Зондирование турбулентных полей ветра оптоволоконными импульсными когерентными доплеровскими лидарами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шерстобитов Артем Михайлович

• Шерстобитов Артем Михайлович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Шерстобитов Артем Михайлович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

4

ГЛАВА I. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ОПТОВОЛОКОННЫХ 21 ИКДЛ И СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ ЛИДАРНЫХ СИГНАЛОВ

1.1. Конструкции наиболее распространенных оптоволоконных 21 ИКДЛ

1.2. Обработка данных оптоволоконных ИКДЛ: доплеровский 29 спектр, отношение сигнал-шум, оценка радиальной скорости, оценка вектора скорости ветра, коническое сканирование

Выводы по главе I

ГЛАВА II. ОПТОВОЛОКОННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ 40 КОГЕРЕНТНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ЛИДАР ЛРВ

2.1. Конструкция лидара ЛРВ

2.2. Программно-аппаратный комплекс лидара ЛРВ

2.2.1. Графический интерфейс встроенного ПК в лидаре ЛРВ

2.2.2. Структура прошивки ПЛИС

Выводы по главе II

ГЛАВА III. ТЕСТИРОВАНИЕ ЛИДАРА ЛРВ В СОВМЕСТНЫХ С 53 ИКДЛ STREAM LINE ЭКСПЕРИМЕНТАХ

3.1. Параметры зондирующих импульсов лидаров Stream Line и ЛРВ

3.2. Метод определения отношения сигнал-шум из измерений 58 лидаром ЛРВ

3.3. Сопоставление оценок отношения сигнал-шум из совместных 63 измерений лидарами Stream Line и ЛРВ

3.4. Сравнение результатов совместных измерений скорости ветра 73 лидарами Stream Line и ЛРВ

3.4.1. Эксперимент на БЭКе ИОА СО РАН

3.4.2. Эксперимент на побережье озера Байкал Выводы по главе III

74

84

ГЛАВА IV. ЛИДАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕТРОВОЙ 92 ТУРБУЛЕНТНОСТИ И ВНУТРЕННИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

4.1. Оценивание степени анизотропии ветровой турбулентности из 93 измерений оптоволоконным ИКДЛ

4.2. Метод определения скорости диссипации турбулентной энергии 113 из спектральной плотности вертикальной скорости ветра, измеряемой

оптоволоконным ИКДЛ

4.2.1. Стратегия измерения и оценивание скорости диссипации

4.2.2. Численный эксперимент

4.2.3. Погрешность оценки скорости диссипации

4.2.4. Атмосферный эксперимент 125 4.3. Определение параметров внутренней гравитационной волны из

измерений лидарами ЛРВ и Stream Line

4.3.1. Методика измерений

4.3.2. Результаты эксперимента в районе Академгородка г.Томска 137 летом 2022 г.

4.3.3. Результаты эксперимента в районе Академгородка г.Томска 140 летом 2023 г

4.4. Лидарное исследование влияния внутренней гравитационной 144 волны на форму спектра вертикальной компоненты скорости ветра

4.4.1. Методика измерения

4.4.2. Эксперименты 2020 и 2021 годов в районе Академгородка г. 148 Томска

4.4.3. Эксперимент в 2022 году на БЭК ИОА СО РАН

4.4.4. Эксперимент в 2023 году в томском Академгородке

4.4.5. Статистический анализ лидарных оценок показателя степени 160 Выводы по главе IV

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Зондирование турбулентных полей ветра оптоволоконными импульсными когерентными доплеровскими лидарами»

ВВЕДЕНИЕ Состояние проблемы и ее актуальность

Результаты экспериментальных исследований пограничного слоя атмосферы (ПСА) важны, как для понимания его структуры и происходящих в нем динамических процессов, так и для практических приложений, в частности, для построения математической модели ПСА, используемой для прогноза погоды и диффузии атмосферных примесей. Не смотря на то, что такие исследования ведутся уже на протяжении многих десятков лет [1 - 22], до сих пор не изучен ряд вопросов, касающихся ветровой турбулентности, а также структур в виде низкоуровневых струйных течений (НСТ) и внутренней гравитационной волны (ВГВ), образующихся в устойчивом ПСА. При этом во многом остается не исследованным турбулентно - волновое взаимодействие.

Определяющую роль в возможностях получения новых знаний о ПСА играет используемые для этого приборы и методы обработки исходных данных эксперимента. Использование традиционных «точечных» приборов (чашечных и акустических анемометров и т.п.) для изучения ветровой турбулентности, НСТ и ВГВ в ПСА является весьма ограниченным, в частности, из-за того что для этого потребуется размещение серии ветровых датчиков на метеорологических мачтах, чья высота, как правило, не превышает нескольких сотен метров [13]. Измерения ветра могут также проводится с борта летящего самолета [8]. Однако, по сравнению с традиционными датчиками, гораздо большими возможностями для изучения динамики атмосферы обладают радиофизические средства дистанционного зондирования атмосферы, к которым относятся доплеровские содары, радары и лидары [21 - 36]. Для дистанционного измерения параметров ветровой турбулентности в ПСА в наибольшей степени подходят импульсные когерентные доплеровские лидары (ИКДЛ) [21].

Для определения скорости ветра и различных параметров ветровой турбулентности из измерений ИКДЛ, использующих газовые СО2 (длина волны 10,6 мкм) [37, 38] и твердотельные (длина волны 2 мкм) лазеры [39 -41], разработаны методы (включая стратегии измерений и процедуры обработки исходных данных), описания которых можно найти в [17, 42 - 49]. Но, ввиду того, что такие лидары, как правило, формируют довольно большой зондируемый объем, при оценивании параметров ветровой турбулентности возникает проблема учета усреднения измеряемой скорости по зондируемому объему и эту проблему далеко не всегда удается решить.

Создание оптоволоконных ИКДЛ [50 - 68] открыло новые возможности в исследовании динамических процессов в атмосфере, в частности, ветровой турбулентности ПСА. В отличие от упомянутых выше ИКДЛ, особенностью оптоволоконных ИКДЛ является их относительно небольшая стоимость, надежность работы (непрерывная работа лидара без технических сбоев вплоть до месяца и более) и компактные габариты. В оптоволоконном ИКДЛ путем уменьшения длительности зондирующего импульса и ширины временного окна может быть сформирован зондируемый объем довольно малых размеров (продольный размер зондируемого объема, в принципе, может составить 20 м, но на практике, как правило, его задают равным 30 -40 м [65, 69]). Подобное улучшение пространственного разрешения позволяет кардинально решить проблему учета усреднения по зондируемому объему при оценивании параметров ветровой турбулентности из измерений с помощью оптоволоконного ИКДЛ. Кроме того, благодаря высокой частоте следования зондирующих импульсов (как правило, 10 кГц и выше), имеется возможность за доли секунды осуществлять аккумуляцию исходных измеряемых лидаром данных с использование большого числа посылок зондирующего импульса в атмосферу, достаточного для получения достоверной оценки радиальной скорости ветра (проекции вектора скорости ветра на ось зондирующего пучка).

Через несколько лет после создания первых оптоволоконных ИКДЛ авторами работы [70] был предложен метод оценивания скорости диссипации турбулентной энергии из измерений такими лидарами при вертикальном направлении зондирующего пучка. Однако, в [70] не учитывается усреднение радиальной скорости по зондируемому объему, что может привести к существенному занижению оценки скорости диссипации, несмотря на относительно небольшой продольный размер зондируемого объема [71]. Хотя, благодаря именно этому (продольный размер 30 м), в [71] удалось учесть усреднение по зондируемому объему при разработке метода оценивания параметров ветровой турбулентности из измерений оптоволоконным ИКДЛ при коническом сканировании зондирующим пучком. Авторами статьи [72] разработан способ определения амплитуд вызванных ВГВ квазигармонических колебаний трех компонент вектора скорости ветра и их периода из измерений конически сканирующим оптоволоконным ИКДЛ. Так как минимальная продолжительность одного сканирования составляла 36 с [72], данный способ применим, если период ВГВ не менее 5 мин. Следовательно, не представляется возможным исследование взаимодействия ветровой турбулентности и ВГВ с меньшим, чем 5 мин, периодом. Данная проблема может быть решена путем получения оценок вектора средней скорости ветра и спектральной плотности вертикальной составляющей из измерений одним оптоволоконным ИКДЛ. В связи с этим в диссертационной работе ставится задача по разработке 1) метода определения параметров ветровой турбулентности из спектральной плотности вертикальной скорости ветра, измеряемой оптоволоконным ИКДЛ, с учетом усреднения скорости по зондируемому объему и 2) алгоритма расчета погрешности лидарной оценки скорости диссипации турбулентной энергии. С использованием этого подхода в диссертационной работе исследуются влияние атмосферных волн на спектральную плотность

вертикальной скорости ветра и турбулентно - волновое взаимодействие в устойчивом ПСА.

