Разработка и исследование программных средств обработки радиолокационных данных в автоматизированных системах контроля радиационной обстановки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Ершов, Андрей Николаевич

• Ершов, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ершов, Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННО-ТРАССЕРНЫЕ ПОДСИСТЕМЫ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСАХ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ

1.1 .Применение радиолокации в метеорологии

1.2. Применение радиолокаторов в системах автоматизированного контроля и прогноза радиационной обстановки

1.3. Радиолокационно-трассерный метод измерения диффузионных характеристик атмосферы

1.4. Технические средства и программное обеспечение мобильной радиолокационно-трассерной подсистемы

1.5. Структура подсистемы обработки радиолокационных данных и подсистемы ассимиляции первично обработанных радиолокационных данных в мобильном радиолокационно-трассерном комплексе

1.6. Выводы

ГЛАВА 2. . ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ПРОЦЕДУР ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ПЛОТНОСТИ ОБЛАКА ПАССИВНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ

2.1. Средняя мощность рассеянного поля в приближении однократного рассеяния

2.2. Выражение для принимаемой интенсивности в приближении однократного рассеяния для узкополосного импульса

2.3. Определение оператора радиолокации

2.4. Задача восстановления функции плотности распределения частиц случайного облака как задача радоновской томографии

2.5. Аналитическое выражение для сопряжённого оператора радиолокации

2.6. Задача обращения сопряжённого оператора радиолокации

2.7. Разработка методов восстановления функции плотности облака пассивных радиолокационных отражателей по результатам радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом

2.7.1. Общая постановка задачи

2.7.2. Метод восстановления функции п:отности частиц случайного облака по результатам радиолокационного сканирования плоским лучом

2.7.3. Выбор стабилизирующих функционалов для задачи восстановления функции плотности

2.7.4. Преобразование Радона на сфере (преобразование Минковского-Функа)

2.7.5. Решение интегрального уравнения Абеля

2.7.6. Формула обращения преобразования Минковского-Функа в случае, когда функция на сфере зависит только от переменной углового расстояния до северного полюса

2.7.7. Формула обращения преобразованы Минковского-Функа в общем случае

2.7.8. Формула обращения оператора радиолокации

2.7.9. Формула обращения сопряжённого оператора радиолокации

2.8. Разработка метода первичной обработки данных радиолокационного сканирования облака трассеров с целью оценки его пространственных характеристик по результатам сканирования локатором с осесимметричной диаграммой направленности

2.9. выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ РАДИОЛОКАЦИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ОБЛАКОМ ПАССИВНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ

3.1. Разработка программного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы»

3.1.1. Подсистема первичной обработки данных радиолокационного сканирования трассерного облака с целью оценки его пространственных характеристик

3.1.2. Подсистема ассимиляции радиолокационных данных для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения г.римеси

3.1.3. Описание данных и спецификации программы "Восстановление структуры пограничного слоя атмосферы"

3.1.4. Описание возможностей программного комплекса "Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы"

3.2. Разработка программного комплекса CloudM

3.2.1. Моделирование функции плотности частиц случайного облака

3.2.2. Формирования результатов сканирования облака частиц локатором с плоским лучом

3.2.3. Восстановление функции плотности облака частиц по результатам сканирования локатором с плоским лучом

3.2.4. Моделирование потери мощности принимаемого сигнала с увеличением расстояния до случайного облака частиц и внесение шумов в результаты сканирования

3.2.5. Описание возможностей программного комплекса CloudM

3.3. выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМЫ АССИМИЛЯЦИИ И ПОДСИСТЕМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ПЛОТНОСТИ ОБЛАКА ТРАССЕРОВ МЕТОДАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И НА ОСНОВЕ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ РАДИОЛОКАЦИОННО-ТРАССЕРНОГО КОМПЛЕКСА

4.1. Исследование методов восстановления на основе имитационных экспериментов

4.2. Анализ результатов имитационных экспериментов

4.3. Функционирование программного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы при полевых испытаниях мобильной радиолокационно-трассерной подсистемы

