CC BY
56
УДК 551.501.815
Белов А.В., Чайковский В.М,
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОБНАРУЖЕННОГО МЕТЕООБРАЗОВАНИЯ
Описан приём идентификации обнаруженного метеообразования посредством классификации его по прямым значениям получаемым МРЛ и радиолокационным свойствам принятого сигнала, что в совокупности позволяет значительно повысить достоверность метеопрогноза.
Ключевые слова:
метеорологическое образование, ослабление сигнала, отражательная способность, распределение единичных отражателей.
При обнаружении метеообразования (МО) с помощью допплеровского метеорадиолокатора (МРЛ), рассмотренного в [1], обеспечение большей степени достоверности оценки его опасности, достигается использованием характеристики формы облаков данных МО и связанных с ними явлениями.
Последнее основывается на учете характеристик кучево-дождевых облаков приведенных в соответствии с классификацией Всемирной метеорологической организации [2], в которой выделяются три типа очагов интенсивного каплеобразо-вания, обладающие следующими отличительными признаками.
Параметр Одноячейковые Многоячейковые Суперячейковые
Продолжительность До 1 До 1,5 До 4
существования, час.
Высота верхней гра- 8-12 10-14 12-16
ницы, км.
Размер поперечного 5-20 20-40 20-40
сечения, км.
Характер метеоявле- Ливень, гроза, Сильный ливень, гроза, Катастрофический ливень,
ния град град град, торнадо, сдвиг ветра
Синоптическая ситу- Малоградиентное Холодные фронты (основ- Холодный фронт, фронт окклю-
ация барическое поле ные и вторичные) зии (образование ливня)
В большинстве практических случаев классификация МО осуществляется по указанным признакам, однако, предложенный ранее в [1] МРЛ позволяет оценивать и другие радиолокационные характеристики, дающие возможность более оперативно и с повышенной достоверностью прогнозировать погоду.
В [3] утверждается, что наземные измерения осадков в ливниевых дождях возможно производить только в диапазоне длин волны зондирующего сигнала от 5,5 м и выше с шириной диаграммы направленности приёмопередающей антенны не превышающей 2 градусов, что полностью соответствует техническим параметрам допплеровского МРЛ, предложенного в [1].
При дальнейшем анализе полученной радиолокационной информации следует иметь в виду, что наблюдения за облаками и осадками с помощью МРЛ относятся не к прямым, а к косвенным наблюдениям, потому что на экране индикатора оператор будет наблюдать не реальную картину расположения облаков и осадков, а лишь совокупность отраженных (радиолокационных) сигналов, отображающихся в виде засветок на экране индикатора [4].
Объективная информация о МО, получаемая с помощью МРЛ может быть получена с учетом статистических зависимостей, накопленных в результате многочисленных экспериментальных исследований. В этом случае будут наблюдаться устойчивые, хорошо проявляющиеся связи между физическими характеристиками МО с присущими им атмосферными явлениями в соответствующие им радиолокационные изображения. Использование в качестве критериев распознавания отдельных радиолокационных признаков, как правило, не дает достаточной гарантии распознавания наблюдаемых МО [4]. Поэтому проведение объективного метеорологического анализа первичных радиолокационных данных основывается на использовании нескольких радиолокационных признаков.
В предложенном в [1] МРЛ, оцениваются радиолокационные признаки с присущими им наиболее устойчивыми статистическими связями, существующими между формами МО и их радиолокационными характеристиками, такими как:
- геометрические размеры радиолокационного изображения и его пространственное распределение;
- значение радиолокационной отражаемости и характеристики изменения её по высоте.
Спектр частиц, определяющих водность и интенсивность осадков будет определять и средний диаметр объема МО. Поэтому для идентификации последнего требуется определить отражаемость и ослабление зондирующего сигнала, вызываемое самим МО. Для этого необходимо знать характер распределение данных частиц, образующих МО, по размерам и по их связи с физическими характеристиками самого МО и вызываемыми ими осадками [3].