Для лидарных исследований ветровой турбулентности ПСА в [73] был разработан, так называемый, метод шести лучей. Суть метода заключается в последовательных измерениях лидаром при 6 различных углах направления зондирующего пучка и получении оценок трех дисперсий компонент вектора скорости ветра и трех моментов количества движения. Такой подход позволяет, в частности, исследовать анизотропию ветровой турбулентности путем сопоставления получаемых дисперсий компонент скорости. Однако, используемая здесь геометрия измерений не предполагает получение оценок скорости диссипации турбулентной энергии и интегральных масштабов корреляции скорости ветра для вертикальной и двух горизонтальных составляющих вектора ветра. В то же время такие параметры ветровой турбулентности, как скорость диссипации турбулентной энергии и усредненные по всем азимутальным углам дисперсия и интегральный масштаб корреляции радиальной скорости могут быть получены из измерений конически сканирующим оптоволоконным ИКДЛ. При этом измерения под двумя разными углами места дает возможность оценивания дисперсий и интегральных масштабов корреляции вертикальной и горизонтальной компоненты вектора скорости ветра. Поэтому в диссертации ставится задача экспериментального исследования возможностей определения степени анизотропии ветровой турбулентности (как для дисперсий, так и интегральных масштабов) из измерений конически сканирующим оптоволоконным ИКДЛ попеременно под разными углами места и получение оценок степени анизотропии в устойчивом ПСА при наличии в нем низкоуровневого струйного течения.

Разработанные в ИОА СО РАН лидарные методы определения параметров ветровой турбулентности и внутренних гравитационных волн были неоднократно апробированы в атмосферных экспериментах и

применялись в исследованиях волновых структур и ветровой турбулентности в ПСА, проводимых в рамках нескольких проектов РНФ с использованием оптоволоконного ИКДЛ Stream Line (серийного производства фирмы HALO Photonics, Великобритания) [52, 71, 72, 74 - 82]. Следует отметить, что одновременное использование нескольких оптоволоконных ИКДЛ значительно расширяет возможности таких исследований. В частности, использование трех таких лидаров, разнесенных в пространстве (по горизонтали), позволяет, кроме амплитуды и периода, определять скорость распространения и длину гравитационной волны. При этом в полной мере требуемые параметры лидара могли быть обеспечены, по-видимому, только с помощью своей разработки. Поэтому в Лаборатории распространения волн (ЛРВ) ИОА СО РАН было принято решение о создании оптоволоконного ИКДЛ собственными силами. Важным элементом такого лидара является программное обеспечение (ПО), предназначенное для регистрации отчетов лидарного сигнала и управления его работой. В связи с этим в диссертации была поставлена задача по разработке ПО для оптоволоконного ИКДЛ, создаваемого в Лаборатории распространения волн ИОА СО РАН (лидар ЛРВ), для предварительной обработки поступающих с АЦП отсчетов лидарного сигнала на программируемой логической матрице FPGA, в результате чего определяется массив доплеровских спектров для различных расстояний от лидара, а также для управление работой лидара ЛРВ, включая управление его сканирующим устройством, и восстановление профилей радиальной скорости и отношения сигнал-шум вдоль оси зондирующего пучка из доплеровских спектров в реальном времени.

Созданный в 2019 году лидар ЛРВ [66] имеет следующую особенность: во время его работы между посылками зондирующих импульсов в атмосферу со временем происходит монотонное возрастание шумовой составляющей средней мощности шума (в отсутствие облаков на трассе зондирования). Следует отметить, что такая нестационарность шума наблюдается во время

работы оптоволоконного ИКДЛ и некоторых других производителей (например, лидара, описание которого дано в [63]). Из-за этой нестационарности шума традиционные методы оценивания отношения сигнал-шум (обычно оно определяется как, отношение средней мощности лидарного эхосигнала к средней мощности шума в полосе пропускания 50 МГц) не работают. Поэтому в диссертации была поставлена задача разработки метода определения отношения сигнал-шум из измерений оптоволоконным ИКДЛ в условиях нестационарного шума и тестирования метода в атмосферном эксперименте, в котором одновременно были задействованы лидары ЛРВ и Stream Line (у этих лидаров энергии зондирующих импульсов сопоставимы).

Цель и задачи диссертационной работы

Таким образом целью диссертационной работы является исследование ветровой турбулентности и волновых структур в устойчивом пограничном слое атмосферы с использованием оптоволоконных импульсных когерентных доплеровских лидаров.

Для достижения поставленной цели диссертационной работы были решены следующие задачи.

1. Создание программного обеспечения (ПО) для оптоволоконного ИКДЛ, создаваемого в Лаборатории распространения волн ИОА СО РАН (лидар ЛРВ). Это ПО осуществляет: (а) предварительную обработку поступающих с АЦП отсчетов лидарного сигнала на программируемой логической матрице FPGA, в результате чего определяется массив доплеровских спектров для различных расстояний от лидара; (б) управление работой лидара ЛРВ, включая управление его сканирующим устройством, и (в) восстановление профилей радиальной скорости и отношения сигнал-шум вдоль оси зондирующего пучка из доплеровских спектров в реальном времени.

2. Разработка метода, позволяющего корректно оценивать отношение сигнал-шум из измерений лидаром ЛРВ в условиях нестационарного шума, характерного для этого оптоволоконного ИКДЛ.

3. Экспериментальные исследования возможности определения степени анизотропии ветровой турбулентности из измерений конически сканирующим оптоволоконным ИКДЛ попеременно под разными углами места. Получение новых знаний об анизотропии турбулентности в устойчивом ПСА в результате применения данного подхода.

4. Разработка метода определения параметров ветровой турбулентности из спектральной плотности вертикальной компоненты вектора скорости ветра, измеряемой оптоволоконным ИКДЛ, с учетом усреднения скорости по зондируемому объему.

5. Лидарные исследования (а) влияния внутренней гравитационной волны на функцию спектральной плотности вертикальной компоненты вектора скорости ветра и (б) турбулентно - волнового взаимодействия в устойчивом ПСА.

Методы исследования

В диссертационной работе экспериментальные исследования турбулентных ветровых полей проводились с использованием оптоволоконных ИКДЛ Stream Line и ЛРВ. Места проведения экспериментов: Томский Академгородок (лидар устанавливался на крыше здания ИОА СО РАН), Базовый экспериментальный комплекс (БЭК) ИОА СО РАН и побережье озера Байкал (возле п. Листвянка). Во время экспериментов применялись различные стратегии измерений, включая 1) коническое сканирование зондирующим пучком, 2) измерения при вертикальном направлении пучка, 3) их комбинация и 4) попеременное коническое сканирование под разными углами места. Были проведены

одновременные измерения лидарами Stream Line и ЛРВ, разнесенными по горизонтали на различные расстояния между ними (от 2 м до 3,2 км).

