О регулярности структуры неоднородностей рассеяния оптического излучения и их связи
Скачать 260.59 Kb.
|
 Известия АН СССР ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА Том 21 • № 7 1985 УДК 551.501.8:551.521.3 О РЕГУЛЯРНОСТИ СТРУКТУРЫ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ РАССЕЯНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ СВЯЗИ С МЕТЕОПАРАМЕТРАМИ ПОЛКАНОВ Ю. А. Дан анализ регулярности структуры сигнала рассеяния, усиленного пропорционально квадрату текущего времени и регистрируемого в условиях устойчиво стратифицированной атмосферы над крупным городом. Оценка регулярности структуры проводилась по числу локальных максимумов и минимумов сигнала, полученного при лазерном зондировании приземного слоя атмосферы. Установлено, что в ночных условиях постоянно регистрируется достаточно устойчивая и регулярная структура оптических неоднородностей в горизонтальной плоскости. Предполагается, что ее регистрация в лидарных измерениях обусловлена наличием городского загрязняющего аэрозоля, способствующего «проявлению» такой структуры при анализе сигнала рассеяния. Обнаружена высокая степень корреляции параметров выявленной структуры с введенным критерием устойчивости термодинамического состояния приземного слоя атмосферы, определяемым по метеопараметрам и их вертикальному распределению. Процесс возникновения и развития турбулентности — один из самых сложных процессов, происходящих в свободной атмосфере. Устойчивая стратификация атмосферы способствует подавлению турбулентности в потоке. Однако она сохраняется, например, в зоне обрушивания внутренних волн [1], где формируется достаточно устойчивая и регулярная турбулентная структура. В подобных зонах удерживается относительно крупнодисперсный аэрозоль, обычно оседающий под действием силы тяжести. Рассеянное на таком аэрозоле излучение несет информацию о пространственно-временных особенностях турбулентных структур [2-4]. Кроме того, при характерном размере структуры в сотни метров отмечена связь ее параметров с вертикальным распределением метеопараметров приземного слоя [5]. Наиболее благоприятные условия для изучения подобных структур существуют в приземном слое города летней ночью [1, 6, 7]. Эффективным методом их исследования становится метод лидарного сканирования больших объемов атмосферы. Он существенно превосходит остальные методы по числу точек съема информации и оперативности. В работе использовались результаты лазерного зондирования атмосферы над г. Минском, проведенного в апреле, июне 1978 г. [8, 9]. Измерения велись последовательно в пяти различных районах города. Значительный интервал времени между измерениями в районах (не менее двух суток), а также заведомо различный характер структуры подстилающей поверхности районов способствовали повышению статистической достоверности получаемых данных. В таблице приведены данные по организации измерений в каждом районе, где X — число трасс зондирования, а — угловой шаг сканирования (указано число соответствующих трасс х), а0 — угловой размер зоны зондирования, N — число анализируемых отсчетов сигнала рассеяния 720
(точек съема информации), t0 — полное время измерений, σ — средний коэффициент рассеяния в зоне зондирования. Зондирование проводилось в горизонтальной плоскости на высотах t ~ 20 м. Время измерений по одной трассе составляло 20 с. Время между измерениями по соседним трассам ~ 7-10 мин. Размер анализируемого объема атмосферы в «точке» съема информации (5-17,5) X 120 м. Расстояние между соседними точками двух трасс 171,5 - 587,5 м (для α=12°) и 353,0-1209,5 м (для α = 24°). Источник излучения имел следующие характеристики: длина волны излучения λi = 0,53 мкм, энергия излучения W = 0,01 Дж, длительность импульса излучения то=15 не, расходимость излучения γ = 20/, частота следования импульсов / = 50 Гц. Характеристики приемной системы: диаметр приемной оптики d = 100 мм, ширина линии пропускания интерференционного фильтра Δλ = = 50 А, приемник — ФЭУ-84. Используемая многоканальная аппаратура [10] обеспечивала регистрацию сигнала рассеяния в режиме счета фотонов и имела следующие характеристики: число каналов регистрации п = 20, ширина строби-рующего импульса (длительность накопления в каждом канале) Т = = 0,8 мке, диапазон перестраиваемой с шагом 1 мке задержки начала регистрации 0,5-103 мкc, число циклов накопления в нашем случае N0 = 103. Коррекция на квадрат текущего времени проводилась при цифровой обработке сигналов численным образом. Погрешность коррекции имеет систематическую составляющую [11], обусловленную конечным временем накопления информации в каждом канале за одну посылку. Суммарная погрешность коррекции не превышала 5—7%. Использовались последовательные отсчеты в 18 каналах регистрации сигнала рассеяния, приходящего от участков трассы длиной 120 м, расположенных на расстояниях 840-2880 м от лидара. Такой выбор каналов обеспечил суммарную ошибку измерений ~ 10—20%. Была проведена предварительная обработка полученных для каждой трассы распределений фотоотсчетов nc(t) по методу одноканальной привязки (однобитового квантования по каналам) [12]. Осуществлялась следующая последовательность действий.
