Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя"

На правах рукописи

РГ6 од

2 2 ' ■

КРАСНЕНКО НИКОЛАЙ ПЕТРОВИЧ

АКУСТИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

Специальность 04. 00. 23 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ТОМСК-1998

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Задде Г.О. доктор физико-математических наук, академик МАН ВШ, профессор Колесник А.Г. доктор технических наук, профессор Татаринов В.Н.

Ведущая организация: Институт физики атмосферы РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится 1998 г. в Й час. мин. на

заседании диссертационного совета Д 200.38.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте оптики атмосферы СО РАН (634055, г.Томск, пр.Академический, 1)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы СО РАН

Автореферат разослан 1998]

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н. Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Погода и климат планеты определяются различными процессами, протекающими в толще атмосферы. Для достоверного предсказания поведения атмосферы необходимо знать ее характеристики на различных высотах, в различных районах, в различные моменты времени. В последние годы, наряду с совершенствованием традиционных методов измерений метеорологических параметров большое развитие получили методы дистанционного зондирования атмосферы электромагнитными и звуковыми волнами. Это объясняется возрастающей потребностью общества в получении большего информационного объема данных о метеорологических параметрах, который уже не может быть обеспечен традиционными методами контактных измерений на метеомачтах, самолетах, аэростатах и других носителях. Способствуют этому развитию и общеизвестные преимущества дистанционных методов, позволяющих при малых эксплуатационных затратах вести длительные непрерывные измерения во всем слое зондирования и таким образом контролировать динамику атмосферных процессов.

Дистанционное зондирование атмосферы звуковыми волнами занимает особое место и обусловлено эффектами сильного взаимодействия этих волн с атмосферой. Оно оказывается намного сильнее, чем для электромагнитных волн большинства областей спектра, и поэтому для зондирования может быть использована относительно простая аппаратура. Использование звукового излучения для дистанционного зондирования атмосферы (акустическое зондирование) имеет давнюю историю. Оно основано на способности акустических волн рассеиваться на неоднородностях показателя преломления, образованных атмосферной турбулентностью. В то же время звуковые волны слышимого диапазона частот, применяемые в акустическом зондировании, обладают небольшой, по сравнению с электромагнитными волнами, проникающей способностью в атмосфере. Дальность зондирования ограничивается (наряду с шумами) молекулярным поглощением, ветровой и температурной рефракцией, турбулентным ослаблением. Поэтому естественной

областью применения акустического зондирования является нижняя часть атмосферы до высот порядка одного километра, называемая атмосферным пограничным слоем. В этом слое акустическое зондирование имеет ряд существенных преимуществ перед методами радио- и оптического зондирования.

Изучение атмосферного пограничного слоя (АПС) необходимо для решения как фундаментальных проблем физики атмосферы, так и для целого ряда прикладных задач. Для этого слоя характерна большая изменчивость и разнообразие термической стратификации, определяемой орографией местности, свойствами подстилающей поверхности, радиационными условиями, а также синоптическими процессами, что затрудняет построение общей теории АПС, аналогичной теории Монина-Обухова для приземного слоя атмосферы. Поэтому требуется привлечение новых дистанционных методов зондирования с дополнительными информационными возможностями. В этом слое образуются и концентрируются загрязняющие атмосферу примеси антропогенного происхождения и акустическое зондирование может применяться как для изучения процессов загрязнения атмосферы, так и как средство контроля за состоянием атмосферы.

Предпосылки развития акустического зондирования атмосферы заложены трудами советских (российских) ученых в 1940-1960 гг.: A.M. Обухова, В.И. Татарского, Д.И. Блохинцева, A.C. Монина, М.А. Каллистратовой. и др. Первый метеорологический акустический локатор (содар) был создан и испытан только в 1968 г. в Австралийском НИИ вооружения. С этого времени началось интенсивное развитие акустического зондирования - нового метода исследования строения атмосферы. Первое заседание международной рабочей группы по акустическому дистанционному зондированию произошло в 1972 г. в г. Боулдере (Колорадо, США), где было доложено 20 научно-исследовательских работ, посвященных созданию и использованию акустических локаторов. Первый международный симпозиум по акустическому зондированию атмосферы и океана прошел в 1981 г. в университете г. Калгари (Канада), где были ученые из 11 стран. Последний (восьмой) симпозиум прошел в 1996 г. в Москве, где было представлено 120 докладов 98 участниками из 20 стран мира. Число акустических локаторов и стран, где они

создаются и используются, продолжает увеличиваться. Освоено их промышленное производство.

В ИОА СО РАН данное направление зародилось в 1974 году по инициативе его директора - академика В.Е. Зуева. С 1976 года образовалась секция по акустическому зондированию атмосферы в рамках, традиционно проводимого институтом Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы (1 раз в 2 года), с 1978 по 1992 гг. он при участии автора трансформировался во Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (с 1994 года - симпозиум «Оптика атмосферы и океана»).

В соответствии с вышеизложенным, целью диссертационной работы

являлось:

1. Исследование возможностей методов акустического зондирования.

2. Разработка теории, методов и систем акустического зондирования.

3. Проведение натурных геофизических исследований АПС для апробации методов и систем акустического зондирования, а также изучения объекта исследования.

Научная новизна результатов, представленных в диссертации, заключается

в том, что в ней впервые:

1. Предложен ряд новых методов измерения параметров атмосферы, а также центральной (доплеровской) частоты спектра акустического сигнала, в т.ч. для неоднородной движущейся среды. Исследованы и оценены возможности методов измерения.

2. Создана модель распространения (ослабления) звука в АПС, реализованная в программный комплекс «Акустика открытых пространств», для оценивания среднего поля звуковых давлений в приземном слое атмосферы, создаваемого источником звука на дальностях до нескольких километров.

3. Получена двухпараметрическая модель частотного спектра акустических шумов в атмосфере в диапазоне частот от 0,5 до 8 кГц, определяемая интенсивностью (спектральной плотностью) на опорной частоте 1 кГц и показателем спада спектральной интенсивности (плотности) шума.

4. Обнаружен эффект высотного распределения уровня внешнего шума в атмосфере.

5. Показано, что спектральная зависимость отношения сигнал/шум на выходе приемной части акустического локатора при заданных условиях зондирования имеет максимум, определяющий оптимальную частоту зондирования.

6. Разработаны и созданы акустические локаторы МАЛ-1, МАЛ-2, «Звук-1», «Звук-2», имеющие приоритет разработки в стране, обладающие новизной по ряду своих технических и функциональных характеристик, с помощью которых впервые проведены измерения ряда параметров и исследования структуры АПС.

7. Обнаружен эффект изменения формы и пиковой мощности рассеянного импульса при быстром сканировании диаграмм направленности антенн бистатического локатора в процессе излучения и приема сигналов.

8. Получена формула для описания эффекта Доплера в трехмерно-неоднородной движущейся среде. Показано, что в акустике существует поперечный эффект Доплера, являющийся следствием анизотропии движущейся среды для звуковых волн.

Новизна подтверждается полученными авторскими свидетельствами на

изобретения.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Созданная модель распространения (ослабления) звука в АПС, реализованная в программном комплексе «Акустика открытых пространств», использована в опытно-конструкторской работе для прогнозирования распространения звука.

2, Созданные акустические локаторы использовались при выполнении ряда отечественных и международных программ и экспедиций, в т.ч. но измерению сдвига ветра в аэропортах (Алма-Ата, 1987 г.), по контролю загрязнения атмосферы (Семипалатинск, 1979 г.; Алма-Ата, АНЗАГ-87; Томск, Вертикаль, 1986-1987 гг.; Кемерово, 1988-1990 гг.), на борту научно-исследовательского судна «М. Келдыш» (Атлантика, 1995 г.), SATOR (Томск, 1991-1994 гг.), ARM (Томск, 1996 г.), по исследованию распространения звуковых волн в АПС (Луга Ленинградской обл., 1979-

1980 гг.; Горьковская обл., 1987 г.). Два локатора «Знук-1» внедрены и используются в Кемеровском областном центре по гидрометеорологии (1990 г.) и в Российском Федеральном Ядерном Центре (1996 г.).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Модель распространения (ослабления) звука в АПС, реализованная в программный комплекс «Акустика открытых пространств», позволяет оценить среднее поле звуковых давлений в приземном слое атмосферы, создаваемое источником звука на дальностях до нескольких километров.

2. Двухпараметрическая модель частотного спектра акустических шумов в атмосфере в диапазоне частот от 0,5 до 8 кГц, определяется интенсивностью (спектральной плотностью) на опорной частоте 1 кГц и показателем спада спектральной интенсивности (плотности) шума.

3. Обнаруженный эффект высотного распределения уровня внешнего шума в атмосфере, позволяет увеличить отношение сигнал/шум принимаемого из атмосферы сигнала.

4. Полученные оптимальные рабочие частоты акустических локаторов для различных режимов и условий работы, а также уравнения для вычислений и номограмма для выбора квазиоптимальных частот, обеспечивают высокий энергетический потенциал локатора в широком диапазоне условий зондирования.

5. Принципы построения и конструкции созданных локаторов МАЛ-1, МАЛ-2, «Звук-1» и «Злук-2» обеспечивают их высокие функциональные возможности для исследования АПС.

6. Обнаруженный эффект изменения формы и пиковой мощности рассеянного импульса при быстром сканировании диаграмм направленности антенн бистатического локатора в процессе излучения и приема сигналов, позволяет увеличить пиковую мощность принимаемого сигнала в 5-10 раз не увеличивая мощности излучаемого в атмосферу сигнала.

7. Полученное описание эффекта Доплера в трехмерно-неоднородной движущейся среде показывает, что в акустике существует поперечный эффект Доплера, являющийся следствием анизотропии движущейся среды для звуковых волн.

