Определение скорости ветра из турбулентных флуктуаций оптического излучения в атмосфере

• Автор: Афанасьев, Алексей Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 139 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Методы измерения скорости ветра по флуктуациям

ИНТЕНСИВНОСТИ ПРОСВЕЧИВАЮЩЕГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Сцинтилляционные методы измерения скорости ветра

1.2. Экспериментальная верификация метода измерения интегральной поперечной скорости ветра по смещению корреляционной функции флуктуаций интенсивности
1.3. Определение флуктуаций скорости ветра из оптических измерений. Метод производной
1.4. Метод измерения скорости ветра по флуктуациям координат энергетического центра тяжести (ЭЦТ) оптического изображения
1.5. Экспериментальная верификация метода измерения скорости ветра по флуктуациям координат ЭЦТ оптического изображения
Основные выводы главы
Глава 2. Определение скорости ветра в атмосфере по турбулентным ИСКАЖЕНИЯМ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА
2.1. Измерение интегральной скорости из анализа скоростных видеоизображений лазерного пучка
2.1.1. Описание эксперимента
2.1.2. Обработка экспериментальных данных. Особенности анализа временных и пространственных реализаций
2.1.3. Сравнительный анализ результатов оценки интегральной скорости ветра различными методами из скоростных видеоизображений лазерного пучка
2.2. Профилирование скорости ветра на основе пространственной вейвлет-фильтрации видеоизображений лазерного пучка
2.2.1. Модельный эксперимент
2.2.2. Анализ данных модельного эксперимента с применением вейвлет- фильтрации изображений пучка
2.2.3. Атмосферный эксперимент
Основные выводы главы
Глава 3. Оценивание скорости ветра из флуктуаций лидарных
СИГНАЛОВ В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ
3.1. Дрожание изображения аэрозольного рассеивающего
объема (АРО) в турбулентной атмосфере при бистатической схеме локации

3.2. Особенности дрожания изображения АРО в турбулентной атмосфере для моностатической схемы зондирования
3.3. Влияние флуктуаций скорости ветра и их пространственной анизотропии на пространственно-временную структуру сигналов аэрозольного лидара
3.4. Способ оценки среднего значения и дисперсии флуктуаций компонент скорости ветра из измерений фазового спектра и спектра когерентности лидарных сигналов
3.5. Применение метода вейвлет-преобразования для анализа пространственно- временной структуры поля скорости ветра из данных лидарного зондирования
Основные выводы главы
Заключение
Литература

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, со дары и лидары [1 - 3]. Все они основаны на использовании эффекта доплеровского смещения 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

параметра на величины а2 и а2 . Спектр Ф (к) зададим в виде
г с г £ V у
Ф,1(к) = О.ОЗЗС2к“"/31-ехр(-к2/к, где к0 = 2п / Ь0. С целью упрощения
дальнейших вычислений с этой моделью спектра воспользуемся в (1.7) приближенной аппроксимацией [28] вида
27, (х)
> ехр
' х2
Используя (1.11), находим: К™ =0.132л2Гj2С2 2L(2R)
К* =-2-0.1 32л2Г | j 2 С2 27, (27?) х

V **оу
(1.12)
| 2 f R24 Г F
1 97?2к2+4 J 2Г>
7 pi.
6 2’Т?2к2 + 4 '
A F[l 2-1-1)
72 2 46’ ’2’2
1 + ЧЧ
v оу
о2™ = 0.132л2 6гГ-Н2~ С227,(27?

V Л2к0-
о2 = |о.132л26гГ£|2С227(27?)~
(1.13)
xO-f
' Т?2к2 лХ v7?2K2+4y
F{ i-5. jfoo _1+2 F(1 2.5.1 2 1 6”2’Л2к2 +4 72 2Г'1б’А2’2
1- 1 +

Т?2к2у
Из (1.12), (1.13) следует, что при к0' —»со выражения для о2 и а2 , с
точностью до const, совпадают с формулами (1.8), (1.9), полученными без учета Ь0, а при Kg1 —» 0 эти величины убывают до нуля.
На рис. 1.4 изображены зависимости отношений о2, (к07?)/о2 (0) и
°р (коЛ)/ °р (О) от параметра к07?.
Видно, что дисперсия о2, существенно менее чувствительна к вариации параметра Х0, чем о2 . Например, если при к07? < 1, влиянием Ь0 на