Лазерный дистанционный способ оценки мгновенной скорости и направления ветра

Авторы патента:

Городничев Виктор Александрович (RU)

Иванов Сергей Евгеньевич (RU)

Козинцев Валентин Иванович (RU)

Белов Михаил Леонидович (RU)

G01W1/00 - Метеорология

Владельцы патента RU 2494422:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в прикладной метеорологии для дистанционного измерения мгновенной скорости и направления ветра. Атмосферу облучают одним зондирующим лазерным пучком, регистрируют в течение времени измерения пространственные реализации сигналов обратного рассеяния атмосферы в зависимости от расстояния от лидара, выделяют на двумерной плоскости «время измерения - расстояние от лидара» произвольно выбранную неоднородность сигнала обратного рассеяния и определяют поперечную и продольную составляющие мгновенной скорости ветра используя анализ размеров неоднородности сигнала обратного рассеяния в двумерной плоскости «время измерения - расстояние от лидара». Изобретение обеспечивает получение приближенной оценки мгновенной скорости и направления ветра на горизонтальной трассе используя всего один лазерный пучок и упрощение обработки данных измерений. 5 ил.

Область техники

Уровень техники

При метеорологических наблюдениях измерению подлежат средняя за 2 или 10 минут скорость ветра (зависит от типа измерительного прибора) и мгновенная скорость с осреднением за 2-5 секунд. Метеорологические приборы проводят измерения в точке расположения прибора. Лазерные методы могут обеспечить дистанционное измерение мгновенной скорости ветра, ее отдельных компонент (поперечной и продольной по отношению к оптической оси лидара) и направления ветра при использовании малой измерительной базы (см., например, [1-4]). Однако решение полной задачи определения модуля и направления мгновенной скорости ветра требует сложных методов измерения (использующих многолучевые схемы и требующих запоминания больших объемов данных) и сложных алгоритмов обработки данных измерений (см, например, [4]).

Приближенную оценку мгновенной скорости и направления ветра на горизонтальной трассе можно получить более простым методом (не используя сложных методов измерения и сложных алгоритмов обработки данных измерений). Приближенная оценка мгновенной скорости и направления ветра имеет как самостоятельный интерес, так и позволяет (при ее использовании) упростить сложные алгоритмы обработки данных измерений, используемые для получения точного значения мгновенной скорости ветра. Наиболее близким к предлагаемому способу является способ оперативного дистанционного определения компонентов скорости ветра с помощью лидара [3], заключающийся в том, что атмосферу облучают двумя зондирующими лазерными пучками, регистрируют реализации сигналов обратно рассеянного излучения от атмосферы для этих двух лазерных пучков и определяют поперечную и продольную составляющие скорости ветра используя пространственную и временную корреляционную обработку регистрируемых сигналов.

Недостаток метода [3] - использование двух лазерных пучков и сложный алгоритм обработки данных измерений.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения способа является получение приближенной оценки мгновенной скорости и направления ветра на горизонтальной трассе используя всего один лазерный пучок и более простой по сравнению с прототипом алгоритм обработки данных измерений.

Поставленная задача решается тем, что для получения приближенной оценки мгновенной скорости и направления ветра атмосферу облучают одним зондирующим лазерным пучком, регистрируют в течение времени измерения пространственные реализации сигналов обратного рассеяния атмосферы в зависимости от расстояния от лидара, выделяют на двумерной плоскости «время измерения - расстояние от лидара» произвольно выбранную неоднородность сигнала обратного рассеяния и определяют поперечную и продольную составляющие мгновенной скорости ветра используя анализ размеров неоднородности сигнала обратного рассеяния в двумерной плоскости «время измерения - расстояние от лидара».

Перечень фигур

На фиг.1 показан атмосферный аэрозоль.

На фиг.2 показаны контуры неоднородностей.

На фиг.3 показана выбранная неоднородность.

На фиг.4 показаны координаты и временной размер выбранной неоднородности.

На фиг.5 показана схема двухплощадочного фотоприемника.

Осуществление изобретения

Лидар содержит лазерный источник импульсного излучения, передающую оптическую систему, приемную оптическую систему, двухплощадочный фотоприемник и блок обработки.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. - Излучение лазерного импульсного источника проходит передающую оптическую систему, которая формирует узкий зондирующий пучок, распространяющийся в атмосфере.

Аэрозоль, всегда содержащийся в атмосфере, рассеивает излучение назад в сторону лидара (см. фиг.1).

Принимаемое излучение проходит через приемную оптическую систему, регистрируется двухплощадочным фотоприемником и поступает в блок обработки для определения направления и величины скорости ветра.

