Моделирование влияния микрофизических характеристик дымового аэрозоля на приборное обнаружение наземных объектов Текст научной статьи по специальности «Физика»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИКРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЫМОВОГО АЭРОЗОЛЯ НА ПРИБОРНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Н.И. Борисов, доцент, к.т.н., доцент В.В. Андронников, преподаватель, к.г.н., доцент

П.Д. Савченко, преподаватель ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г.Воронеж

В соответствии с математической моделью, описывающей обнаружение стационарных плоскостных наземных объектов через аэрозольные слои с помощью лазерных систем видения (ЛСВ) с борта летательного аппарата (ЛА), изложенной в [1], было проведено исследование влияния устойчивости атмосферы, концентрации, микрофизических и оптических характеристик аэрозольных дымовых слоев на характеристики обнаружения.

На рисунках 1 и 2 представлены вертикальные распределения показателя ослабления Д (г) лазерного излучения дымовым аэрозолем на удалении от фронта горения 2 и 4 км для устойчивой и неустойчивой стратификации атмосферы для черного и белого дымов соответственно.

Рис. 1. Вертикальное распределение Д (2) для белого дыма. Кривые обозначают:

1 - для случая устойчивой атмосферы и удаления от источника 2 км;

2 - для случая устойчивой атмосферы и удаления от источника 4 км;

3 - для случая неустойчивой атмосферы и удаления от источника 2 км;

4 - для случая неустойчивой атмосферы и удаления от источника 4 км.

Рис. 2. Вертикальное распределение Д (z) для черного дыма

Обозначения кривых те же, что и на рисунке 1.

Из анализа рисунков прослеживается зависимость, что на небольших расстояниях (х=2 км) распределение коэффициента ослабления излучения по высоте в дымовом аэрозоле имеет место хорошо выраженный максимум, совпадающий с максимальной концентрацией (примерно на уровне 100-150 м) дымового аэрозоля. С удалением от источника (х=4 км) за счет турбулентной диффузии дымы распространяются в вышележащие слои, а средние значения концентрации уменьшаются, вследствие чего распределение коэффициента ослабления сглаживается с высотой. При этом можно отметить, что поле концентрации и, соответственно коэффициента ослабления, тесно связано с физическим состоянием атмосферы и синоптической обстановкой в целом.

На рисунках 3 и 4 представлены рассчитанные вертикальные профили оптической толщины дымового слоя, наблюдающегося в пограничном слое атмосферы.

tKl |-

425 ■

ПК -

375 -

■550 -

325 -

■ЗЖ -

275 ■

25С ■

225 ■

20С -

175 -

15С ■

125 ■

ПК ■

75 ■

5С ■

25 ■

; *

;;

Рис. 3. Вертикальное распределение оптической толщины атмосферы

t(z) для белого дыма

;

.

I — 1 ■I

i--2

,

i

.

■

J

j

\ -

...... \ " \

......

■

05 1Я 1 5 20 2 5 5JQ 5 5 i.O ifi

4sa

425

«ю

375

■ssa

325

ли

275

25a

225

300

175

15a

125

iaa

To

sa

25 ;

: 1 2 ; i i 6 7 В 9 10 11 12

Рис. 4. Вертикальное распределение оптической толщины атмосферы

t(z) для черного дыма

Обозначения кривых те же, что и на рисунках 1 и 2.

Анализ графиков показывает, что распределение оптической толщины от земли до высоты полета ЛА имеет явно выраженный нелинейный характер. Величина оптической толщины согласуется с полученными профилями концентрации и коэффициента ослабления: там, где величина концентрации максимальна, оптическая толщина также достигает наибольших значений. Начиная с некоторого уровня оптическая толщина т с высотой изменяется слабо. Это объясняется тем, что при построении графиков молекулярное рассеяние излучения не учитывалось, а на больших высотах (выше верхней границы пограничного слоя атмосферы), как это следует из математической постановки задачи, концентрация примеси стремится к нулю, вследствие чего оптическая толщина получает очень ничтожно малое приращение.

Исследования показали, что оптическая толщина дымового аэрозоля т, как и значения показателя ослабления Д, для черного дыма примерно в

2 раза больше значений т и Д для белого дыма, что объясняется большими значениями коэффициентов преломления n и поглощения a черного дыма, то есть более высокой их поглощательной способностью лазерного излучения.