8. Разработанные новые методы измерения параметров атмосферы, а также центральной (доплеровской) частоты спектра акустического сигнала, в т.ч. для неоднородной движущейся среды, увеличивают возможности акустического зондирования .

9. Результаты натурных исследований АПС и взаимосвязи его параметров с распределением аэрозолей и концентрацией газов, показывают высокую эффективность созданных средств зондирования для исследования АПС.

Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью физических предпосылок при формулировании математических моделей, сравнением теоретических и экспериментальных результатов, а также сравнением с результатами других методов исследований.

Личный вклад автора. Материалы диссертации отражают личный вклад автора в решаемую проблему. Практически все опубликованные работы выполнены по инициативе, под руководством и при участии автора. В комплексных работах по исследованию атмосферы автору принадлежит акустическая часть, а также обработка и интерпретация совместных результатов исследований.

Апробация работы и публикации

Основные результаты работы докладывались на:

• семинарах и Ученом совете ИОА СО РАН;

• Всесоюзных семинарах секции "Атмосферная акустика" при Президиуме АН СССР (Москва, 1986, 1990 гг.);

• сессии Российского акустического общества (Москва, 1992 г.);

• координационном совещании СО АН СССР "Инструментальные методы и технические средства для оценки состояния природной среды" (Новосибирск, 1987 г.);

• конкурсах СО АН СССР (Новосибирск, 1989, 1991 гг.);

• региональных научно-практических конференциях (Томск, 1977, 1989 гг., Киев, 1980 г., Иркутск, 1990 г.);

• Всесоюзном симпозиуме "Радиофизические исследования атмосферы" (Ленинград, 1975 г.);

• Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии (Кишинев, 1978 г., Таллии, 1982 г.);

• Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1976, 1978, 1980, 1982, 1984, 1988, 1992 гг., Туапсе, 1986 г.);

• Всесоюзном симпозиуме "Методы представления и аппаратурный анализ случайных процессов и полей" (Сухуми, 1980 г.);

• Всесоюзной школе-семинаре по пространственно-временной обработке сигналов (пос. Рыбачье, Крымской обл., 1980 г.);

• Всесоюзных совещаниях по атмосферной оптике (Томск, 1980, 1991 гг.);

• Совещании-семинаре Госкомгидромета СССР "Состояние и перспективы разработки средств измерений и методики прогнозирования сдвига ветра и турбулентности в нижних слоях атмосферы" (Москва, 1981 г.);

• Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии (Москва, 1986 Г.);

• Всесоюзной конференции "Методы и средства контроля промышленных выбросов и загрязнения атмосферы (Ленинград, 1984 г.);

• Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Ленинград, 1983 г.);

• Всесоюзных (межреспубликанских) симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1985, 1991, 1993 гг., Красноярск, 1987 г.);

• межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994, 1995, 1996, 1997 гг.);

• Болгаро-советском семинаре "Лазерные и радиометоды контроля окружающей среды" (Болгария, София, 1989 г.);

• международной конференции по лазерным радарам (Томск, 1990 г.);

• международной выставке-семинаре "Уралэкология-91" (Свердловск, 1991 г.);

• международном совещании рабочей группы по измерению тропосферного озона (Венгрия, Будапешт, 1992 г.);

• международных конгрессах по контролю шумов (Бельгия, Лювен, 1993 г., Венгрия, Будапешт, 1997 г.);

• международном симпозиуме по акустическому зондированию атмосферы и океана (Москва, 1996 г.);

• международном совещании рабочей группы по измерению профиля скорости ветра (Швейцария, Енгелберг, 1997 г.);

• международном совещании рабочей группы по изучению атмосферной радиации (США, 1996 г.);

На конкурсе прикладных работ СО АН СССР 1985 г. группа сотрудников под руководством автора за разработку и создание локатора МАЛ-2 получила поощрительную премию, а в 1989 г. за цикл работ по приземному распространению звука применительно к проблеме звуковещания - диплом второй степени.

По теме диссертации опубликовано:

• монография -1,

• статей в центральных отечественных и зарубежных научных журналах и тематических сборниках - 54,

• тезисов докладов на отечественных и международных конференциях и семинарах - 20,

• препринтов - 3,

• авторских свидетельств на изобретения - 10,

Перечень публикаций, в которых изложены основные результаты выполненных исследований, приведен в конце авторефереата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 334 страницы, включая 149 рисунков и 19 таблиц.

Библиография состоит из 342 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулирована тема диссертационной работы, обоснована ее актуальность и кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе приводятся основы взаимодействия акустического излучения с атмосферой. Выделяются пять основных типов взаимодействия, на основе которых разрабатываются методы зондирования: 1) зависимость скорости звука от значений метеопараметров; 2) рассеяние; 3) поглощение, имеющее сильную частотную зависимость; 4) рефракция; 5) доплеровский сдвиг частоты излучения.

В обзорном разделе 1.1 рассматривается показатель преломления звуковых волн в атмосфере. Приводятся выражения для скорости звука в воздухе, сравнивается чувствительность взаимодействия электромагнитных и звуковых волн с атмосферой по величине флуктуаций показателя преломления среды. Показано, что флуктуации акустического показателя преломления определяются в основном флуктуациями температуры и скорости ветра. Сечение рассеяния для звуковых волн примерно в миллион раз больше, чем для электромагнитных. Показатель преломления имеет также мнимую часть, которая описывает поглощение звуковых волн при их распространении в атмосфере. Обычно звуковые волны поглощаются намного сильнее, чем электромагнитные. Для звуковых волн значительны и рефракционные эффекты. Такое сильное взаимодействие звуковых волн с нижней атмосферой

говорит о том, что могут с успехом разрабатываться различные методы дистанционного акустического зондирования.

В обзорном разделе 1.2 рассмотрено рассеяние звуковых волн в турбулентной атмосфере. Приведено выражение для сечения рассеяния звука и анализ его угловой зависимости.

В обзорном разделе 1.3 рассмотрено также рассеяние звуковых волн частицами. В отсутствие осадков вклад частиц атмосферных образований и примесей в рассеянный сигнал пренебрежимо мал.

Задачи, связанные с акустическим зондированием, требуют определения потерь энергии распространяющегося излучения. Наряду со сферической расходимостью вклад в ослабление излучения вносят процессы классического и молекулярного (релаксационного) поглощений, рассеяния на турбулентности и на частицах атмосферных образований. В разделах 1.4, 1.5 проведено рассмотрение таких типов ослаблений.

Для используемого диапазона частот основной вклад в поглощение звука в воздухе вносят механизмы колебательной релаксации молекул Ог, N2, СОг и Н2О, причем главной особенностью молекул НдО является то, что величина их концентрации существенно влияет на время релаксации каждого газа. Проведен детальный анализ, имеющихся соотношений, и их вкладов в общее поглощение. Исследования позволили уточнить формы основных соотношений, необходимых для расчета коэффициентов поглощения звука в воздухе.

Под термином -«турбулентное»- ослабление понимают ослабление, обусловленное потерями энергии, выбывающей за пределы звукового пучка вследствие рассеяния на турбулентности. Его еще иногда называют дополнительным ослаблением. Экспериментальные исследования показали, что оно может меняться в довольно широких пределах. Описаны имеющиеся выражения для оценки турбулентного ослабления. Для проверки приведенных моделей турбулентного ослабления проведены дополнительные экспериментальные исследования на приземных трассах распространения звука. Методикой тщательно проведенных экспериментов из полного ослабления звука на трассе было выделено турбулентное ослабление, исследовано и сравнено с имеющимися теоретическими моделями для колмогоровского и кармановского спектра турбулентности. Предложен и апробирован новый метод

определения структурной постоянной акустического показателя преломления С?) в пограничном слое атмосферы, основанный на измерениях звукового давления в зоне рефракционной тени.

На основе созданной модели распространения (ослабления) звука и реализованной в программном комплексе «Акустика открытых пространств» проводилось оценивание среднего поля звуковых давлений в приземном слое атмосферы, создаваемого источником шума при его удалении на несколько километров. Учитывались характеристики источника шума, высотные профили основных метеорологических параметров атмосферы, параметры подстилающей поверхности и характеристики атмосферной турбулентности. Учитывались вклады всех типов поглощения и ослабления звука, включая рефракционные, и уравнения лучевых траекторий, описанные ниже. Проведено сравнение теоретических расчетов с результатами натурных испытаний. Итоговые результаты экспериментальной проверки оценки качества вычисленного уровня звука в частотном диапазоне 315-2000 Гц для различных дальностей и режимов распространения приведены в табл. 1.

Таблица 1

Волноводный режим:

Антиволноводкый режим:

33 цикла х 20 серий 19 циклов х 20 серий

дБ А Л 5,дБ Рь Л

3000 +3,2 0,67 0,68 3575 -2,3 0,83 0,78

4500 +2,3 0,67 0,68 4135 -2,3 0,82 0,75

6000 +1,5 0,80 0,74 4800 -1,5 0,82 0,82

Здесь 5 - среднее значение ошибки вычисленного звукового давления по всем циклам; Р-, - вероятность попадания вычисленного давления в доверительный интервал; Рь - вероятность ошибки не превышающей 6 дБ. Учитывая трудности контроля метеорологических условий и их изменчивость, полученные средние ошибки вычисленного звукового давления в 2-3 дБ являются довольно хорошим результатом, что подтверждает правильность выбранной модели распространения звука.

