Исследование оптических свойств дождевых капель и разработка измерительных средств дистанционного определения микроструктуры осадков
Диссертация
В настоящее время для решения задач определения микроструктуры осадков используется широкий спектр устройств, начиная от простых контактных датчиков, заканчивая сложными доплеровскими радиолокационными станциями, и специализированными видеосистемами 2D-VIDEO. Одним из первых приборов контактного типа был зонд Стаббса (U.S. Pat. No 2,825,875, Stubbs), в данном устройстве размер капли определялся… Читать ещё >
Содержание
- 1. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ОСАДКОВ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
- 1. 1. Контактные методы определения размеров частиц. Цифровой дисдрометр, электромагнитный дисдрометр ударного типа ^
- 1. 2. Радиолокационные методы дистанционного измерения интенсивности осадков. Доплеровские метеорологические станции
- 1. 3. Оптические методы дистанционного определения микроструктуры осадков. Оптические дисдрометры
- 1. 4. Выводы
- 2. РАСЧЕТ ИНДИКАТРИС РАССЕЯНИЯ В ПЕРЕДНЮЮ ПОЛУСФЕРУ НАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ ДОЖДЕВЫХ КАПЕЛЬ. СФЕРИЧЕСКОЙ И НЕСФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
- 2. 1. Описание математической модели поведения осциллирующих дождевых капель при падении в атмосфере
- 2. 2. Описание методики расчета индикатрисы рассеяния для несферических дождевых капель
- 2. 3. Результаты расчетов индикатрис рассеяния с учетом статических и динамических деформаций. Расчет отклонений индикатрис деформированных капель от индикатрисы рассеяния сферической капли
- 2. 4. Выводы
- 3. РАЗРАБОТКА МАКЕТА ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ОСАДКОВ. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ПРИБОРА
- 3. 1. Расчет оптической схемы измерения. Описание оптической части прибора ^
- 3. 2. Технические характеристики оптического измерителя микроструктуры осадков, особенности построения отдельных узлов прибора rjQ
- 3. 3. Принцип работы и алгоритм определения микроструктуры осадков. Разработка программного обеспечения ^
- 3. 4. Выводы
- 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ОСАДКОВ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ И НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
- 4. 1. Лабораторные испытания макета измерителя микроструктуры. Калибровка прибора
- 4. 2. Результаты натурных измерений в дождях различной интенсивности, сравнение с результатами, полученными классическими методами
- 4. 3. Предложения по модернизации макета измерителя микроструктуры осадков. Сравнительные характеристики аналогичных приборов данного класса
- 4. 4. Выводы
- 5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Список литературы
- Denis P. Donnelly Digital disdrometer. U.S. Pat. No 4,477,917. Saratoga Springs N.Y., 1984.
- Stubbs U.S. Pat. No 2,825,875.
- E. A. Baltas, M. A. Mimikou The use of the Joss-type disdrometer for the derivation of Z-R relationships. Proceedings of ERAD, 2002, p. 291−294.
- Marshall J.S., Palmer W. M., 1948. The distribution of raindrops with size. J. Meteor. 5, 165−166.
- G. Peters, B. Fischer, T. Andersson Rain observations with a vertically looking Micro Rain Radar (MRR). Boreal Env. Res. 7:353−362. ISSN 1239−6095, 2002.
- M. Loffler-Mang, M. Kunz, W. Schmid On the Performance of a Low-Cost It-Band Doppler Radar for Quantitative Rain Measurement, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. Vol. 16., March 1999. 379−387
- M. Schonhuber, W.L. Randeu, H.E. Urban, J.P.V. Poiares Baptista Field measurements of raindrop orientation. JOANNEUM RESEARCH Institute of Applied Systems Technology, Graz, Austria
- Optical precipitation sensor laser based disdrometer. Scintec AG, Germany, http: Wwww.scintec.com
- Laser precipitation monitor (Disdrometer). Adolf Thies GmbH & Co. KG, Or-dercode: 5.4110.00.000, http://www.thiesclima.com
- R. Gunn, G.D. Kinzer The terminal velocity of fall for water droplets in stagnant air. J. of Meteorology, Vol. 6, 1949, 243−248
- B. Molle Characterising droplet distribution of an irrigation sprinkler water application. International commission on irrigation and drainage. Q.50, R. 3.02. Eighteenth Congress Montreal 2002.
