Регистрация / Вход
Прислать материал

Дистанционные оптические средства и технологии измерения параметров турбулентных ветровых полей и техногенных ветровых структур в атмосфере

Номер контракта: 14.616.21.0058

Руководитель: Банах Виктор Арсентьевич

Должность: Руководитель проекта

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
ветер, турбулентность, атмосфера, дистанционное оптическое зондирование, микроимпульсный когерентный доплеровский ветровой лидар, корреляционная обработка видеоизображений, пассивный оптический измеритель ветра

Цель проекта:
Целью исследований по проекту является разработка новых дистанционных методов и технологий измерения параметров турбулентных ветровых полей и техногенных ветровых структур в атмосфере и их реализация в виде прикладного программного обеспечения моделирования и обработки измерительных данных и макетов оптических устройств оперативного дистанционного измерения скорости и направления ветра. Задачами проекта являются: 1. Разработка новых технологий оценивания скорости и направления ветра, кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации турбулентной энергии, момента количества движения, внешнего масштаба турбулентности, параметров самолетных вихрей и шлейфов ветровых турбин из измерений радиальной скорости микроимпульсными лидарами класса «Stream Line». 2. Разработка концепции микроимпульсного КДВЛ на основе волоконной оптики и проведение макетирования оптикомеханического и электронного блоков лидара. 3. Разработка новых технологий дистанционного профилирования поперечного к линии визирования ветра, основанных на корреляционном анализе видеоизображений топографических объектов, наблюдаемых при естественном освещении. Реализация разработанных технологий в виде зарегистрированных пакетов прикладных программ обработки видеоизображений. 4. Разработка и создание макета пассивного оптического измерителя ветра, реализующего технологии профилирования ветра по корреляции видеоизображений топографических объектов в естественном свете.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Технологии оценивания скорости и направления ветра из измерений радиальной скорости лидарами класса «Stream Line» при низких отношениях сигнал/шум. Пакеты зарегистрированного прикладного программного обеспечения по моделированию лидарного эхо-сигнала и обработке зашумленных экспериментальных данных микроимпульсных КДВЛ класса лидара «Stream Line» для восстановления профилей ветра при низких отношениях сигнал/шум. Немецкая сторона обеспечивает проведение дорогостоящих экспериментов с LMCT лидаром и предоставляет данные для тестирования разработанных технологий.
2. Технологии оценивания скорости и направления ветра, кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации турбулентной энергии, момента количества движения, внешнего масштаба турбулентности, параметров самолетных вихрей из измерений радиальной скорости микроимпульсными лидарами класса «Stream Line». Пакеты зарегистрированных прикладных программ обработки лидарных данных и оценивания искомых параметров турбулентного поля ветра в атмосфере. Немецкая сторона обеспечивает проведение дорогостоящих экспериментов с LMCT лидаром и предоставляет данные для тестирования разработанных технологий.
3. Концепция построения микроимпульсного лидара нового поколения с улучшенными по сравнению с имеющимися зарубежными аналогами характеристиками. Макеты оптико-механического и электронного блоков создаваемого лидара. Немецкая сторона передаёт технологии изготовления отдельных узлов лидара.
4. Технологии дистанционного определения интегрального значения и профилирования поперечного к линии визирования ветра, основанные на корреляционном анализе видеоизображений топографических объектов, наблюдаемых при естественном освещении. Пакеты зарегистрированных прикладных программ корреляционной обработки некогерентных видеоизображений для оценивания интегрального значения и профиля поперечного ветра в направлении наблюдения. Немецкая сторона обеспечивает возможность тестирования разработанных технологий в сравнении с измерениями LMCT лидаром.
5. Макет пассивного оптического измерителя интегрального вдоль направления наблюдения поперечного ветра, реализующего технологии оценивания ветра по корреляции видеоизображений топографических объектов в естественном свете. Немецкая сторона предоставляет измерительные данные LMCT лидара для верификации измерителя.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Ветер, ветровая и температурная турбулентность являются одними из самых существенных атмосферных факторов, оказывающих влияние практически во всех областях хозяйственной деятельности человечества. Ветровое воздействие обладает свойствами пространственной и
временной изменчивости по величине и направлению. В силу огромного количества определяющих факторов структура и динамика ветровых турбулентных полей в атмосфере плохо предсказуема, что может приводить к нежелательным и даже катастрофическим последствиям.
Масштабы и степень опасности большинства природных и техногенных катастроф, в той или иной степени, обусловлены и определяются ветровым воздействием (ураганы, смерчи, цунами, песчаные бури, лесные пожары, химические, радиационные и вулканические выбросы и т.д.). Информация о скорости ветра, её средней и флуктуационной составляющих необходима и используется во многих областях народного хозяйства, науки и техники. В настоящее время в большинстве случаев для измерения скорости и направления ветра применяются ветровые