МО отображаемые на индикаторе кругового обзора МРЛ, будут иметь различный характер яркост-ного изображения. Однако накопленная статистика практической метеорадиолокации дает возможность выделить несколько характерных типов изображения. Грозовые и ливневые очаги в кучево-дождевых облаках имеют наиболее яркие изображения в виде пятен неправильной формы (чаще овальной) с четко выраженными краями. Если эти пятна беспорядочно разбросаны по площади экрана индикатора, то грозы и ливни являются внутримассовыми. Если же они вытянуты в виде одной, двух или трех цепочек, то грозы и ливни будут вызваны атмосферными фронтами. Слоисто-дождевые и высокослоистые облака дают на центральной части изображения большое светлое пятно неправильной формы с сильно размытыми краями [4].
Основными радиолокационными признаками куче-вообразных облаков и явлений, связанных с ними являются:
- максимальная высота верхней границы радиоэха (Hmax);
- значение отражаемости
- вертикальный профиль отражаемости (у), т.е. распределение по высоте.
Применительно к уравнению мощности сигнала, отражаемого отдельной точечной целью Pr = в*а / г4 , где в - постоянная, зависящая от параметров радиолокационной системы, г - дальность, а - эффективная площадь отражения цели, получаем, что отраженный сигнал несет в себе информацию, необходимую для идентификации МО. Для распределенных целей, какими являются МО, а = г^, где п -отражательная способность цели в единицах площади сечения на единицу объема, а V - объем. Тогда величина п представляет собой сумму удельных единичных N-ых отражателей [5].
Согласно [3], отражательная способности МО
будет описываться выражением вида ц =
, где Di - диаметр ^той капли, |^|2 -
величина, характеризующая комплексную диэлектрическую проницаемость частиц, и имеет занчения 0,93 для водной фазы и 0,197 для фазы льда.
Из данного выражения можно определить отражательную способность как 2 = но удобнее её рассматривать как непрерывную функцию распределения капель или частиц 2 = /0 п(В)ВвйВ [3].
Надо учесть потери мощности сигнала в антенне на приемной стороне, принимая её равной Lr (2 дБ), тогда согласно [3], значение множителя отражения в единицах мощности принимаемого сигнала будет равно:
2=[Ю2^\п2Х21г/Р1Сгв^стп31К\1Рггг , где А -длинна волны зондирующего сигнала, Pr - мощности отраженного сигнала, G - коэффициент усиления антенны, 0 и ср - угловые размеры диаграммы направленности антенны РЛС в азимутальной и уг-ломестной областях соответственно, с - скорость распространения сигнала, т - длительность зондирующего импульса РЛС, Pt - максимальная мощность излучения, г - наклонная дальность [3].
Данная математическая операция реализуется в автоматическом режиме при помощи контроллера, путём помещения им в последнее уравнение значений величин, таких как дальность г и мощность принимаемого сигнала Pr.
Один критерий, не обеспечивает должной достоверности оценки МО, так, в диапазоне высот от 2 до 10 км с различной степенью вероятности можно ожидать ливневые и обложные осадки, грозы[4].
Облака разных форм различаются по вертикальному профилю отражаемости. В слоисто-дождевых облаках отражаемость от нижней границы облаков возрастает до уровня нулевой изотермы, где достигает максимального значения, а затем уменьшается с высотой. В кучево-дождевых облаках интенсивность радиоэха незначительно изменяется с высотой. Максимальное значение отражаемости зависит от высоты расположения ядра наиболее крупных частиц, образующих МО [5]. А высота этого уровня будет зависеть от интенсивности вертикальных движений в облаке, т. е. от стадии его развития. В грозовых облаках Zmax располагается обычно выше, чем в ливневых облаках. При выпадении осадков радиоэхо опускается до земной поверхности.
В таблице приведены среднестатистические радиолокационные значения, определяющие присущий кучево-дождевым облакам характер [3].
Вид явлений Н, км lgZmax у, км 1
Гроза 7,7 4,5 0,45
Ливень 5,0 3,3 0,94
Обложные осадки 4,0 2,3 2,30
Через у обозначен вертикальный градиент логарифма отражаемости.