Во второй главе рассмотрены помехи (шумы) при акустическом зондировании атмосферы, которые играют роль одного из основных мешающих факторов, ограничивающих эффективность работы акустических локаторов

(дальность зондирования и точность измерений). Проведена их классификация ira группам (раздел 2.1). Оценен уровень шума и его изменчивость в различных группах (раздел 2.2). Проведено исследование частотных спектров внешних шумов, на основе анализа которых предложена их двухпараметрическая модель (раздел 2.3). Спектральная интенсивность внешних шумов в диапазоне 0,6-8 кГц имеет зависимость:

Я/) = hГа [Вт/(см2-Гц)],

где /) — интенсивность шума на частоте 1 кГц, а — показатель спада спектральной интенсивности, f — частота, кГц. Значения параметров модели 1\ и а получены для различных условий и объединены в четыре группы по характерным источникам шумов: шумы в пригородных районах, в городских районах, транспортные шумы и шумы в аэропортах. В разделе 2.4 приводится описание экспериментально обнаруженного эффекта высотного распределения уровня внешнего шума в атмосфере. Существование такого эффекта объясняется на основе модели приземного ослабления звука и подтверждено путем моделирования на ЭВМ. В приложении к акустическому зондированию атмосферы, когда полезный сигнал поступает в приемную антенну с верхних областей атмосферы, результаты исследований показывают, что незначительное перемещение приемной антенны по высоте в пределах нескольких метров, не изменяет интенсивности полезного сигнала, в то время как уровень внешнего шума, принимаемого антенной, существенно изменяется вследствие его высотного распределения. Получены эмпирические соотношения дающие оценку величины прироста в отношении сигнал/шум.

В третьей главе приводится описание систем акустического зондирования, принципов работы и требований к выбору их параметров. Дана классификация систем акустического зондирования (раздел 3.1 ). Приводятся уравнения моио-и бистатической локации (раздел 3.2). Уравнение бистатической акустической локации получено в приближении диаграмм направленности источника и приемника круглыми конусами и позволяет практически реализовать методы, основанные на бистатическом зондировании атмосферы и требуюгц^В оценки величины импульсного рассеивающего объема. В разделе 3.3 рассмотрены требования к выбору параметров акустических локаторов. Оцениваются

Таблица 2

Модели созданных акустических локаторов

Модель локатора Год создания Тип локатора Измеряемые параметры Количество Использование, внедрение

МАЛ-1 1979 Импульсный, моностатический, доплеровский, одноканальный, со сканированием по углу и частоте Температурная стратификация, структурная постоянная флуктуации температуры, радиальная составляющая скорости ветра, вектор скорости ветра (средний) при сканировании по углу 1 В работах ИОА СО АН СССР

1980 (модификация)

МАЛ-2 1982 Импульсный, моностатический, доплеровский, трехханальный, со сканированием по частоте Температурная стратификация, структурные постоянные флуктуации температуры и скорости ветра, вектор скорости ветра 1 В работах ИОА СО АН СССР

Звук-1 1990 Импульсный, моностатический, одноканальный Температурная стратификация, высота слоя перемешивания, структурная постоянная флуктуаций температуры 2 Кемеровский областной центр по гидрометеорологии (1990 г.) Российский федеральный ядерный центр (1996 г.)

Звук-2 1996 Импульсный, моностатический, доплеровский, трехканальный Температурная стратификация, структурные постоянные флуктуаций температуры и скорости ветра, внешний масштаб турбулентности, вектор скорости ветра 1 В работах ИОА СО РАН

максимальные высоты вертикального моностатического зондирования. Проведены исследования по выбору несущей частоты акустического локатора (раздел 3.4). Показано, что спектральная зависимость отношения сигнал/шум при заданных условиях зондирования имеет только один экстремум, и этот экстремум является максимумом. Его положение определяет оптимальную частоту зондирования и меняется в широком диапазоне частот. Проведены исследования по нахождению оптимальных частот, получены уравнения.

Показана их зависимость от параметров локатора, шумов, условий зондирования. Использование несущей частоты, неоптимальной для данных условий, может привести к существенному проигрышу в отношении сигнал/шум. Приведена номограмма для выбора квазиоптимальных частот.

В разделах 3.5 - 3.8 дано описание разработанных локаторов МАЛ-1, МАЛ-2, «Звук-1», «Звук-2». В табл. 2 приведены данные на эти локаторы.

В четвертой главе приводится описание методов измерения параметров атмосферы: структурных постоянных флуктуации температуры и скорости ветра, скорости ветра, температуры и влажности. В раделе 4.1 рассмотрены два метода измерения структурных постоянных в условиях наличия частиц (осадков), использующих определенную геометрию зондирования. Описан итерационный метод измерения структурной постоянной флуктуаций температуры, позволяющий учесть потери звукового стлала на дополнительное турбулентное ослабление (раздел 4.2). Величину поправки на турбулентное ослабление иллюстрирует табл. 3, в которой приводятся относительные отклонения измеряемой Ст.

Таблица 3

2Ь М 80 104 144 208 256 304 352 400 480

5 С^ (г,-), % 2,8 5,15 8,97 11,3 14,83 25,18 41,11 84,11 92,4

Видно, что с увеличением высоты зондирования вклад дополнительного турбулентного ослабления растет, достигая 25% для г^ = 304 м и 92,4% для г,- = 480 м, что свидетельствует о необходимости учета дополнительного ослабления при содарных измерениях С\ ■

Поскольку измеряемая доплеровским методом скорость ветра определяется доплеровской (центральной) частотой спектра принимаемого из атмосферы сигнала, то рассмотрены различные геометрии зондирования (раздел 4.3) и различные методы измерения (раздел 4.4) центральной частоты спектра принимаемого акустического сигнала (метод счета нулей, корреляционный двухточечный, спектральный, а также комбинированные и с компенсацией шумов). Оценены ошибки (систематические и случайные) измерения скорости ветра за счет флуктуации самого сигнала и шума. Показано, что методы счета нулей и корреляционный двухточечный, а также ряд других неспектральных методов в акустическом зондировании атмосферы позволяют получать надежные профили скорости ветра лишь при достаточно высоком отношении сигнал/шум с/ на входе измерительной системы локатора. Так, относительные систематические ошибки измерений, вносящие наиболее существенный вклад в общую ошибку, по величине меньше 10% только при £ 10. В целом точностные характеристики указанных методов примерно одинаковы. Более предпочтительны комбинированные системы обработки. Наконец,

спектральные методы дают надежные и достоверные оценки скорости ветра даже при низких отношениях сигнал/шум. Их высокая информативность позволяет также осуществлять более эффективную отстройку от различных мешающих помех. Таким образом, применение спектральных методов в акустическом зондировании атмосферы для дистанционного измерения скорости ветра представляется наиболее целесообразным.

В разделе 4.5 описан разработанный метод измерения температурного профиля по времени прихода сигнала при импульсном бистатическом зондировании атмосферы. Теоретический анализ основных ошибок говорит о возможности измерения среднего температурного профиля атмосферы бистатическим акустическим локатором до высот 300-500 м с приемлемой точностью (~1 К). Для повышения точности измерения времени прихода сигнала необходимо уменьшать его длительность, что приводит к уменьшению мощности принимаемого сигнала и отношения сигнал/шум.

Показано (раздел 4.6), что при непрерывном сканировании диаграмм направленности антенн бистатического локатора наблюдается новый эффект, заключающийся в изменении формы и пиковой мощности рассеянного

импульса. В результате оказывается возможным управлять длительностью и амплитудой рассеянного сигнала при неизменных характеристиках излучаемого сигнала. Дается пояснение как происходит указанная трансформация рассеянного сигнала, приводятся результаты численного моделирования. Как показывают результаты, можно добиться увеличения пиковой мощности рассеянного сигнала примерно в 5-10 раз, не увеличивая мощность излучаемого в атмосферу сигнала.

В разделе 4.7 проведено рассмотрение многочастотного метода измерения влажности воздуха при акустическом зондировании атмосферы. Анализ точностных характеристик показал, что при точно известных значениях температуры и давления воздуха точность восстановления влажности зависит от точности измерения величины ослабления звука и будет иметь вполне приемлемые значения при реальных точностях оценки ослабления. Если же температура и давление точно неизвестны, а имеются лишь их оценочные значения с какой-либо точностью, то точность восстановления влажности может существенно ухудшаться. Главным образом это относится к ошибке в температуре. Что касается выбора рабочих частот, то в процессе анализа не выявлена их существенная связь с точностями оценок восстановления влажности. Тем не менее высказывания относительно необходимости повышения частот и достаточно большого их разноса остаются в силе, поскольку выполнение этих требований увеличивает значение разности ослаблений и, как следствие, уменьшает предельную относительную ошибку измерений, а это приводит к повышению точности восстановления влажности воздуха.

Приведена сводка, измеряемых акустическими локаторами, параметров атмосферы.

В пятой главе рассмотрено влияние рефракции звука на параметры геометрии (координат центра рассеивающего объема, угла и времени прихода сигнала, угла рассеяния) акустического зондирования атмосферы. Рефракция обусловлена вертикальной неоднородностью полей скорости ветра и температуры воздуха.

Существует практическая потребность в несложных аналитических соотношениях, которые позволили бы быстро и с удовлетворительной точностью оценивать при известных профилях температуры и скорости ветра рефракционные изменения указанных параметров. Это обусловлено тем, что рефракционные изменения геометрии зондирования приводят к изменениям мощности и частоты рассеянного сигнала, измеряемых в эксперименте. В результате при восстановлении профилей параметров атмосферы из данных акустического локатора появляются дополнительные систематические ошибки.

В разделе 5.1 составлена система лучевых уравнений акустического зондирования атмосферы. Она не имеет точных аналитических решений. В линейном приближении геометрической акустики неоднородной движущейся среды получены соотношения, связывающие параметры геометрии моно-(раздел 5.2) и бистатического зондирования (раздел 5.3) с профилями температуры и скорости ветра. Проведены модельные расчеты и получены оценки рефракционных изменений параметров моно- и бистатической геометрии зондирования. Рассмотрены свойства угла и времени прихода рассеянного сигнала, на основе которых предложены новые методы зондирования для измерения температуры и скорости ветра, реализованные в авторских свидетельствах на изобретения.

