ЛАЗЕРНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ УСТОЙЧИВОСТИ МЕТЕОСИТУАЦИИ (ЭСКИЗ-ПРОЕКТ)

ЛАЗЕРНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ УСТОЙЧИВОСТИ МЕТЕОСИТУАЦИИ (ЭСКИЗ-ПРОЕКТ)

Полканов Юрий Алексеевич

бывший научный сотрудник, Белорусский Государственный Университет,

Республика Беларусь, г. Минск

WEATHER STABILITY LASER SENSOR (SKETCH PROJECT)

Yury Polkanov

former researcher, Belarusian State University,

Belarus, Minsk

АННОТАЦИЯ

Предлагается набор алгоритмов позволяющих на основе структурно-статистического метода обработки одномерного псевдохаотического (шумоподобного) сигнала дистанционных измерений лазерного типа создать датчики контроля устойчивости метеоситуации. Это позволит эффективно выявлять признаки самоорганизации пространственно-временной структуры неоднородностей среды и ее перестройку обусловленную нарушением ее термодинамической устойчивости, даже за пределами зоны измерений. Ожидается высокая эффективность подобных датчиков для прогноза развития процессов самоорганизации в сложных непрерывных средах атмосфероподобного типа.

ABSTRACT

A set of algorithms is proposed that makes it possible to create a sensor for monitoring the stability of the weather situation using the structural-statistical method of processing a one-dimensional pseudo-chaotic (noise-like) signal of laser-type remote measurements. This makes it possible to reveal the signs of self-organization of the temporal structure of the inhomogeneities of the medium and its rearrangement due to the violation of its thermodynamic stability, even outside the measurement zone. The high efficiency of sensors for predicting the development of self-organization processes in complex continuous atmosphere-like media is expected.

Ключевые слова: физика атмосферы, устойчивость, метеоситуация, самоорганизация, порядок, хаос.

Keywords: atmospheric physics, stability, meteorological situation, self-organization, order, chaos.

Постановка задачи

Вопросы прогноза резких изменений метеоситуации катастрофического характера до сих пор не сняты с повестки дня. Это связано как с ограничением пространственных возможностей контроля метеопараметров и дистанционными ограничениями свойственными существующей типовой аппаратуре. Попытка, предпринятая несколько десятилетий назад, получить метеоданные используя дистанционные измерения с помощью лазерных систем (лидаров) столкнулась с большими трудностями, теоретического и приборного плана. Однако перспективность такого подхода заставляет искать другие подходы в реализации этого направления, не пытаясь получить информацию непосредственно о типовых метеопараметрах.

Предпосылки

Сформировавшийся подход сложился на основе обработки результатов оптических измерений неоднородностей приземного слоя атмосферы Земли с помощью зондирующих лазерных систем. Проведенные исследования сигнала обратного рассеяния в горизонтальной плоскости показали, что у поверхности земли в условиях антициклона, в приземном слое, ночью существует волнообразная структура линзоподобных неоднородностей атмосферы [1,2]. Структура таких регулярных волнообразных образований и степень их устойчивой организованности прямо зависит от устойчивости метеорологической ситуации и коррелирует с целым набором типовых метеопараметров атмосферы, полученных с ближайшей метеостанции [3].

Обоснование

Цель предлагаемого подхода состоит в развитии дистанционных методов анализа динамики больших объемов самоорганизующихся систем типа атмосферы, когда подобные системы теряют свою устойчивость и переходят из одного состояния устойчивости к другому.

Существует возможность прогноза нарушения вертикальной термодинамической устойчивости среды по характеру приповерхностной горизонтальной структуре ее неоднородностей.

Проведенные исследования позволяют предположить, что возникновение термодинамической неустойчивости атмосферы, даже за пределами зоны наблюдения, приводит к упреждающему резкому нарушению устойчивости структуры оптических неоднородностей атмосферы, задолго до наглядного значимого изменения ситуации в зоне наблюдения.