В блоке обработки лидара проводят последовательно следующие операции:

1. Полученные в течении времени t_изм данные измерений пространственных реализации сигналов обратного рассеяния атмосферы в зависимости от расстояния от лидара (расстояние от лидара определяется по времени задержки лазерного импульса) представляют в виде двумерного массива данных на плоскости «время измерения - расстояние от лидара» фиг.2. Для оценки мгновенной скорости ветра время измерения t_изм находится в интервале 2-5 с. Частота повторения импульсов лазерного источника - сотни герц и более.

2. Выделяют на двумерной плоскости «время измерения - расстояние от лидара» фиг.3 произвольно выбранную неоднородность - односвязанную область, в пределах которой сигнал обратного рассеяния больше или меньше (на некоторое пороговое значение, определяемое по данным математического моделирования или экспериментальным исследованиям) среднего значения сигнала. Выбранная неоднородность должна целиком находиться в области регистрации - двумерной плоскости «время измерения - расстояние от лидара».

3. Определяют размеры выбранной неоднородности по оси времени (Δt), координаты начала и конца неоднородности (R₁, R₂) по оси расстояний от лидара и максимальный размер неоднородности (соответствующий, например, ее середине) δR в направлении оси расстояния от лидара фиг.4.

4. Приближенную оценку величины продольной мгновенной скорости V₁₁ получают из соотношения $V_{∥} = \frac{Δ R - δ R}{Δ t},$ где ΔR=|R₂-R₁|. Направление продольной скорости ветра определяют по знаку величины R₂-R₁ (положительное значение этой величины соответствует направлению от лидара, отрицательное - направлению к лидару).

5. Приближенную оценку поперечной мгновенной скорости V_⊥ получают (полагая неоднородности изотропными) из соотношения $V_{⊥} = \frac{δ R}{Δ t} .$ Направление поперечной скорости определяют, используя двухплощадочный фотоприемник фиг.5. Сигнал обратного рассеяния от аэрозольной неоднородности будет сначала приходить (фокусироваться приемным объективом) на фотоприемник ФП1 и только потом (при перемещении неоднородности в поле зрения приемника) на фотоприемник ФП2 (для направления ветра справа налево). При противоположном направлении ветра (слева направо) сигнал обратного рассеяния от аэрозольной неоднородности будет сначала приходить на фотоприемник ФП2.

6. Оценку модуля скорости V и направления φ (по отношению к оптической оси лазерного пучка) получают из соотношений $V = \sqrt{V_{∥}^{2} + V_{⊥}^{2}},$ $t g φ = \frac{V_{⊥}}{V_{∥}}$ (с учетом знаков V_⊥ и V_II, т.е. направлений продольной и поперечной скоростей ветра).

Для оценки работоспособности предлагаемого способа оперативного измерения скорости и направления атмосферного ветра проводилось математическое моделирование.

Математическое моделирование проводилось с помощью комплекса программ (созданного в лицензионном пакете LabView), имитирующих работу лазерного измерителя скорости и направления атмосферного ветра. Комплекс включает в себя блоки моделирования двумерных полей аэрозольных неоднородностей, переноса аэрозольных неоднородностей ветром, расчета принимаемых лазерных сигналов от зондируемых объемов атмосферы.

Результаты математического моделирования для различных направлений атмосферного ветра показывают, что для описанного метода ошибки определения скорости ветра не превосходят 25%, а ошибки определения направления ветра - не более 20°. Задаваемые при математическом моделировании параметры атмосферных неоднородностей соответствовали условиям приземного слоя атмосферы.

Таким образом, описанный способ позволяет обеспечить получение приближенной оценки мгновенной скорости и направления ветра.

Источники информации

1. Применение корреляционных методов в атмосферной оптике / В.М.Орлов, Г.Г.Матвиенко, И.В.Самохвалов и др. - Новосибирск: Наука, 1983. - 160 с.

2. Корреляционные методы лазерно-локационных измерений скорости ветра / Г.Г.Матвиенко, Г.О.Заде, Э.С.Фердинандов и др. - Новосибирск: Наука, 1985. - 223 с.

3. Матвиенко Г.Г., Самохвалов И.В., B.C.Рыбалко и др. Оперативное определение компонентов скорости ветра с помощью лидара // Оптика атмосферы и океана. - 1988. - T.I. - N2. - С.68-72.

4. Патент RU 2404435. Способ оперативного дистанционного определения скорости и направления ветра. Дата действия патента 04.06.2009. МПК G01P 5/22, G01P 5/26, G01S 17/95.

