Разработка информационного обеспечения акустических комплексов и их применение в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн

Диссертационная работа посвящена разработке и созданию информационного обеспечения автоматизированных ультразвуковых метеорологических комплексов для локальных измерений параметров приземного слоя атмосферы, акустических локаторов для дистанционного зондирования атмосферного пограничного слоя, аппаратно-программных комплексов для исследования приземного распространения звуковых волн, прогнозирования их характеристик и дальности звукового вещания.

Актуальность.

Атмосферный пограничный слой (АПС) характеризуется наибольшей изменчивостью своего состояния. Детальное изучение и понимание физических процессов, протекающих в АПС необходимо для решения ряда важных фундаментальных и прикладных задач физики атмосферы, распространения волн различной природы.

Для решения этих задач актуален оптимальный выбор информационно-измерительных средств измерений необходимых характеристик атмосферы. Непрерывный рост требований к количеству и качеству измеряемых характеристик, к точности получения текущей и прогностической метеорологической информации, а также к её оперативности, пространственному и временному разрешению, привели к необходимости разработки более совершенных информационно-измерительных средств локальных и дистанционных измерений различных характеристик АПС.

Качественные и количественные характеристики распространяющихся в АПС звуковых волн также определяются метеорологическим состоянием атмосферы, а их прогнозирование во многом определяется исходной метеорологической информацией.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется:

— ростом требований к точности оперативной информации о численных характеристиках и пространственно-временной структуре полей метеорологических величин в исследованиях приземной атмосферы и распространения звуковых волн;

— необходимостью разработки более совершенных информационно-измерительных средств локальных и дистанционных измерений различных характеристик АПС;

— необходимостью оценки влияния метеорологических величин, измеряемых акустическими методами и вычисляемых на их основе турбулентных параметров АПС, на качество прогнозирования характеристик приземного распространения звуковых волн.

Целью диссертационной работы являлась разработка информационного обеспечения акустических комплексов и их использование в исследованиях приземной атмосферы, распространения звуковых волн, прогнозирования их характеристик и дальности звукового вещания звуковещательных станций.

Задачи исследования.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие конкретные задачи:

1. Разработано информационно-программное обеспечение для измерения, сбора и обработки метеорологической информации от локальных ультразвуковых измерителей и средств дистанционного акустического зондирования АПС (акустических локаторов), стендов для исследования распространения звуковых волн.

2. Проведены сравнительные эксперименты для проверки работоспособности и достоверности разработанного информационно-программного обеспечения путем сопоставления результатов, полученных с помощью акустических комплексов и стандартных измерительных приборов.

3. Проведены экспериментальные исследования влияния характеристик акустических комплексов (времени осреднения, частоты съёма информации) на качество измерения метеорологических и турбулентных параметров в приземном слое атмосферы.

4. Исследована возможность использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы.

5. Проведено исследование пространственно-временной изменчивости параметров атмосферного пограничного слоя для оценки его горизонтальной неоднородности.

6. Разработано информационно-программное обеспечение аппаратно-программного комплекса прогнозирования распространения звуковых волн в атмосфере и дальности звукового вещания звуковещательных станций, удовлетворяющего современным требованиям к программному обеспечению средств измерений.

Методы исследования.

Поставленная в работе цель достигается экспериментальными исследованиями, которые проводились в различных условиях и различными методами. Измерения метеорологических параметров проводились ультразвуковым методом и методом дистанционного акустического зондирования атмосферы. Анализ и обработка исходных метеорологических данных проводилась с помощью методов математической статистики. При разработке алгоритмов вычисления турбулентных параметров атмосферы по потоку измеренных текущих значений температуры воздуха и вектора скорости ветра использованы методы, основанные на закономерностях, вытекающих из теории подобия Монина — Обухова. В основу методики использования акустических методов в задаче распространения звуковых волн в атмосфере и прогнозирования дальности звукового вещания легли результаты теоретических и экспериментальных исследований соавторов.

Научная новизна работы состоит в том, что:

— впервые разработан аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0» прогнозирования распространения звуковых волн и дальности звукового вещания звуковещательных станций в приземной атмосфере, где применены геоинформационные технологии;

— впервые оценена возможность использования ультразвукового метеорологического комплекса на борту транспортного средства для измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы;

— впервые. исследовано влияние характеристик ультразвукового метеокомплекса (времени осреднения, частоты съёма информации) на качество измерения метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы.