4.4. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование программных средств обработки радиолокационных данных в автоматизированных системах контроля радиационной обстановки»

Одной из важных задач систем контроля радиационной обстановки является прогноз распространения радиоактивной примеси в атмосфере в случае аварийного выброса [36], [3839]. В настоящее время для решения этой задачи широко применяются методы физико-математического моделирования переноса радиоактивных веществ в пограничном слое атмосферы. Основными параметрами пограничного слоя атмосферы, которые используются в большинстве моделей переноса, являются диффузионные параметры, высота пограничного слоя, скорость и направление ветра. Оценка текущего состояния пограничного слоя атмосферы только по данным стандартных метеонаблюдений является недостаточной для построения надёжного прогноза.

В разрабатываемых в настоящее время системах аварийного реагирования при атмосферных выбросах радиоактивных веществ в качестве дополнительного источника информации о состоянии пограничного слоя атмосферы используется радиолокационно-трассерный метод (РТМ) [4], [13-14], [36], [38-39]. Данный метод заключается в диспергировании в исследуемой области пограничного слоя атмосферы сверхлёгких радиолокационных трассеров, представляющих собой тонкие полуволновые диполи из углеродно-графитных материалов, и последующего наблюдения за эволюцией образовавшегося облака пассивной примеси при помощи радиолокатора. При этом предполагается, что поведение трассеров совпадает с поведением примеси. Затем результаты радиолокационного сканирования обрабатываются с целью получения упомянутых выше характеристик пограничного слоя. Кроме того, радиолокационно-трассерный метод может обеспечить натурное моделирование в реальном масштабе времени распространения радиоактивной примеси в начальной стадии выброса, если каким-либо образом обеспечить добавление трассеров к выбросу радиоактивных веществ.

В системах поддержки, использующих радиолокационно-трассерный метод, в настоящее время применяются радиолокаторы с осесимметричной диаграммой направленности [13-14]. Однако при азимутальном и угло-местном сканировании облака пассивных радиолокационных отражателей (ПРО) в принимаемом сигнале наблюдаются искажения распределения концентрации в поперечных и продольных к линии сканирования направлениях, вносимые за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности. Игнорирование этих искажений может приводить к значительным ошибкам при определении характеристик облака ПРО [38]. Поэтому необходимы эффективные методы обработки данных радиолокационного слежения за облаком ПРО, позволяющие учитывать конечную длительность зондирующего импульса и ширину диаграммы направленности.

При использовании радиолокационно-трассерного метода появляется возможность определить в оперативном режиме траекторно-диффузионные характеристики облака трассера (положение центра масс облака, а также продольную и поперечную дисперсии облака), что позволяет проводить уточнение мезомасштабных особенностей переноса и рассеяния примеси. Следовательно, требуется реализовать метод ассимиляция данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере.

Кроме того, при использовании радиолокаторов с осесимметричной диаграммой направленности для получения необходимых интегральных характеристик облака необходимо проводить многократное сканирование. Это требует наличия оператора. Более перспективным представляется применение радара с широкой диаграммой направленности (плоский луч), допускающее автоматический режим. В этом варианте предполагается, что за счёт поворота плоскости луча возможно сканирование в нескольких наклонных по отношению к горизонту плоскостях. В этом случае радиолокационная информация представляет собой интегральные характеристики вдоль плоскости сканирования луча, поэтому нужен метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по этим данным, а также быстрый метод оценки геометрических параметров облака ПРО.

