Диссертация (1149467)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования"Санкт-Петербургский государственный университет"На правах рукописиЮсупов Игорь ЕвгеньевичИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГОИЗЛУЧЕНИЯ ГРОЗОВОГО ПРОЦЕССА В ПРИЛОЖЕНИИ КМОНИТОРИНГУ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИСпециальность 01.04.03 – РадиофизикаДиссертацияна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:Кононов Игорь Иванович,кандидат физико-математических наук,доцентСанкт-Петербург, 2018ОглавлениеВведение................................................................................................................... 4Актуальность темы ..................................................................................... 4Цели и задачи...............................................................................................
6Научная новизна.......................................................................................... 7Научная и практическая значимость работы ........................................... 8Положения, выносимые на защиту ........................................................... 9Степень достоверности и апробация результатов ................................. 11Публикации................................................................................................ 11Личный вклад автора ................................................................................ 11Публикации по теме диссертации ........................................................... 121.Обзор методов и средств мониторинга грозовой активности ..................
152.Экспериментальный анализ электромагнитного излучения молниевыхвспышек.................................................................................................................. 452.1. Кластерный анализ грозовой активности ............................................. 482.2. Анализ электромагнитного излучения выделенных очагов ............... 542.3.
Классификация форм атмосфериков СДВ диапазона по типам......... 852.4. Наблюдаемое различие горизонтальных ортогональных компонентмагнитного поля ................................................................................................ 963.Модельное исследование электромагнитного излучения гроз .............. 1003.1. Модельпротяженногомолниевогоразрядапроизвольнойпространственной конфигурации..................................................................
1003.2. Методика расчета ЭМИ в волноводном канале Земля-ионосфера .. 1143.3. Исследование особенностей трансформации форм атмосфериков прираспространении в волноводном канале Земля-ионосфера........................ 1213.4. Методика формирования банка канонических форм атмосфериков1304.Инструментальные средства мониторинга грозовой активности.......... 1394.1. Анализ точностных характеристик разностно-дальномерной системыместоопределения гроз ................................................................................... 13924.2. Однопунктовый грозопеленгатор-дальномер с расширенной зонойоперативного обслуживания ..........................................................................
1474.3. Методика информативного отображения грозовой активности ...... 1564.3.1. Трассирование грозовой активности............................................ 1574.3.2. Амплитудная индикация грозоопасности.................................... 1654.3.3. Алгоритмкраткосрочногопрогнозаразвитиягрозовойактивности.................................................................................................... 167Заключение ..........................................................................................................
169Список сокращений и условных обозначений................................................. 171Словарь терминов................................................................................................ 172Список литературы ............................................................................................. 173Приложение А .....................................................................................................
183Приложение Б ...................................................................................................... 184Приложение В...................................................................................................... 191Приложение Г ...................................................................................................... 196Приложение Д......................................................................................................
200Приложение Е...................................................................................................... 2023ВведениеАктуальность темыНезатухающийинтерескизучениюгрозовыхпроцессовисопровождающего их развитие электромагнитного излучения в последниегоды получил дополнительный импульс в связи с открытием целого рядановых электрических и токовых источников в структуре глобальнойэлектрической цепи, связанных с грозовой активностью. Эти открытиявызвалирезкуюинтенсификациюэкспериментальныхисследованийгрозовой активности посредством спутниковых наблюдений, а такжеразвертываемых по всему миру наземных радиотехнических системпассивной локации грозовых очагов континентального и глобальногомасштабов.
Большинство таких систем основывается на регистрации ианализеэлектромагнитногоразрядныхкомпонентрадиоизлучениямолниевыхнаиболеевспышек–сильноточныхобратныхударов,развивающихся между землей и облаком. Максимум импульсного ЭМИ этихразрядов сосредоточен в СДВ диапазоне, что обеспечивает его прием свысоким отношением сигнал/шум на расстояниях до нескольких тысячкилометров.Не потеряли актуальности продолжающиеся исследования грозовойактивности как источника постоянной повышенной опасности в различныхсферахжизнедеятельностичеловека,направленныенарешениетрадиционных задач, связанных с ее своевременным обнаружением ипредотвращениемвозможныхпоследствийвредноговоздействиянаразличные объекты этой деятельности (летательные аппараты, высотныездания, промышленные и портовые сооружения, нефтеналивные суда,открытые горные разработки, коммуникационные линии, лесные массивы ипр.).Требованияобеспечивающихксредствамрешениеэтихмониторингазадач,грозовойсущественноактивности,ужесточаются.Необходимо не только повышать надежность обнаружения начала иокончания грозы и с высокой точностью осуществлять ее трассирование, нотакже определять текущую фазу развития грозового процесса, оцениватьстепень его грозоопасности и, по возможности, осуществлять краткосрочныйпрогноз последующего развития.