Практическая значимость работы заключается:

— в использовании разработанных акустических комплексов в исследованиях приземной атмосферы, распространения звуковых волн и прогнозирования их характеристик;

— в принятии устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций, в состав которого входит разработанный и созданный программный комплекс, на снабжение вооруженных сил РФ и к тиражированию.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Информационное обеспечение ультразвуковых измерительных комплексов с гальванически развязанной системой связи и акустических моностатических локаторов с применением внешнего модуля АЦП/ЦАП на шине USB 2.0 позволило получить высокие эксплуатационные и функциональные возможности измерения метеорологических и турбулентных характеристик приземной атмосферы.

2. Частота дискретизации более 5 Гц и временной интервал осреднения 20 мин для измерений ультразвуковым метеорологическим 7 комплексом соответствует минимальной погрешности определения турбулентных параметров атмосферы.

3. Установка ультразвукового метеорологического комплекса на транспортное средство обеспечивает измерение метеорологических параметров с достаточной точностью, но создает существенные погрешности при вычислении турбулентных характеристик атмосферы.

4. Использование геоинформационных технологий позволяет создать аппаратно-программный комплекс прогнозирования распространения звуковых волн в атмосфере, достаточный для оперативного планирования тактики использования звуковещательных станций.

Апробация результатов.

Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих всесоюзных и международных семинарах, симпозиумах и конференциях: I межрегиональном совещании «Экология пойм Сибирских рек и рек Арктики» (Томск, 1999) — Школе-семинаре молодых учёных «Современные проблемы физики и технологий» (Томск, 1999) — VI—VIII международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1999;2001) — II, III международных симпозиумах «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2000, 2002) — IV, VII Сибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001, 2007) — Восьмой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2002) — X, XII International symposiums on acoustic remote sensing and associated techniques of the atmosphere and oceans (Auckland New Zeland, 2000, Cambridge UK, 2004) — XI International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans (Rome, Italy, 2002) — XII, XIV International Symposiums for the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing (Garmisch — Partenkirchen, Germany, 2006, Roskilde, Denmark, 2008) — X, XV, XVIII сессиях Российского акустического общества (Москва, 2001, 2004, 2006).

По результатам диссертационной работы опубликованы 3 статьи в отечественных рецензируемых журналах и 35 научных отчетов, статей в нерецензируемых сборниках и сборниках трудов конференций.

Личный вклад автора.

Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Большинство опубликованных работ написано в соавторстве с научным руководителем д.ф.-м.н., проф. Н. П. Красненко. Личный вклад автора состоит в разработке алгоритмов и программ, а также проведении экспериментальных исследований и анализе полученных результатов.

Внедрение результатов работы.

Материалы разработок и исследований использованы в ИМКЭС СО РАН, ТУСУР при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, грантов РФФИ и Федеральных целевых программ.

Аппаратно-программный комплекс «Прогноз-3.0» прошел государственные испытания и в составе устройства прогнозирования дальности звукового вещания звуковещательных станций принят на снабжение вооруженных сил РФ и к тиражированию.

Практическая значимость отражена в актах о практическом использовании результатов диссертационной работы П. Г. Стафеева (приложение).

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание работы изложено на 172 страницах, включая 7 таблиц и 89 рисунков.

Список литературы

содержит 103 наименования.

1. Вызова H.Л., Иванов В.H., Гаргер E.K. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 263 с.

2. Smith F.B., Carson D.J. Some thoughts on the specifications of the boundary-layer relevant to numerical modeling. Bound.-Layer Met., 1977. vol. 12. № 3. P. 307−330.

3. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Под ред. Ф.Т. М. Ньюстадта и Х. Ван Допа. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 351 с.

4. Вагер Б. Г., Надежина Е. Д. Пограничный слой атмосферы в условиях горизонтальной неоднородности. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 136 с.

5. Зилитинкевич С. С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 290 с.

6. Ламли Дж., Пановский Г. Структура атмосферной турбулентности. Пер. с англ. М.: Мир, 1966.

7. Маслова Е. Ю., Лазарева H.A., Орленко Л. Р. Об универсальных функциях теории подобия Монина Обухова при устойчивой стратификации // Труды ГГО, 1987. вып. 506. С. 64−79.

8. Дубов A.C., Быкова Л. П., Марунич C.B. Турбулентность в растительном покрове. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

9. Зилитинкевич С. С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970.