Для обработки исходных лидарных данных эксперимента применялись следующие подходы: 1) прямая синусоидальная подгонка (ПСП), если в измерениях конически сканирующим ИКДЛ отсутствуют плохие оценки радиальной скорости [82], или фильтрованная синусоидальная подгонка (ФСП), при наличии плохих оценок радиальной скорости, [85] для получения высотных профилей скорости и направления ветра, 2) метод азимутальной структурной функции радиальной скорости (АСФРС) [71, 74, 77, 79, 84 - 87] для высотно-временной визуализации ветровой турбулентности (оценок кинетической энергии турбулентности, ее скорости диссипации, дисперсии и интегрального масштаба продольной корреляции радиальной скорости) из измерений конически сканирующим ИКДЛ, 3) метод определения степени анизотропии ветровой турбулентности (САВТ) из измерений лидаром с использованием конического сканирования зондирующим пучком попеременно под углами места 35,3° и 60° [78], 4) метод спектральной плотности вертикальной скорости ветра (СПВС) для оценивания скорости диссипации турбулентной энергии и дисперсии вертикальной компоненты вектора скорости ветра из лидарных измерений с использованием по предложенной в [88 - 91] стратегии (попеременно используются коническое сканирование под углом места 60° за 1 минуту и измерение при вертикальном направлении зондирующего пучка в течение 500 секунд с шагом по времени 0,5 с).

Идентификация атмосферных (гравитационных) волн осуществлялась с помощью визуального анализа высотно-временных распределений вертикальной скорости ветра, измеряемой ИКДЛ с шагом по высоте 18 м и по времени 0,5 с (в случае лидара Stream Line) [88, 90 - 92]. Для определения амплитуды и частоты квазигармонических колебаний вертикальной скорости, обусловленных распространением ВГВ, использовался

предложенный в [72] метод. Из одновременных измерений двумя ИКДЛ, разнесенными на достаточно большое расстояние, по временному сдвигу моментов прохождения волнового фронта атмосферной волны через точки нахождения лидаров определялась скорость распространения волны вдоль линии, их соединяющей.

В теоретических исследованиях диссертационной работы применялось численное моделирование, имитирующее работу оптоволоконного ИКДЛ. Оно включает в себя компьютерную генерацию случайных лидарных сигналов и их обработку. В отдельном блоке этой программы компьютерного моделирования генерировались случайные реализации двумерного распределения поля ветра с использованием модели Кармана [93 - 95]. Разработанные при непосредственном участии диссертанта методы лидарного зондирования тестировались, как в численных, так и атмосферных экспериментах.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые

1. Разработан метод определения отношения сигнал-шум из измерений оптоволоконного ИКДЛ в условиях нестационарного шума.

2. Из данных атмосферного эксперимента с помощью метода САВТ получены оценки интегральных продольных масштабов корреляции для вертикальной и горизонтальной составляющей вектора скорости ветра в центральной части низкоуровневого струйного течения. Отношение этих оценок в среднем равно 3,4.

3. В численном эксперименте доказано, что оценка радиальной скорости по положению максимума доплеровского спектра, измеряемого оптоволоконным ИКДЛ в обычных атмосферных условиях, представима в виде суммы радиальной скорости, усредненной по зондируемому объему, и случайной инструментальной погрешности, обладающей свойствами белого шума. Первое слагаемое хорошо описывается известным аналитическим выражением, с помощью которого можно корректно учесть эффект

усреднения по зондируемому объему при разработке метода оценивания параметров турбулентности из спектральной плотности вертикальной скорости ветра, измеряемой оптоволоконным ИКДЛ при вертикальном направлении зондирующего пучка.

4. Предложен способ определения параметров ветровой турбулентности из функции спектральной плотности вертикальной компоненты вектора скорости ветра, измеряемой оптоволоконным ИКДЛ, с учетом усреднения скорости по зондируемому объему. Для этого способа разработан алгоритм расчета относительной погрешности лидарной оценки скорости диссипации.

5. В результате анализа 700 спектров вертикальной скорости ветра, измеренной оптоволоконным ИКДЛ во время распространения ВГВ в ПСА, установлено, что между частотой квазигармонических колебаний скорости ветра и частотой, соответствующей нижней границе инерционного интервала турбулентности, спектр имеет степенную зависимость от частоты с показателем степени в среднем равным -3.

6. Показано, что после возникновения атмосферной волны (АВ) в устойчивом ПСА, с течением времени за счет разрушения АВ и передачи ее энергии мелкомасштабным флуктуациям ветра возможно увеличение скорости диссипации кинетической энергии турбулентности на несколько порядков.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанный в диссертации метод определения отношения сигнал-шум для лидара ЛРВ, в отличие от известных подходов, позволяет определять отношение сигнал-шум из измерений оптоволоконным ИКДЛ в условиях нестационарного шума.

2. Из измерений оптоволоконным ИКДЛ при попеременном коническом сканировании зондирующим пучком под углами места 35,3° и 60° можно определять степень анизотропии турбулентности, как для дисперсии, так и

для интегрального масштаба продольной корреляции компоненты вектора скорости ветра в пограничном слое атмосферы.

3. Применение метода СПВС к данным, измеренным оптоволоконным ИКДЛ попеременно при коническом сканировании и вертикальном направлении зондирующего пучка позволяет получать несмещенную оценку скорости диссипации турбулентной энергии, благодаря учету усреднения вертикальной скорости по зондируемому объему.

4. Возникновение в термически устойчивом пограничном слое атмосферы внутренней гравитационной волны (ВГВ) приводит к значительным изменениям спектральной плотности вертикальной компоненты скорости ветра. Так вследствие передачи энергии ВГВ турбулентным вариациям ветра, в интервале между частотой ВГВ и 0,05 Гц спектральная плотность получает степенную зависимость от частоты. Согласно анализу 700 оценок спектральной плотности, полученным из измерений оптоволоконным ИКДЛ во время распространения ВГВ, вероятность того, что показатель степени примет значение от -3,5 до -2,5 составляет 75%.

Достоверность научных положений и выводов

Все результаты диссертационной работы и выносимые на защиту положения обоснованы и не противоречат общепринятым представлениям о ПСА и экспериментальным результатам других авторов. Достоверность первого положения подтверждается экспериментами, в которых одновременно были задействованы оптоволоконные ИКДЛ Stream Line и ЛРВ. Высокая точность лидарных оценок скорости диссипации турбулентной энергии и дисперсии радиальной скорости, имевшая место в наших экспериментах по изучению анизотропии ветровой турбулентности, обеспечивают достоверность второго положения. Результаты численного моделирования, имитирующего работу оптоволоконного ИКДЛ,

атмосферных экспериментов, в которых были задействованы различные приборы, и сравнительный анализ экспериментальных данных указывают на достоверность третьего положения. Анализ 700 оценок спектров вертикальной скорости ветра, полученных из измерений оптоволоконным ИКДЛ во время прохождения гравитационной волны в ПСА с относительной погрешностью не более 20%, дает основание считать четвертое положение достоверным.

Научная и практическая значимость работы

В диссертационной работе сделан весомый вклад в методологию извлечения информации о турбулентности и волновых структурах, степени анизотропии ветровой турбулентности и турбулентно - волнового взаимодействия в устойчивом ПСА из измерений оптоволоконными ИКДЛ. Применение разработанного в диссертации метода СПВС для высотно-временной визуализации турбулентного поля ветра с более высоким (по сравнению с другим подходами) разрешением позволяет получать новые знания о динамических процессах в ПСА.

Как показывает опыт использования оптоволоконного ИКДЛ, созданного в ИОА СО РАН (лидар ЛРВ), разработанное диссертантом ПО для предварительной обработки сигналов, регистрируемых приемной системой лидара, и восстановления профилей радиальной скорости вдоль оси зондирующего пучка в реальном времени надежно функционирует при проведении экспериментов по изучению динамики ПСА. Входящий в ПО блок управления сканером позволяет в экспериментах по изучении турбулентности и волновых структур ПСА применять любую геометрию лидарных измерений, необходимую для их успешного проведения. С помощью нескольких таких ИКДЛ можно значительно увеличить возможности ветрового зондирования. В частности, использование в эксперименте одновременно трех лидаров позволяет, наряду со скоростью и

направлением ветра, параметрами ветровой турбулентности и с такими параметрами атмосферной волны, как амплитуда и период, определять скорость и направление распространения и длину атмосферной волны.

Полученные в диссертационной работе результаты, касающиеся ветровой турбулентности и волн в ПСА, могут быть использованы для улучшения математических моделей, используемых для прогноза погоды. Потенциальными потребителями результатов диссертации являются различные организации РАН и Росгидромета.