- Ting-I Wang, Weather identifier and visibility sensor, U.S. Patent 5.444.530, 1995
- Chandrasekar V., William A. Cooper, Bringi V.N. Axis ratios and oscillations of raindrops // J. Atmos. Sci. 1988. V. 45. № 8. P. 1323−1333.
- B.B. Стерлядкин Рассеяние света дождевыми каплями // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 5. С. 534−538.
- В.В. Стерлядкин Индикатрисы рассеяния эллипсоидальных капель воды // Оптика и спектроскопия. 1990. т. 69. вып. 6. с. 1357−1392.
- K.V. Beard, С. Chuang A numerical model for the equilibrium shape of electrified raindrops //J. Atmos. Sci. 1990. V. 47(11). P. 1374−1389.
- K.V. Beard, C. Chuang A new model for the equilibrium shape of raindrops // J. Atmos. Sci. 1987. V. 44(11). P. 1509−1524.
- M. Schonhuber About Interaction of Precipitation and Electromagnetic Waves // Doctoral Thesis, TechnicaUniversity Graz, Austria. 181 p. Nov. 1998.
- K.C. Шифрин Рассеяние света в мутной среде. Л.: Гостехтеоретиздат, 1951.288 с.
- V. Sterlyadkin and A. Gluschenko, Reconstruction of rain microstructure from spectrum of scattering light, Abstract EGS02-A-3 831, Nice France, 2002.
- Глущенко А. С. Измерительный комплекс дистанционного определения микроструктуры дождя, Сборник трудов молодых ученых специалистов МГАПИ № 4, Москва 2002.
- А.С. Глущенко, В. В. Стерлядкин, Оптический измеритель микроструктуры осадков // XXI Всероссийский симпозиум «Радиолокационное зондирование природных сред», тез.докл. Санкт-Петербург, 2003
- А.С. Глущенко, Расчет индикатрис рассеяния дождевых капель для передней полусферы наблюдения при горизонтальном освещении, Сборник трудов молодых ученых специалистов МГАПИ № 6, Москва 2004.
- А.С. Глущенко, В. В. Стерлядкин, Оптический измеритель микроструктуры осадков, Сборник трудов молодых ученых специалистов МГАПИ № 6, Москва 2004.
- А.С. Глущенко Рассеивающие свойства дождевых капель в переднюю полусферу наблюдения, Приборостроение ./Межвузовский сборник научных трудов, Москва МГАПИ, 2004
- М. I. Mishchenko and L. D. Travis, «Light scattering by polidispersions of randomly oriented spheroids with sizes comparable to wavelengths of observation,» Appl. Opt. 33, 7206−7225, (1994).
- M. I. Mishchenko, J. W. Hovenier, and L. D. Travis, Light Scattering by Non-spherical Particles (Academic, San Diego, Calif., 1999).
- K. Andsager, К. V. Beard, and N. S. Laird, «A laboratory study of oscillations and axis ratios for large raindrops,» J. Atmos. Sci. 56, 2673−2683 (1999).
- R. J. Kubesh and К. V. Beard, «Laboratory measurements of spontaneous oscillations for moderate-size raindrops,» J. Atmos. Sci. 50, 1089−1098, (1993).
- G. Zhang, J. Vivekanandan, E. Brandes A Method for Estimating Rain Rate and Drop Size Distribution from Polarimetric Radar Measurements. IEEE Transactions on geoscience and remote sensing, vol. 39, №. 4, April 2001
- N. J. Barrowman, R. A. Myers Raindrop Plots: A New Way to Display Collections of Likelihoods and Distributions. The American Statistician, July 11, 2003.