10. Лайтхман Д. Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970,.

11. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Ч. 1 и 2. М.: Наука, 1965, 1967.

12. Оке Т. Р. Климаты пограничного слоя, пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

13. Орленко Л. Р. Строение планетарного пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

14. Методические указания. Расчет турбулентных потоков тепла, влаги и количества движения над морем. Рота-принт ГГО, 1981.

15. Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 640 с.

16. КухарецВ.П., ЦвангЛ.Р., ЯгломА.М. О связи характеристик турбулентности приземного и пограничного слоев атмосферы. В кн.: Физика атмосферы и проблема климата / Под ред. Г. С. Голицина и А. М. Яглома. М.: Наука, 1980. С. 162−193.

17. Мазурин Н. Ф. Оценка ошибок за счет конечности интервала осреднения при определении среднего значения и дисперсии метеорологических параметров пограничного слоя атмосферы // Труды ИЭМ, 1974, вып. 6 (44). С. 146−162.

18. МонинА.С. О структуре полей скорости ветра и температуры в приземном слое воздуха.

19. Мазурин Н. Ф., ТофанчукН.П. Датчик пульсаций температуры // Труды ИЭМ, 1981, вып. 27 (100). С. 100−103.

20. Винниченко Н. К., ПинусН.З., Шметер С. М., ШурГ.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 287 с.

21. Кухарец В. П., Цванг Л. Р. О скорости диссипации турбулентной энергии в неустойчиво стратифицированном атмосферном пограничном слое // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1977. т. 13. № 6. С. 620−628.

22. КухарецВ.П., ЦвангЛ.В., ЯгломА.М. О связи характеристик турбулентности приземного и пограничного слоя в атмосфере // Физика атмосферы и проблема климата. М.: Наука, 1980. С. 162−193.

23. Белан Б. Д., Зуев В. Е., Панченко М. В. Основные результаты самолетного зондирования аэрозоля в ИОА СО РАН (1981 1991 гг.) // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 1−2. С. 131−156.

24. Андреев В. Д., Иванов В. Н., Линкин В. М. и др. Измерительный комплекс для аэростатного зондирования пограничного слоя атмосферы // ТРОПЭКС-72. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. С. 654−662.

25. Андреев В. Д., Иванов В. Н., Королев B.C. и др. Результаты аэростатного зондирования пограничного слоя атмосферы в экваториальной зоне Атлантики//ТРОПЭКС-74. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. Том 1. С. 394−409.

26. Barret W., Suomi Е.: // J. Meteorol. 1949. V. 6. N 4.

27. Фатеев Н. П. // Труды ГГО. 1955. Вып. 52. 114 с.

28. Бовшеверов В. М., Воронов В. П. // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1960. № 6. 882 с.

29. Мордухович М. И., Бовшеверов В. М. // Вестник АН СССР. 1961. № 9.

30. Мордухович М. И. // Труды ИФА АН. 1962. № 4. С. 30−80.

31. Гурвич A.C. //Акустич. ж. 1959. Т. 5. Вып. 3. 368 с.

32. Бовшеверов В. М., Гурвич A.C., Мордухович М. И., Цванг Л. Р. // Труды ИФА АН СССР. 1962. № 4. С. 21.

33. Kaimal J.C., Businger J.A. // J. Appl. Meteorol. 1963. V. 2. № 2. P. 156 164.

34. Mitsuta Y. // J. Meteorol. Soc. Japan. 1966. V. 44. № 1. P. 12−23.

35. Kaimal J.C., Wyngard J.C., Haugen D.A. // J. Appl. Meteorol. 1968. V. 5. № 10. P. 827−837.

36. Kaimal J.C. // Radio Sei. 1969. V. 4. P. 1147−1153.

37. Антошкин Л. В., Емалеев O.H., Лукин В. П., Суконкина В. М., Хацко В. В., Янков А. П. // Приборы и техника эксперимента. 1986. № 3. С. 240 241.

38. Антошкин Л. В., Лукин В. П. // 3-й Болгаро-Советский семинар «Лазерные и радиометоды контроля окружающей среды» (Тезисы докл.). 1990. С.383−388.

39. Hanafusa Т., Fujitani Т., Koboi Y., Mitsuta Y. // Pap. Meteorol. Geophys. 1982. V. 33. P. 1−19.

40. Анисимов M.B., Монастырный E.A., Патрушев Г. Я., Ростов А. П. // Приборы и техника эксперимента. 1988. № 4. С. 196−199.