В разделе 5.4 проведена оценка точностных характеристик полученных приближенных рефракционных формул путем сравнения с результатами численных решений точных уравнений на ЭВМ.

В шестой главе рассмотрено влияние неоднородного движения среды при измерениях доплеровского сдвига частоты и разности фаз сигналов на работу систем акустического зондирования атмосферы. В разделе 6.1 рассмотрены физические особенности акустического эффекта Доплера в неоднородной движущейся среде. Проанализированы известные формулы для описания эффекта Доплера в акустике (раздел 6.2) и получена формула для эффекта Доплера в трехмерно-неоднородной движущейся среде (раздел 6.3). Показано, что в акустике существует поперечный эффект Доплера, являющийся следствием анизотропии движущейся среды для звуковых волн.

В разделе 6.4 рассмотрены рефракционные ошибки измерений скорости ветра в доплеровских акустических локаторах. Получены аналитические выражения. Показано, что рефракционные ошибки измерения скорости ветра в доплеровских акустических локаторах в линейном приближении определяются только стратификацией ветра в атмосфере. Приведены результаты расчетов рефракционных ошибок для моно- и блстатических геометрий зондирования, а также для трехканального моностатического зондирования (для симметричной и несимметричной схем). Показано, что при сильном ветре происходит резкое увеличение ошибки измерения, и она становится примерно на порядок больше аппаратурной ошибки. Для уменьшения ошибки измерений предложен итерационный алгоритм измерения профиля скорости ветра.

В разделе 6.5 рассмотрены физические возможности определения угла прихода акустической волны методом фазовой пеленгации в случае движения источника звука и среды. Получена формула для оценки разности фаз сигналов принимаемых двумя разнесенными приемниками, на основе которой разработаны алгоритмы восстановления профилей скорости ветра и температуры воздуха как для пассивного, так и активного методов акустического зондирования.

В седьмой главе рассматриваются результаты акустического зондирования пограничного слоя атмосферы. В разделе 7.1 приводятся результаты зондирования термической структуры АПС. Дается описание интерпретации факсимильных записей по типам стратификации атмосферы (классам устойчивости). Показана возможность автоматического определения высоты слоя перемешивания. В разделе 7.2 приводятся результаты сравнения акустических исследований структуры АПС с другими дистанционными методами (аэрозольным лидаром, СКР-лидаром, радиозондом), которые показывают хорошее соответствие. В разделе 7.3 описываются статистические характеристики температурных инверсий, полученные во время многочисленных экспедиций в различных регионах страны. Приводится сравнение на примере двух городов: Алма-Аты и Кемерово. Для Алма-Аты характерна более сложная термическая структура АПС с многослойными приподнятыми температурными инверсиями. Объясняется это особенностями

орографии местности. В разделе 7.4 представлены результаты исследования термической структуры АПС над океаном, полученные с помощью локатора «Звук-1» во время плавания в Атлантике на борту научно-исследовательского судна «Мстислав Келдыш». В разделе 7.5 приводятся результаты количественного измерения параметров атмосферы: скорости ветра и его характеристик, структурной постоянной флуктуаций температуры и внешнего масштаба турбулентности. В разделе 7.6 проведено исследование взаимосвязи характеристик стратификации атмосферы с распределением аэрозолей. Показано наличие хорошего соответствия границы аэрозольного облака высотам температурных инверсий при устойчивой стратификации атмосферы. При других типах «ратификаций возможное появление аэрозольных слоев объясняется наличием струйных-ветровых течений. В разделе 7.7 приводятся результаты исследований взаимосвязи характеристик стратификации атмосферы с концентрацией газов. Показано наличие отрицательной корреляционной связи между концентрацией таких газов, как озон, углекислый газ и высотой слоя перемешивания.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. При изучении взаимодействия акустического излучения с атмосферой:

а) Уточнены формы основных соотношений, необходимых для расчета коэффициентов поглощения звука в воздухе. Сравнение различных механизмов поглощения показало возможность упрощения оценок коэффициента поглощения в широком диапазоне звуковых частот для реальных атмосферных условий. Определены такие области (составлены номограммы), где преобладают те или иные механизмы поглощения звука с определенной допустимой ошибкой.

б) Проведены исследования турбулентного ослабления звука. Получены формулы для расчета. Проведено сравнение экспериментальных результатов с разными теоретическими выражениями. Проанализирована частотная зависимость ослабления и зависимость от расстояния и среднего поперечного ветра.

в) Предложен новый метод определения структурной постоянной акустического показателя преломления С2п в пограничном слое атмосферы, основанный на

измерениях звукового давления в зоне рефракционной тени. Проведена его экспериментальная проверка, показавшая хорошую точность.

г) Создана модель распространения (ослабления) звука и программный комплекс «Акустика открытых пространств» для оценивания среднего поля звуковых давлений в приземном слое атмосферы, создаваемого направленным источником звука при его удалении до нескольких километров.

Проведенное сравнение модельных расчетов с результатами натурных испытаний показано хорошее соответствие результатов, что подтверждает правильность выбранной модели распределения (ослабления) звука в задачах акустического зондирования атмосферы. Результаты являются новыми, имеют мировой приоритет и использованы в опытно - конструкторской работе.

2. При изучении помех при акустическом зондировании атмосферы, как одного из важнейших факторов ограничивающих эффективность работы (дальность зондирования и точность измерения) акустических локаторов:

а). Проведена классификация помех (шумов), которая позволила систематизировать и провести анализ частотных спектров шумов по группам, выявить их характерные особенности.

б) Разработана двухпараметрическая модель частотного спектра акустических шумов в атмосфере в диапазоне частот от 0,5 до 8 кГц, определяемая интенсивностью (спектральной плотностью) на опорной частоте 1 кГц и показателем спада спектральной интенсивности (плотности) шума. Предложена номограмма параметров модели для различных условий, позволяющая оценить шумовую обстановку в различных районах возможной установки акустических локаторов.

в) Обнаружен эффект высотного распределения уровня внешнего шума в атмосфере, дано его теоретическое обоснование на основе модели приземного распространения звука. Показано, что данный эффект может быть непосредственно использован при акустическом зондировании атмосферы обеспечивая увеличение отношения сигнал/шум принимаемого из атмосферы сигнала. Получены эмпирические соотношения для оценки величины прироста отношения сигнал/шум с изменением высоты плоскости приема. Эффект высотного распределения уровня шума в атмосфере защищен авторским свидетельством.

3. При разработке систем акустического зондирования атмосферы и выработке требований к выбору их параметров:

а) Предложена классификация систем акустического зондирования атмосферы.

б) Получено уравнение бистатической акустической локации в приближении диаграмм направленности источника и приемника круглыми конусами, позволяющее практически реализовать методы, основанные на бистатическом зондировании атмосферы и требующие оценки величины импульсного рассеивающего объема.

в) Проведена оценка мощности обратнорассеянного сигнала и максимальных высот зондирования, показывающая возможности акустического зондирования атмосферы. Увеличение дальности действия систем акустического зондирования требует создания мощных направленных звуковых пучков. Это осуществимо с помощью акустических излучающих систем на базе антенных решеток. В то же время экспериментальные исследования показали, что существует некий порог по мощности излучения (например, для частоты 3,5 кГц на расстоянии 30 м от апертуры решетки при электрической мощности излучения -1600 Вт), превышение которого не приведет к увеличению дальности зондирования атмосферы, вследствие возникающих нелинейных эффектов. Чем выше частота, тем раньше (по мощности и по дальности) проявляется нелинейное поглощение.

г) Показано, что спектральная зависимость отношения сигнал/шум на выходе приемной части локатора при заданных условиях зондирования имеет максимум, определяющий оптимальную частоту зондирования. Применение частот, неоптимальных для конкретных условий, может привести к существенному недоиспользованию потенциала локатора при зондировании атмосферы.

На основе критерия максимизации отношения сигнал/шум получены уравнения для нахождения оптимальных частот. Проведенный анализ позволил оценить влияние метеорологических условий, параметров шумов и др. на значения оптимальных частот.

Предложена номограмма для выбора рабочих частот локатора из некоторого ряда опорных частот, таких, которые не приведут к существенному проигрышу в отношении сигнал/шум, хотя и не будут совпадать с оптимальными частотами в конкретных условиях. Такой подход был осуществлен, в частности, при проектировании и создании акустических локаторов МАЛ-1 и МАЛ-2 с рабочими частотами 1; 1,5; 2 и 3 кГц.

д) Разработаны и созданы акустические локаторы МАЛ-1, МАЛ-2, «Звук-1», «Звук-2» для зондирования пограничного слоя атмосферы, которые

использовались при выполнении ряда отечественных и международных научных программ и экспедиций, в т.ч. на борту научно-исследовательского судна «М. Келдыш». Локаторы, каждый в своем типе, имеют приоритет разработки в стране. По ряду своих технических и функциональных характеристик указанные локаторы обладают новизной и защищены авторскими свидетельствами. Два локатора «Звук-1» внедрены и используются в Кемеровском областном центре по гидрометеорологии и Российском Федеральном ядерном центре.

4. Разработаны и исследованы ряд методов измерения параметров атмосферы, в т.ч.:

а) Два новых метода измерения структурных постоянных флуктуации температуры С|и скорости ветра С'Ь в условиях наличия частиц (осадков), использующих определенную геометрию зондирования и защищенные авторским свидетельством.

б) Разработан и впервые реализован на локаторах «Звук-1» и «Звук-2» итерационный метод измерения С2Т и внешнего масштаба турбулентности Ьо, позволяющий учесть потери звукового сигнала на дополнительное турбулентное ослабление. Оценены поправки к измеряемой величине Ст которые растут с увеличением высоты зондирования и могут достигать значительных величин.