или минимума сигнала (nCmin1 , nCт1п2) 3 Физика атмосферы и океана,721 5. Значение минимума nCmin между пСтак1 и пСтах2 принималось за действительный локальный минимум сигнала при выполнении условия: (пСтах1,2 - nCmin)> Δnc = (0.3 – 0.4) nCmin (1 ) В противном случае локальный минимум исключался из рассмотрения и проводилось повторное сглаживание по п. 3.  ПГ1 К методике предварительной обработки сигнала рассеяния 6. Для каждого выделенного участка распределения ne(t, T), огра ниченного соседними локальными максимумами сигнала, проводилось преобразование по методу одноканальной привязки, согласно усло виям (2): nk(t, T) = 1 при nc{t, T)>k, (2) nk(t, T)=0при nc(t, T)≤ k, где nc — число фотоотсчетов в канале, отнесенное к центру временного интервала t, t+T; T — длительность временного интервала накопления сигнала в каждом канале (0,8 мкс); k — уровень привязки, равный средней скорости счета на выделенном участке. 7. Для участков, ограниченных соседними локальными минимумами- сигнала, использовались аналогичные преобразования сигнала: nk{t, T)= — 1 при nc(t, T)≤k, (3nk(t, T)=0 при nc(t, T)>k. 8. По полученным квантованным сигналам (±1) судили об интер валах между максимумами т1 минимумами т2 и между максимумами и минимумами т3 (см. рисунок) в предположении совпадения экстрему ма с центром элемента разрешения. Условие (1) обеспечивало выделение неоднородностей сигнала, имеющих контрастность 30-40% относительно минимального на участке уровня nCmln. Введение этого условия связано с необходимостью выделить скачок сигнала, обусловленный средой, даже на фоне сигнала пСт1п , определенного с максимальной погрешностью (10-20%). Раздельная одноканальная привязка по локальным максимумам и минимумам сигнала позволяла получить неискаженную информацию о 722 спектрах «положительной» и «отрицательной» структур [12]. Пространственная дискретизация по трассе с шагом Δ обеспечивала регистрацию структур с характерным размером между центрами соседних элементов структуры т = 240-2040 м при шаге Δ = 120 м и числе элементов разрешения Δ KΔ = 2, 3, ..., 17. Такая дискретизация приводила к росту фактической пороговой контрастности дальнего из двух взятых экстремумов пропорционально коэффициенту ρ = (1 - ехр (-2σср.тΔ)). Это позволяло повысить надежность регистрации экстремумов (обусловленных именно неоднородностью среды) с ростом расстояния между ними. В качестве пространственных характеристик структур брались математические ожидания М1,2,3, характерных интервалов m1,2,3 между неоднородностями сигнала рассеяния и соответствующие им дисперсии D1,2,3. Оказалось, что характерный размер структур M1,2 лежит в диапазоне длин 375—520 м и соответствует данным радиолокационных измерений в аналогичных условиях [5]. Доверительный интервал M1,2 для районов 2, 3, 4 и М1,3 района 1 не превосходит размера элемента разрешения Δ и несколько больше в остальных случаях. Среднеквадратичное отклонение S1,2 =√ D1,2 для районов 2, 3, 4 не превосходит величины M1,2/2, что указывает на определенную устойчивость соответствующих структур. Этого нельзя сказать о структурах неоднородностей в районах 1, 5, где доверительный интервал среднеквадратичного отклонения может быть большим (εpmax = 3,24Δ). Здесь ди- намичность структуры не позволила выявить ее особенности с помощью используемой аппаратуры. Следующий этап работы — поиск связи характеристик обнаруженных атмосферных образований с критерием устойчивости стратификации приземного слоя атмосферы. В качестве такого критерия бралось обобщенное значение разности приведенных чисел Ричардсона ARi2, которое рассчитывалось по следующей методике.