41. Fairall C.W., Edson J.B., Larsen S.E., Mestayer P.G. // J. Atmosph. and Oceanic Technology. 1990. V. 7. N 6. P. 425−453.

42. Патрушев Г. Я., Ростов А. П., Иванов А. П. // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7.№ 11−12. С. 1636−1638.

43. Азбукин A.A., Богушевич А. Я., Бурков В. В. и др. // 3-й Межреспубл. симп. «Оптика атмосферы и океана» (Тезисы докл.). Томск: ИОА СО РАН, 1996. С. 160.

44. Богушевич А. Я., Красненко Н. П. // 3-й Межреспубл. симп. «Оптика атмосферы и океана» (Тезисы докл.). Томск: ИОА СО РАН, 1996. С. 167.

45. Блохинцев Д. И. Акустика неоднородной движущейся среды. М: Наука, 1981. 125 с.

46. Богушевич А. Я. Ультразвуковые методы оценивания метеорологических и турбулентных параметров атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 2. С. 170−175.

47. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред. М: Гостехтеоретиздат, 1954. 795 с.

48. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / Пер. нем. М.: Изд-во иностр. лит., 1956.

49. ОсташевВ.Е. Распространение звука в движущихся средах. М: Наука, 1992. 208 с.

50. Красненко Н. П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя. Томск. 2001. 278 с.

51. Brown Е.Н., Hall F. F Jr. Advances in atmospheric acoustics /Rev. Geophys. And Space Phys. 1978. V. 16. N I. P. 47−110.

52. Каллистратова M.A., Кон А. И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М.: Наука, 1985. 198 с.

53. Proc. of 8th International Symposium on Acoustic Remote Sensing and Associated Techniques of the Atmosphere and Oceans / Ed. By M.A. Kallistratova, Moscow, Russia. 1996.

54. Макаллистер Л. Г., Поллард Д. Р., Махони A.P., Шоу Р. Д. Акустическое зондирование — новый метод исследования строения атмосферы // ТИИЭР. 1969. Т. 57. N 4. С. 222−230.

55. Н. П. Красненко Акустическое зондирование атмосферы. Новосибирск: Наука, 1989. 168 с.

56. Орлов М. Ю. Радиоакустическое зондирование атмосферы. Обзор. Обнинск: Изд. ВНИИГМИ МОД, 1982. вып. 7. 52 с.

57. Каллистратова М. А. Экспериментальное исследование рассеяния звуковых волн в атмосфере // Тр. ИФА АН СССР. 1962. N 4. С. 203−256.

58. Татарский В. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967.

59. Монин А. С. Некоторые особенности рассеяния звука в турбулентной атмосфере // Акуст. Журн. 1961. Т. VII. Вып. 4. С. 457−461.

60. Weill A. Atmospheric applications of sodar // Proc. of the Second Int. Symp. on Acoustic Remote Sensing of the Atmosphere and Oceans. 1983. Rome, Italy, Istituto di Fisica Dell’Atmosphera. P. 1−41.

61. Coulter R.L., Martin T. J. Minisodar Measurements of Rain. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1989. v. 6. № 3.

62. Локощенко М. А. Исследование приземных инверсий методом акустического зондирования //Метеорология и гидрология. 1994. № 6. С. 54−65.

63. Афиногенов Л. П., Грушин С. И., Романов Е. В. Аппаратура для исследования приземного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. С. 319— 320.

64. Бурков В. В., Красненко Н. П., Стафеев П. Г. // В кн. II Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды». Материалы Симпозиума. / Под общей редакцией М. В. Кабанова, Н. П. Солдаткина. Томск: Изд-во «Спектр» ИОА СО РАН, 2000. С. 78−79.

65. Стафеев П. Г. Программное обеспечение ультразвукового метеорологического комплекса // Современные проблемы физики и технологии (Сб. статей молодых учёных). Томск: Изд. Научно-техн. Лит. СФТИ, 2000. С. 117−118.

66. Стафеев П. Г., Красненко Н. П. Автоматизированный комплекс по измерению, сбору и обработке метеорологических данных от удаленных датчиков // Приборы и техника эксперимента. 2006. № 1. С. 160−162.