в) Исследованы точностные характеристики доплеровских измерений скорости ветра с различными методами измерения центральной частоты спектра акустического сигнала (метод счета нулей, корреляционный двухточечный и спектральный). Для корреляционного метода с целью минимизации среднеквадратичной ошибки измерений обоснован выбор временной задержки т=1/4/и в качестве параметра сдвига второй точки корреляционной функции. Показано, что относительные систематические ошибки измерений для трех методов в большинстве практических ситуаций практически не зависят от измеряемой скорости ветра, а определяются в основном отношением сигнал/шум (д) и они меньше 10% лишь при ^>10. Случайные ошибки измерений при наиболее типичных параметрах локатора, сигнала и шума не превышают 1 м/с (при однократном измерении).

Для спектрального метода для увеличения точности измерений обоснована необходимость осуществления двухэтапной адаптивной процедуры выбора полосы, обработки измеряемого акустического сигнала, что позволяет получить достоверные профили ветра даже при низких отношениях сигнал/шум (до д < 1).

Для повышения точности измерений среднего профиля скорости ветра разработаны и исследованы алгоритмы корреляционного двухточечного и спектрального методов с компенсацией шумов, как по одной шумовой реализации, так и по их ансамблю. Разработанные новые методы измерений (корреляционный и спектральный) защищены тремя авторскими свидетельствами и реализованы в акустических локаторах МАЛ-1, МАЛ-2, «Звук-2».

г) Разработан новый метод определения температурного профиля при бистатическом зондировании атмосферы по измерениям времени прихода сигнала. Метод защищен авторскими свидетельствами. Проведенный анализ основных ошибок говорит о возможности измерения среднего температурного профиля атмосферы с приемлемой точностью.

д) Показано, что при быстром сканировании диаграмм направленности антенн локатора е процессе излучения и приема сигнала, наблюдается эффект измфения формы и пиковой мощности принимаемого импульсного рассеянного сигнала. Данный эффект возможно использовать для целенаправленного управления длительностью и амплитудой принимаемого сигнала при постоянных характеристиках излучаемого импульса. Можно добиться увеличения пиковой мощности принимаемого сигнала в 5-ь10 раз не увеличивая мощности излучаемого в атмосферу сигнала. Эффект защищен авторским свидетельством.

е) Проведенный анализ многочастотного метода измерения влажности воздуха показал, что возможно восстановление упругости водяного пара (влажности) с приемлемой точностью при известных значениях температуры и давления воздуха.

5. При анализе влияния рефракции звука на параметры геометрии акустического зондирования атмосферы:

а) Получены, в линейном приближении геометрической акустики неоднородной движущейся среды, аналитические соотношения, связывающие данные параметры (изменения центра рассеивающего объема, угла и времени прихода рассеянного сигнала, угла рассеяния звука) с произвольными профилями температуры и скорости ветра в атмосфере. Они обеспечивают в границах их применимости хорошую точность оценивания указанных параметров при времени вычислений, на один - два порядка меньшем интервала между двумя последовательными посылками в атмосферу зондирующих акустических импульсов, поэтому они могут применяться в алгоритмах обработки экспериментальных данных акустических локаторов в реальном масштабе времени. Поскольку влияние температурной

рефракции сравнительно мало, в последнем случае целесообразно учитывать рефракцию только за счет ветра.

В то же время решение этих задач непосредственно из точных уравнений требует применения численных методов. В результате получаемые в этом случае значения геометрических параметров также оказываются приближенными. Причем для получения одинаковой точности оценки этих параметров из точных формул по сравнению с приближенными требуется времени вычислений на два порядка больше. Если же необходимо уменьшить указанное время, например в п раз, то при расчетах для моностатической геометрии это приведет к увеличению ошибок оценивания искомых параметров в и3 раз, а для бистатической - л2 раз. По этой причине численное решение точных уравнений может применяться только при некоторых теоретических исследованиях.

Полученные результаты реализованы в авторских свидетельствах на изобретения.

6. При исследовании влияния неоднородного движения среды в измерениях доплеровского сдвига частоты и разности фаз сигналов акустических систем зондирования атмосферы:

а) Впервые получена формула для описания эффекта Доплера в трехмерно-неоднородной движущейся среде. Показано, что в акустике существует поперечный эффект Доплера, являющийся следствием анизотропии движущейся среды для звуковых волн.

б) Получены аналитические выражения для рефракционных ошибок измерения скорости ветра в доплеровских акустических локаторах. Показано, что они определяются стратификацией ветра в атмосфере. Профиль температуры вносит пренебрежимо малый вклад в их значение. При сильном ветре (>10 м/с) происходит резкое увеличение ошибок измерения и они становятся примерно на порядок больше аппаратурных ошибок. Поэтому рекомендуется использовать итерационный алгоритм, учитывающий измеряемый профиль вектора скорости ветра для компенсации ошибок измерения.

в) Показаны физические возможности определения угла прихода звуковой волны методом фазовой пеленгации в случае движения источника и среды распространения. Получены выражения для восстановления профилей скорости ветра и температуры по этим измерениям при активном и пассивном акустическом зондировании атмосферы.

7. При зондировании пограничного слоя атмосферы с помощью созданных локаторов:

а) Предложена классификация факсимильных записей локатора по типам стратификации (классам устойчивости) атмосферы.

б) Предложен алгоритм автоматического определения высоты слоя перемешивания в локаторе «Звук-1», которая при устойчивой стратификации атмосферы соответствует либо верхней границе приземной температурной инверсии (при наличии таковой), либо нижней границе приподнятой, при неустойчивой стратификации - верхней границе конвективных потоков.

в) Исследована структура АПС и получены статистические характеристики изменчивости и границ температурных инверсий ряда городов, играющих важную роль в оценке метеорологических предпосылок загрязнения атмосферы. В частности, для г. Алма-Ата отмечалось существование сложной термической структуры АПС с многослойными температурными инверсиями (чего раньше не обнаруживалось) и большими значениями высот. Для г. Кемерово общий анализ состояний устойчивости атмосферы также позволяет сделать однозначный вывод о высоком проценте существования температурных инверсий (даже в летнее время), о малых значениях высот их границ, что наряду с низкими высотами труб во многом объясняет неблагоприятную экологическую обстановку в промышленных районах города, когда дымовые шлейфы сдерживаются температурными инверсиями, тем самым способствуя повышению концентрации загрязнителей в приземном слое атмосферы Сравнения термической структуры АПС разных городов показывает отличия и влияние на них орографии местности и климатических зон расположения городов.

г) Исследования термической структуры АПС над океаном показывают, что отличительным от континента, свойством океанической атмосферы является отсутствие инверсионных слоев до высот 500 м, а также малые значения высоты слоя перемешивания и структурной постоянной флуктуаций температуры. Преобладающим типом стратификации являлась неустойчивая стратификация, характеризующаяся мелкомасштабными флуктуациями («перьями») с относительно ровными границами. Суточного хода в явном виде не наблюдается. При заходе в порты структура АПС изменяется и приобретает характер, свойственный континентальной атмосфере.

д) Проведены первые в стране измерения пространственно-временной структуры поля вектора скорости ветра в АПС локатором МАЛ-1. Результаты

сравнения измерений скорости ветра и характеристик ветровой турбулентности с другими измерителями и моделями показывают хорошую точность.

е) Впервые по результатам акустического зондирования получены высотные профили внешнего масштаба турбулентности в АПС с одновременным измерением профилей структурных характеристик температуры и скорости ветра. Одновременно разработан и реализован итерационный алгоритм обработки данных акустического зондирования с учетом дополнительного турбулентного ослабления по трассе зондирования. Сравнение результатов содарных измерений внешнего масштаба показало, что они согласуются с данными оптических измерений в приземном слое и с имеющимися теоретическими моделями.

ж) Исследована взаимосвязь характеристик стратификации атмосферы с распределением аэрозолей. Показано, что в условиях устойчивой стратификации высота аэрозольного облака определяется верхней границей приземной температурной инверсии {при наличии таковой) или нижней границей приподнятой инверсии. При других типах стратификации появление аэрозольных слоев возможно за счет струйных-ветровых течений.

з) Исследована взаимосвязь характеристик стратификации атмосферы с концентрацией газов. Наиболее устойчивые результаты получились при сравнении данных акустического зондирования АПС с данными лазерного трассового газоанализатора. Показано наличие отрицательной корреляционной связи между концентрацией таких газов, как озон, углекислый газ и высотой слоя перемешивания, и положительной между концентрацией озона и температурой воздуха.

и) Возможность получения информации в масштабе реального времени с существенно большим пространственным и временным разрешением делает акустические локаторы уникальным инструментом для исследования и контроля пограничного слоя атмосферы, чего не могут обеспечить традиционные метеорологические средства и методы. Особенно это касается переходных периодов, где с помощью акустических локаторов можно визуально: отмечать моменты формирования и распада температурных инверсий, определять верхнюю и нижнюю границы инверсии, определять время возникновения и высоты подъема конвективных потоков. Результаты сравнения акустических измерений с лазерным, радиозондовым и шаро-пилотным зондированием, а также с данными контактных измерителей, показывают возможность использования созданных акустических локаторов в геофизических исследованиях АПС.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Красненко Н.П., Одинцов С.Л. Модельный расчет мощности обратно-рассеянного акустического сигнала при моностатическом зондировании атмосферы // Вопросы дистанционного зондирования атмосферы. Томск: ИОА СО АН СССР, 1975. С. 154-159.

2. Красненко Н.П., Одинцов С.Л., Федоров В.А. Возможности акустического зондирования скорости ветра // Дистанционное зондирование атмосферы. Новосибирск: Наука, 1978. С. 154-162.