Rih(n) = Ri/h. (4) 3. Для каждой высоты измерений находилась разность приведенных чисел Ричардсона для времен измерений 21 ч (1) и 3 ч (2): ΔRih(n) = Rih(n) (t2)- Rih(n) (t1) (5) 4. В качестве критерия устойчивости бралась обобщенная разность: n ΔRiΣ = Σ ΔRih(n)/n (6) n=i Для районов 1—5 соответственно получены следующие значения ΔRiΣ: 0,813; 0,020; 0,114; 0,004; 0,026. Связь между характеристиками выявленных структур атмосферных образований М, D и критерием устойчивости стратификации ΔRis оценивалась по коэффициенту линейной корреляции К с доверительной вероятностью р. Оказалось, что по результатам для всех пяти районов связь существенна для следующих характеристик структур: М2, Мi - М2, М2 — М3, M/M2, D2, D2 — D3 (K > 0,5, р ≥0,8). Особенно высокие значения /С, р получены для связи между М2 — М3 и ΔRis (K=0,84, p = 0,98. 3* Отметим, что метеопараметры измерялись в районе, отстоящем от районов лазерного зондирования на ~10 км (максимально), при временном интервале между измерениями, максимально превышающем время, необходимое для зондирования, на 3 ч. Для конкретизации характера связи М2 - М3 и ΔRiΣ получены уравнения регрессии типа а + Ьх [14]: М2 — М3 = 0,656ΔRi2 + 1,604, (7) ΔRis=l,513(M2 - M3) —2,426. (8) Различие коэффициентов а и 6, полученное при переходе от уравнения регрессии М2— М3 по ΔRiΣ к уравнению ΔRiΣ по М2 - М3 и противоположном переходе (ΔRiΣ(M2 - М3)→(М2 - M3)/ΔRiΣ) [15], не превышает 3,5%. Для уравнения (7) среднеквадратичные ошибки определения коэффициента регрессии Ь и коэффициента а равны соответственно 12 и 2,5%. Для уравнения (8) они меньше и равны соответственно 5 и 0,8%. Это обусловлено большей статистической обеспеченностью определения параметра М2 - М3. В предположении отклонений фактических значений от линии регрессии, следующих нормальному распределению, гипотеза об отсутствии линейной зависимости упомянутых переменных имеет вероятность Р~10-3 [14]. Следовательно, можно говорить о линейной, фактически функциональной связи (М2 — М3) и ΔRiΣ. Эта связь позволяет по изменению величины М2 - М3,, измеренной с интервалом времени в несколько часов, прогнозировать изменение устойчивости стратификации погранич ного слоя атмосферы, а косвенно — и устойчивости метеоситуации. Поиск связи между характеристиками выявленных структур и метеопараметрами анализируемого слоя атмосферы (h = 0 - 1 км) показал, что все параметры структуры (М, D) наиболее сильно связаны с разностью средних значений относительной влажности, приведенных к слою в 1 м и полученных по данным измерений в 21 ч и 3 ч: Δf ° = Δfi - Δf2, n где Δfi,2 = Σ Δf01,2 /n, Δf01,2 = (fh1 - f h2)/Δh. n=1 В этом случае коэффициенты корреляции (несмещенная оценка) и вероятности их значимости не ниже 0,6 и 0,8 соответственно. Для наиболее существенной связи S3 и Δf ° получены уравнения регрессии: S3 = 0.560Δf 0 + 1,026, (9) Δf 0 = 1 .758S3 – 1.784. (10) Переход от уравнения (10) к уравнению (9) дает максимальное различие коэффициентов а и b соответственно 1 и 3 %. Среднеквадратичная ошибка определения коэффициентов а и Ь не превышает соответственно 8 и 9%. Гипотеза об отсутствии линейной зависимости S3 и А/0 имеет вероятность Р≤ -10-3. Для районов с температурной инверсией (районы 1, 2, 3, 5) обнаружена связь параметров нестабильности структуры атмосферных образований S1 — S3 с параметрами, характеризующими изменчивость инверсионного слоя между измерениями (ΔvΔh/ΔT, где Δv — изменение скорости ветра, Δh — изменение мощности слоя, ΔT — изменение скачка температуры в слое). Получены следующие уравнения регрессии: S1 - S3 = 0.01ΔvΔh/ΔT + 0.,34, (11) ΔvΔh/ΔT = 99.56(S1 - S3) - 31,95. (12) Переход от уравнения (12) к (11) дает различие в коэффициентах а, b соответственно 0,5 и 7%. Среднеквадратичная