67. Браун Р. А. Аналитические методы моделирования планетарного пограничного слоя. JL: Гидрометеоиздат, 1978. 150 с.

68. Обухов А. М. Турбулентность и динамика атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1988. 413 с.

69. Атмосфера: Справочник. JL: Гидрометеоиздат, 1991. 509 с.

70. Стафеев П. Г., Сайдахметова М. Х. Исследование турбулентных характеристик приземного слоя атмосферы. // В сб. статей молодых ученых «Физика окружающей среды». Томск. 2002. С. 105−107.

71. Стафеев 77. Л, Галкин В. И., Красненко Н. П., Ушаков Г. В. Гальванически развязанная система связи с удаленными датчиками // Приборы и техника эксперимента. 2005. С. 155 156.

72. СтафеевП.Г., БухловаГ.В., Красненко Н. П. Мониторинг турбулентности приземного слоя атмосферы// В сб. трудов XI сессии Российского акустического общества «Физическая акустика. Распространение и дифракция волн». Т. 1. М.: ГЕОС. 2001. С. 268−271.

73. Buhlova G.V., Krasnenko N.P., Stafeev P. G. Monitoring of the Turbulence in the Near-Ground Layer of the Atmosphere // Proc. of SPIE. 2001. V. 4678. P. 431 438.

74. Иванов В. Ю., Красненко Н. П., СтафеевП.Г. Минисодар для атмосферных исследований // YII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана». Материалы симпозиума / Под общей ред М. В. Панченко, Г. П. Коханенко. Томск: ИОА СО РАН, 2000.

75. Ivanov V.Yu., Krasnenko N.P., Stafeev P.G. Minisodar for Atmospheric Investigations. Proc. of SPIE. 2000, v. 4341.

76. Little C.J. On the detectability of fog, cloud, rain and snow by acoustic echo-sounding methods // J. Atmosph. Sci. 1972. v. 29. № 5. P. 748−755.

77. КрасненкоН.П., КудрявцевA.H., МананкоЕ.Е., СтафеевП.Г. Акустический локатор «ЗВУК-З» Для зондирования атмосферы // Приборы и техника эксперимента. 2006.№ 6. С. 144−145.

78. Мананко Е. Е. Направленные акустические антенны для атмосферных исследований. Диссертация на соискание учёной степени кандидата наук. ТУ СУР. Томск. 2003.

79. Proc. of the 6th European Conference on Noise Control «Euronoise 2006». 30 May 1 June 2006. Tampere, Finland. 2006.

80. Региональный мониторинг атмосферы. Часть 3. Уникальные измерительные комплексы: Коллективная монография / Под редакцией М. В. Кабанова. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. С. 238.

81. Аршинов М. Ю., Белан Б. Д., Зуев В. В., Зуев В. Е. и др. TOR станция мониторинга атмосферных параметров // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 8. С. 1085−1092.

82. Гладких В. А., Карпов В. И., Красненко Н. П., Федоров В. А. // III Межреспубликанский симпозиум «Оптика атмосферы и океана». Тезисы докл. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 1996. С. 143.

83. Gladkikh Y.A., Krasnenko N.P., Fedorov V.A. ZVUK-2 Acoustic Sounder // COST-76 Profiler Workshop 1997. (Extended abstracts). Switzerland, Engelberg. 1997. V.l. P. 174−177.

84. Региональный мониторинг атмосферы. Часть 2. Новые приборы и методики измерений: Коллективная монография / Под редакцией М. В. Кабанова. Томск: Изд-во «Спектр» ИОА СО РАН, 1997. С. 208−216.

85. Красненко Н. П., Шаманаева Л. Г. Структурная характеристика температуры и внешний масштаб атмосферной турбулентности по данным акустического зондирования // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. № 1. С. 65−70.

86. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 3.Ч. 1.

87. Решетов В. Д. Изменчивость метеорологических элементов в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 104 с.

88. Krasnenko N.P. Sound propagation in the atmosphere above the ground surface at long distances. Proc. of SPIE 2005. vol 6160. Part 2. P. 1−12.

89. Абрамов Н. Г., Богушевич А. Я., Красненко Н. П. Учет атмосферного канала при приземном распространении шумов // Акустика в промышленности. 1 сессия РАО. Москва. 1992.

90. Программный комплекс «Прогноз-3.0». Спецификация. 634.3 534 200.00001−01. Инв. № 521. Томск. ИМКЭС СО РАН. 2004.