3. Красненко Н.П., Федоров В.А. Оценка спектральных моментов по усеченной реализации // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1978. Т. XXI. N 7. С. 122-125.

4. Красненко Н.П., Одинцов С.Л. Модель спектра внешних шумов для целей акустического зондирования атмосферы // Акуст. жури. 1979. Т. XXV. Вып. 5. С. 749-753.

5. А. с. 766304 СССР, МКИ2 G01 W1/00. Способ акустического зондирования атмосферы / Красненко Н.П., Одинцов С.Л. Опубл. в БОИПОТЗ. 1980. N 35.

6. Красненко Н.П. Методика зондирования температурного профиля атмосферы акустическим локатором / / Аппаратура и методики дистанционного зондирования параметров атмосферы. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1980. С. 77-78.

7. А. с. 834651 СССР, G OIW 1/00. Акустический локатор для измерения скорости ветра. Галкин В.И., Красненко Н.П., Трофимов Ю.С. и др. Опубл. в БОИПОТЗ. 1981. N 20.

8. Зуев В.Е., Красненко Н.П., Федоров В.А., Фурсов М.Г. Акустическое зондирование пограничного слоя атмосферы // Докл. АН СССР. 1981. Т. 257. N 5. С. 1092-1096.

9. А. с. 940119 СССР, G 01 W 1/00, G 01 Р 5/00. Акустический локатор для измерения скорости ветра / Красненко Н.П., Федоров В.А., Фурсов М.Г. Опубл. в БОИПОТЗ. 1982. N 24.

10. А. с. 918922 СССР, G 01 W 1/00. Устройство для измерения вектора скорости ветра / Красненко Н.П., Федоров В.А., Фурсов М.Г. Опубл. в БОИПОТЗ. 1982. N 13.

И. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. О возможности определения температурного профиля атмосферы методом акустического зондирования // Метеорология и гидрология. 1982. N 3. С. 106-110.

12. А.с. 991345 СССР, G01 W 1/00. Акустический локатор / Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Опубл. в БОИПОТЗ. 1983. N 3.

13. Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П., Муравский В.П. Экспериментальное исследование ослабления приземной звуковой волны // Акуст. жури. 1984. Т. XXX. Вып. 2. С. 171-176.

14. Krasnenko N.P., Odintsov S.L. Optimal frequencies for meteorological sodar// J. Acoust. Soc. America. 1984. V. 75. N 2. P. 390-394.

15. Бочкарев H.H., Красненко Н.П. Уширение частотного спектра акустических сигналов в атмосфере. Деп. ВИНИТИ. № 4000-84 ДЕП. от

15.06.84.

16. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Влияние рефракционных эффектов на информативность бистатических систем акустического зондирования атмосферы // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1984. Т. 20. N 4. С. 262-268.

17. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Влияние рефракции звука на измерение температурного профиля бистатическим локатором / / Радиометеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. С. 338-340.

18. А. с. 1083143 СССР, МКИ: G 01 W1/00. Способ определения температуры воздуха /Богушевич А. Я., Бочкарев Н. Н., Красненко Н. П. Опубл. в БОИПОТЗ. 1984. N 12.

19. А. с. 1088513 СССР, G 011/00. Способ бистатического акустического зондирования атмосферы / Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Опубл. в БОИПОТЗ. 1984. N 15.

20. А. с. 1105847 СССР. G01 W 1/00. Способ акустического зондирования атмосферы / Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Опубл. в БОИПОТЗ. 1984. N 28.

21. Красненко Н.П., Федоров В.А. Применение временных и корреляционных (спектральных) окон для оценивания параметров спектральной плотности стационарного случайного процесса // Известия вузов СССР «Радиоэлектроника». 1985. Т. 28. N 7. С. 79-82.

22. Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Особенности приземного распространения звуковых волн. Деп. ВИНИТИ, № 501-В86ДЕП. От 16.12.1985. 81 с.

23. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение. 1986. 167 с.

24. Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Приземное распространение звуковых волн в атмосфере // VIII Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. (Материалы). Томск: ИОА СО АН СССР, Ч. 2.1986. С. 276-288.

25. А. с. 1494744 СССР, G 01 W 1/00 / Способ приема акустических сигналов в атмосфере. Бочкарев Н. Н., Красненко Н. П. От 07.01.1986.

26. А. с. 1215505 СССР, G01 W 1/00. Способ акустического зондирования атмосферы / Бочкарев Н.Н., Красненко Н.П. Опубл. в БОИПОТЗ. 1986. N 8.

27. Красненко Н.П., Роот А.Г. Расчет защищенных параболических антенн акустических локаторов //IX Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. (Труды). Томск. ИОА СО АН СССР, 1987. Ч. 2. С. 225-229.

28. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Влияние стратификации атмосферы на точность доплеровских измерений акустического локатора //IX Всесоюзн. симп. по лазерн. и акуст. зондиров. атмосферы. (Труды). Томск: ИОА СО АН СССР, 1987, Ч. II. С. 114-118.

29. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Влияние стратификации ветра в атмосфере на точность его измерений доплеровским содаром // Изв. АН СССР. ФАО. 1987. Т. 23. N 7. С. 716-723.

30. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Возможности зондирования атмосферы по углу прихода волны от движущегося источника звука //IX

Всесоюз. симп. по лазерн. и акуст. зондиров, атмосферы. (Труды). Томск: ИОА СО АН СССР, 1987. Ч. 2. С. 109-113.

31. Красненко Н.П., Федоров В.А. Исследование точностных характеристик двухточечного корреляционного метода измерения частоты узкополосных случайных сигналов // Автометрия. 1987. N 4. С. 38-45.

32. Красненко Н.П., Фурсов М.Г. Использование моностатических акустических локаторов для измерения метерологических параметров пограничного слоя атмосферы // Оптико-метеорологические исследования земной атмосферы. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1987. С. 244-252.

33. Красненко Н.П., Одинцов С.Л. Многочастотное акустическое зондирование параметров атмосферы // IX Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. 2. Исследование метепараметров атмосферы. (Труды). Томск: ИОА СО АН СССР, 1987. С. 87-92.

34. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Эффект Доплера в акустике неоднородной движущейся среды // Акуст. журн. 1988. Т. 34. Вып. 4. С. 598-602.

35. Бочкарев H.H., Клочков В.А., Красненко Н.П., Фомичев A.A. Мощная акустическая решетка для атмосферных исследований // Распространение звуковых и оптических волн в атмосфере. Томск, ТФ СО АН СССР, 1988. С. 101-104.

36. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Эффект Доплера в акустике неоднородной движущейся среды // Распространение звуковых и оптических волн в атмосфере. Томск, ТФ СО АН СССР, 1988. С. 7-10.

37. Красненко Н.П., Роот А.Г. Исследование защищенных параболических антенн акустических локаторов. Деп. ВИНИТИ. № 766-В89 ДЕП, 6.02.1989. 26 с.

38. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Возможности определения параметров атмосферы по измерениям угла прихода звуковой волны // Оптика атмосферы. 1989. Т. 2. N 4. С. 396-402.

39. Красненко Н.П., Федоров В.А. Исследование точностных характеристик двухточечного корреляционного метода измерения частоты при компенсации шумов // Автометрия. 1989. N 4. С. 88-90.

40. Аршинов Ю.Ф., Белан Б. Д., Бобровников С.М., Красненко Н.П. и др. Возможности коплексного исследования пограничного слоя атмосферы дистанционными методами / / Оптика атмосферы. 1989. Т. 2. N 9. С. 963-968.

41. Красненко Н.П., Кузнецова И. В., Разенков И. А., Фурсов М.Г. Контроль термической структуры атмосферы с помощью акустического локатора // Результаты комплексных экспериментов «Вертикаль-86» и «Вертикаль-87». (Сборник научных трудов). Томск: ТНЦ СО АН СССР, 1989. С. 70-76.

42. Красненко Н.П. Акустическое зондирование - методы и средства исследования пограничного слоя атмосферы / / Третий Болгаро-Советский семинар «Лазерные и радиометоды контроля окружающей среды». (Труды). София. Болгария: ИЭ БАН, 1990. С. 176-179.

43. Климова Е.В., Красненко Н.П., Фурсов М.Г. Исследование термической стратификации атмосферы Алма-аты методом акустического

зондирования атмосферы / / Исследование загрязнения атмосферы Алма-аты. Часть I. Эксперимент АНЗАГ-87. Алма-ата: Гылым, 1990. С. 49-56.

44. Балин Ю.С., Вильде Т.В., Зуев В.Е., Красиенко Н.П. и д р. Лазерно-акустические исследования метеоусловий и аэрозольного загрязнения воздушного бассейна г. Кемерово // Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. N 7. С. 729-737.

45. Балин Ю.С., Зуев В.Е., Красненко Н.П. и др. Лазерно-акусгический мониторинг метеоусловий и аэрозольных загрязнений в пограничном слое атмосферы / / Третий Болгаро-Советский семинар «Лазерные и радиометоды контроля окружающей среды». (Труды). София. Болгария: ИЭ БАН, 1990. С. 56-62.

46. Красненко Н.П. Фурсов М.Г. Содарный мониторинг загрязненности городов // Исследования пограничного слоя атмосферы над cyiiní и океаном акустическими методами. (Материалы семинара секции «Атмосферная акустика»), М.: 1990. (Препринт N 7/ИФА АН СССР). Ч. 1. С. 31-33.

47. Байкалова P.A., Красиенко Н.П., Шаманаева Л.Г. Турбулентное ослабление звуковой волны при приземном распространении // Оптика атмосферы и океана. 1992. Т. 5. N 7. С. 782-783.

48. Гладких В.А., Карпов В.И., Красненко Н.П. и др. Акустический локатор «Звук-lv. Новый подход к разработке // Оптика атмосферы и океана. 1992. Т. 5. N 7, С. 751-756.