датчики, чашечные и акустические анемометры. Очевидно, что такие измерения требуют присутствия приборов непосредственно в месте наблюдения, что вносит определенные искажения в поле скоростей ветра и позволяет получать только локальные данные. Однако зачастую
возникает потребность получения данных о ветре в местах, недоступных для установки датчиков. Значительный интерес представляют измерения вертикальных профилей, а также усредненных на различных пространственных или временных интервалах, ветровых параметров. Для осуществления таких измерений требуются дистанционные методы и, в частности, дистанционные оптические методы измерения скорости и направления ветра.
Лидарное зондирование
Для дистанционного измерения ветра и параметров атмосферной турбулентности в нижней тропосфере, в пограничном и приземном слое атмосферы наиболее подходят когерентные доплеровские ветровые лидары (КДВЛ).
Реально действующих и коммерчески доступных оптических приборов для дистанционного измерения ветра в России практически нет.
За рубежом (США, Германия, Франция, Великобритания, Япония, Китай) активно развиваются лидарные технологии, создаются ветровые лидары, отрабатывается методология доплеровских лидарных измерений, имеются примеры широкомасштабного практического применения
когерентных доплеровских ветровых лидаров. В частности, «Аэробус» при разработке А-380 затратил в течение нескольких лет многие десятки, если не сотни миллионов евро на изучение следовых самолетных вихрей с использованием когерентных доплеровских систем,
разработанных в США, Франции, Великобритании, Германии. Фирма ZephIR (Великобритания) по сути, оккупировала мировой рынок лидаров непрерывного излучения, использующихся в ветровой электроэнергетике для мониторинга пространственной структуры ветровых полей вблизи ферм ветровых турбин.
Пассивные оптические методы
Другой класс (пассивных) дистанционных методов измерения ветра основывается на кросскорреляционном анализе пространственно - временной структуры турбулентных искажений оптических изображений объектов, наблюдаемых при естественном (солнечном) освещении.
Преимуществом пассивных оптических методов измерения ветра по сравнению с активными лидарными методами является их компактность, оперативность, скрытность и простота в эксплуатации. Они позволяют в реальном времени оценивать усреднённый вдоль линии
визирования поперечный ветер. Потребность в пассивных оптических измерителях поперечного ветра в России может достигать сотен и тысяч в год. Это определяет целесообразность и актуальность исследований в этом направлении.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные технологии микроимпульсного лидарного ветрового зондирования атмосферы, результаты экспериментов с лидаром «Stream Line» (Российский партнёр) и LMCT лидаром (Немецкий партнёр) найдут применение:
1) В авиации в оперативной практике обслуживания и обеспечения безопасности авиаперелётов для обнаружения и предупреждения чрезвычайных аномалий пространственно-временной структуры ветровой турбулентности природного и техногенного происхождения, часто
приводящих к катастрофическим последствиям. К первым относятся, например, сильные вертикальные и горизонтальные сдвиги ветра, ко вторым - турбулентные вихревые шлейфы после прохождения современных крупных авиалайнеров. В аэропортах и на авианосцах для
мониторинга вихревой обстановки на взлётно-посадочных полосах в целях повышения их пропускной способности. Немецкий партнёр имеет большой опыт взаимодействия в этой области с концерном “Airbus”, Российский партнёр - с аэропортами Томска, Новосибирска, Красноярска
2) В ветроэнергетике для исследования и мониторинга пространственно-временной структуры ветровых шлейфов, возникающих за турбинами ветровых электростанций, в целях повышения энергоэффективности ферм ветряков. Немецкий партнёр имеет опыт работы с ветроэнергетическими кампаниями в Германии, Российский партнёр имеет опыт разработки методов оценки параметров ветровых шлейфов за
ветровыми турбинами из ветровых измерений LMCT лидаром в экспериментах на ветровых фермах в США. Намечается сотрудничество в этой области в Крыму для исследования ветроэнергетического потенциала морского побережья.
3) В фирмах, разрабатывающих и производящих микроимпулсные КДВЛ класса лидара «Stream Line».
- Технологии микроимпульсного лидарного ветрового зондирования атмосферы и пассивные оптические измерители поперечного ветра найдут применение:
1) В исследованиях в области физики атмосферы, где информация о скорости ветра, её средней и флуктуационной составляющих необходима при изучении динамики атмосферных процессов, при исследовании турбулентности.
2) Для ассимиляции получаемых ветровых данных в прогностических метеорологических моделях при расчетах в реальном времени; прогноза переноса загрязняющих примесей в пограничном слое атмосферы.
3) Для мониторинга ветровой обстановки в районах техногенных катастроф и природных чрезвычайных ситуаций, где использование контактных датчиков становится невозможным.
- Пассивные оптические измерители поперечного ветра найдут применение при разработке, испытаниях и применении высокоточного оружия. Организации ФСБ и МО заинтересованы в приобретении таких измерителей.