Это позволяет, на основе выявленных тенденций изменения и развития таких структур от псевдогармонических до появления дополнительной длинноволновой компоненты, при одновременном анализе термодинамической устойчивости среды, по введенному обобщенному критерию на основе числа Ричардсона, делать прогноз развития возможных процессов перестройки структуры и выявления признаков развития процессов нарушения устойчивости среды [4,5].

Дополнительный анализ, позволяет выявить локальные аномалии в существующей, достаточно регулярной структуре неоднородностей относительно устойчивой атмосферы и дает возможность выявить признаки предшествующие кардинальному нарушению такой устойчивости [6].

Организационная структура датчика 

Особенности оптической части

Предлагаемый подход базируется на использовании непрерывного источника излучения малой мощности, когда в качестве зондирующего элемента используется интервал прерывания излучения на время соизмеримое с временем излучения обычных лазерных систем [7].

Это позволяет перейти от зондирования среды лазерными импульсами излучения большой мощности к  зондированию импульсами неизлучения (прерыванием непрерывного излучения), экологически безопасными лазерами малой мощности.

Особенности электронной части

Вводится специальная временная организация дискретизации приходящего сигнала обратного рассеяния, когда время регистрации в каждом отсчете соизмеримо со временем прохождения сигналом всей зоны измерений [8].

Предлагается переход от оцифровки принятого сигнала в виде набора отсчетов сигнала постоянной временной протяженности (требуемого разрешения), к двойному набору отсчетов сигнала нарастающей (уменьшающейся) длительности, от требуемого разрешения до максимально возможной длительности (зоне однократного рассеяния) с заданным шагом дискретизации.

Использование описанной организации аппаратуры позволяет проводить требуемые измерения неоднородностей в условиях существенно больших фоновых шумов.

 Кроме того, получаем существенный сдвиг в сторону меньшего динамического диапазона регистрируемого сигнала, малой погрешности измерений при малой энергии излучения зондирующего источника и обеспечивается заданное отношение сигнал/шум в широком диапазоне внешних условий.

Особенности обработки регистрируемого сигнала

Восстановление характеристик среды с нужным разрешением достигается специальной обработкой полученных отсчетов сигнала, взятых попарно и отличающихся на временем дискретизации на интервал соответствующий такому разрешению [9].

 Таким образом снимается противоречие между необходимостью получить информацию о среде, как о связном объемном образовании, и измерением в наборе малых объемов, каждый из которых не “помнит” что он лишь часть некого цельного образования.

Переход от гармонического анализа структуры полученного сигнала к раздельному анализу выделяемого набора максимумов и минимумов сигнала (“плюс” и “минус” структуры), степени их связности, выделения элементарной ячейки, размножением которой можно смоделировать выявленную структуру среды [10].

Вариант визуализации результатов

Одним из наглядных вариантов представления метеоситуации может стать создание обобщенной модельной структуры неоднородностей (по результатам проведенного объемного массива реальных измерений) как основы для восстановления образа развивающегося нелинейного процесса и цельной сущности.

Такая структура в виде некой модельной материальной поверхности, подобной структуре голограммы может использоваться как голографический образ для получение визуального образа метеопроцесса,

Можно предположить, что чем сильнее отклонение ситуации от равновесного процесса, тем сложнее регистрируемая структура и тем конкретнее, с большими деталями, формирующийся голографический образ.

Есть соблазн назвать такой образ – “Лик Демона”. Его “мимика” позволит, не вдаваясь в сложные математические операции, оперативно фиксировать степень катастрофичности развивающихся процессов.

Пространственная организация измерений

Размещение описанных лазерных датчиков контроля устойчивости метеоситуации логично привязать к существующей сети метеорологических станций.

Однако это не единственный вариант. Работы уникального ученого- метеоролога Дьякова, занимавшегося предсказанием на основе такого понятия как волны погоды, которые прямо связанны с солнечной активностью [11], позволяют говорить о существовании специфических зон у земной поверхности.