Целыо диссертационной работы является разработка и исследование теоретических подходов и методов создания программных средств обработки данных при радиолокационной поддержке систем контроля радиационной обстановки с целыо восстановления трёхмерной структуры облака ПРО, оценки геометрических характеристик облака ПРО, а также для уточнения параметров прогностических моделей распространения радиоактивной примеси в атмосфере в случае аварийного выброса. Задачи исследования: • разработать теоретические подходы и метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с осесимметричной диаграммой направленности, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности; осуществить его программную реализацию;

• разработать теорию и метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с плоским лучом; реализовать его в виде соответствующего программного обеспечения;

• разработать метод и программное обеспечение для уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере по данным радиолокационного слежения за облаком трассеров;

• провести анализ возможностей использования разработанных программных средств методами имитационного моделирования для их применения в автоматизированных системах контроля радиационной обстановки.

Теоретическая значимость и научная новизна работы. Разработаны методы компьютерной обработки радиолокационных данных, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала, вносимые за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности локатора. Получено аналитическое решение интегрального уравнения радиолокации для локатора с плоским лучом, позволившее создать устойчивые методы восстановления функции плотности частиц облака отражателей. Разработаны методы программного восстановления трёхмерной структуры облака пассивных отражателей по результатам радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом. Предложен и разработан метод компьютерной ассимиляции данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере. Выполнен анализ свойств предложенных методов.

Практическая значимость результатов исследований. Разработанный метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования и метод ассимиляции данных радиолокационных наблюдений реализованы в программном комплексе «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», который используется как часть радиолокационно-трассерной подсистемы, созданной в Федеральном Информационно-аналитическом Центре Росгидромета НПО «Тайфун». Разработанный метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО реализован в программном комплексе С1оийМ и может использоваться в системах поддержки, основанных па радиолокационпо-трассерном методе для локаторов с широкой диаграммой направленности (плоский луч).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Теоретические подходы и метод оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с осесимметричной диаграммой направленности, позволяющие учитывать искажения принимаемого сигнала за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности.

2. Теория и метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования облака локатором с плоским лучом.

3. Метод уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в атмосфере по данным радиолокационного слежения за облаком трассеров.

4. Программный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», реализующий методы оценки геометрических характеристик облака трассеров и метод ассимиляции радиолокационных данных для уточнения параметров распространения примеси в пограничном слое атмосферы.

5. Программный комплекс CloudM, реализующий метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО по данным радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на международном симпозиуме «Off-site Nuclear Emergency Management, Capabilities and Challenges» (Зальцбург, Австрия, 28 сентября - 3 октября 2003 г.) и на «Четвёртой Международной научно-технической конференции "Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики"» - МНТК-2004 (Москва, ВНИИАЭС, 16-17 июня 2004 г.). Апробация работы состоялась на научном семинаре Федерального Информационно-аналитического Центра Росгидромета НПО «Тайфун».

Публикация работ. Основные результаты диссертации достаточно полно опубликованы в 4 научных статьях.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю Д.А. Камаеву и сотрудникам ФИАЦ РОСГИДРОМЕТА НПО "Тайфун" Г.П. Жукову, М.В. Долгову, Г.Н. Фреймундту, Н.В. Клепиковой за предоставленные материалы и помощь в работе.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Ершов, Андрей Николаевич

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны и исследованы теоретические подходы и метод оценки геометрических характеристик и положения центра масс облака трассеров по данным радиолокационного сканирования локатором с осесимметричной диаграммой направленности, который позволяет учитывать искажения принимаемого сигнала, вносимые за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности.

2. Разработаны и исследованы теория и метод восстановления функции плотности по результатам радиолокационного сканирования локатором с широкой диаграммой направленности, использующий стабилизирующие функционалы в качестве линейных ограничений на коэффициенты разложения функции плотности по базисным функциям в сферической системе координат. Метод восстановления функции плотности по неполным данным позволяет проводить требуемые оценки в режиме реального времени.

3. Разработан и исследован метод ассимиляции данных радиолокационных наблюдений для оперативного уточнения параметров прогностической модели распространения радиоактивной примеси в пограничном слое атмосферы: направление и скорость ветра, дисперсия компонент скорости ветра, лагранжев временной масштаб, обобщённый параметр сдвига.

