Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0058

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0058
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Дистанционные оптические средства и технологии измерения параметров турбулентных ветровых полей и техногенных ветровых структур в атмосфере
Докладчик
Банах Виктор Арсентьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка методов, технологий и средств дистанционного оптического зондирования турбулентных ветровых полей в атмосфере и реализация разработанных новых методов и технологий в виде прикладного программного обеспечения обработки измерительных данных и действующих макетов оптических устройств оперативного дистанционного измерения скорости 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 из измерений радиальной скорости лидарами класса «Stream Line».
2. Разработка новых технологий определения интегрального в заданном направлении поперечного ветра методом просвечивания с использованием скоростной регистрации видеоизображений некогерентных световых источников. Разработка и создание макета измерителя ветра на основе корреляционного анализа видеоизображений некогерентных световых источников
3. Разработка новых технологий дистанционного профилирования поперечного к линии визирования ветра, основанных на корреляционном анализе видеоизображений топографических объектов, наблюдаемых при естественном освещении.
4. Разработка и создание макетов дистанционного пассивного оптического измерителя интегральной скорости поперечного ветра и дистанционного пассивного оптического профилометра скорости поперечного ветра, реализующих технологии измерения ветра по корреляции видеоизображений топографических объектов в естественном свете.
Актуальность и новизна исследования
АКТУАЛЬНОСТЬ
Реально действующих и коммерчески доступных оптических приборов для дистанционного измерения ветра в России практически нет.
Лидарное зондирование
За рубежом 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 затрачивал в течение нескольких лет сотни миллионов евро на изучение следовых самолетных вихрей с использованием когерентных доплеровских систем. Таким образом, становится актуальной задача разработки дистанционных оптических технологий измерения ветра методом просвечивания, основанных на регистрации углов наклона волнового фронта излучения некогерентных источников света .
Пассивные оптические методы
Преимущества пассивных оптических методов измерения ветра по сравнению с активными лазерными методами просвечивания очевидны: нет необходимости в организации трассовых измерений, юстировки передающего и приемного каналов.
Новизна ПНИ обеспечивается
- разработкой новых технологий оценивания скорости и направления ветра, кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации турбулентной энергии, момента количества движения, внешнего масштаба турбулентности, параметров самолетных вихрей.
- впервые будут разработаны технологии дистанционного профилирования поперечного к линии визирования ветра.
- впервые будут разработаны и созданы макеты пассивного оптического измерителя ветра, реализующие технологии корреляционного анализа видеоизображений топографических объектов в естественном свете.
Описание исследования

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 из измерений радиальной скорости лидарами
класса «Stream Line». 
Решение задачи будет осуществляться путем:
- разработки новых стратегий измерения (геометрия сканирования зондирующим пучком, время
усреднения) и процедур восстановления высотных профилей ветра и параметров атмосферной
турбулентности и самолетных вихрей из измеряемой лидаром радиальной скорости
- проведения атмосферных экспериментов с лидаром «Stream Line» на основе разработанных стратегий
измерения для определения профилей ветра, скорости диссипации турбулентной энергии, момента
количества движения, кинетической энергии турбулентности, внешнего масштаба турбулентности на
высотах пограничного слоя атмосферы
- исследований возможностей расширения перечня оцениваемых турбулентных характеристик, повышения
потенциала по дальности зондирования и отношению сигнал/шум за счет применения более совершенных
алгоритмов обработки измеряемых данных. 
- тестирования разработанных алгоритмов оценивания параметров турбулентных ветровых полей из
лидарных измерительных данных в сравнении с измерениями этих параметров контактными датчиками
2. Разработка новых технологий определения интегрального в заданном направлении поперечного ветра
методом просвечивания с использованием скоростной регистрации видеоизображений некогерентных
световых источников.
Решение задачи будет осуществляться путем:
- разработки математической модели процесса формирования некогерентных видеоизображений в
турбулентной атмосфере. 
- разработки алгоритмов и специализированного пакета программ обработки видеоизображений
некогерентных световых источников на основе кросскорреляционного и спектрального подходов
- тестирования разработанных алгоритмов и программ в замкнутых численных экспериментах.
- разработки и создания макета трассового измерителя интегральной (усреднённой по трассе) скорости
поперечного ветра по корреляции видеоизображений некогерентных источников света.
- тестирования макета трассового измерителя интегральной скорости поперечного ветра в атмосферных
экспериментах на территории базового экспериментального комплекса (БЭК) Института оптики
атмосферы.