- К. B. Earnshaw, Ting-I Wang, R. S. Lawrence, and R. G. Greunke A Feasibility Study of Identifying Weather by Laser Forward Scattering. J. of App. Meteor. Vol. 17, No. 10, pp. 1476−1481.
- Ting-I Wang, R. Lataitis, R. S. Lawrence, and G. R. Ochs Laser Weather Identifier: Present and Future. J. of App. Meteor. Vol. 21, No. 11, pp. 17 471 753.
- Ali Tokay and Kenneth V. Beard A Field Study of Raindrop oscillations. Part I: Observation of Size Spectra and Evaluation of Oscillation Causes. J. of App. Meteor. Vol. 35, No. 10, pp. 1671−1687.
- Г. Корн и Т. Корн Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. Издательство «Наука», 1973.
- Б.М. Яворский, А. А. Детлаф Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М. Издательство «Наука», 1974.
- В.И. Каганов Компьютерные вычисления в средах Exell и Mathcad. Горячая линия Телеком, 2003.
- М. Семененко Математическое моделирование в MathCad. М. Альтекс-А 2003.
- Н. П. Гвоздева, К. И. Коркина «Прикладная оптика и оптические измерения», Москва, «Машиностроение», 1976 г.
- Н. Матвеев «Оптика», Москва, «Высшая школа», 1985.
- М. И. Апенко, И. П. Араев и др. «Оптические приборы в машиностроении», Справочник, «Машиностроение», 1974.
- Ю.Г. Якушенков Теория и расчет оптико-электронных приборов. М. «Машиностроение», 1989.
- Р.Дж. Киес Фотоприемники видимого и ИК диапазонов. М. «Радио и связь», 1985.
- Л.И. Фукс-Рабинович, М. В. Епифанов Оптико-электронные приборы. Л. «Машиностроение», 1979.
- В. А. Панова Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л. «Машиностроение», 1980.
- Н.И. Воробьев Проектирование электронных устройств. М. «Высшая школа», 1989.
- В. Разевиг Система проектирования цифровых устройств OrCAD. М. Со-лон-Р 2000.
- Р. Отнес, Л. Эноксон Прикладной анализ временных рядов. М. Издательство «Мир», 1982.
- Бутиков Е. Оптика. Учебное пособие для студентов физических специальностей вкузов.2-е. изд. BHV-Санкт-Петербург, 2003.
- А.К Гребнев Оптоэлектронные элементы и устройства. М. издательство Радио и связь, 1998.
- Ю.Ф. Опадчий Аналоговая и цифровая электроника. Полный курс. Учебник для ВУЗов. М. Горячая линия-Телеком, 2003.
- В. Никамин Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Справочник. М. КОРОНА принт, 2003.
- Oliver N. Ross and Stuart G. Bradley Model for optical forward scattering by nonspherical raindrops. Applied Optics Vol. 41, No. 24 / 20. August 2002.
- А. Хомоненко Delphi 7 BHV-Санкт-Петербург, 2003.
- Дарахвелидз Программирование в Delphi 7. BHV-Санкт-Петербург, 2002.
- В.H. Павлов Схемотехника аналоговых электронных устройств, 2-е изд. М. Горячая линия-Телеком, 2002.
- Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем. М. Горячая линия Телеком, 2000.
- A. Tokay Comparison of Drop Size Distribution Measurements by Impact and Optical Disdrometers. J. of App. Meteor. Vol. 40, No. 11, pp. 2083−2097.
- H.R. Pruppacher Microstructure of Atmospheric Clouds and Precipitation in Clouds: Their Formation, Optical Properties and Effects, P. Hobbs and A. Deepak, eds., Academic Press, 1981.
- A. Tokay Rain Gauge and Disdrometer Measurements during the Keys Area Microphysics Project (KAMP). Journal of Atmospheric and Oceanic Technology: Vol. 20, No. 11, pp. 1460−1477.
- G. J. Ciach Local Random Errors in Tipping-Bucket Rain Gauge Measurements. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology: Vol. 20, No. 5, pp. 752−759.
- M. Grossklaus, K. Uhlig, L. Hasse An Optical Disdrometer for Use in High Wind Speeds. J. of Atmos. and Oceanic Technology: Vol. 15, No. 4, pp. 10 511 059.
