Том 39, номер 10, статья № 9

Аннотация:

Для множества прикладных задач использование стандартных локальных средств измерения ветра в атмосфере не дает достаточной информации о поведении его пространственно осредненных величин, что определяет актуальность разработки дистанционных оптических методов и средств измерения интегральных по трассе значений скорости ветра. В настоящей работе излагаются теоретические основы и приводятся результаты полигонных тестов метода оценки поперечной к оптической трассе интегральной скорости ветра, использующего в качестве источника информации турбулентные флуктуации изображений удаленных объектов. Метод базируется на корреляционном анализе временных рядов дрожаний изображений пары горизонтально разнесенных объектов. В отличие от предшествующих работ, оценка скорости выполняется по наклону в нуле нечетной части взаимной корреляционной функции рядов дрожаний изображений и дисперсии их разности. Обе величины слабо чувствительны к синхронной помехе, что определяет значительно большую устойчивость измерителя к вибрациям. Обсуждается возможность восстановления профиля скорости ветра. Результаты работы могут найти применение в авиации для измерений бокового ветра на взлетно-посадочной полосе, в метеорологии, при решении задач оптической связи, оценке переноса загрязняющих примесей и других областях, требующих оперативных дистанционных измерений пространственно-осредненной скорости ветра.

Ключевые слова:

поперечная скорость ветра, пассивный оптический измеритель, обработка изображений, разностный кросскорреляционный алгоритм

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Базылев Н.Б., Фомин Н.А. Количественная визуализация течений, основанная на спекл-технологиях. Минск: Беларуская навука, 2016. 392 с.
2. Emery W.J., Thomas A.C., Collins M.J., Crawford W.R., Mackas D.L. An objective method for computing advective surface velocities from sequential infrared satellite images // J. Geophys. Res. 1986. V. 91, N 11. P. 12865–12878.
3. Ляшко Д.А., Ляшко С.Д. Определения фундаментальных параметров звезд кросскорреляционным методом // Вестн. Физико-технического ин-та Крымского федерального ун-та им. В.И. Вернадского. 2010. № 1. С. 139–145.
4. Козинкин Л.А., Карчевский М.Н. Методы измерения полей скорости в задаче исследования течения в канале с периодическими холмами // Теплофизика и аэромеханика. 2016. Т. 23, № 6. С. 853–864.
5. Wang Ting-I., Ochs G.R., Lawrence S. Wind measurements by the temporal cross correlation of the optical scintillations // Appl. Opt. 1981. V. 20, N 23. P. 4073–4081.
6. Tichkule S., Muschinski A. Optical anemometry based on the temporal cross-correlation of angle-of-arrival fluctuations obtained from spatially separated light sources // Appl. Opt. 2012. V. 51, N 21. P. 5272–5282. DOI: 10.1364/AO.51.005272.
7. Poggio L.P., Furger M., Prévôt A.H., Graber W.K., Andreas E.L. Scintillometer wind measurements over complex terrain // J. Atmos. Ocean. Technol. 2000. V. 17, N 1. P. 17–26. DOI: 10.1175/1520-0426(2000)017<0017:SWMOCT>2.0.CO;2.
8. Belenkii M. Crosswind profile sensing using turbulence-induced scintillation on a round-trip propagation path // Waves Random Complex Media. 2022. V. 33, N 6. P. 1213–1223. DOI: 10.1080/17455030.2022.2046891.
9. Clifford S.F., Ochs G.R., Wang Ting-I. Optical wind sensing by observing the scintillations of a random scene // Appl. Opt. 1975. V. 14, N 12. P. 2844–2850.
10. Holmes R.B. Passive optical wind profilometer. United States Patent No. US 5,469,250. 1995.
11. Porat O., Shapira J. Crosswind sensing from optical-turbulence-induced fluctuations measured by a video camera // Appl. Opt. 2010. V. 49, N 28. P. 5236–5244. DOI: 10.1364/AO.49.005236.
12. Афанасьев А.Л., Дудоров В.В., Михайлов Ю.Т., Насонова А.С., Ростов А.П., Шестаков С.О. Определение поперечной составляющей скорости ветра на основе анализа видеоряда изображений удаленных объектов. Часть 3. Экспериментальная апробация // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 7. С. 553–558. DOI: 10.15372/AOO20200708; Afanasiev A.L., Dudorov V.V., Mikhailov Yu.T., Nasonova A.S., Rostov A.P., Shestakov S.O. Retrieval of crosswind velocity based on the analysis of remote object images: Part 3 – Experimental test // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 6. P. 690–695.
13. Sarazin M., Roddier F. The ESO differential image motion monitor // Astron. Astrophys. 1990. V. 227. P. 294–300. DOI: 10.1051/0004-6361:19901433.
14. Tokovinin A. From differential image motion to seeing // Publ. Astron. Soc. Pacific. 2002. V. 114. P. 1156–1166. DOI: 10.1086/342683.
15. Антошкин Л.В., Ботыгина Н.Н., Емалеев О.Н., Коняев П.А., Лукин В.П. Трассовый дифференциальный измеритель параметров атмосферной турбулентности // Опт. и спектроскоп. 2010. Т. 109, № 4. C. 683–689.
16. Афанасьев А.Л., Банах В.А., Маракасов Д.А., Аксенов В.А., Шишкин Е.В., Пазий Ю.В. Формирование поправок к прицеливанию с помощью пассивного оптического измерителя скорости поперечного ветра // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 5. С. 355–363. DOI: 10.15372/AOO20180504.
17. Маракасов Д.А., Сухарев А.А. Исследование влияния показателя степенной модели спектра турбулентности в сверхзвуковом потоке на распространение лазерного пучка // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 8. С. 640–647. DOI: 10.15372/ AOO20240803; Marakasov D.A., Sukharev A.A. Influence of the exponent in the power-law model of turbulence spectrum in a supersonic flow on laser beam propagation // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 6. P. 757–765.
18. Шишов В.И. Зависимость вида спектра мерцаний от вида спектра неоднородностей показателя преломления. I. Фазовый экран // Изв. вузов. Радиофиз. 1974. Т. 17, № 11. С. 1684–1691.
19. Шишов В.И. Зависимость вида спектра мерцаний от вида спектра неоднородностей показателя преломления. II. Статистически однородная среда // Изв. вузов. Радиофиз. 1976. Т. 19, № 1. С. 91–99.
20. Маракасов Д.А., Афанасьев А.Л., Гордеев Е.В. Оценка параметров инерционного интервала турбулентного спектра температуры из временных рядов данных акустических метеостанций // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 3. С. 254–261. DOI: 10.15372/AOO20240309.