Подобные требования к текущему4мониторингу возникают для ряда практических потребностей, связанных собеспечением безопасности многих объектов, подверженных воздействию нетолько прямых ударов молний, но и мощного импульсного излучениясильноточных молниевых разрядов, возможных в процессе развитиямолниевых вспышек всех типов – как облако-земля (ОЗ), так ивнутриоблачных (ВО).Наибольшее практическое применение для пассивной локации гроз впоследние десятилетия получили многопунктовые пеленгационные (ПСМ) иразностно-дальномерные (РДСМ) системы местоопределения. При этомпредпочтение отдается развитию РДСМ, несмотря на то, что для ихразвертывания и использования требуется большее количество разнесенныхпунктоврегистрацииатмосфериков,болеевысокиетребованиякдискретизации сигналов и точности их временной синхронизации.
Котносительнымнедостаткамсистемтакихможноотнестивысокуюстоимость оборудования и эксплуатацию, необходимость использованиясредств высокоточной синхронизации разнесенных пунктов и массовыхкоммуникационных сетей, обеспечивающих оперативных обмен данными.Отмеченныеобстоятельстватребуютпоискаиразработкиальтернативных методов и технических средств мониторинга грозовойактивности, обеспечивающей своевременное оповещение о приближающейсягрозовой опасности. Одним из таких средств мониторинга могут служитьоднопунктовые грозопеленгаторы-дальномеры (ГПД), которые занимаютособое место в структуре устройств и систем местоопределения.
По точностилокацииотдельныхмолниевыхразрядовонизаметноуступаютмногопунктовым системам локации гроз, развертываемым в большинствестран мира. Однако в силу целого ряда преимуществ, обусловленныходнопунктовым расположением, которое обеспечивает их автономность,высокуюмобильность,облегчаетиудешевляетразвертываниеиэксплуатацию, не требует использования высокоточных средств временнойпривязки регистрируемых сигналов, дорогостоящих каналов связи, интерес кразработке таких систем сохраняется до настоящего времени.
По сути, ониостаются единственным средством оперативного грозооповещения на бортахлетательных аппаратов, судах нефтеналивного флота, а также наземных5автономных объектах, не оборудованных современными средствами связи ивременной привязки.Цели и задачиОсновной целью работы являются экспериментальные и модельныеисследования импульсного электромагнитного излучения сильноточныхкомпонент молниевых вспышек как ОЗ, так и ВО типов, направленное наулучшение точностных и вероятностных характеристик инструментальныхсредств мониторинга грозовой активности.Задачи работы:• экспериментальныеисследованиявариацийформипараметровимпульсного электромагнитного излучения гроз;• разработка алгоритма классификации регистрируемых импульсов ЭМИсильноточных молниевых разрядов по типовым формам, в усредненномвиде описывающим изменения форм атмосфериков, обусловленныевариациями источников излучения;• разработка модели сильноточного молниевого разряда произвольнойпространственнойконфигурацииэлектромагнитногоизлученияскакисточникаимпульсногоцельюобъяснениянаблюдаемогоразличия между формами ортогональных составляющих горизонтальнойкомпоненты магнитного поля и оценки границ применимости дипольногоприближения;• экспериментальныетрансформациииформмодельныеатмосфериковисследованияприихособенностейраспространениивволноводном канале Земля-ионосфера с целью оценки погрешностейразностно-дальномерныхсистемместоопределенияивыработкирекомендаций по их уменьшению;• разработка методики формирования банка канонических форм импульсовэлектромагнитного излучения молниевых разрядов СДВ диапазона исоздание модельной версии такого банка с целью использования воднопунктовом методе дальнометрии;6• разработка нового однопунктового метода местоопределения координатмолниевого разряда с расширенной (10…1500 км) зоной оперативногообслуживания;• разработкаалгоритмапространственно-временнойкластеризацииместоположений молниевых разрядов и методики информативногоотображения перемещения гроз с оценкой их текущей фазы икраткосрочнымпрогнозомпоследующегоразвитиясцельюиспользования при оперативном мониторинге грозовой активности.Научная новизнаНаучная новизна работы заключается в следующем.• Проведеныэкспериментальныеисследованиявариацийформипараметров импульсного электромагнитного излучения из выделенных, сиспользованием разработанного алгоритма пространственно-временнойкластеризации, кластеров, позволившие оценить параметры ЭМИ взависимостиотсущественныетипагрозыразличияиформфазыееразвития.