Тематика диссертационной работы включена в планы научно-исследовательских работ Института оптики атмосферы СО РАН по базовым бюджетным проектам (НИОКТР АААА-А17-117021310149-4, НИОКТР 121031500343-7); направлена на выполнение проектов администрации Томской области (№19-48-703034), Министерства образования и науки РФ (соглашение № 075-15-2021-661), Российского фонда фундаментальных исследований (№13-05-00458, №16-05-00668, №1642-700072) и Российского научного фонда (№14-17-00386, №19-17-00170 и №24-17-00179).

Личный вклад автора диссертационной работы

Автор участвовал в постановке и решении всех задач диссертационной работы. Принимал активное участие в создание лидара ЛРВ (разработка программного обеспечения, программ управления сканером и термосборкой, прошивка для ПЛИС). В ходе создания лидара автором была предложена конструкция радиочастотного драйвера акустооптического модулятора, что позволило избавиться от помех при низком уровне эхосигнала. Он проводил измерения параметров зондирующих импульсов лидаров ЛРВ и Stream Line и калибровку лидара ЛРВ. Автор участвовал во всех экспериментах, результаты которых представлены в диссертации. Им разработан ряд компьютерных программ для оценивания трех компонент вектора скорости ветра, параметров ветровой турбулентности (скорости диссипации

турбулентной энергии, дисперсий и масштабов продольной корреляции компонент скорости ветра) и параметров атмосферной волны (амплитуды и периода волны, скорости распространения волны вдоль линии, соединяющей точки расположения лидаров) из измерений лидарами ЛРВ и Stream Line. Автор разработал эффективный способ определения профиля отношения сигнал-шум вдоль оптической оси из измерений лидаром ЛРВ, позволивший решить проблему нестационарного шума. Разработал компьютерные программы моделирования, имитирующего работу оптоволоконного ИКДЛ. С помощью этих программ им были выполнены численные эксперименты, результаты которых представлены в диссертации. Автор провел обработку всех использованных в диссертации исходных данных лидарных измерений и совместно с И.Н. Смалихо провел анализ результатов обработки.

Апробация диссертационной работы

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях и симпозиумах:

XIV Международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления" (Томск, 28-30 ноября 2018); XVI Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов СНИИ-2019 (Томск, 13-15 мая 2019 г.); XXV Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Новосибирск, 30 июня - 5 июля 2019 г.); 29th International Laser Radar Conference (Hefei, China, 24-29 June 2019); XXVI Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Москва, 6 - 10 июля 2020 г.); XIII Международная Конференция "Новые информационные технологии в исследовании сложных структур ICAM 2020" (Томск, 7-9 сентября, 2020); XXVII Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Москва, 5-9 июля 2021 г.); XXVIII Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Томск, 4-8 июля 2022 г.);

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шерстобитов Артем Михайлович, 2025 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Ч. 1. М.: Наука. 1965. 640 с.

2. Ламли Дж., Пановский Г. Структура атмосферной турбулентности. М.: Мир. 1966. 264с.

3. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Ч. 2. М.: Наука. 1967. 720 с.

4. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука. 1967. 548 с.

5. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1970. 292 с.

6. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1970. 342с.

7. Волковицкая З.И., Иванов В.П. Диссипация энергии турбулентности в пограничном слое атмосферы // Изв. АН СССР сер. ФАО. 1970. Т. 6. №5. С. 435-444.

8. Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Шур Г.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 288 с.

9. Nieuwstadt F.T.M., Van Dop H. Atmospheric Turbulence and Air Pollution. A Course held in the Hauque, 21-25 September, 1981. 351 p.

10.Panofsky H.A., Dutton J.A. Atmospheric turbulence. John Wiley&Sons. New York-Chichester-Brisbane-Toronto-Singapore. 1983. 397 p.

11. Stull R.B. An Introduction to Boundary Layer Meteorology. Kluwer Academic Publishers. Dordrecht-Boston-London. 1988. 666 p.

12. Обухов А.М. Турбулентность и динамика атмосферы. Ленинград: Гидрометеоиздат. 1988. 413 с.

13.Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 263 с.

14.Kaimal J.C., Finnigan J.J. Atmospheric Boundary Layer Flows. Their Structure and Measurement. Oxford University Press. New York. 1994. 289 p.

15.Бызова Н.Л. Исследование крупных вихрей и диссипации энергии при безразличной и слабо неустойчивой стратификации // Вопросы физики атмосферы: Сб. статей. СПб.: Гидрометеоиздат. 1998. С.227-246.

16.Иванов В.Н. Особенности условий возникновения и структуры конвективных ячеек в пограничном слое атмосферы // Вопросы физики атмосферы: Сб. статей. СПб.: Гидрометеоиздат. 1998. С.467-487.

17.Frehlich R.G., Hannon S.M., Henderson S.W. Coherent Doppler lidar measurements of wind field statistics // Boundary-Layer Meteorology. 1998. V. 86. N 1. P. 223-256.

18.Banta R.M., Pichugina Y.L., Brewer W.A. Turbulent velocity-variance profiles in the stable boundary layer generated by a nocturnal jet // Journal of Atmospheric Science. 2006. V. 62. P. 2700 - 2719.

19.Гранберг И.Г., В.Ф. Крамар, Р.Д. Кузнецов, О.Г. Чхетиани, М.А. Каллистратова, С.Н. Куличков, М.С. Артамонова, Д.Д. Кузнецов, В.Г. Перепелкин, В.В. Перепелкин, Ф.А. Погарский. Исследование

пространственной структуры атмосферного пограничного слоя сетью доплеровских содаров. Известия РАН. ФАО. 2009. Т. 45, №3, С. 579 - 587.

20.Зилитинкевич С. С. Атмосферная турбулентность и планетарные пограничные слои. Физматлит. Mосква. 2013. 248 с.

21.Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2013. 304 с.

22.Каллистратова M. А., Петенко И.В., Кузнецов Р.Д., Куличков С.Н., Чхетиани О.Г., Чунчузов И.П., Люлюкин В.С., Зайцева Д.В., Вазаева Н.В., Кузнецов Д.Д., Перепёлкин В.Г., Буш Г.А. 2018: Содарное зондирование атмосферного пограничного слоя (обзор работ ИФА им. АЫ Обухова РАН) // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2018. Т. 54. №. 3. С. 283-300.

23.Юшков В.П., MA. Каллистратова, Р.Д. Кузнецов, Г.А. Курбатов, В.Ф. Крамар. Опыт использования доплеровского акустического локатора для измерения профиля скорости ветра в городских условиях. Известия РАН, ФАО. 2007. Т. 43. №2. С. 193 - 205.

24.Naihanson F E., 1980: Radar Design Principles. McGraw-Hill. 626 pp.

25.Doviak R.J., Zrnic D.S. Doppler radar and weather observations. Academic Press. San Diego. 1984. 458 p.

26.Zrnic D.S. Estimation of spectral moments for weather echoes // IEEE Transactions on Geoscience Electronics. 1979. V. GE-17. N 4. P. 113-128.

27.Горелик А.Г., Стерлядкин В.В. Ветровое зондирование атмосферы при помощи непрерывных доплеровских систем // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1986. Т.22. №7. С.720-727.

28.Горелик А.Г., Стерлядкин В.В. Доплеровская томография в радиолокационной метеорологии. Изв. АН СССР // Физика атмосферы и океана. 1990. Т.26. №1. С.47-54.

29. Дистанционные методы и средства исследования процессов в атмосфере Земли. Под общей редакцией Б.Л. Кащеева, Е.Г. Прошкина, М.Ф. Лагутина. Харьков. ХНУРЭ. Бизнес Информ. 2002. 426 с.

30.Huffaker R.M. Laser Doppler detection systems for gas velocity measurement // Applied Optics. 1970. V. 9. N 5. P. 1026-1039.

31.Lawrence T.R., Wilson D.J., Craven C.E., Jones I.P., Huffaker R.M., Thomson J.A.L. A laser velocimeter for remote wind sensing // The Review of Scientific Instruments. 1972. V. 43. N 3. P. 512-518.