49. Красненко Н.П., Фурсов М.Г. Дистанционный акустический мониторинг полей метеоэлементов в пограничном слое атмосферы / / Оптика атмосферы и океана. 1992. Т. 5. N 6. С, 652-654.

50. Bogushevich A. Ya., Krasnenko N.P. Operative forecast of acoustic noise propagation along ground surface through the atmosphere taking in to account meteorological conditins // The 1993 International Congress on Noise Control Engineering «Inter-noise 93». (Proceedings). Belgium, Lcuven. 1993. V. 3. P. 1751-1754.

51. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Эффект непрерывного сканирования диаграмм направленности антенн при бистатическом зондировании атмосферы и океана / / Оптика атмосферы и океана. 1993. Т. 6. N 1. С. 86-96.

52. Зуев В.В., Красненко Н.П., Пелымский O.A., Фурсов М.Г.

О взаимосвязи концентрации газов с характеристиками стратификации атмосферы по результатам лазерпо-акустического зондирования //XI симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Труды) //Томск: ИОА СО РАН. 1993. С. 43-46.

53. Belan B.D., ZuevV.V., ZuevV.E., Krasnenko N.P. e.a. Preliminary results of complex investigations of the ozone content variability in the lower troposphere at Tomsk TOR-station // EUROTRAC Annual report 1992, ISS, Garmisch-Partenkirchen. 1993. Part 9. P. 188-195.

54. Абрамов H.Г., Богушевич А.Я., Карпов В.И., Красненко Н.П., Фомичев A.A. Возможности оперативного прогноза приземного распространения акустических шумов в атмосфере с учетом метеорологических условий // Оптика атмосферы и океана. 1994.

T.7.N 3. С. 403-413.

55. Красненко Н.П., Фурсов М.Г. Об исследовании взаимосвязи метеорологических параметров пограничного слоя атмосферы и концентрации озона / / Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. N 11-12. С. 1611-1613.

56. Богушевич А.Я., Красненко Н.П. Влияние рефракции на параметры геометрии акустического зондирования атмосферы / / Оптика атмосферы и океана, 1994, Т. 7. N 9. С. 1258-1274.

57. Красненко Н.П., Шаманаева Л.Г. Влияние подстилающей поверхности на приземное распространение звуковой волны // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. N 10. С. 1517-1526.

58. Б огушевич А.Я., Красненко Н.П. Определение структурной постоянной акустического показателя преломления в пограничном слое атмосферы по измерениям звукового давления в зоне тени / / Акустический журнал. 1996. Т. 42. N3. С. 339-346.

59. Bogushevich A.Ya., Krasnenko N.P. The influence of atmospheric channel of the sound propagation on the noise control problems // The 1997 International Congress on Noise Control Engineering «Inter-noise 97». (Proceeding). Hungary, Budapest. 1997. V. 1. P. 343-346.

60. Gladkikh V. A., Krasnenko N. P., Fedorov V.A. ZVUK-2 Acoustic sounder // COST-76 Profiler Workshop 1997. (Extended abstracts). Switzerland, Engelberg. 1997. V. 1. P. 174-177.

61. Красненко Н.П. Развитие атмосферных акустических исследований в ИОА СО РАН// Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. N 4-5. С. 542-552.

62. Красненко Н.П., Шаманаева Л.Г. Учет дополнительного турбулентного ослабления сигнала при содарных измерениях структурной характеристики флуктуации температуры // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. N 2. С. 207-210.

63. Krasnenko N.P., Fedorov V.A. Development of Faster Methods for Complex Demodulation of Meteorological Signals // COST-76 Profiler Workshop 1997. (Extended Abstracts). Engelberg, Switzerland. 1997. V. 1. P. 182-185.

64. Krasnenko N.P., Shamanaeva L.G. Consideration of the turbulent extinction in the interpretation of sodar measurement of ct // COST-76 Profiler Workshop 1997 (Extended Abstracts). Engelberg: Switzerland, 1997. Vol. II. P. 318-321.

65. 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, N 1.С. 65-70.

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора физико-математических наук, Красненко, Николай Петрович, Томск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ

На правах рукописи

КРАСНЕНКО НИКОЛАИ ПЕТРОВИЧ

АКУСТИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

\ ПР

ез^А.1

тя^1 *

Специальность 04. 00: 23 - фйзика/атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ТОМСК-1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................5

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С

АТМОСФЕРОЙ........................................................... 16

§1.1. Показатель преломления звуковых волн в атмосфере.................. 16

§1.2. Рассеяние звуковых волн в турбулентной атмосфере.................. 19

§1.3. Рассеяние звука частицами.......................................... 23

§1.4. Поглощение звука в воздухе......................................... 24

§1.5. Турбулентное ослабление звука...................................... 35

§1.6. Выводы............................................................45

ГЛАВА 2. ПОМЕХИ ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ ЗОНДИРОВАНИИ

АТМОСФЕРЫ............................................................ 47

§2.1. Общие сведения и классификация...................................47

§2.2. Уровень шума и его изменчивость....................................48

§2.3. Частотные спектры внешних шумов и их модель......... .............. 52

§2.4. Высотное распределение уровня внешнего шума в атмосфере.......... 58

§2.5. Выводы............................................................67

ГЛАВА 3. СИСТЕМЫ АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ.

ТРЕБОВАНИЯ К ВЫБОРУ ИХ ПАРАМЕТРОВ............................ 68

§3.1. Принцип работы и классификация систем акустического зондирования . 68

§3.2. Уравнение акустической локации.................................... 69

§3.3. Требования к выбору параметров акустических локаторов............. 73

§3.4. Выбор несущей частоты акустического локатора...................... 77

§3.5. Принцип построения и конструкция акустического локатора. Локатор

МАЛ-1............................................................. 84

§3.6. Трехканальный акустический локатор МАЛ-2......................... 94

§3.7. Акустический локатор «Звук-1»..................................... 99

§3.8. Акустический локатор «Звук-2».................................... 105

§3.9. Выводы........................................................... 113

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ........ 116

§4.1. Измерение структурных постоянных флуктуаций температуры и скорости

ветра.............................................................. 116

§4.2. Учет дополнительного турбулентного ослабления сигнала при содарных

измерениях структурной характеристики флуктуаций температуры .... 120

§4.3. Доплеровский метод измерения скорости ветра...................... 124

§4.4. Методы измерения центральной частоты спектра акустического

сигнала............................................................ 128

§4.5. Измерение температуры............................................ 136

§4.6. Эффект непрерывного сканирования диаграмм направленности антенн при

бистатическом зондировании атмосферы............................. 143

§4.7. Многочастотный метод измерения влажности........................ 157

§4.8. Выводы........................................................... 170

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ РЕФРАКЦИИ НА ПАРАМЕТРЫ ГЕОМЕТРИИ

АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ.................... 173

§5.1. Система лучевых уравнений в случае акустического зондирования

атмосферы и методология ее решения............................... 175

§5.2. Рефракционные формулы при моностатическом зондировании........ 180

§5.3. Рефракционные формулы при бистатическом зондировании........... 184

§5.4. Точностные характеристики рефракционных формул................. 191

§5.5. Выводы........................................................... 194

ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОГО ДВИЖЕНИЯ СРЕДЫ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ ДОПЛЕРОВСКОГО СДВИГА ЧАСТОТЫ И РАЗНОСТИ ФАЗ СИГНАЛОВ НА РАБОТУ СИСТЕМ АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

АТМОСФЕРЫ........................................................... 196

§6.1. Физические особенности акустического эффекта Доплера в неоднородной

движущейся среде................................................. 196

§6.2. Известные формулы для описания эффекта Доплера в акустике......204

§6.3. Вывод формулы для эффекта Доплера в геометрической акустике

неоднородной движущейся среды................................... 206

§6.4. Рефракционные ошибки измерений скорости ветра в доплеровских

акустических локаторах............................................ 210

§6.5. Физические возможности определения угла прихода волны методом

фазовой пеленгации в случае движения источника и среды............ 226

§6.6. Алгоритмы восстановления профилей скорости ветра и температуры при зондировании по углу прихода акустического сигнала (случай фазовой

пеленгации)....................................................... 232

§6.7. Выводы...........................................................237

ГЛАВА 7. АКУСТИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

АТМОСФЕРЫ........................................................... 239

§7.1. Зондирование термической структуры пограничного слоя атмосферы.

Интерпретация факсимильных записей..............................239

§7.2. Сравнение акустических исследований структуры атмосферного

пограничного слоя с другими дистанционными методами..............248

§7.3. Статистические характеристики температурных инверсий............. 256

§7.4. Исследование термической структуры атмосферного пограничного слоя

над океаном.......................................................265

§7.5. Количественные измерения параметров атмосферы...................270

§7.6. Исследование взаимосвязи характеристик стратификации атмосферы с

распределением аэрозолей ......................:..................282

§7.7. Исследование взаимосвязи характеристик стратификации атмосферы с

концентрацией газов...............................................295

§7.8. Выводы...........................................................304

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................307

ЛИТЕРАТУРА

315

ВВЕДЕНИЕ

Погода и климат планеты определяются различными процессами, протекающими в толще атмосферы. Для достоверного предсказания поведения атмосферы необходимо знать ее характеристики на различных высотах, в различных районах, в различные моменты времени. В последние годы, наряду с совершенствованием традиционных методов измерений метеорологических параметров большое развитие получили методы дистанционного зондирования атмосферы электромагнитными и звуковыми волнами. Это объясняется возрастающей потребностью общества в получении большего информационного объема данных о метеорологических параметрах, который уже не может быть обеспечен традиционными методами контактных измерений на метеомачтах, самолетах, аэростатах и других носителях. Способствуют этому развитию и общеизвестные преимущества дистанционных методов, позволяющих при малых эксплуатационных затратах вести длительные непрерывные измерения во всем слое зондирования и таким образом контролировать динамику атмосферных процессов.