ошибка определения 724 этих коэффициентов 2 и 4%. Гипотеза об отсутствии линейной зависимости имеет вероятность P ~ 10-3. Однако переход от уравнения (11) к уравнению (12) дает различие в коэффициентах а и и соответственно 43 и 50%, а среднеквадратичные ошибки их определения 17 и 48% при вероятности отсутствия линейной зависимости Р = 8*10-2. Следовательно, эта связь носит более статистический характер, чем предшествующие, и, возможно, нелинейна. Для уточнения ее вида необходимо провести специальные измерения. Тем не менее полученные результаты позволяют говорить о существенной связи комплекса параметров структур атмосферных образований с комплексом метеопараметров, характеризующих влажность атмосферы и приподнятую инверсию. Проведенное исследование показывает, что предложенный подход позволяет дополнительно использовать лазерное зондирование атмосферы для решения задач по прогнозу устойчивости стратификации в приземном слое атмосферы. ЛИТЕРАТУРА
8. Ашкинадзе Д. Л., Белобровик В. П., Спиридович A. JI., Кугейко М. М., Полканов Ю. А. Лидарное определение динамики полей аэрозольного загрязнения в городах. В кн.: VI Всесоюз. симпоз. по лазерному и акустическому зондированию. Тезисы докл. Ч. 1. Томск, 1980, с. 152—155. 9. Ашкинадзе Д. А., Белобровик В. И., Виленчиц Б. Б., Шамаль В. А. Установка для лазерного зондирования аэрозолей в городских условиях с крыш высотных зданий.— В кн.: Всесоюз. симпоз. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск, 1978, с. 25—26. 10. ^ Шамаль В. А. Аппаратура для исследования слоев атмосферы.— В кн.: IV Всесоюз. симпоз. по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск, 1977, с. 51—54. И. Полканов Ю. А. О точности представления реального сигнала рассеяния через лидарное уравнение.— Журн. прикл. спектроскопии, 1982, т. 37, № 3, с. 480—485.
Белорусский государственный Поступила в редакцию университет 12.X.1981, НИИ прикладных физических после переработки проблем 4.VI.1984 |
Похожие:
 | Возможности повышения точности измерения сигнала рассеяния оптического излучения в атмосфере | | Ослабление оптического излучения в атмосфере Кроме того, градиенты температуры в атмосфере вызывает турбулентность, связанную с неоднородностью показателя преломления воздуха,... |
 | Контрольные вопросы и задачи. Нелинейная оптика Уф излучения. Считая, что дисперсия внутри нелинейного оптического материала описывается выражениями | | Фундаментальный закон квантовой механики В основе существующей квантовой теории лежит принцип рассеяния частиц, принятый еще в 20-х, прошлого века, на основании якобы рассеяния... |
| Метод выявления аномальных неоднородностей относительно термодинамически... Ых неоднородностей среды (сопутствующих ее неравновесному состоянию) связано как с неоднозначностью и малой точностью методик восстановления... |  | Расчёт волоконно-оптического аттенюатора Целью доклада является расчет волоконно-оптического аттенюатора, принцип действия которого основан на продольном смещении волоконных... |
| Исследование дисперсии оптического стекла цель работы Цель работы – определение показателей преломления оптического стекла для различных длин волн и построение кривой дисперсии | | Программа дисциплины Цель дисциплины Дисциплина «Приборы свч и оптического диапазонов» Приборы свч и оптического диапазонов: программа, контрольное задание и методические указания / Е. И. Бочаров, И. А. Кравцов, И. А. Кратиров.... |
| 3. Исследование электромагнитного излучения сотового телефона Влияние электромагнитных волн на живой организм и способы защиты от излучения | | Решение задач пишите как можно подробнее Поток излучения абсолютно черного тела Фe = 10 кВт. Максимум энергии излучения приходится на длину волны λm = 0,8 мкм. Определить... |