32.Köpp F., Schwiesow R.L., Werner Ch. Remote measurements of boundary layer wind profiles using a cw Doppler lidar // Journal of Climate Applied Meteorology. 1984. V.23. N1. P. 148-158.

33.Kane T.J., Kozlovsky W.J., Byer R.L., Byvik C.E. Coherent laser radar at 1.06 □ m using Nd:YAG lasers // Optics Letters. 1987. V. 12. N4 P. 239-241.

34.Hawley J.G., Tang R., Henderson S.W., Hale C.P., Kavaya M.J., and Moerder D. Coherent launch-site atmospheric wind sounder: theory and experiment. // Applied Optics. 1993. V. 32. P. 4557-4568.

35.Gordienko V.M., Kormakov A.A., Kosovsky L. A., Kurochkin N. N. Pogosov G.A., Priezzhev A.V., Putivskii Y.Y. Coherent CO2 lidars for measuring wind velocity and atmospheric turbulence // Optical Engineering. 1994. V. 33. N 10. P. 3206-3213.

36.Ando T., Furuta M., Tanaka H., Nagashima M., Kameyama S., Suzuki J., Hirano Y. Development of Low Cost All Coherent Doppler LIDAR (CDL) System // Proceedings of the 13 th Coherent Laser Radar Conference. Kamakura, Japan. 2005. P.170-173.

37.Werner Ch., Flamant P.H., Reitebuch O., Kopp F., Streicher J., Rahm S., Nagel E., Klier M., Herrmann H., Loth C., Delville P., Drobinski Ph., Romand B., Boitel Ch., Oh D., Lopez M., Meissonnier M., Bruneau D., Dabas A. Wind Infrared Doppler Lidar Instrument // Optical Engineering. 2001. V. 40. N 1. P.115-125.

38.Reitebuch O., Werner Ch., Leike I., Delville P., Flamant P.H., Cress A., Engelbart D. Experimental Validation of Wind Profiling Performed by the Airborne 10 |m Heterodyne Doppler Lidar WIND // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2001. V.18. N 8. P.1331-1344.

39.Henderson S.W., Hale C.P., Magee J.R., Kavaya M.J., Huffaker A.V. Eye-safe coherent laser radar system at 2 |m using Tm. Ho: YAG lasers // Optics Letters. 1991. V. 16. N10. P. 773-775.

40.Henderson S.W., Suni P.J.M., Hale C.P., Hannon S.M., Magee J.R., Bruns D.L., Yuen E.H. Coherent laser radar at 2 |m using solid-state lasers // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1993. V. 31. N 1. P. 4-15.

41.Hannon S.M. Wind resource assessment using long range pulsed Doppler lidar // Proceedings of the 15th Coherent Laser Radar Conference. Toulouse, France. 2009. P.59-62.

42.Eberhard, W. L., Cupp, R. E., and Healy, K. R.: Doppler lidar measurement of profiles of turbulence and momentum flux, J. Atmos. Ocean. Tech., 6, 809-819, https://doi.org/10.1175/1520-0426(1989)006< 0820:AOADLM>2.0.CO;2, 1989.

43.Gal-Chen T., Xu M., Eberhard W. L. Estimations of atmospheric boundary layer fluxes and other turbulence parameters from Doppler lidar data // Journal of Geophysical Research. 1992. V. 97. N D17. P. 18,409-18,423.

44.Frehlich R.G., Hannon S.M., Henderson S.W. Coherent Doppler lidar measurements of wind field statistics // Boundary-Layer Meteorology. 1998. V. 86. N 1. P. 223-256.

45.Frehlich R.G., Conman L.B. Coherent Doppler lidar signal spectrum with wind turbulence // Applied Optics. 1999. V. 38. N 36. P. 7456-7466.

46.Smalikho I. N., Köpp F., Rahm S. Measurement of atmospheric turbulence by 2-Dm Doppler lidar // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2005. V. 22. N. 11. P. 1733-1747.

47.Frehlich R.G., Kelley N. Measurements of wind and turbulence profiles with scanning Doppler lidar for wind energy applications // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing (J-STARS). 2008. V. 1. P. 42-47.

48.Банах В.А., Смалихо И.Н., Пичугина Е.Л., Брюер А. Репрезентативность измерений скорости диссипации энергии турбулентности сканирующим когерентным доплеровским лидаром // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т.22. № 10. С. 966-972.

49.Smalikho I.N., Banakh V.A., Pichugina Y.L., Brewer W.A., Banta R.M., Lundquist J.K, and Kelley N.D. Lidar investigation of atmosphere effect on a wind turbine wake // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2013. V. 30. N 11 P. 2554-2570.

50.Kameyama S., Ando T., Asaka K., Hirano Y., and Wadaka S. Compact all-fiber pulsed coherent Doppler lidar system for wind sensing // Applied Optics. 2007. V. 46. N 11. P. 1953 - 1962.

51.Ando T, Kameyama S., Hirano Y. All-fiber coherent Doppler lidar technologies at Mitsubishi Electric Corporation // Proceedings of the 14th International Symposium for the Advancement of Boundary Layer Remote Sensing. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 1. (2008) 012011 doi: 10.1088/1755-1307/1/1/012011.

52.Pierson G., Davies F., Collier C. An analysis of performance of the UFAM Pulsed Doppler lidar for the observing the boundary layer // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2009. V. 26. N 2. P. 240-250.

53.Parmentier R., Boquet M., Cariou J.P., Sauvage L. Windcube™ pulsed lidar compact wind profiler: Overview on more than two years of comparison with calibrated sensors at different location // Proceedings of the 15th Coherent Laser Radar Conference. Toulouse, France. 2009. P.267-270.

54.Dolfi-Bouteyre A., Augere B., Valla M., Goular D., Fleury D., Canat G., Planchat C., Gaudo T., Besson C., Gilliot A. et al. Aircraft wake vortex study

2009,

AL01-07, P. 1-14.

55.Dolfi-Bouteyre A., Canat G., Valla M., Augere B., Besson C., Goular D., Lombard L., Cariou J.P., Durecu A., Fleury D., et al. Pulsed 1.5-Dm LIDAR for Axial Aircraft Wake Vortex Detection Based on High-Brightness Large-Core Fiber Amplifier // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2009, V 15, 441450.

56.Kameyama S., Sakimura T., Watanabe Y., Ando T., Asaka K., Tanaka H., Yanagisawa T., Hirano Y., and Inokuchi H. Wind sensing demonstration of more than 30 km measurable range with a 1.5 ^m coherent Doppler LIDAR which has the laser amplifier using Er,Yb:glass planar waveguide // Proc. SPIE 8526, Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring XIII, 85260E (November 19, 2012); doi:10.1117/12.977330

57.Sakimura T, Watanabe Y., Ando T., Kameyama S., Asaka K., Tanaka H., Yanagisawa T., Hirano Y., and Inokuchi H. 1.5 ^m high-gain and high-power laser amplifier using Er, Yb: glass planar waveguide // Proc. of CLEO Science and Innovations, CTu2D, 2012.

