Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0151

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0151
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Лидарный комплекс обнаружения атмосферных турбулентных и ветровых структур, угрожающих авиабезопасности
Докладчик
Банах Виктор Арсентьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка и создание новых лидарных методов, технологий измерений и средств дистанционного зондирования атмосферы для решения задач обеспечения безопасности воздушных судов во время полёта и на взлётно-посадочных полосах (ВПП) при взлёте и приземлении и увеличения пропускной способности ВПП крупных аэропортов, имеющих высокую загруженность.
Задачами проекта являются:
1. Разработка методов оценивания параметров самолетных вихрей и сдвигов ветра в реальном времени из измерений радиальной скорости с использованием импульсных когерентных доплеровских лидаров (ИКДЛ).
2. Разработка и изготовление экспериментального макета световолоконного ИКДЛ, по техническим и эксплуатационным характеристикам превосходящего существующие аналоги в этом классе лидаров.
3. Разработка лидарного метода определения интенсивности оптической турбулентности на основе эффекта усиления обратного рассеяния (УОР) в случайных средах.
4. Разработка и изготовление экспериментального макета лидара для измерения интенсивности оптической (температурной) турбулентности на основе эффекта УОР (турбулентного лидара).
Актуальность и новизна исследования
Обеспечение безопасности полетов воздушных судов является ключевой задачей, возникающей при организации воздушных сообщений. Авиабезопасность определяется сочетанием внешних, технических и человеческого факторов. К неблагоприятным внешним воздействиям на авиабезопасность относятся такие явления в атмосфере как образование областей турбулентности на высоте полёта самолёта, сильные сдвиги ветра, вихревые аэродинамические следы. Причинами возникновения турбулентности ясного неба в атмосфере являются контрасты температуры и скорости ветра, потеря устойчивости волнами, образующимися вблизи атмосферных поверхностей раздела, деформация воздушных течений горными препятствиями и возникновение волновых возмущений на подветренной стороне горных возвышений. Не менее опасными для авиаполётов являются сильные горизонтальные и вертикальные сдвиги ветра (до 6 м/с на дистанции 30 м) и самолётные вихри, образующиеся за счёт аэродинамической подъемной силы. Очевидно, что для решения задач снижения аварийности авиаперевозок из-за внешних атмосферных факторов необходимы средства заблаговременного дистанционного обнаружения и визуализации опасных для ЛА турбулентных и ветровых структур. Актуальность данной проблемы подтверждается статистическими данными по авиационным катастрофам, связанным с попаданием летательных аппаратов в опасные зоны. Новизна исследований по проекту обеспечивается
- разработкой новых технологий измерений и созданием новых эффективных алгоритмов обработки лидарных данных, обеспечивающих мониторинг вихревой и ветровой обстановки в аэропортах в реальном времени с учетом технических характеристик конкретных ИКДЛ, что будет осуществлено впервые в мировой практике.

Описание исследования

Конкретной целью проекта является разработка и изготовление аппаратно-программного лидарного комплекса обнаружения атмосферных динамических структур, угрожающих авиабезопасности, и предупреждения их катастрофического воздействия на летательные аппараты.

Задачами проекта являются:

1. Разработка методов оценивания параметров самолетных вихрей и сдвигов ветра в реальном времени из измерений радиальной скорости с использованием ИКДЛ. Реализация методов в виде зарегистрированных пакетов прикладных программ.

Решение задачи будет осуществляться путем:

- разработки алгоритмов оценивания параметров самолетных вихрей и сдвигов ветра в реальном времени из измеряемой ИКДЛ радиальной скорости ветра

- Разработки стратегии доплеровских лидарных измерений и компьютерных программ обработки данных, позволяющих во время измерений с задержкой, не превышающей 5 с, получать оценки параметров самолетных вихрей и сдвигов ветра с точностью, необходимой для контроля за вихревой и ветровой обстановкой на летном поле аэропорта

- тестирования разработанных стратегии измерений, алгоритмов и программ в атмосферных экспериментах по определению сдвигов ветра и параметров самолётных вихрей в реальном времени на высотах пограничного слоя атмосферы в аэропортах с использованием ИКДЛ «Stream Line»

2 Разработка и изготовление экспериментального макета световолоконного ИКДЛ, по техническим и эксплуатационным характеристикам превосходящего существующие аналоги в этом классе лидаров

Решение задачи будет осуществляться путем:

- реализции известных принципов гетеродинирования слабых эхо сигналов на основе волоконной оптики и разработанного заявителями проекта оригинального программного обеспечения по управлению работой лидара и обработки исходных данных измерений.

- разработки конструкций сканера и приёмо-передающего телескопа лидара с объединением их в едином модуле

 - разработки оптико-электронного модуля лидара

- разработки конструкции унифицированного лидарного блока, объединяющего оптико-механический и оптико-электронный модули экспериментального образца ИКДЛ

- изготовления экспериментального макета ИКДЛ с использованием разработанного унифицированного модуля и электронного блока обработки лидарных данных

- верификации изготовленного экспериментального образца ИКДЛ в атмосферных экспериментах на основе сопоставления получаемых с его использованием результатов измерений с данными измерений лидара «Stream Line» и акустических анемометров

3. Разработка лидарного метода определения интенсивности оптической турбулентности на основе эффекта усиления обратного рассеяния (УОР) в случайных средах.

