца неоднородности (Я1, Я2) по оси
расстояний от лидара;
• максимальный размер неоднородности (соответствующий, например, ее середине) 8Я в направлении оси расстояния от лидара (рис. 5).
Рис. 5. Определение размеров выбранной неоднородности
Приближенную оценку продольной мгновенной скорости Уи можно получить из соотношения
Vi =
AR-SR
At '
где АЯ = |Я2 -
Направление продольной скорости ветра определяют по знаку величины Я2 - Я (положительное значение этой величины соответствует направлению от лидара, отрицательное - направлению к лидару).
Приближенную оценку поперечной мгновенной скорости У±
можно получить (полагая неоднородности изотропными [1, 2]) из соотношения
ух = ™.
1 АЛ
Направление поперечной скорости можно определить, используя, например, двухплощадочный фотоприемник. Сигнал обратного рассеяния от аэрозольной неоднородности сначала приходит (фокусироваться приемным объективом) на один из фотоприемников, а затем (при перемещении неоднородности в поле зрения приемника) на второй фотоприемник. При противоположном направлении ветра порядок появления сигнала обратного рассеяния от аэрозольной неоднородности на фотоприемниках будет обратным.
Для проверки описанного метода проводилось математическое моделирование и обработка экспериментально полученных данных.
Для математического моделирования был создан комплекс программ, имитирующий работу лазерного измерителя скорости атмосферного ветра. Комплекс программ включает в себя блок моделирования двумерных полей аэрозольных неоднородностей, блок расчета принимаемых сигналов от зондируемых объемов атмосферы при наличии шума измерения и блок обработки сигналов, реализующий описанный метод измерения скорости ветра. При математическом моделировании не рассматривались флуктуации скорости ветра, т. е. во время всего измерения (единицы секунд) скорость и направление ветра считались постоянными. Использовалась гипотеза заморожен-ности атмосферы во время проведения измерений, т. е. считалось, что неоднородности, не изменяясь, переносятся в атмосфере под действием ветра.
Математическое моделирование проводилось для разных размеров аэрозольных неоднородностей атмосферы, различном отношении сигнал/шум (шум считался белым, распределенным по нормальному закону со средним значением, равным нулю и заданной дисперсией) в широком диапазоне скоростей ветра. Время измерения составляло 5 с. Задаваемые при математическом моделировании параметры атмо-
сферных неоднородностей соответствовали условиям приземного слоя атмосферы. Трасса зондирования считалась горизонтальной.
Для экспериментальных исследований дистанционного метода измерения скорости ветра был создан макет лидара. В качестве лазера использовался твердотельный лазер УЛО:Кё с диодной накачкой и с удвоением частоты МЬ210, фирмы БКБРЬЛ. Лазер генерировал короткие импульсы (с длительностью ~ 7 нс) на длине волны 532 нм с энергией в импульсе 2 мДж и частотой повторения до 500 Гц. В приемном канале использовался интерференционный фильтр фирмы ТНОКЬЛВБ БЬ-532-1 со спектральной шириной 1 нм (по уровню 0,5). В качестве фотоприемника оптического излучения использовался модуль ФЭУ фирмы НЛМЛМЛТБи Н7826-01. Сигнал с ФЭУ поступал на АЦП и далее в ЭВМ блока обработки.
Для контроля скорости и направления атмосферного ветра использовался анеморумбометр. Для определения ошибки измерения скорости ветра данные с анеморумбометра поступали в ЭВМ блока обработки.
Измерения проводились в осеннее-летний период на базе филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана в Дмитровском районе Московской области при различных метеоусловиях. Макет лидара был установлен на плоской крыше трехэтажного здания на расстоянии 32 м от края крыши и измерял скорость ветра на расстояниях до ~ 150 м. Анемо-румбометр располагали на самом краю крыши в непосредственной близости от лазерного луча.
Результаты математического моделирования и обработки экспериментальных данных показывают, что описанный метод позволяет проводить оценку скорости ветра с погрешностью (по отношению к показаниям анеморумбометра) ~ 20...30 % и направления ветра с погрешностью ~ 25.30°.
Таким образом, результаты проведенного математического моделирования и обработки полученных в натурном эксперименте данных показывают, что использование однолучевого импульсного ли-дара и анализ измеренных пространственных реализаций объемного коэффициента обратного аэрозольного рассеяния атмосферы на плоскости время измерения - расстояние от лидара позволяют получить оценку мгновенной скорости с погрешностью ~ 20.30 % и оценку направления ветра с погрешностью ~ 25.30°.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Корреляционные методы лазерно-локационных измерений скорости ветра / Г.Г. Матвиенко, Г.О. Заде, Э.С. Фердинандов и др. Новосибирск: Наука, 1985. 223 с.
2. Применение корреляционных методов в атмосферной оптике / В.М. Орлов, Г.Г. Матвиенко, И.В. Самохвалов и др. Новосибирск: Наука, 1983. 160 с.
3. Оперативное определение компонентов скорости ветра с помощью лидара // Г.Г. Матвиенко, И.В. Самохвалов, В.С. Рыбалко и др. Оптика атмосферы и океана. 1988. Т. 1. № 2. 5С. 68-72.
4. Козинцев В.И., Иванов С.Е., Белов М.Л., Городничев В.А., Смирнова О.А. Лазерный метод оперативного измерения скорости и направления ветра в приземном слое атмосфры // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2009. Спец. выпуск «Антенные устройства радио- и оптического диапазонов».
5. Козинцев В. И., Иванов С. Е., Белов М. Л., Городничев В. А. Лазерный метод оперативного измерения скорости и направления ветра // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2011. № 1. С. 57-66.
Статья поступила в редакцию 24.11.2011