58.Sakimura T, Watanabe Y., Ando T., Kameyama S., Asaka K., Tanaka H., Yanagisawa T., Hirano Y., and Inokuchi H. 1.5-^m high average power laser amplifier using an Er,Yb:glass planar waveguide for coherent Doppler LIDAR // Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring XIII, 2012, Proc. of SPIE Vol. 8526, 852604, doi: 10.1117/12.976293

59.Jia X., Sun D., Xie S., Wu X. Development of 1.55 ^m coherent lidar for wind and wake vortex sensing // Proceedings of the 18th Coherent Laser Radar Conference. Boulder, USA. 2016. P12.pdf https://clrccires.colorado.edu/

60.Cariou J.P., Thobois L., Germon Q., Dolfi-Bouteyre A., Durecu A. Development of a high power Doppler Wind Lidar for measuring wind and EDR along aircraft approaches // Proceedings of the 18th Coherent Laser Radar Conference. Boulder, USA. 2016. M7.pdf https: //clrccires.colorado .edu/

61.Jiqiao Liu, Weibiao Chen, Xiaolei Zhu, Xiaopeng Zhu, Xin Zhang, Yuan Liu, Wei Shi. Development of 1.5 ^m all-fiber pulsed coherent Doppler wind lidar // Proceedings of the 18th Coherent Laser Radar Conference. Boulder, USA. 2016. M16.pdf https: //clrccires.colorado .edu/

62.Boquet M., Royer P., Pureur V., Cariou J.P., Smith M. Long range off-shore wind assessment by high power scanning Lidars // Proceedings of the 18th Coherent Laser Radar Conference. Boulder, USA. 2016. T2.pdf https: //clrccires.colorado .edu/

63.Wu S., Liu B., Liu J., Zhai X., Feng C., Wang G., Zhang H., Yin J., Wang X., Li R., Gallacher D. Wind turbine wake visualization and characteristics analysis by Doppler lidar // Optics Express. 2016. V. 24. N. 10. DOI: 10.1364/OE.24.00A762

64.Vasiljevic N., Lea G., Courtney M., Cariou J.P., Mann J., and Mikkelsen T. Long-Range WindScanner System // Remote Sensing. 2016, V. 8, 896; doi:10.3390/rs8110896

65.Stephan A., Wildmann N., Смалихо И.Н. Эффективность метода МФАС для определения вектора скорости ветра из измерений лидаром Windcube 200s // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 9. С. 725-733. DOI: 10.15372/AOO20180906

66.Banakh V.A., Nadeev A.I., Razenkov I.A., Smalikho I.N., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Test results of a pulsed coherent Doppler lidar created at the Institute of Atmospheric Optics SB RAS // Proceedings of SPIE. 2019. V.11208. CID: 11208 5K. [11208-323]. P. 112085K-1-112085K-9. DOI: 10.1117/12.2540944

67.Смалихо И.Н., Банах В.А., Разенков И.А., Сухарев А.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Сравнение результатов совместных измерений скорости ветра когерентными доплеровскими лидарами Stream Line и ЛРВ // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. № 10. С. 826-835.

68.Bollig Ch., Ulonska S., Winter F., Kucirek Ph., Skupin A., Ohneiser K., Hajipour M., Radenz M., Buhl J., Engelmann R. Compact all-fiber coherent lidar for mobile wind measurement applications // Proceedings of the 21st Coherent laser radar conference, Big Sky, Montana, 2022, June 27 - July 1. https: //clrc2022.montanaphotonics. org/wp-content/uploads/Wind-Lidar-Sytems-2_-Christoph-Bollig.pdf

69.Smalikho I.N., Banakh V.A., Holzäpfel F., Rahm S. Method of radial velocities for the estimation of aircraft wake vortex parameters from data measured by coherent Doppler lidar // Optics Express. 2015. Vol. 23. No. 19. P. A1194-A1207.

70.O'Connor E.J., Illingworth A.J., Brooks I.M., Westbrook C.D., Hogan R.J., Davies F., Brooks B.J. A method for estimating the kinetic energy dissipation rate from a vertically pointing Doppler lidar, and independent evaluation from balloon-borne in situ measurements // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2010. V. 27. N 10. P. 1652 -1664.

71.Smalikho I.N., Banakh V.A. Measurements of wind turbulence parameters by a conically scanning coherent Doppler lidar in the atmospheric boundary layer // Atmospheric Measurement Techniques. 2017. V. 10. N 11. P. 4191-4208.

72.Banakh V.A., Smalikho I.N. Lidar observations of atmospheric internal waves in the boundary layer of atmosphere on the coast of Lake Baikal // Atmospheric Measurement Techniques. 2016. V. 9. N 10. P. 5239-5248. doi:10.5194/amt-9-5239-2016.

73.Sathe A., Mann J., Vasiljevic N., and Lea G. A six-beam method to measure turbulence statistics using ground-based wind lidars // Atmospheric Measurement Techniques. 2015. V. 8. P. 729-740, https://doi.org/10.5194/amt-8-729-2015, 2015.

74.Banakh V.A., Smalikho I.N., Falits V.A. Estimation of the turbulence energy dissipation rate in the atmospheric boundary layer from measurements of the

radial wind velocity by micropulse coherent Doppler lidar // Optics Express. 2017. V. 25. No. 19. P. 22679-22692.

75.Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В. Лидарные измерения параметров ветровой турбулентности в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30. № 4. С. 342-349.

76.Banakh V.A., Smalikho I.N. Lidar studies of wind turbulence in the stable atmospheric boundary layer // Remote Sensing. 2018. V. 10. N 18. 1219. DOI: 10.3390/rs10081219

77.Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В. Лидарные исследования ветровой турбулентности при наличии в атмосфере низкоуровневого струйного течения // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 9. С. 716-724. DOI: 10.15372/AOO20180905

78.Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Лидарные оценки степени анизотропии ветровой турбулентности в устойчивом пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 10. С. 808-818. DOI: 10.15372/AOO20191002

79.Smalikho I. N., Banakh V.A. Effect of wind transport of turbulent inhomogeneities on estimation of the turbulence energy dissipation rate from measurements by a conically Scanning coherent Doppler lidar // Remote Sensing. 2020. V. 12. N 17. 2802, DOI: 10.3390/rs12172802

80.Banakh V.A., Smalikho I. N., Falits A. V. Wind-temperature regime and wind turbulence in a stable boundary layer of the atmosphere: case study // Remote Sensing. 2020. V. 12. 955. DOI: 10.3390/rs12060955

81.Банах В.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В. Определение высоты слоя турбулентного перемешивания воздуха из лидарных данных о параметрах ветровой турбулентности // Оптика атмосферы и океана. 2021. Т. 34. № 3. С. 169-184. DOI: 10.15372/AOO20210303

82.Frehlich R.G., Yadlowsky M.J. Performance of mean-frequency estimators for Doppler radar and lidar // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1994. V. 11. N 5. P. 1217-1230.

83.Smalikho I. N. Techniques of wind vector estimation from data measured with a scanning coherent Doppler lidar // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2003. V. 20. N2. P. 276-291.

84.Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В., Руди Ю.А. Определение скорости диссипации энергии турбулентности из данных, измеренных лидаром «Stream Line» в приземном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т.28. №10. С. 901-905. DOI: 10.15372/A0020151006.

85.Stephan A., Wildmann N., Смалихо И.Н. Измерения параметров ветровой турбулентности лидаром Windcube 200s в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 10. С. 815-820. DOI: 10.15372/A0020181007

86. Смалихо И.Н. Учет ветрового переноса турбулентных неоднородностей при оценивании скорости диссипации турбулентной энергии из измерений конически сканирующим когерентным доплеровским лидаром. Часть I. Теория // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 10. С. 756-761. DOI: 10.15372/AOO20201002

87.Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В., Сухарев А.А., Гордеев Е.В. Учет ветрового переноса турбулентных неоднородностей при оценивании скорости диссипации турбулентной энергии из измерений конически сканирующим когерентным доплеровским лидаром. Часть II. Эксперимент // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 11. С. 854-862. DOI: 10.15372/AOO20201105

88.Banakh V.A., Smalikho I. N., Falits A. V., Sherstobitov A.M. Estimating the parameters of wind turbulence from spectra of radial velocity measured by a pulsed Doppler lidar // Remote Sensing. 2021. V. 13. 2071. https://doi.org/10.3390/rs13112071

89.Смалихо И.Н., Банах В.А., Шерстобитов А.М. Определение параметров турбулентности из спектров вертикальной компоненты скорости ветра, измеряемой импульсным когерентным доплеровским лидаром. Часть I. Метод // Оптика атмосферы и океана. 2021. Т. 34. № 10. С. 769-778. DOI: 10.15372/А0020211004

90.Смалихо И.Н., Банах В.А., Шерстобитов А.М., Фалиц А.В. Определение параметров турбулентности из спектров вертикальной компоненты скорости ветра, измеряемой импульсным когерентным доплеровским лидаром. Часть II. Эксперимент на БЭКе ИОА СО РАН // Оптика атмосферы и океана. 2021. Т. 34. № 10. С. 779-791. DOI: 10.15372/А0020211005

91.Смалихо И.Н., Банах В.А., Сухарев А.А. Определение параметров турбулентности из спектров вертикальной компоненты скорости ветра, измеряемой импульсным когерентным доплеровским лидаром. Часть III. Эксперимент на побережье озера Байкал // Оптика атмосферы и океана. 2021. Т. 34. № 11. С. 891-897. DOI: 10.15372/А0020211109

92.Смалихо И.Н., Банах В.А., Шерстобитов А.М. Влияние внутренней гравитационной волны на форму кривой для спектральной плотности вертикальной компоненты скорости ветра Оптика атмосферы и океана. 2024. Т. 37. №03. С. 244-253. D0I: 10.15372/А0020240308

93.von Kàrmàn T. Progress in the statistical theory of turbulence // Proc. the National Acad. Sci. 1948. V. 34, N 11. P. 530-539. D0I: 10.1073/pnas.34.11.530.