Лазерный дистанционный способ оценки мгновенной скорости и направления ветра, состоящий в том, что атмосферу облучают двумя зондирующими лазерными пучками, регистрируют реализации сигналов обратно рассеянного излучения от атмосферы этих двух лазерных пучков и определяют поперечную и продольную составляющие скорости ветра, используя пространственную и временную корреляционную обработку регистрируемых сигналов, отличающийся тем, что атмосферу облучают одним зондирующим лазерным пучком, регистрируют в течение времени измерения пространственные реализации сигналов обратно рассеянного излучения от атмосферы одного лазерного пучка в зависимости от расстояния от лидара, выделяют на двумерной плоскости «время измерения - расстояние от лидара» произвольно выбранную неоднородность сигнала обратного рассеяния и определяют поперечную и продольную составляющие мгновенной скорости ветра, используя анализ размеров неоднородности обратно рассеянного излучения в двумерной плоскости «время измерения - расстояние от лидара».

Изобретение относится к области инженерной экологии и может быть использовано для определения дифференциации нагрузок загрязняющих веществ по отдельным экологически значимым объектам, попадающим в подфакельное пространство аэропромвыбросов.

Способ прогноза геоэффективных солнечных вспышек // 2491583

Изобретение относится к области солнечно-земной физики и может быть использовано для краткосрочного прогноза мощных солнечных вспышек. .

Способ определения высоты верхней границы мощной конвективной облачности // 2491582

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки высоты расположения верхней границы мощных конвективных облачных образований. .

Способ измерения общего содержания bro и oclo в стратосфере с использованием рассеянного солнечного излучения // 2490678

Изобретение относится к дистанционным оптическим способам контроля газового состава атмосферного воздуха. .

Способ определения режимов химического загрязнения атмосферы, способствующих формированию опасных концентраций приземного озона // 2489737

Изобретение относится к области мониторинга, в частности к мониторингу химически опасных объектов. .

Способ создания искусственных облаков парообразных щелочных и щелочноземельных металлов в верхней атмосфере земли и устройство для его осуществления // 2488265

Изобретение относится к исследованиям верхней атмосферы Земли и околоземного космического пространства методом искусственных светящихся облаков и может быть использовано, например, при активных воздействиях на атмосферные процессы.

Способ определения параметров турбулентной атмосферы // 2488095

Изобретение относится к физике атмосферы и может быть использовано при определении структурной характеристики показателя преломления, параметра Штреля и радиуса Фрида.

Способ определения высоты верхней границы кучево-дождевой облачности // 2482521

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения высоты верхней границы кучево-дождевой облачности. .

Метеорологическая система // 2480791

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиозондированию, и может быть использовано при разработке систем радиозондирования атмосферы (СР) на основе использования сигналов спутниковых навигационных радиоэлектронных систем (СНРС) GPS/ГЛОНАСС.

Спектрорадиометрический способ дистанционного определения местоположения облаков токсичных газообразных веществ в атмосфере // 2478995

Изобретение относится к дистанционному зондированию атмосферы, в частности к способам исследования ее газового состава. .

Способ определения высоты нижней границы облачности // 2497159

Изобретение относится к метеорологии, навигации и позволяет аппаратурно, в реальном масштабе времени определять высоту нижней границы облачности. Сущность изобретения: при помощи широкопанорамной автоматизированной сканирующей системы автоматически определяются наиболее контрастные участки, по которым определяется высота нижней границы облачности. При этом кадр, состоящий из M×N ячеек, разбивается на слои энергетической яркости. Пo скорости перемещения фрагмента облачного поля относительно ячеек (ячейковой скорости слоев) и высотной разности слоев, заданной по стандартной модели Земли, определяется высота нижней границы облачности. Технический результат - автоматизация определения высоты нижней границы облачности по смещению ее пространственной структуры излучения в реальном масштабе времени и расширение функциональных возможностей метеорологических наблюдений (например, дистанционное определение смерчей, опасных грозовых состояний облачности, тайфунов, оптической разведки движения летательных аппаратов как в дневное, так и в ночное время). 3 ил.

Способ контроля загрязнения атмосферного воздуха // 2498359

Изобретение относится к области экологического мониторинга и может быть использовано для контроля атмосферного воздуха. Сущность: проводят сбор, анализ и ведение базы данных выбросов предприятий. Выбирают основные специфические индикаторные соединения для контроля на источниках выбросов - «отпечатки предприятий». Создают сеть автоматизированных станций контроля загрязнения атмосферного воздуха, места размещения которых определены по результатам анализа расчетов рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Проводят круглосуточный мониторинг, осуществляя непрерывное автоматическое измерение содержания загрязняющих веществ в атмосфере и на источниках загрязнения предприятий, замеры метеорологических параметров атмосферы. Устанавливают источник загрязнения по наличию в воздухе специфических индикаторных соединений. Сравнивают с результатами анализов на предприятии - источнике загрязнения, определяют причины возникновения и необходимость изменения технологического режима. Технический результат: повышение эффективности, достоверности и оперативности контроля. 2 табл.