4. Разработанные теоретические подходы и методы оценки геометрических характеристик облака трассеров и ассимиляции данных радиолокационных наблюдений реализованы в виде программного комплекса «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», предназначенного для автоматической обработки радиолокационных данных. Данный программный комплекс используется как подсистема радиолокационно-трассерного комплекса в Федеральном Информационно-аналитическом Центре Росгидромета НПО «Тайфун». Программный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» использовался при проведении в Федеральном Информационно-Аналитическом Центре Росгидромета НПО «Тайфун» ряда натурных радиолокационно-трассерных экспериментов. Использование комплекса показало его эффективную работу в режиме реального времени.

5. Задача восстановления функции плотности частиц облака трассеров по данным радиолокационного сканирования плоским лучом, рассматриваемая в приближении однократного рассеяния, сведена к математической задаче обращения преобразования Радона на сфере (преобразования Мипковского-Функа). Получены явные формулы обращения оператора радиолокации для локатора с плоским лучом, основанные на методах обращения преобразования Минковского-Функа.

6. Задача восстановления функции плотности частиц облака трассеров по неполному набору данных является некорректной и, следовательно, требует соответствующих процедур регуляризации. Для этого разработано семейство алгоритмов восстановления, использующее введение стабилизирующих функционалов в качестве линейных ограничений на коэффициенты разложения функции плотности по набору функций в сферической системе координат.

Для оценки значений стабилизирующих функционалов получены формулы обращения сопряжённого оператора радиолокации. Сформулированы требования на класс ядер стабилизирующих функционалов, обеспечивающие единственность и существование решения сопряжённого уравнения радиолокации.

7. Проведено исследование устойчивости метода восстановления функции плотности частиц облака отражателей по результатам сканирования плоским лучом на имитационных моделях. Для проведения имитационных экспериментов создан программный комплекс С1оиЛМ. Результаты исследования показали, что разработанный метод восстановления функции плотности частиц облака трассеров по результатам радиолокационного сканирования локатором с плоским лучом является устойчивым по отношению к случайным и систематическим ошибкам, неполноте данных. Таким образом, разработанное программное обеспечение может применяться в радиолокационно-трассерных подсистемах, использующих локаторы с плоским лучом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выбросе радиоактивных веществ в атмосферу одной из первоочередных задач системы аварийного реагирования является прогноз распространения радиоактивного облака и динамики изменения радиационной обстановки под воздушным следом облака. Важнейшими параметрами пограничного слоя атмосферы, которые используются в большинстве моделей переноса, являются диффузионные параметры, высота пограничного слоя, скорость и направление ветра.

В разрабатываемых в настоящее время системах аварийного реагирования при атмосферных выбросах радиоактивных веществ в качестве дополнительного источника информации о состоянии пограничного слоя атмосферы используется радиолокационно-трассерный метод.

В системах поддержки, использующих радиолокациоино-трассерный метод, в настоящее время применяются радиолокаторы с осесимметричпой диаграммой направленности. Однако при азимутальном и угло-местном сканировании облака пассивных радиолокационных отражателей в принимаемом сигнале наблюдаются искажения распределения концентрации в поперечных и продольных к линии сканирования направлениях за счёт конечной длительности зондирующего импульса и ширины диаграммы направленности. Для учёта этих искажений разработан метод обработки данных радиолокационного слежения за облаком ПРО, позволяющий учитывать конечную длительность зондирующего импульса сигнала и ширину диаграммы направленности.

Использование радиолокаторов с осесимметричной диаграммой направленности исключает автоматический режим сканирования и требует присутствия оператора. В системах радиолокационной поддержки предполагается использование радаров с широкой диаграммой направленности (плоский луч), допускающее автоматический режим. Для этого случая построен метод восстановления функции плотности облака ПРО по результатам сканирования локатором с плоским лучом.