94.Смалихо И.Н., Банах В.А. Точность оценивания скорости диссипации энергии турбулентности из измерений ветра импульсным когерентным доплеровским лидаром при коническом сканировании зондирующим пучком. Часть I. Алгоритм обработки лидарных данных // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т.26. № 3. С. 213-219.

95.Смалихо И.Н., Банах В.А., Пичугина Е.Л., Брюер А. Точность оценивания скорости диссипации энергии турбулентности из измерений ветра импульсным когерентным доплеровским лидаром при коническом сканировании зондирующим пучком. Часть II. Численный и натурный эксперименты // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 3. С. 220-225.

96.Шерстобитов А.М. Программный комплекс для обработки сигналов импульсного когерентного доплеровского лидара в реальном времени // XIV Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», Томск, 28-30 ноября 2018 г.

97.Smalikho I.N., Banakh V.A., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Lidar studies of wind turbulence anisotropy in a stable atmospheric boundary layer // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11208. CID: 11208 5X. [11208-346]. P. 112085X-1-112085X-13. DOI: 10.1117/12.2541281.

98. Шерстобитов А.М. Использование платформы Arduino Nano для управления сканирующей системой ветрового доплеровского лидара // Труды XVI Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов СНИИ-2019, С. 270-272. ТГУ, Томск, 2019. https://elibrary.ru/item.asp?id=41126087

99.Банах В.А., Надеев А.И., Разенков И.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Результаты тестирования импульсного когерентного доплеровского лидара, созданного в ИОА СО РАН // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXV Международного симпозиума, г. Новосибирск, 30 июня - 5 июля 2019 г. -Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2019. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. C581-C584. ISBN 978-5-94458-176-1.

100. Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Лидарные исследования анизотропии ветровой турбулентности в устойчивом пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXV Международного

симпозиума, г. Новосибирск, 30 июня - 5 июля 2019 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2019. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. C359-C362. ISBN 978-5-94458-176-1.

101. Sherstobitov A.M., Razenkov I.A., Smalikho I.N., Banakh V.A., Nadeev I.A., Falits A.V. Development of an all-fiber coherent Doppler lidar in the IAO SB RAS // Proceedings of the 29th International Laser Radar Conference (2429 June 2019, Hefei, China)/s06 - Wind, water vapor and temperature measurements, Session 6 WIND, WATER VAPOR and TEMPERATURE MEASUREMENTS.pdf, P. s6-32 - s6-35, 2019.

102. Шерстобитов А.М., Банах В.А., Разенков И.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В. Результаты сравнительных измерений скорости и направления ветра, проведенных с использованием созданного в Институте оптики атмосферы лидара, лидара Stream Line (HALO Photonics) и акустического анемометра // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXVI Международного симпозиума, г. Москва, 6 - 10 июля 2020 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2020. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. C-271 - С-274. ISBN 978-5-94458-180-8.

103. Шерстобитов А.М. Использование компаратора при оцифровке сигналов ветрового лидара// XIII Международная Конференция "НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ИССЛЕДОВАНИИ СЛОЖНЫХ СТРУКТУР ICAM 2020" Сентябрь, 2020, Томск on-line https://icam.tsu.ru/data/uploads/ICAM2020_proceedings.pdf

104. Banakh V.A., Falits A.V., Sukharev A.A., Sherstobitov A.M., Zaloznaya I.V. Estimation of the height of the mixing layer from the altitude-time distributions of the dissipation rate of turbulent energy and the Richardson number // Proceedings of SPIE. 2021. V. 11916. CID: 11916 3R. [11916-249].

105. Sherstobitov A.M., Makhmanazarov R. Pulse coherent Doppler lidar signal processing on FPGA: implementation of the method of accumulation of a real

autocorrelation function // Proc. SPIE. 2021. V. 11916. CID: 11916 8P. [11916269].

106. Smalikho I. N., Banakh V.A., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Estimation of wind turbulence parameters from spectra of the vertical wind velocity measured by a pulsed coherent Doppler lidar // Proceedings of SPIE. 2021. V. 11916. CID: 11916 34. [11916-131].

107. Банах В.А., Фалиц А.В., Сухарев А.А., Шерстобитов А.М., Залозная И.В. Оценивание высоты слоя перемешивания из высотно-временных распределений скорости диссипации турбулентной энергии и числа Ричардсона // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXVII Международного симпозиума, г. Москва, 5-9 июля 2021 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2021. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. C538-C541. ISBN 978-5-94458-187-7.

108. Смалихо И.Н., Банах В.А., Шерстобитов А.М., Фалиц А.В. Оценивание параметров ветровой турбулентности из спектров вертикальной скорости ветра, измеряемой импульсным когерентным доплеровским лидаром // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXVII Международного симпозиума, г.Москва, 5-9 июля 2021 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2021. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. C355-C358. ISBN 978-5-94458-187-7.

109. Шерстобитов А.М., Махманазаров Р.М. Обработка сигнала импульсного когерентного доплеровского лидара на ПЛИС. Реализация метода аккумуляции действительной автокорреляционной функции // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXVII Международного симпозиума [Электронный ресурс]. г. Москва 5-9 июля 2021 г.- Томск: Изд-во ИОА СО РАН 2021. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). С. F1-F4. ISBN 978-5-94458-187-7 https : //symp .iao.ru/files/symp/aoo/27/C. pdf

110. Шерстобитов А.М., Банах В.А., Разенков И.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В., Махманазаров Р.М. Гордеев Е.В. Усовершенствованная версия импульсного когерентного доплеровского лидара, разработанного в ИОА СО РАН // Аэрозоли Сибири. XXVIII Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-е ИОА СО РАН. 2021. https: //symp. iao. ru/files/symp/sa/28/ru/abstr_14030. pdf

111. Банах В.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М., Смалихо И.Н., Сухарев А.А., Гордеев Е.В., Залозная И.В. Об оценивании высоты слоя турбулентного перемешивания из высотно-временных распределений числа Ричардсона // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т.35. № 11. С. 912917. DOI: 10.15372/AOO20221106

112. Banakh V.A., Falits A.V., Sukharev A.A., Sherstobitov A.M., Zaloznaya I.V. Estimating the height of the turbulent mixing layer from height-time distributions of the Richardson number // Proceedings of SPIE. 2022. V. 12341. CID: 12341 2R. [12341-120]. doi: 10.1117/12.2644750.

113. Makhmanazarov R.M., Sherstobitov A.M. Optimization of mean wind estimation methods from wind lidar's conical scan data // Proceedings of SPIE. 2022. V. 12341. CID: 12341 2X. [12341-147]. doi: 10.1117/12.2644849.