ортогональныхОбнаруженысоставляющихгоризонтального магнитного поля в ближней зоне, которые не могут бытьобъяснены в рамках общепринятых моделей молниевых разрядов.• Разработана методика классификации форм атмосфериков СДВ диапазонапотипам.Вотличиеотизвестныхподходовклассификацияосуществляется по сигналам, зарегистрированным в жестко ограниченноминтервале расстояний (50…150 км), что позволяет свести к минимумувлияние на форму факторов, не связанных с источником: а) статическогои индукционного слагаемых в дипольном представлении поля, б)сферичностииконечнойпроводимостиземли,в)ионосферныхотражений.• Разработана модель молниевого разряда произвольной пространственнойконфигурации как источника импульсного электромагнитного излучения.С помощью модели впервые были получены количественные оценкинижней границы применимости дипольного приближения молниевогоразряда и объяснено наблюдаемое на ближних расстояниях различие формгоризонтальных ортогональных составляющих магнитного поля.7• Впервые проведены детальные численные исследования особенностейтрансформации форм атмосфериков при распространении в волноводномканале Земля-ионосфера для различных типов источника, расстояний иусловийраспространения,точностныепозволившиехарактеристикиколичественнооценитьразностно-дальномерныхсистемместоопределения и дать рекомендации по их улучшению;• Разработанаметодикаформированиябанкаканоническихмолниевыхразрядов, основаннаяна использованиикомплексарасчетасигналовимпульсныхСДВформпрограммногодиапазонадляпроизвольных расстояний, условий распространения и типов источника.• Разработан новый метод однопунктового местоопределения гроз срасширенной(10…1500км)основанныйнапеленгатора,работающегоатмосферика,зонойиспользованиииоперативногоширокополосногопопереднемудальномерногофронтуобслуживания,рамочногоземнойблока,СДВволнывключающегоусовершенствованную версию фазового EH алгоритма дальнометрииближней зоны (10…100 км) и оригинальный алгоритм дальнометриисредней зоны (100…1500 км).• Разработана методика пространственно-временной кластеризации иинформативного отображения грозовой активности, позволяющая, вотличие от существующих подходов, осуществлять оценку текущей фазыгрозы и краткосрочный прогноз ее последующего развития.Научная и практическая значимость работы• Проведенныеэкспериментальныеисследованиявариацийформипараметров импульсного электромагнитного излучения гроз отдельныхгрозовых очагов в различных условиях развития грозовой активностипозволили оценить адекватность разрабатываемых теоретических ичисленных методов расчета полей, а также возможность использованияСДВ систем для обнаружения и местоопределения молниевых разрядоввсех типов.8• Разработаннаяметодикаклассификацииатмосфериковпозволилаполучить конечное число типовых форм, достаточное для модельныхописаний источника при расчете полей.• Разработаннаямодельмолниевогоразрядапозволилаобъяснитьзначительное влияние на форму рассчитываемых полей пространственныхвариаций молниевого канала, проверить применимость дипольногоприближения излучателя, а также оценить поляризационные ошибкипеленгаторов.• Проведенныедетальныечисленныеисследованияособенностейтрансформации форм атмосфериков позволили оценить погрешностисистем местоопределения и дать рекомендации по их уменьшению.• Разработанная методика формирования банков канонических форматмосфериков апробирована в однопунктовом алгоритме дальнометриисредней зоны (до 1500 км) и может быть рекомендована для применения вмногопунктовых системах местоопределения гроз для определения типаисточника и предварительной оценки дальности.• Разработанныйметододнопунктовогоместоопределениягрозсрасширенной (10…1500 км) зоной оперативного обслуживания можетбыть использован как в автономном режиме, так и в разнесенных пунктахмногопунктовых систем.• Разработанныйадаптивныйалгоритмпространственно-временнойкластеризации использован для информативного отображения грозовойактивности.Регистрацияианализсопутствующеговыделеннымкластерам импульсного излучения позволяет оценить текущую фазугрозовой активности и дать краткосрочный прогноз ее развитияПоложения, выносимые на защитуНа защиту выносятся следующие положения.• Модельмолниевогоразрядакакисточникаимпульсногоэлектромагнитного излучения.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