Текущие результаты проекта:
В 2015 году проведены следующие работы:
1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках исследований, в том числе обзор научных информационных источников;
2 Проведение патентных исследований в соответствии с требованиями ГОСТ 15.011-96;
3 Разработка концепции построения микроимпульсного лидара нового поколения с улучшенными по сравнению с имеющимися зарубежными аналогами характеристиками.
4 Разработка математических моделей, методов и технологий оценивания скорости и направления ветра, кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации турбулентной энергии, момента количества движения, внешнего масштаба турбулентности, параметров самолетных вихрей и шлейфов ветровых турбин из измерений радиальной скорости микроимпульсными лидарами класса лидара «Stream Line»;
5 Разработка методики моделирования и обработки моделируемых лидарных данных и оценивания параметров турбулентного поля ветра в атмосфере и техногенных ветровых структур для микроимпульсных КДВЛ класса лидара«Stream Line»;
6 Разработка математических моделей и методов дистанционного профилирования поперечного к линии визирования ветра, основанных на корреляционном анализе цифровых видеоизображений топографических объектов, наблюдаемых при естественном освещении;
7 Разработка методики корреляционной обработки бинокулярных цифровых видеоизображений удаленных топографических объектов с целью получения информации об интегральной поперечной скорости ветра и ее профиле в направлении наблюдения;
8 Изготовление оптических элементов и приёмо-передающего телескопа для создаваемого микроимпульсного лидара.
9 Компьютерное моделирование оценивания параметров турбулентного поля ветра в атмосфере и самолётных вихрей из моделируемых измерительных данных микроимпульсного КДВЛ класса лидара «Stream Line».
10 Проведение регламентных работ с LMCT лидаром;
11 Закупка расходных материалов и комплектующих для проведения сравнительных экспериментов по верификации прикладного программного обеспечения, разработанного российской стороной;
12 Разработка технических требований по применению разработанного российской стороной прикладного программного обеспечения обработки данных для микроимпульсных лидаров при работе с LMCT лидаром.