Способ пространственной количественной оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха // 2503042

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для контроля чистоты воздуха населенных мест. Сущность: проводят выбор территории, которую необходимо исследовать на предмет состояния уровня загрязнения атмосферного воздуха. На исследуемой территории в точках натурных замеров проводят натурные инструментальные замеры концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Карту исследуемой территории покрывают регулярной сеткой, выделяют на ней узловые точки и отмечают расположение точек, в которых были проведены натурные замеры. Выявляют все источники загрязнения атмосферного воздуха на исследуемой территории и проводят сбор данных о параметрах выбросов от указанных источников загрязнения атмосферного воздуха. Затем выполняют расчет приземных концентраций загрязняющих веществ в точках натурных замеров и в узловых точках заданной регулярной сетки от указанных источников загрязнения атмосферного воздуха с применением стандартных математических моделей и программных средств. Для каждой точки, где имеются данные и расчета рассеивания, и натурных замеров, определяют коэффициент соответствия как отношение измеренной концентрации к рассчитанной. Далее точки натурных замеров концентраций загрязняющих веществ объединяют на карте непересекающимися отрезками в треугольники, образуя систему треугольников с вершинами в точках натурных замеров. Для каждого треугольника решают уравнение плоскости с установлением коэффициентов уравнения, зависящих от координат вершин треугольника - точек натурных замеров, и значений коэффициентов соответствия в них. Затем относят каждую узловую точку расчетной сетки к какому-либо треугольнику или устанавливают, что она лежит вне указанной системы треугольников. Для каждой узловой точки, лежащей внутри системы треугольников, рассчитывают коэффициент соответствия по уравнению плоскости соответствующего треугольника. А для узловых точек, лежащих вне системы треугольников, расчет коэффициента соответствия выполняют методом экстраполяции. Для этого значения коэффициента соответствия в узловой точке принимают равными коэффициентам соответствия в ближайшей точке, лежащей на внешней границе системы треугольников. Ранее рассчитанные приземные концентрации загрязняющих веществ в узловых точках заданной регулярной сетки умножают на полученные коэффициенты соответствия с получением уточненной концентрации загрязняющих веществ в узловых точках сетки. Затем строят карту пространственного распределения уточненных концентраций загрязняющих веществ, по которой количественно оценивают уровень загрязнения атмосферного воздуха на исследуемой территории. Технический результат: повышение точности пространственной количественной оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха. 5 табл., 9 ил.

Способ определения вертикального профиля концентрации газов в атмосфере // 2510054

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения вертикального профиля концентрации различных газов в атмосфере. Сущность: излучают набор электромагнитных волн различной частоты в окрестности линии поглощения измеряемого газа. Регистрируют прошедшее атмосферу излучение приемником. Измеряют общее ослабление излучения, прошедшего атмосферу на излучаемых частотах. Сравнивают значения измеренного ослабления излучения с расчетными значениями общего ослабления излучения, полученными на основе априорных или стандартных данных о вертикальных профилях температуры, атмосферного давления и концентрации измеряемого газа. Причем для получения значений концентрации газа на заданной высоте измерения проводят на двух парах частот, расположенных на различных склонах линии поглощения измеряемого газа, которая соответствует заданной высоте. При этом используют линейную комбинацию ослаблений на указанных частотах. Технический результат: повышение точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ прогноза штормовых подъемов уровней воды для морских устьевых участков рек // 2521216

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для прогнозирования наводнений или штормовых подъемов уровней воды для морских устьевых участков рек. Сущность: создают архив наводнений (дата-уровень) за максимально возможный период. Создают архив полей приземного атмосферного давления по срочным данным (за два срока) в районе формирования штормовых циклонов над морским устьевым участком реки. Рассчитывают повторяемость наводнений по всем месяцам года. По величине повторяемости наводнений выделяют «наводненческий период» (повторяемость больше 1%) и «ненаводненческий период» года. Для месяцев, вошедших в «ненаводненческий период», наводнения считаются маловероятным событием, поэтому автоматически делают вывод о ненаступлении «наводненческой ситуации». Для каждого месяца «наводненческого периода» определяют эмпирические ортогональные функции (ЭОФ) по всему архиву срочных наблюдений полей приземного атмосферного давления. Затем для каждого месяца «наводненческого периода» рассчитывают эмпирические ортогональные составляющие (ЭОС). Выделяют диапазон трех первых ЭОС от минимального до максимального значения для дат наводнений каждого месяца «наводненческого периода», формируют эталонную область ЭОС для каждого месяца. После этого по результатам оперативного гидродинамического прогноза поля приземного атмосферного давления рассчитывают ЭОС по ранее созданным ЭОФ для данного месяца. Определяют принадлежность ЭОС прогностического поля к эталонной области ЭОС наводнений прогнозируемого месяца. Делают вывод о наступлении/ненаступлении на анализируемый прогностический срок «наводненческой ситуации». Технический результат - повышение заблаговременности прогноза.