114. Smalikho I.N., Banakh V.A., Razenkov I.A., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Comparison of the results of joint measurements of wind velocity by Stream Line and WPL coherent Doppler lidars // Proceedings of SPIE. 2022. V. 12341. CID: 12341 2J. [12341-82]. doi: 10.1117/12.2644490

115. Банах В.А., Разенков И.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Сравнение результатов совместных измерений скорости ветра когерентными доплеровскими лидарами Stream Line и ЛРВ // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXVIII Международного симпозиума, г.Томск, 4-8 июля 2022 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2022. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. B281-B284. ISBN 978-5-94458-190-7

116. Банах В.А., Фалиц А.В., Сухарев А.А., Шерстобитов А.М., Залозная И.В. Об оценивании высоты слоя турбулентного перемешивания из высотно-временных распределений числа Ричардсона // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXVIII Международного симпозиума, г. Томск, 4-8 июля 2022 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2022. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. В396-В399. ISBN 978-5-94458-190-7. https: //symp. iao.ru/ru/aoo/28/proceedings

117. Шерстобитов А.М. О возможности применения оптического 90° гибрида в импульсном когерентном доплеровском лидаре // Материалы XV Международной Школы молодых ученых «Физика окружающей среды» им. А.Г. Колесника. Томск, 2022, Издательство: Общество с ограниченной ответственностью "СТТ" (Томск), C.68-72.

118. Шерстобитов А.М., Махманазаров Р.М. Оптимизация метода фильтрованной синусоидальной подгонки // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс] : Материалы XXVIII Международного симпозиума, г.Томск, 4-8 июля 2022 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2022. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. B1-B4. ISBN 978-5-94458-190-7.

119. Смалихо И.Н., Банах В.А., Сухарев А.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Совместные измерения ветра когерентными доплеровскими лидарами ЛРВ и Stream Line в 2022 году // Аэрозоли Сибири. XXIX Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-е ИОА СО РАН. 2022. С. 85. http: //symp.iao .ru/ru/sa/29/reports

120. Шерстобитов А.М. Программа управления импульсным когерентным доплеровским ветровым лидаром и обработки его сигналов // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2023660023 от 17.05.2023. Правообладатель: ИОА СО РАН (RU).

121. Шерстобитов А.М. Программа моделирования сигналов двухимпульсного когерентного доплеровского лидара // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2023619058 от 24.05.2023. Правообладатель: ИОА СО РАН (RU).

122. Smalikho I.N., Banakh V.A., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Influence of an internal gravity wave on the shape of the spectrum of the vertical component of the wind speed in the atmospheric boundary layer // Proceedings of SPIE. 2023. V. 12780. 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 127802T. https://doi.org/10.1117/12.2690373

123. Смалихо И.Н., Банах В.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Влияние внутренней гравитационной волны на форму спектра вертикальной компоненты скорости ветра в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXIX Международного симпозиума, г.Москва, 26-30 июня 2023 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2023. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. B227-B230. ISBN 978-5-94458-196-9.

124. Смалихо И. Н., Банах В. А., Шерстобитов А. М. Определение отношения сигнал/шум из исходных данных, измеряемых импульсным когерентным доплеровским лидаром в условиях нестационарного шума. // Оптика атмосферы и океана. 2024. Т. 37. № 03. С. 234-243. DOI: 10.15372/AOO20240307.

125. Банах В.А., Разенков И.А., Смалихо И.Н., Шерстобитов А.М. Тестирование ветрового импульсного когерентного доплеровского лидара ЛРВ-2 при длинном и коротком зондирующих импульсах // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXX Юбилейного Международного симпозиума, г. Санкт-Петербург, 01-05 июля 2024 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2024. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. B127-B130. ISBN 978-5-94458-200-3.

126. Банах В.А., Разенков И.А., Смалихо И.Н., Шерстобитов А.М., Фалиц А.В. Измерения радиальной скорости ветра и отношения сигнал-шум лидарами ЛРВ-2 и Stream Line // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXX Юбилейного Международного симпозиума, г. Санкт-Петербург, 01-05 июля 2024 г. -Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2024. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. B131-B134. ISBN 978-5-94458-200-3.

127. Банах В.А., Гордеев Е.В., Смалихо И.Н., Сухарев А.А., Фалиц А.В., Шерстобитов А.М. Результаты лидарных экспериментов по изучению волновых и турбулентных структур в устойчивом пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXX Юбилейного Международного симпозиума, г. Санкт-Петербург, 01 -05 июля 2024 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2024. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. B384-B387. ISBN 978-5-94458-200-3.

128. Патент КНР 10204314(B), МПК G01N15/00, G01S17/95. All-optical-fiber coherent Doppler wind lidar signal processing system / Zhou Jun, Lu Dong, Zhu Hailong, Wang Guofeng, Hao Liyun; заявитель NANJING ZHONGKE SHENGUANG SCIENCE & TECHNOLOGY CO LTD. 2.01.2013

129. Банах В.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В., Белан Б.Д., Аршинов М.Ю., Антохин П.Н. Совместные радиозондовые и доплеровские лидарные измерения ветра в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т.27. № 10. С. 911-916

130. Лидар WindCube 400S [Электронный ресурс] -URL: https://www.vaisala.com/en/products/weather-environmental-sensors/windcube-general (дата обращения 03.02.2025)

131. Лидар WindPrintTM S4000[Электронный ресурс] -URL: http://www.seaglet.com/en/productaspx?t1=100 (дата обращения 03.02.2025)

132. Yunpeng Zhang, Yunbin Wu, Haiyun Xia Spatial resolution enhancement of coherent Doppler wind lidar using differential correlation pair technique // Optics Letters V. 46 N. 22 Р. 5550- 5553, 2021, doi: 10.1364/OL.442121

133. Banakh, V.A., Brewer, A., Pichugina, E.L. et al. Measurements of wind velocity and direction with coherent Doppler lidar in conditions of a weak echo signal. Atmos Ocean Opt 23, 381-388 (2010). https://doi.org/10.1134/S1024856010050076

134. Генератор алгоритмов БПФ на языке Verilog HDL [Электронный ресурс] -URL: http://www.spiral.net/hardware/dftgen.html (дата обращения 15.12.2018)

135. Banakh V.A., Smalikho I.N. Lidar estimates of the anisotropy of wind turbulence in a stable atmospheric boundary layer // Remote Sensing. 2019. V. 11. N 18. 2115.

136. Смалихо И. Н. Точность оценок скорости диссипации турбулентной энергии из временного спектра флуктуаций скорости ветра // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. №8. С. 898-904.

137. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосф. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 752 с.

138. Banta R. M., Newsome R. K., Lundguist J. K., Pichugina Y. L., Coulter R. L., L. Mahrt L. Nocturnal low-level jet characteristics over Kansas during CASES-99 // Bound.-Layer Meteor. 2002. V. 105. P. 221-252

139. Edwards J. M., Beljaars A. C. M., Holstag A. A. M., Lock A. P. Representation of boundary-layer processes in numerical weather prediction and climate models // Bound.-Layer Meteorol. 2020. V. 177. P. 511-539.

140. Lamley J. P. The spectrum of nearly inertial turbulence in a stably stratified fluid // Journ. Atm. Sci. 1964. V. 21. No 1. P. 99-102.

141. Bolgiano R. J. Structure of turbulence in stratified media //Journ. Geophys. Res. 1962. V. 67. No 8. P. 3015-3023.

142. Монин А. С. О спектре турбулентности в температурно-неоднородной атмосфере // Изв. АН СССР. сер. геофиз. 1962. № 3. С. 397-407.

143. Шур Г. Н. Экспериментальные исследования энергетического спектра атмосферной турбулентности // Труды ЦАО. 1962. Выл. 43. С. 79-91.

144. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023660023. Программа управления импульсным когерентным доплеровским ветровым лидаром и обработки его сигналов / Шерстобитов А. М. (RU); правообладатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (RU). - № 20023619107, дата поступления - 11.05.2023, дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ - 17.05.2023.

145. Abdelazim S. et al. A hardware implemented autocorrelation technique for estimating power SPectral density for processing signals from a Doppler wind Lidar system //Sensors. - 2018. - Т. 18. - №. 12. - С. 4170.

146. Finnigan J.J. et al. The interaction between an internal gravity wave and turbulence in the stably-stratified nocturnal boundary layer. J. Atmos. Sci.,1984. 41, 2409-2436

147. Nai-Ping, L., et al. Wave and turbulence structure in adisturbed nocturnal inversion. Bound.-Layer Meteor. 1983, 26, 141-155