Из таблицы видно, что грозовые очаги имеют наибольшую высоту, наибольшую отражаемость и наименьшее значение вертикального градиента логарифма отражаемости, именно оценка всех трех радиолокационных признаков обеспечивает адекватную оценку однозначной идентификации МО.
Обычно используется комплексный обобщенный критерий, для определения вертикального градиента логарифма отражаемости [3]:
у = Hmax»lgZ3, где Hmax - максимальная высота радиоэха; Z3 - отражаемость на высоте выше уровня нулевой изотермы на 2-2,5 км.
Помимо требуемых радиолокационных характеристик необходимо использовать ещё и дополнительную аэрологическую информацию, такую как высота изотермы, свидетельствующую об уровне начала массовой кристаллизации облачных элементов (-22о С). Для образования грозового кучево-дождевого облака [4] необходимо, чтобы его верхняя часть развивалась выше уровня изотермы. При радиолокационных наблюдениях МО вертикального развития и связанных с ними явлениями, МРЛ будет подразделять МО на три группы и выводить свой прогноз на экран индикатора со сводкой всех данных необходимых для оператора, таких как [5,7]:
I — градоопасные кучево-дождевые облака и грозовые облака с градом;
II — грозоопасные кучево-дождевые облака и ливневый дождь с грозой;
III — кучево-дождевые облака с ливнем и мощные кучевые облака.
Облака вертикального развития будут сопровождаться грозой и градом, если:
lgZ3 ^ 4,5; комплексный критерий y ^ 40; высота радиоэха равна высоте тропопаузы или превышает ее при lgZ3 ^ 3,5.
Рисунок 1 - Алгоритм идентификации обнаруженного метеообразования
Для распознавания грозоопасных кучево-дожде-вых облаков и ливневого дождя с грозой традиционно используются следующие критерии [5]:
1) в теплое время года: lgZ2 ^ 3,5; lgZ3 ^ 3,0 при высоте радиоэха более 2 ^ 2,5 км над уровнем нулевой изотермы; вероятность грозы более 90%; 10 ^ у ^ 20 - вероятность грозы менее 70%; 20 ^ у ^ 25 - вероятность грозы 75-80%; у >25 - вероятность грозы более 90%;
2) в холодное время года: lgZ3 > (2 - 2,5) при четко выраженном радиоэхе кучевообразных облаков (РКО) на высоте более 4-6 км.
Для идентификации мощных кучевых облаков и кучево-дождевых облаков с ливнями критериями являются:
1) в теплое время года: 6 ^ у < 10 ливневые осадки с вероятностью 70-90%, если lgZ1 ^ 0 (при 6 ^ у < 10 ) вероятность ливневых осадков в радиусе до 90 км составляет 90-95%. При наличии нижней границы РКО, lgZ1 < 0, у < 6 фиксируются кучево-образные облака без метеоявлений.
2) в холодное время года: при lgZ1 ^ 1,3 фиксируется ливневый снег в радиусе до 90 км с вероятностью более 90%; при 0,7 < lgZ1 ^ 1,3 фиксируется ливневый снег с вероятностью 30-70%; при -0,3 ^ lgZ1 ^ 0,7 фиксируется обложной снег в радиусе до 90 км.
Идентификация МО в МРЛ предложенном в [1] должна осуществляться в строгом соответствии с алгоритмом (Рис.1), в котором показана последовательность анализа параметров идентификации МО, идущая двумя параллельными этапами. Первый определяет тип метеообразования по очагам конвекции капель, а второй проводит статистическую обработку, в которой производятся вычисления и определяется тип МО на основе радиолокационных данных, таких как максимальная высота верхней границы радиоэха ( Hmax), значение отражаемости ( Z), вертикальный профиль отражаемости (y). Полученные в итоге по данному алгоритму выводы о характере МО, будут отображены на дисплее и сопоставляя их с яркостным изображением самого метеообразования на индикаторе кругового обзора МРЛ, оператор делает вывод о типе обнаруженного атмосферного явления.