Дистанционное зондирование атмосферы звуковыми волнами занимает особое место и обусловлено эффектами сильного взаимодействия этих волн с атмосферой. Оно оказывается намного сильнее, чем для электромагнитных волн большинства областей спектра, и поэтому для зондирования может быть использована относительно простая аппаратура. Использование звукового излучения для дистанционного зондирования атмосферы (акустическое зондирование) имеет давнюю историю [1—3]. Оно основано на способности акустических волн рассеиваться на неод-нородностях показателя преломления, образованных атмосферной турбулентностью. В то же время звуковые волны слышимого диапазона частот, применяемые в акустическом зондировании, обладают небольшой, по сравнению с электромагнитными волнами, проникающей способностью в атмосфере. Дальность зондирования ограничивается (наряду с шумами) молекулярным поглощением, ветровой и температурной рефракцией, турбулентным ослаблением. Поэтому естественной областью применения акустического зондирования является нижняя часть атмосферы до высот порядка одного километра, называемая атмосферным пограничным слоем. В этом слое акустическое зондирование имеет ряд существенных преимуществ перед методами радио- и оптического зондирования.

Изучение атмосферного пограничного слоя (АПС) необходимо для решения как фундаментальных проблем физики атмосферы, так и для целого ряда прикладных

задач. Для этого слоя характерна большая изменчивость и разнообразие термической стратификации, определяемой орографией местности, свойствами подстилающей поверхности, радиационными условиями, а также синоптическими процессами, что затрудняет построение общей теории АПС, аналогичной теории Монина-Обухова для приземного слоя атмосферы. Поэтому требуется привлечение новых дистанционных методов зондирования с дополнительными информационными возможностями. В этом слое образуются и концентрируются загрязняющие атмосферу примеси антропогенного происхождения и акустическое зондирование может применяться как для изучения процессов загрязнения атмосферы, так и как средство контроля за состоянием атмосферы.

Предпосылки развития акустического зондирования атмосферы заложены трудами советских (российских) ученых в 1940-1960 гг.: A.M. Обухова, В.И. Татарского, Д.И. Блохинцева, A.C. Монина, М.А. Каллистратовой. и др. Первый метеорологический акустический локатор (содар) был создан и испытан только в 1968 г. в Австралийском НИИ вооружения [5]. С этого времени началось интенсивное развитие акустического зондирования - нового метода исследования строения атмосферы. Первое заседание международной рабочей группы по акустическому дистанционному зондированию произошло в 1972 г. в г. Боулдере (Колорадо, США), где было доложено 20 научно-исследовательских работ, посвященных созданию и использованию акустических локаторов. Первый международный симпозиум по акустическому зондированию атмосферы и океана прошел в 1981 г. в университете г. Калгари (Канада), где были ученые из 11 стран. Последний (восьмой) симпозиум прошел в 1996 г. в Москве, где было представлено 120 докладов 98 участниками из 20 стран мира. Число акустических локаторов и стран, где они создаются и используются, продолжает увеличиваться. Освоено их промышленное производство.

В ИОА СО РАН данное направление зародилось в 1974 году по инициативе его директора - академика В.Е. Зуева. С 1976 года образовалась секция по акустическому зондированию атмосферы в рамках, традиционно проводимого институтом Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы (1 раз в 2 года), с 1978 по 1992 гг. он при участии автора трансформировался во Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (с 1994 года -симпозиум «Оптика атмосферы и океана»).

В соответствии с вышеизложенным, целью диссертационной работы являлось:

1. Исследование возможностей методов акустического зондирования.

2. Разработка теории, методов и систем акустического зондирования.

3. Проведение натурных геофизических исследований АПС для апробации методов и систем акустического зондирования, а также изучения объекта исследования.

Научная новизна результатов, представленных в диссертации, заключается в

том, что в ней впервые:

1. Предложен ряд новых методов измерения параметров атмосферы, а также центральной (доплеровской) частоты спектра акустического сигнала, в т.ч. для неоднородной движущейся среды. Исследованы и оценены возможности методов измерения.

2. Создана модель распространения (ослабления) звука в АПС, реализованная в программный комплекс «Акустика открытых пространств», для оценивания среднего поля звуковых давлений в приземном слое атмосферы, создаваемого источником звука на дальностях до нескольких километров.

3. Получена двухпараметрическая модель частотного спектра акустических шумов в атмосфере в диапазоне частот от 0,5 до 8 кГц, определяемая интенсивностью (спектральной плотностью) на опорной частоте 1 кГц и показателем спада спектральной интенсивности (плотности) шума.

4. Обнаружен эффект высотного распределения уровня внешнего шума в атмосфере.

5. Показано, что спектральная зависимость отношения сигнал/шум на выходе приемной части акустического локатора при заданных условиях зондирования имеет максимум, определяющий оптимальную частоту зондирования.

6. Разработаны и созданы акустические локаторы МАЛ-1, МАЛ-2, «Звук-1», «Звук-2», имеющие приоритет разработки в стране, обладающие новизной по ряду своих технических и функциональных характеристик, с помощью которых впервые проведены измерения ряда параметров и исследования структуры АПС.

7. Обнаружен эффект изменения формы и пиковой мощности рассеянного импульса при быстром сканировании диаграмм направленности антенн бистати-ческого локатора в процессе излучения и приема сигналов.

8. Получена формула для описания эффекта Доплера в трехмерно-неоднородной движущейся среде. Показано, что в акустике существует поперечный эффект Доплера, являющийся следствием анизотропии движущейся среды для звуковых волн.

Новизна подтверждается полученными авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Созданная модель распространения (ослабления) звука в All С, реализованная в программном комплексе «Акустика открытых пространств», использована в опытно-конструкторской работе для прогнозирования распространения звука.

2. Созданные акустические локаторы использовались при выполнении ряда отечественных и международных программ и экспедиций, в т.ч. по измерению сдвига ветра в аэропортах (Алма-Ата, 1987 г.), по контролю загрязнения атмосферы (Семипалатинск, 1979 г.; Алма-Ата, АНЗАГ—87; Томск, Вертикаль, 1986-1987 гг.; Кемерово, 1988-1990 гг.), на борту научно-исследовательского судна «М. Келдыш» (Атлантика, 1995 г.), SATOR (Томск, 1991-1994 гг.), ARM (Томск, 1996 г.), по исследованию распространения звуковых волн в АПС (Луга Ленинградской обл., 1979-1980 гг.; Горьковская обл., 1987 г.). Два локатора «Звук-1» внедрены и используются в Кемеровском областном центре по гидрометеорологии (1990 г.) ив Российском Федеральном Ядерном Центре (1996 г.).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Модель распространения (ослабления) звука в АПС, реализованная в программный комплекс «Акустика открытых пространств», позволяет оценить среднее поле звуковых давлений в приземном слое атмосферы, создаваемое источником звука на дальностях до нескольких километров.

2. Двухпараметрическая модель частотного спектра акустических шумов в атмосфере в диапазоне частот от 0,5 до 8 кГц, определяется интенсивностью (спектральной плотностью) на опорной частоте 1 кГц и показателем спада спектральной интенсивности (плотности) шума.

3. Обнаруженный эффект высотного распределения уровня внешнего шума в атмосфере, позволяет увеличить отношение сигнал/шум принимаемого из атмосферы сигнала.

4. Полученные оптимальные рабочие частоты акустических локаторов для различных режимов и условий работы, а также уравнения для вычислений и номограмма для выбора квазиоптимальных частот, обеспечивают высокий энергетический потенциал локатора в широком диапазоне условий зондирования.

5. Принципы построения и конструкции созданных локаторов МАЛ-1, МАЛ-2, «Звук-1» и «Звук-2» обеспечивают их высокие функциональные возможности для исследования АПС.

6. Обнаруженный эффект изменения формы и пиковой мощности рассеянного импульса при быстром сканировании диаграмм направленности антенн биста-тического локатора в процессе излучения и приема сигналов, позволяет увеличить пиковую мощность принимаемого сигнала в 5-10 раз не увеличивая мощности излучаемого в атмосферу сигнала.

7. Полученное описание эффекта Доплера в трехмерно-неоднородной движущейся среде показывает, что в акустике существует поперечный эффект Доплера, являющийся следствием анизотропии движущейся среды для звуковых волн.

8. Разработанные новые методы измерения параметров атмосферы, а также центральной (доплеровской) частоты спектра акустического сигнала, в т.ч. для неоднородной движущейся среды, увеличивают возможности акустического зондирования .

9. Результаты натурных исследований АПС и взаимосвязи его параметров с распределением аэрозолей и концентрацией газов, показывают высокую эффективность созданных средств зондирования для исследования АПС.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы.

В первой главе приводятся основы взаимодействия акустического излучения с атмосферой. Выделяются пять основных типов взаимодействия, на основе которых разрабатываются методы зондирования: 1) зависимость скорости звука от значений метеопараметров; 2) рассеяние; 3) поглощение, имеющее сильную частотную зависимость; 4) рефракция; 5) доплеровский сдвиг частоты излучения.

Приводятся выражения для скорости звука в воздухе, сравнивается чувствительность взаимодействия электромагнитных и звуковых волн с атмосферой по величине флуктуации показателя преломления среды. Показано, что флуктуации акустического показателя преломления определяются в основном флуктуациями температуры и скорости ветра. Сечение рассеяния для звуковых волн примерно в миллион раз больше, чем для электромагнитных. Показатель преломления имеет так же мнимую часть, которая описывает поглощение звуковых волн при их распространении в атмосфере. Обычно звуко