Исследование оптических свойств дождевых капель и разработка измерительных средств дистанционного определения микроструктуры осадков

• Автор: Глущенко, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 143 с. : ил.

1. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ОСАДКОВ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
1.1 Контактные методы определения размеров частиц. Цифровой дисдрометр, электромагнитный дисдрометр ударного типа
1.2 Радиолокационные методы дистанционного измерения интенсивности осадков. Доплеровские метеорологические станции
1.3 Оптические методы дистанционного определения микроструктуры осадков. Оптические дисдрометры
1.4 Выводы
2. РАСЧЕТ ИНДИКАТРИС РАССЕЯНИЯ В ПЕРЕДНЮЮ ПОЛУСФЕРУ НАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ ДОЖДЕВЫХ КАПЕЛЬ. СФЕРИЧЕСКОЙ И НЕСФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ.
2.1 Описание математической модели поведения осциллирующих дождевых капель при падении в атмосфере
2.2 Описание методики расчета индикатрисы рассеяния для несферических дождевых капель
2.3 Результаты расчетов индикатрис рассеяния с учетом статических и динамических деформаций. Расчет отклонений индикатрис деформированных капель от индикатрисы рассеяния сферической капли
2.4 Выводы
3. РАЗРАБОТКА МАКЕТА ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ОСАДКОВ. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ПРИБОРА

3.1 Расчет оптической схемы измерения. Описание оптической
части прибора
3.2 Технические характеристики оптического измерителя микроструктуры осадков, особенности построения отдельных узлов прибора
3.3 Принцип работы и алгоритм определения микроструктуры
осадков. Разработка программного обеспечения
3.4 Выводы
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ОСАДКОВ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ И НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
4.1 Лабораторные испытания макета измерителя микроструктуры. Калибровка прибора
О
4.2 Результаты натурных измерений в дождях различной интенсивности, сравнение с результатами, полученными классическими методами
4.3 Предложения по модернизации макета измерителя микроструктуры осадков. Сравнительные характеристики аналогичных приборов данного класса
4.4 Выводы
5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Приложения

Актуальность тематики. Определение интенсивности, типа и структуры осадков является важной задачей метеорологии. Сведения об осадках полезны в различных областях человеческой деятельности, начиная от прогнозирования и предупреждения природных катаклизмов, заканчивая обеспечением безопасности движения на дорогах. Своевременное и точное получение таких сведений важно для сельского хозяйства, при проведении климатического мониторинга регионов, а также при исследовании и изучении атмосферных явлений.
Настоящая диссертация посвящена разработке оптического измерителя микроструктуры дождя. Данное устройство предназначено для определения типа осадков, распределения по размерам частиц дождя, а также получения значения интегральной интенсивности их выпадения, показателя водности и радиолокационной отражательной способности. Основное практическое применение такой прибор находит в области прикладной метеорологии. На сегодняшний день из-за слабой государственной поддержки и финансирования, в нашей стране исследования и разработка нового оборудования ведутся очень медленными темпами. При этом требования к точности и своевременности получения метеорологических сведений возрастает. Таким образом, возникает задача, решение которой возможно двумя путями: первый - закупка специализированного оборудования за рубежом, стоимость которого, как правило, очень высока, при этом наши службы становятся потенциально зависимыми от иностранных фирм поставщиков, второй - разработка собственного оборудования. Данная диссертационная работа ориентирована на второй путь решения.

Коэффициенты прохождения для первого и второго производных лучей вычислялись согласно выражениям:
#,=|(Д51+Др1) , ^2=|((1-Ля).(1-Л„)+(1-Лр|)-(1-Лр2)) (25)
Суммарная индикатриса рассеяния вычисляется по формуле:
Г(а,Д) = /,(а,Д) + /2(а,Д) (26)
Суммарная индикатриса рассеяния является итоговой расчетной величиной. Это безразмерная величина, определяющая закон распределения интенсивности рассеиваемого каплей излучения по углам наблюдения а, /3. Данный алгоритм вычисления индикатрисы может быть применен для капель любой формы, заданной в аналитическом виде. В настоящей диссертационной работе расчет индикатрис рассеяния будет производиться для математической модели капли, описанной в главе 2.1.
2.3 Результаты расчетов инпикатпис рассеяния с учетом статических и динамических деформаций. Расчет отклонений индикатрис деформированных капель от индикатрисы рассеяния сферической капли
В общем случае индикатриса рассеяния в переднюю полусферу наблюдения представляет собой функцию двух переменных /(о; /3). Если весь диапазон рассматриваемых углов наблюдения разбить на дискретные сектора, то для каждой формы капли потребуется вычисление двумерной матрицы индикатрисы, размерность которой будет определяться величиной шага по углу наблюдения. Реализация таких расчетов даже на достаточно мощном компьютере потребует очень много времени, что существенно затруднит отладку
представленного алгоритма, а также полная матрица индикатрисы обладает

некоторой избыточностью. Для получения представления о характере распределения интенсивности, рассеиваемого каплями излучения вполне достаточно произвести расчет для главных осесимметричных плоскостей наблю-