В алгоритме идентификация обнаруженного ме-теобразования основана на сопоставлении данных, полученных МРЛ в результате измерения с пороговыми значениями, что может быть выполнено на логических элементах. Если данное значение не удовлетворяет условию, а так же радиолокационная идентификация МО. Всё это реализуется на программируемом микроконтроллере на базе CompactRIO и Single-Board RIO [6].
ЛИТЕРАТУРА
1. Белов А.В., Чайковский В. М. "Метеорологический допплеровский радиолокатор" - Тр. междунар. симпозиума "Надежность и качество" Т. 2, Пенза, 2015 г.
2. Официальный сайт Всемирной метеорологической организации www.wmo.int
3. Справочник радиолокации. Книга 2 под. ред. Меррилла И. Сколкина. Москва 2014
4. Возможности метеорологических радиолокаторов в обнаружении облачности и опасных явлений погоды Н. А. Калинин, А. А. Смирнова Удк 551.501.8:551.576 Пермский государственный университет.
5. Радиолокационные характеристики облаков и осадков. Г.Б. Брылёв, С. Б. Гашина, Г. Л. Низдой-минога. Ленинград 1986.
6. Платформы CompactRIO и Single-Board RIO. National Instruments. 2015 г.
7. Обеспечение помехоустойчивости информационных коммуникаций в интеллектуальной радиолокационной системе / А. Н. Якимов, В. Б. Лебедев // Научный журнал Изв. высш.уч.завед. Поволжский регион.-2012.-№1.
УДК 004.75
^хамбетов А.М., Рыбаков И.М., Горячев Н.В.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ОХЛАЖДАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА
Рассмотрена классификация систем охлаждения электрорадиоизделий и электронных средств. Приведены особенности отдельных способов охлаждения. Проанализированны возможности дальнейшего развития средств охлаждения. Ключевые слова:
теплоотвод, радиатор, система охлаждения.
Одна из тенденций современной электроники -уменьшение габаритов устройств при одновременном росте требований к их производительности (функциональной сложности) и надежности. При этом размещение большого числа энергопотребляемых электронных модулей на малой площади приводит к их интенсивному нагреву. Поэтому все актуальнее становится проблема эффективного охлаждения электронных средств [1]. Прослеживается настоятельная необходимость развития теории создания надежных систем отвода тепла от электронных компонентов.
Системы охлаждения принято разделять на две основные группы: пассивные системы охлаждения и активные системы охлаждения [1].
Для пассивных методов характерен естественный путь отвода тепла - конвекцией, теплопроводностью и излучением. В активных методах используется активный теплоотвод с применением вентиляторов, термоохладителей или омывающих жидкостей.
Самый простой способ охлаждения ЭРИ - пассивный теплоотвод с применением радиаторов. Он основан на явлениях теплопроводности материалов, естественной конвекции и теплового излучения [1, 3] . Размеры полупроводникового кристалла, как активного тепловыделяющего элемента, также как и размеры резистивных элементов имеют небольшие поверхности, чтобы конвекции было достаточно для их охлаждения. При закреплении корпуса ЭРИ на радиаторе многократно увеличивается площадь
охлаждаемой поверхности. За счет теплопроводности тепло от корпуса ЭРИ передается металлическому радиатору. Далее теплоотдача от радиатора осуществляется конвективным и лучистым теплообменом. По конструкции различают пластинчатые, ребристо-пластинчатые, игольчатые радиаторы (рисунок 1). Для естественной конвекции лучшей является игольчатая конструкция, как обладающая наибольшей площадью теплоотдачи.
а) б)
Рисунок 1 - Конструкция радиаторов: а- ребристый; б - игольчатый.
Метод естественного охлаждения не требует затрат энергии, при его реализации ничто не движется, а, следовательно, не ломается. Это обеспечивает его надежность и простоту. Недостаток - низкая эффективность охлаждения и большие габариты: на 1 Вт мощности требуется поверхность охлаждения 25 - 30 см2.