В теоретической части работы показано, что задача восстановления функции плотности частиц облака ПРО по результатам сканирования локатором с плоским лучом может быть сведена к задаче обращения преобразования Радона на сфере (преобразования Минковского-Функа). Получены явные формулы обращения оператора радиолокации для радара с плоским лучом, а также сопряжённого к нему оператора. Сформулированы условия на класс функций, для которого задача обращения оператора радиолокации является корректной.

Основной целью диссертационной работы была разработка и исследование теоретических подходов и методов создания программных средств обработки данных при радиолокационной поддержке систем контроля радиационной обстановки. Полученные методы оценки геометрических характеристик облака ПРО по данным радиолокационного сканирования и ассимиляции данных радиолокационных наблюдений реализованы в программном комплексе «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы», который используется в радиолокационно-трассерпой подсистеме информационно-измерительного комплекса контроля распространения примеси, разработанного в Федеральном Информационно-аналитическом Центре РОСГИДРОМЕТА НПО «Тайфун». Метод восстановления трёхмерной структуры облака ПРО реализован в программном комплексе С1ои(1М и может использоваться в системах поддержки, использующих радиолокационно-трассерный метод, для локаторов с широкой диаграммой направленности (плоский луч).

Радиолокационно-трассерный комплекс по результатам слежения за облаком СРТ непосредственно оценивает геометрические параметры облака, по которым разработанный комплекс «Восстановление параметров пограничного слоя атмосферы» определяет основные параметры переноса и рассеяния на высоте выброса. Эти параметры сразу могут быть использованы для уточнения модельных расчётов возможных уровней загрязнения приземного воздуха и подстилающей поверхности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ершов, Андрей Николаевич, 2004 год

1. Архангельский А.Я. Программирование в С++ Builder 6. М.: Бином, 2002.

2. Бабенко К.И. Основы численного анализа. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1986.

3. Белов Н.П. Метеорологические радиолокационные станции. Л., Гидрометеоиздат, 1976.

4. Вызова H.JL, Жуков Г.П., Мазурин Н.Ф., Юрчак Б.С. Экспериментальная оценка параметров диффузии пассивной примеси от мгновенного высотного источника в нижней части пограничного слоя атмосферы. Труды ИЭМ. 1994. Вып. 57 (159), с. 3-17.

5. Васильев A.M. Теория дифференциально-геометрических структур. М.: Издательство Московского Университета, 1987.

6. Винер Н. Интеграл Фурье и некоторые его приложения. М.: Физматгиз, 1963.

7. Владимиров B.C. Обобщённые функции в математической физике. М.: Наука, 1979.

8. Гельфанд И.М, Гиндикин С.Г., Граев М.И. Избранные задачи интегральной геометрии. -М.: Добросвет, 2000.

9. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. -Пер. с англ. JL: Гидрометеоиздат, 1988.

10. Дулевич В.Е., Коростелев A.A., Мелышк Ю.А., Буренин Н.И., Петров A.B., Веретягин A.A., Бандурко Н.Г. Теоретические основы радиолокации. — М.: Советское радио, 1964.

11. Ершов А.Н., Камаев Д.А. Восстановление трёхмерной структуры объекта по результатам сканирования широким лучом как задача радоновской томографии. — Труды ИЭМ, вып. 23(165), 2002, с. 23-28.

12. Ершов А.Н. Процедура оценки пространственных характеристик облака пассивных отражателей по данным радиолокационного сканирования. Известия высших учебных заведений, ядерная энергетика. Обнинск, №2, 2003, с. 61-67.

13. Жуков Г.П., Юрчак Б.С. Диффузия пассивной примеси в пограничном слое атмосферы по радиолокационным данным. Известия АН. Физика атмосферы и океана, 1994, т. 30, № 4, с. 451-457.

14. Жуков Г.П., Юрчак Б.С. Оценка возможности определения местоположения и конфигурации облака вредных атмосферных выбросов промышленных предприятий радиолокационным методом. Метеорология и гидрология, 1993, № 12, с. 94-100.

15. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Теория и приложения. ТИИЭР, 1977, т.65, №7.1617,18,19.