Разработка и исследование методов автоматизации измерений высоты нижней границы облаков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Константинов, Константин Владимирович

• Константинов, Константин Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Константинов, Константин Владимирович

Оглавление.

Введение.

Глава 1 Методы измерения высоты нижней границы облаков.

1.1 Введение.

1.2 Методы определения высоты нижней границы облаков.

1.3 Моделирование прохождения излучения в атмосфере.

1.4 Вывод.

Глава, 26 Математическая модель оптико-электронного комплекса для> измерений высотьгнижней*границы облаков.

2.1 Введение.

2.2 Определение математической- модели- оптико-электронного комплекса для измерения высоты нижней границы облаков.

2.3 Аналитическая модель оптико-электронного комплекса измерения высоты нижней границы облаков.

2.4 Целочисленная модель оптико-электронного комплекса для< измерения высоты нижней границы облаков.

2.5 Сравнение аналитической и целочисленной моделей.

2.6 Вывод.J.

Глава* 3 Имитационное моделирование оптико-электронного комплекса измерения высоты нижней границы облаков.

3.1 Введение.433.2 Методика составления имитационной модели.

3.2.1 Содержательное описание объекта моделирования'.

3.2.2 Формальное описание объекта моделирования.48

3:2.3*Имитационная модель ОЭКнго.503:2.3.1 Имитационное моделирования-нижней границы облаков.

3.2.3.2 Имитационное моделирование среды распространения излучения.

3.2.3.3 Имитационная модель помех.

3.2.3.4 Имитационная модель ОЭКнго.

3.2.4 Выбор языка моделирования.

3.2.5 Исследование свойств имитационной модели ОЭКНго.

3.3 Вывод.

Глава 4 Сравнение результатов имитационного моделирования ОЭКНго на ЭВМ с датчиком облаков лазерным ДОЛ-2.

4.1 Введение.

4.2 Описания ДОЛ-2 (основные характеристики).

4.3 Алгоритм обработки данных измерений высоты нижней границы облаков датчиком облаков лазерным ДОЛ-2.

4.4 Алгоритм обработки данных имитационной модели ОЭКнго.

4.5 Сравнение результатов ИМ ОЭКнго со штатным алгоритмом ДОЛ-2.

4.6 Выводы.

Глава 5 Сравнительные испытания.82.

5.1 Введение.

5.2 Особенность эксперимента.

5.3 Вывод.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов автоматизации измерений высоты нижней границы облаков»

Актуальность работы. На современном этапе развития общества, характеризующимся интенсивным внедрением вычислительной техники практически во все сферы человеческой деятельности, одной из приоритетных задач является развитие методов автоматизации проектирования.

Важной задачей автоматизации проектирования является формирование математического обеспечения. Снижение трудоемкости разработки математического обеспечения и, следовательно, снижение стоимости проектирования в целом является важным аргументом в пользу развития методов автоматизации проектирования математического обеспечения, например, при автоматизации измерений в системах метеорологического аэродромного оборудования.

Особенно высокие требования предъявляются к измерениям высоты нижней границы облаков при взлете и посадке воздушных судов, а также к <оперативности выдачи и регистрации результатов измерений и обработки.

В настоящее время применяются математические модели, обеспечивающие восстановление оптической плотности атмосферы из принятого обратно отраженного сигнала. Далее анализируется восстановленная огибающая эхо-сигнала для определения высоты нижней границы облаков.

Алгоритм определения высоты облаков по данным математическим моделям является сложным, многоуровневым и пригодным к конкретному географическому месторасположению метеорологического аэродромного оборудования.

Перечисленные выше проблемы делают актуальной задачу разработки систем автоматизации проектирования нового математического обеспечения в системах метеорологического аэродромного оборудования.

Целью диссертационной работы является создание фоновой оптико-метеорологической модели измерения высоты нижней границы облаков для реализации ее в приборах.

Задачи исследования. Для решения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ известных физико-математических моделей прохождения излучения в атмосфере.

2. Разработка математической модели измерений высоты нижней границы облаков.

3. Исследование алгоритма имитационного моделирования измерений.

4. Реализация имитационной модели измерения высоты нижней границы облаков в оптико-электронных комплексах (ОЭКНго)

Методы исследования базируются на использовании теории и методов систем автоматизации проектирования (САПР), принципах системного подхода, аппарата линейной алгебры, дифференциального исчисления, теории алгоритмов.

Научная новизна заключается в разработке целочисленной математической модели измерения высоты нижней границы облаков инвариантной относительно географического местоположения метеорологического аэродромного оборудования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель представления измерения ВНГО.

2. Целочисленная математическая модель измерения ВНГО инвариантная относительно географического положения измерителя.

3. Имитационное моделирование применительно к ОЭКнго.

4. Результаты экспериментальных исследований разработанной математической модели измерения ВНГО.

Практическая значимость работы заключается в использовании результатов диссертационной работы в следующем:

1. Возможность применения разработанной модели измерения ВНГО в ОЭКнго.

2. Методика определения ВНГО.

3. Повышение надежности работы ОЭКНго.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях. Среди них: Научно-практическая конференция Третьего международного Форума «Оптика-2007» (23-25 октября 2007 г., Москва), XXVII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, Международная научно-техническая конференция «Интеллектуальные системы »(AIS"08) «Интеллектуальный САПР» (ICAD-2008) (4-9 сентября 2008 г., Таганрог) Публикации.

1. Волков OA., Демин А.В., Константинов К.В., Проценко В.А. Патент на полезную модель №65253 Приемнопередающий блок светолокационно-го измерителя высоты нижней границы облаков.

2. Волков О.А., Демин А.В., Денисенко С.А., Константинов К.В. Светоло-кационный измеритель высоты нижней границы облаков ДОЛ-2 // Оптический журнал Т 76 № 10 2009. 29-33 с.