3. Разработка новых технологий дистанционного профилирования поперечного к линии визирования ветра,
основанных на корреляционном анализе видеоизображений топографических объектов, наблюдаемых при
естественном освещении.
Решение задачи будет осуществляться путем:
- теоретико-численного обоснования дистанционного оптического метода измерений поперечной к линии
визирования составляющей скорости ветра на основе анализа турбулентных искажений видеоизображений
топографических объектов, полученных при естественном освещении. 
- разработки алгоритмов обработки цифровых видеоизображений удаленных топографических объектов с
целью получения информации об интегральной поперечной скорости ветра и ее профиле вдоль
направления наблюдения. 
- экспериментальных исследований пространственно-временной статистики наклонов волнового фронта в
некогерентных видеоизображениях на трассах различной протяженности при разных атмосферных
условиях. 
4. Разработка и создание макетов дистанционного пассивного оптического измерителя интегральной
скорости поперечного ветра и дистанционного пассивногооптического профилометра скорости поперечного ветра, реализующих технологии измерения ветра покорреляции видеоизображений топографических объектов в естественном свете.
Решение задачи будет осуществляться путем:
- использования оптической системы, состоящей из двух объективов, разнесенных на фиксированное
расстояние в приемной плоскости. Изображения наблюдаемого объекта, формируемые объективами,
проецируются системой линз и зеркал в одну либо две синхронизированные скоростные видеокамеры,
оснащенные многопиксельными фотоприемными матрицами и сопряженные со скоростным процессором
обработки видеоизображений. 
- компьютерного моделирования работы макетов пассивных оптических измерителей поперечного ветра.
- разработки конструкции макетов и создания оптико-механических и электронных узлов измерителя
- верификации макетов в атмосферных экспериментах, сопоставления результатов измерений ветра с
использованием макетов с независимыми лидарными ветровыми данными и данными акустических
анемометров. 

Результаты исследования

В результате проведенных исследований созданы:

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 КДВЛ класса «Stream Line» для восстановления профилей ветра при низких
отношениях сигнал/шум.
2. Технологии оценивания кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации турбулентной энергии, момента количества движения, внешнего масштаба турбулентности, параметров самолетных вихрей из измерений радиальной скорости лидарами класса «Stream Line». Пакеты зарегистрированных прикладных программ обработки лидарных данных и оценивания параметров турбулентного поля ветра в атмосфере.
3. Закономерности пространственно временной изменчивости высотных профилей ветра, параметров турбулентности и самолетных вихрей в пограничном слое атмосферы при различных термических стратификациях.
4. Технологии определения интегрального (усреднённого по трассе) поперечного ветра методом просвечивания с использованием скоростной регистрации видеоизображений некогерентных световых источников. Пакеты зарегистрированных прикладных программ для оценивания интегральной скорости поперечного ветра на основе корреляционной обработки видеоизображений некогерентных источников
света.
5. Эскизная конструкторская документация на макет трассового измерителя ветра, реализующего метод оценивания интегральной (усреднённой вдоль трассы) скорости поперечного ветра по корреляции турбулентных искажений последовательности видеоизображений некогерентного источника, регистрируемых скоростной видеокамерой.
6. Макет трассового измерителя интегральной (усреднённой вдоль трассы) скорости поперечного ветра 

7. Технологии дистанционного определения интегрального значения и профилирования скорости 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 скорости поперечного ветра в направлении наблюдения.
8. Эскизная конструкторская документация на макет дистанционного пассивного оптического измерителя интегральной (усреднённой вдоль направления наблюдения) скорости поперечного ветра, реализующего технологии оценивания ветра по корреляции видеоизображений топографических объектов в естественном свете.
9. Макет дистанционного пассивного оптического измерителя усреднённой вдоль направления наблюдения скорости поперечного ветра.
10 Эскизная конструкторская документация на макет дистанционного пассивного оптического профилометра скорости поперечного ветра, реализующего технологии профилирования ветра по корреляции видеоизображений топографических объектов в естественном свете.
11. Макет дистанционного пассивного оптического профилометра скорости поперечного ветра.

Практическая значимость исследования
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 (сильные вертикальные и горизонтальные сдвиги ветра, самолётные вихри). В аэропортах и на авианосцах для мониторинга вихревой обстановки на взлётно-посадочных полосах в целях повышения их пропускной способности.
2. В ветроэнергетике для исследования и мониторинга пространственно-временной структуры ветровых шлейфов, возникающих за турбинами ветровых электростанций, в целях повышения энергоэффективности и экологической безопасности ферм ветряков.
3. В исследованиях в области физики атмосферы; в обеспечении ветровыми данными прогностических метеорологических моделей и моделей прогноза переноса загрязняющих примесей в пограничном слое атмосферы при расчетах в реальном времени.
4. 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.