Здесь, с некой периодичностью, запускаются процессы формирования погодных изменений, которые можно описать на основе представлений об аттракторах (в качестве примера можно привести самовозбуждающиеся колебания в контуре с положительной обратной связью).

Расположение в таких зонах предлагаемых датчиков контроля устойчивости метеоситуации позволит оперативно фиксировать процессы формирования погодных изменений и повысить прогнозируемость протекающих процессов, вплоть до развития катастрофических ситуаций.

Заключение

Изучение сложных процессов самоорганизации сред различного происхождения является одной из самых актуальных задач [12]. Предложенный вариант регистрации таких процессов в атмосфере, кроме практического применения, дал бы возможность фиксировать процессы самоорганизации в сложных средах и в большей степени понимать как из кажущегося хаоса возникает порядок.

Список литературы:

1. Полканов Ю.А. О регулярности структуры неоднородностей рассеяния оптического излучения и их связи с метеопараметрами. Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1985, т. 21, N 7, с. 720-726.
2. Полканов Ю.А О динамике структуры сигнала рассеяния и ее связи с метеоситуацией. Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.1989, т. 25, N 6, с. 599-603.
3. Полканов Ю.А О согласованности изменения  структуры  оптических неоднородностей атмосферы и комплекса метеопараметров. Метеорология и гидрология 1991, N 3, c. 39-48.
4. Полканов Ю.А. Выявление процессов самоорганизации неоднородностей непрерывной среды. На примере лидарных измерений атмосферы. LAP Lambert Academic Publishing ( 2012-11-03 ) ISBN-13:978-3-659-27051-2 ISBN-10:3659270512 EAN:9783659270512 https://www.lap-publishing.com/catalog/details//store/gb/book/978-3-659-27051-2/Выявление-процессов-самоорганизации-неоднородностей-непрерывной-среды
5. Полканов Ю.А. Looking at Remote Sensing the Timing of an Organisation's Point of View and the Anticipation of Today's Problems.Remote Sensing of Planet Earth ISBN 978-953-307-919-6 Edited by: Yann Chemin Publisher: InTech|27/01/ 2012. http://www.intechopen.com/books/remote-sensing-of-planet-earth/sight-at-the-time-organisation-of-remote-sensing-measurements-from-the-point-of-view-of-today-s-prob
6. Полканов Ю.А. Метод выявления аномальной неоднородности в структуре шумоподобного сигнала. Электронный периодический рецензируемый научный журнал «SCI-ARTICLE.RU» http://sci-article.ru №111 (ноябрь) 2022, c. 29 https://sci-article.ru/stat.php?i=1667481392
7. Полканов Ю.А. Remote Sensing of the Self-Organizing Systems by Dark PulseInternational Journal of Remote Sensing Applications 2012 Vol.2 No.3 Online: 2012-09-26 http://www.ijrsa.org/paperInfo.aspx?ID=48
8. Полканов Ю.А. О временной дискретизации сигнала структуры неоднородностей протяженной среды. Электронный периодический рецензируемый научный журнал «SCI-ARTICLE.RU» http://sci-article.ru №110 (октябрь) 2022, c. 63 https://sci-article.ru/stat.php?i=1666770216
9. Полканов Ю.А. Об обработке результатов измерений по методу ассимптотического сигнала. В кн.: VIII Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Тезисы докладов. (Ч.1), Томск, 1984, с. 120-123.
10.  Полканов Ю.А. Структурно-статистический частотный анализ временных рядов. Электронный периодический рецензируемый научный журнал «SCI-ARTICLE.RU» http://sci-article.ru №110 (октябрь) 2022, c. 22 https://sci-article.ru/stat.php?i=1665135403
11.  Волны погоды как их предсказывать? «Техника — молодежи», 1973, № 2, c. 20-23 (интервью с Дьяковым)
12.  Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. — М.: Прогресс, 1986. — 432 с.