3. Волков О.А., Денисенко С.А., Константинов К.В., Круглов Р.А. Измеритель дальности видимости. // Оптический журнал Т 76 № 10 2009. 71-74 с.

4. Демин А.В., Константинов К.В. Имитационная модель оптико-электронного измерителя высоты нижней границы облака // В сб. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск № 2(60), - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009.-с. 33-38.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 61 наименования; изложена на 104 страницах машинописного текста, содержащего 33 рисунка и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Константинов, Константин Владимирович

5.3 Вывод

В результате проведенных испытаний показано адекватность алгоритма обработки обратно рассеянного эхо-сигнала разработанного при помощи имитационного моделирования оптико-электронного комплекса для измерения высоты нижней границы облаков.

Заключение

Диссертационная работа посвящена как созданию имитационной модели оптико-электронного комплекса для измерения высоты нижней границы облаков, так и для ее исследования с целью повышение надежности работы ОЭКнго

В ходе работы над диссертацией получены следующие результаты

1. Проанализированы известные физико-математические модели прохождения излучения в атмосфере.

2. Разработана целочисленная фоновая оптико-метеорологическая модель измерения ВНГО, инвариантная относительно географического месторасположения аэродромного метеооборудования. Проведено сравнение предложенной целочисленной фоновой оптико-метеорологической модели с известными физико-математическими моделями.

3. Разработана имитационная модель на основе целочисленной математической модели тракта ОЭКцг0=>атмосфера=>НГО=>атмосфера=>ОЭКНго-Осуществлена калибровка имитационной модели ОЭКнго по данным штатного прибора ДОЛ-2.

4. В результате имитационного моделирования ОЭКНго на ЭВМ выявлена возможность применения имитационного моделирования для автоматизации разработки математической модели и алгоритма измерения ВНГО что, в свою очередь, позволяет повысить надежность работы-ОЭКНго

5. Проведены испытания двух приборов ДОЛ-2 в одном из, которых штатная программа обработки обратно отраженного сигнала, а в другом разработанная по средствам имитационного моделирования ОЭКнго- Эксперимент показал, что сходимость результатов измерений находятся в пределах допускаемой величины.

Таким образом, настоящая диссертационная работа представляет собой законченное исследование, существенно упрощающее методическое и программное обеспечения ОЭКнго

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Константинов, Константин Владимирович, 2009 год

1. Абрамович К.Г. Об изменчивости высоты нижней границы облаков // Метеорология и гидрология. 1968, № 5, с.ЗО - 41.

2. Аникст Д.А., Голубовский О.М., Петрова Г.В., Фельдман Г.А. Оптические системы геодезических приборов // М.: Недра 1981. 240 с.

3. Анискин Л.В., Боровиков А.А., Персии СМ. Исследование изменчивости высоты нижней границы облаков // Труды ГГО, 1987, вып.512, с.92 -107.

4. Бакалов В.П. Цифровое моделирование случайных процессов // М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. 88 с.

5. Балтер Б. М., Имитационное моделирование данных РСА-зондирования земной поверхности // Москва: Институт космических исследований РАН, 2006. 32с.

6. Баранов A.M., Солонин С.В. Авиационная метеорология. Л. Гидроме-теоиздат 1975 390 с.

7. Батраков А.С., Бутусов М.М., Г.П.Гречка Лазерные системы // М.: Радио и связь, 1981.

8. Бахвалов Н.С., Н.П. Жидков, Кобельков Г.М. Численные методы // М,: Наука 1987. 600 с.

9. Бочарников Н.В., Солонин А.С., Брылёв Г.Б. Метеорологическое оборудование аэродромов и его эксплуатация // Санкт Петербург Гидроме-теоиздат, 2003. 591с

10. Бутусов М.М., Гречка Г.П. Лазерные измерительные системы // М.: Радио и связь 1981 456 с.

11. Васильев А.В., Мельникова И.Н.Коротковолновое солнечное излучение в атмосфере земли, расчеты, измерения, интерпретация // Санкт-Петербург, 2002

12. Виролайнен Я.А., Поляков А.В., Тимофеев Ю.М. Статистические модели оптических свойств тропосферного аэрозоля // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. — 2004. Т.40 - №2. - с. 255-266

13. Воробьев В.И. Оптическая локация для радиоинженеров // М.: Радио и связь, 1983.

14. Волков О.А., Демин А.В., Денисенко С.А., Константинов К.В. Светоло-кационный измеритель высоты нижней границы облаков ДОЛ-2 // Оптический журнал Т 76 № 10 2009. 29-33 с.

15. Вулих Б.З. Введение в функциональный анализ // М.: Наука 1967 415 с.

16. Гаврилов В.А. Видимость в атмосфере // Л., Гидрометеоиздат, 1966, 313с.

17. Давид Х.Дшердги. Сравнительные испытания датчиков высоты нижней границы облаков, используемых при регулярных наблюдениях. Информационные материалы по гидрометеорологическим приборам и методам наблюдений // Сб.54, М., 1973

18. Демин А.В., Копорский Н.С. Имитационное моделирование информационно-измерительных и управляющих систем (монография). СПб: СПбГУ ИТМО, 2007.

19. Демин А.В., Константинов К.В. Имитационная модель оптико-электронного измерителя высоты нижней границы облака // В сб. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск № 2(60), СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009.-с. 33-38.

20. Донченко В.А., Кабанов М.В. Рассеяние оптических волн системой частиц // Томск, Из-во ИОА СО РАН, 2004

21. Дьячко А. Г., Математическое и имитационное моделирование производственных систем. Москва: МИСИС, 2007. 537 с

22. Зуев В.Е. Лазер метеоролог // Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 96 с.25.28.