Анализ вертикальных профилей параметра обнаружения 8(z) в отношении сигнал/шум при различных типах стратификации атмосферы показывает, что при устойчивой стратификации значения параметров обнаружения объектов на всех высотах оказываются ощутимо меньшими: высота приборного обнаружения (с помощью ЛСВ) при устойчивой стратификации при данных условиях составляет 700-800 м, при неустойчивой - 1400-1500 м. Такая разница объясняется тем, что при устойчивой атмосфере вертикальный турбулентный обмен значительно ослаблен, что приводит к образованию своеобразной «пробки», которая существенно задерживает процесс естественной вентиляции и приводит к

накоплению примеси у поверхности земли, т.е. концентрация в слое дымового аэрозоля оказывается значительно завышенной, а это приводит к росту оптической толщины аэрозольного слоя дымов, и, соответственно уменьшает высоту обнаружения наземных объектов (рис. 5).

Как показали численные эксперименты, концентрация дымов в исходном районе является определяющим фактором, влияющим на обнаружение объектов. Оказалось, что уменьшение концентрации в два раза приводит к увеличению видимого яркостного контраста на некоторых участках в 3-4 раза и параметра обнаружения S (в отношении сигнал/шум) на 30-40%.

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Рис. 5. Вертикальное распределение отношения сигнал/шум 5(z) при приборном обнаружении объектов (А=0,36) на фоне грязной травы (А=0,081) для черного дыма (m=1,95; а=0,66) для неустойчивой атмосферы

На рисунке кривые обозначают: 1 - энергия сигнала 0,003 Дж, удаление источника 2 км; 2 - энергия сигнала 0,003 Дж, удаление источника 4 км; 3 - энергия сигнала 0,0003 Дж, удаление источника 2 км; 4 - энергия сигнала 0,0003 Дж, удаление источника 4 км.

В целом исследования показали, что:

- состояние поверхности фона (альбедо фона), на котором наблюдается объект, влияет на величину видимого яркостного контраста и отношение сигнал/шум. В зимних условиях по сравнению с летними высота обнаружения объектов на 20% меньше для визуального обнаружения и на 75% для приборного (с помощью ЛСВ);

- увеличение модального радиуса частиц дымового аэрозоля приводит к увеличению видимого яркостного контраста и отношения сигнал/шум, что объясняется увеличением доли крупных дымовых частиц в данном аэрозольном слое. С возрастанием параметра полуширины распределения частиц по размерам возможность распознавания наземных объектов ухудшается;

- при переходе от логнормального закона распределения к гамма-распределению частиц по размерам значения параметров обнаружения изменяются незначительно;

- обнаружение объектов при наличии черных дымов значительно усложняется по сравнению с белыми дымами, что объясняется разницей их оптических свойств. В случае черного дыма по сравнению с белым, высота обнаружения объектов оказывается на 80% меньше для визуального обнаружения и 40% для приборного;

- использование параметра приборного обнаружения 5, имеющего смысл отношения сигнал/шум, по сравнению с видимым яркостным контрастом приводит к значительному уточнению определения наземных объектов (примерно в 2-3 раза).

Таким образом, как показали исследования, крупные наземные объекты можно обнаружить с борта ЛА с помощью ЛСВ через дымовые аэрозольные слои при их оптических толщинах т <10.

Если в качестве входных параметров модели ПСА [2], использовать вертикальные профили составляющих скорости ветра, коэффициента турбулентности, температуры и влажности воздуха, предварительно рассчитанные по прогностическим картам барической топографии или по данным радиозондирования атмосферы [3], то на выходе можно получать прогностические значения пространственной концентрации дымов, дальности видимости в задымленном слое атмосферы, оптических характеристик аэрозольного слоя в целом, а, следовательно, и прогностические значения параметра приборного обнаружения 5 (в отношении сигнал/шум) через аэрозольные слои.

Список использованной литературы

1. Грейсух В.М., Долин Л.С., Левин И.М. О видимости через облака. // Оптика атмосферы и океана, 1992. - № 8. - С. 8-29.

2. Вагер Б.Н., Надежина Е.Д. Пограничный слой атмосферы в условиях горизонтальной неоднородности. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. -135 с.

3. Шнайдман В.А., Фоскарино О.В. Моделирование пограничного слоя и макротурбулентного обмена в атмосфере по данным первого глобального эксперимента ПИГАП. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 160 с.