Решение задачи разработки лидарного метода определения интенсивности оптической турбулентности на основе УОР будет осуществляться путем:

- модернизации созданного заявителями проекта лабораторного макета лидарного устройства с двумя разнесёнными в поперечной плоскости приёмными каналами, позволяющего регистрировать коэффициент усиления обратного рассеяния, с целью достижения дальности зондирования на расстояниях, значительно превышающих возможности имеющегося устройства

- создания трассового оптического измерителя усреднённого вдоль измерительной трассы значения структурной постоянной флуктуаций показателя преломления воздуха, характеризующей интенсивность оптической турбулентности

- проведения длительных измерений коэффициента усиления обратного рассеяния и усреднённой структурной постоянной на одной и той же трассе зондирования с использованием созданных макетов измерителей

- выявления корреляционной зависимости между значениями коэффициента усиления обратного рассеяния и усреднённой вдоль трассы зондирования структурной постоянной и её вариаций при изменении турбулентных условий в атмосфере

4. Разработка и изготовление экспериментального макета лидара для измерения интенсивности оптической турбулентности на основе эффекта УОР (турбулентного лидара)

Решение задачи будет осуществляться путем:

- использования оптической системы, состоящей из двухзеркального афокального телескопа. 

- разработки конструкции экспериментального макета и создания оптико-механических и электронных узлов лидара

- разработки конструкции сканера и приёмо-передающего телескопа лидара с объединением их в едином унифицированном модуле

- изготовления экспериментального макета турбулентного лидара с использованием разработанного унифицированного модуля и блока приёма лидарного сигнала

- верификации экспериментального макета турбулентного лидара в атмосферных экспериментах.

Результаты исследования

1. Технологии доплеровских лидарных измерений и алгоритмы обработки лидарных данных, обеспечивающие мониторинг вихревой и ветровой обстановки в аэропортах в реальном времени. Пакеты зарегистрированного прикладного программного обеспечения по моделированию лидарного эхо-сигнала и обработке зашумленных экспериментальных данных в реальном времени с учетом технических характеристик конкретных ИКДЛ.

2. Лидарный метод определения интенсивности оптической турбулентности, основанный на измерении коэффициента усиления обратного рассеяния в турбулентной атмосфере.

3. Технологии лидарных измерений интенсивности оптической турбулентности, основанные на эффекте УОР. Пакеты зарегистрированного прикладного программного обеспечения для оценивания усреднённого вдоль трассы зондирования значения структурной постоянной флуктуаций показателя преломления из измеряемых данных турбулентного лидара.

4. Лидарный комплекс обнаружения атмосферных динамических структур, угрожающих авиабезопасности, и предупреждения их катастрофического воздействия на летательные аппараты в составе

4.1. Экспериментального макета световолоконного ИКДЛ нового поколения, превосходящего по техническим и эксплуатационным характеристикам существующие аналоги в этом классе лидаров и защищённого патентом на полезную модель импульсного когерентного доплеровского ветрового лидара.

4.2. Экспериментального макета лидара для измерения интенсивности оптической турбулентности на основе эффекта УОР (турбулентного лидара), защищенного двумя патентами на полезные модели турбулентных лидаров.

4.3. Прикладных программ обработки лидарных данных, обеспечивающих обнаружение самолётных вихрей, ветровых сдвигов в реальном времени и областей повышенной оптической турбулентности (зон ТЯН).

Практическая значимость исследования
Результаты проекта найдут применение:
1) В гражданской и военно-транспортной 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, зоны ТЯН, ко вторым - турбулентные вихревые шлейфы после прохождения современных крупных авиалайнеров. В аэропортах и на авианосцах для мониторинга вихревой и ветровой обстановки на взлётно-посадочных полосах в целях повышения их пропускной способности. Для обеспечения данными о ветровой обстановке и атмосферной турбулентности во время воздушного десантирования.
2) В ветроэнергетике для обеспечения мониторинга запасов ветровой энергии в районах потенциального размещения ветровых турбин и во время их эксплуатации.
3) В артиллерийских, танковых и ракетных войсках для обеспечения скрытного получения данных о профилях ветра в районах выполнения военных операций.
4) Для мониторинга ветровой обстановки и атмосферной турбулентности в районах техногенных катастроф и природных чрезвычайных ситуаций, где использование контактных датчиков становится невозможным.
5) В исследованиях в области физики атмосферы, где информация о скорости ветра, её средней и флуктуационной составляющих, флуктуациях температуры необходима при изучении динамики атмосферных процессов, при исследовании турбулентности.
6) Для ассимиляции получаемых ветровых данных в прогностических метеорологических моделях при расчетах в реальном времени; прогноза переноса загрязняющих примесей в пограничном слое атмосферы.