- M. Loffler-Mang An Optical Disdrometer for Measuring Size and Velocity of Hydrometeors. J. of Atmos. and Oceanic Technology: Vol. 17, No. 2, pp. 130 139.
- A. Kruger and W. F. Krajewski Two-Dimensional Video Disdrometer: A Description. J. of Atmos. and Oceanic Technology: Vol. 19, No. 5, pp. 602−617.
- T.A. Seliga, K. Aydin, and H. Direskeneli Disdrometer Measurements during an Intense Rainfall Event in Central Illinois: Implications for Differential Reflectivity Radar Observations. J. of App. Meteor.: Vol. 25, No. 6, pp. 835−846.
- G. M. Mcfarquhar and R. List The Effect of Curve Fits for the Disdrometer Calibration on Raindrop Spectra, Rainfall Rate, and Radar Reflectivity. J. of App. Meteor.: Vol. 32, No. 4, pp. 774−782.
- V. Chandrasekar Multiple Disdrometer Observations of Rainfall. Journal of Applied Meteorology: Vol. 30, No. 11, pp. 1514−1520.
- Hauser D., Amayenc P., Nutten В., Waldtenfel P., 1984. A new optical instrument for simultaneous measurements of raindrop diameter and fall speed disdtributions. J. Atm. Oc. Tech. 1, 256−269.
- Knollenberg R.G., 1970. The optical array: an alternative to scattering or extinction for airborne particle size determination. J. Appl. Met. 9, 86−103.
- Salles C., Creutin J.D., Sempere Torres D., 1998. The optical spectropluvi-ometer revisited. J. Atm. Oc. Tech. 15, 1215−1222.
- Sheppard B.E., 1990. The measurement of raindrop size distributions using a small Doppler radar. J. Atm. Oc. Tech., 7, 255−268.
- Sempere Torres D., Porra J., Creutin J.D., 1994. A general formulation for rain drop size distribution. J. Appl. Met. 33, 1494−1502.
- Sempere Torres D., Porra J., Creutin J.D., 1998. Experimental evidence of a general description for raindrop size distribution properties. J. Geoph. Res. 103, D2, 1785−1797
- Ulbrich C., 1983. Natural Variations in the analytical form of the raindrop size distribution. J. Clim and Appl. Met. 22, 1764−1775.
- JI. M. Левин, И. В. Литвинов Физика облаков, осадков и активных воздействий, М. Гидрометеоиздат, 1970.
- Л. Ф. Порфирьев Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах, Л. 1989.
- Л. Ф. Порфирьев Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем, Л. 1984.
- С.П. Авдеев Анализ и синтез оптико-электронных приборов. Санкт-Петербург 2000.
- Illingworth A.J., Stevens C.J., 1987. An optical disdrometer for the measurement of raindrop size spectra in windy conditions. J. Atm. Oc. Tech. 4,411 421.
- Г. В. Креопалова, Н. Л. Лазарева, Д. Т. Пуряев, Оптические измерения, Москва «Машиностроение» 1987.
- К.С. Шифрин Таблицы по светорассеянию, Л. 1968 г.
- К.С. Шифрин Оптические методы исследования океанов и внутренних водоемов, Наука, М., 1979 г.
- В.Е. Зуев Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере, М., 1970 г.
- В.Е. Зуев Распространение лазерного излучения в атмосфере, М., 1981 г.
- В.Е. Зуев Проблемы оптики атмосферы, Новосибирск, 1983 г.
- В.Е. Зуев Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей, М., 1966 г.
- В.Е. Зуев Сигналы и помехи в лазерной локации, М., 1985 г.
- В.Е. Зуев Аппаратура и методики дистанционного зондирования параметров атмосферы, Новосибирск, 1980 г.
- В.Е. Зуев, М. В. Кабанов Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех), М., 1977 г.
- М. Е. Левинштейн Шум 1 /f в полупроводниках и полупроводниковых приборах, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, С. Петербург, стр. 78−84.