Способ оценки экологического состояния атмосферы территории // 2522161

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для оценки экологического состояния атмосферы территории. Сущность: на контролируемой территории отбирают пробы атмосферных осадков. Проводят гранулометрический и минералогический анализы взвесей в отобранных пробах. По результатам гранулометрического анализа взвеси делят на пять классов крупности и определяют процентное содержание взвесей каждого класса. После этого вычисляют показатель содержания взвесей каждого класса и, используя данный показатель, делают оценку экологического состояния территории. Технический результат: обеспечение возможности зонирования районов территории по экологической опасности воздушной среды. 15 ил.

Способ определения зоны влияния продуктов токсичных выбросов свалок // 2522719

Изобретение относится к области экологического мониторинга и может быть использовано для мониторинга химически опасных объектов. Сущность: определяют концентрации опасных выбросов в районе свалки. Получают метеорологические данные в радиусе 30 км от центра свалки, проводя наблюдения через каждые 6 часов. Оценивают метеорологические условия по разным пространственным направлениям. Определяют размер зоны влияния первичных токсичных газов, используя данные о выбросах свалок в виде концентраций токсичных газов, учитывая при этом скорости химической трансформации и химические времена жизни первичных продуктов токсичных выбросов свалок. Технический результат: определение зоны влияния продуктов токсичных выбросов свалок.

Способ определения колебания уровня моря // 2526490

Изобретение относится к области морской гидрологии и может быть использовано для определения приливных колебаний уровня моря. Сущность: измеряют высоту поверхности уровня моря посредством регистрирующих устройств. Определяют моменты верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане. Определяют колебания уровня моря путем анализа результатов наблюдений по периодическим компонентам во временных рядах. При этом определяют гармонические постоянные по спектру частот фиктивных светил. При анализе результатов измерений выполняют деление спектра частот на равные временные циклы с последующим их совмещением, в котором гармонические постоянные определяют для отдельного фиктивного светила. Временной ход уровня прилива в точке измерения под действием приливных сил определяют по фазовому сдвигу. Изменение фазы прилива определяют по измеренным значениям уровня моря в фиксированных точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны и моментом верхней кульминации Луны. Кроме того, по изменению амплитуд гармонической составляющей высоты прилива со временем определяют пространственную изменчивость времени наступления максимальных вод прилива после сизигий в открытом море. При этом преобразования амплитуды, угловой частоты и фазы приливной гармоники сигналов осуществляют посредством интегрального и линейного преобразования Гильберта. Также определяют значения водных часов, выраженные в среднесолнечном времени. Технический результат: повышение достоверности результатов. 1 табл., 3 ил.

Способ дистанционного зондирования земли (дзз) // 2531024

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для получения изображений земной поверхности через турбулентную атмосферу. Способ основан на совместном использовании длинно-экспозиционного изображения и серии из N спектрально-фильтруемых коротко-экспозиционных изображений. Технический результат - повышение качества изображения зондируемого участка земной поверхности. 2 ил., 1 табл.

Способ определения спектральных потоков солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками на уровне земной поверхности // 2531050

Изобретение относится к области физики атмосферы и может быть использовано в метеорологических целях. Сущность: по данным о координатах точки оценки, дате и времени оценки вычисляют внеатмосферные спектральные потоки солнечной радиации, сечения поглощения озона, коэффициенты ослабления солнечной радиации в результате рассеяния газами, оптическую массу атмосферы. По данным о величине приземного давления, влажности воздуха, общем содержании озона на уровне земной поверхности, общем балле облачности, среднем размере облачных и аэрозольных частиц определяют коэффициенты мутности и коэффициенты ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем и облаками. Рассчитывают спектральные потоки солнечной радиации с учетом эффектов поглощения и рассеяния радиации аэрозолями и облаками. Технический результат: повышение точности оценки спектральных потоков солнечной радиации для географической точки.