Способ и лидарная система для оперативного контроля интенсивности турбулентности на глиссаде
METHOD AND LIDAR SYSTEM FOR OPERATION CONTROL OF TURBULENCE INTENSITY ON THE GLIDE PATH

Изобретение относится к области метеорологии и физики атмосферы и может быть использовано при создании аэродромного оборудования для контроля интенсивности турбулентности на глиссаде в аэропортах с целью обеспечения безопасности полетов.
Известен способ обнаружения сдвига ветра, наблюдения за конвективной облачностью и перемещением интенсивных зон осадков с помощью доплеровских метеорологических локаторов (Шакина Н.П., Иванова А.Р. Прогнозирование метеорологических условий для авиации. Москва: Триада лтд, 2016, 312 с.). Недостатком способа является низкая чувствительность радиолокаторов при работе в ясную погоду.
Известен способ определения когерентных турбулентных структур атмосферного пограничного слоя (АПС) за счет использования в качестве трассеров естественных, природных аэроионов, образующихся в АПС под воздействием галактических космических лучей и радиоактивных эманаций земной поверхности, и синхронной регистрацией аэроэлектрических пульсаций атмосферного электрического поля (С.В. Анисимов, Е.А. Мареев. Способ определения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы, патент RU 2579358 C1). Недостатком способа является использование теоретической модели турбулентности приземного слоя, невозможность обнаружения турбулентных зон непосредственно на глиссаде, т.е. за пределами аэродрома.
Известен способ определения пульсационных характеристик ветра и температуры в атмосфере с помощью бистатического содара, работающего на явлении рассеяния акустических волн атмосферными мелкомасштабными турбулентными неоднородностями (В.Ф. Крамар и др. Бистатический содар для исследования полей ветра и характеристик турбулентности в приземном и пограничном слоях атмосферы, патент RU 2735909 C1). Недостатками способа являются небольшая дальность зондирования в несколько сотен метров, необходимость работать в вертикальном, или почти вертикальном, направлении и, следовательно, невозможность определения турбулентных характеристик непосредственно на глиссаде. Кроме того, работа содара на аэродроме затруднена из-за акустических шумов.
Известен способ расчета прогностических полей турбулентности с шагом 7 км на нижних уровнях полета воздушных судов с помощью численной мезомасштабной модели COSMO-Ru7, которая с 2014 г. используется в Гидрометцентре России (Шакина Н.П., Скриптунова Е.Н., Иванова А.Р. Прогноз механической турбулентности в нижнем слое атмосферы для авиации // Труды Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. 2017. № 364. С. 20-37). Недостатком способа является невозможность его оперативного применения, т.к. способ разработан для численного прогноза с заблаговременностью 12 и 24 ч и имеет повторяемость менее 50%.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ дистанционного обнаружения интенсивных турбулентных зон в атмосфере при помощи ветрового когерентного лидара. Способ основан на восстановлении высотного профиля турбулентности из продольной структурной характеристики при коническом сканировании, либо из уширения доплеровского спектра (Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2013, 304 с.). Недостатками способа являются небольшая дальность зондирования, необходимость конического сканирования и зависимость чувствительности когерентного лидара от угла между направлениями зондирования и скорости ветра.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является дистанционное оперативное определение состояния турбулентности и оценка интенсивности болтанки воздушного судна на глиссаде.
Технический результат лидарной системы заключается в зондировании атмосферы турбулентным лидаром под углом 3° к горизонту для совпадения с глиссадой, регистрации двух профилей эхосигналов в режиме счета фотонов, передаче накопленных сигналов в блок обработки информации, где вычисляется фактор влияния турбулентности и характеристики турбулентности вдоль глиссады.
Окончательным результатом работы системы является оценка интенсивности болтанки воздушного судна в градациях «слабая», «умеренная», «сильная» и «очень сильная».
Технический результат способа заключается в использовании специализированного турбулентного лидара, работающего на эффекте усиления обратного рассеяния. Зондирование атмосферы лидаром осуществляется следующим образом.
Лидар располагается на летном поле и направление зондирования лидара должно совпадать с глиссадой – траекторией снижения летательного аппараты при посадке. Стандартный угол наклона глиссады 3°. Передатчик лидара посылает в атмосферу лазерные импульсы и принимает эхосигналы. Эхосигналы основного и дополнительного приемных каналов регистрируются фотоприемниками в режиме счета фотонов, затем в виде электрических одноэлектронных импульсов поступают в систему регистрации, где они накапливаются. Затем накопленные эхосигналы передаются в компьютер, где они обрабатываются. Результатом работы системы является информация об интенсивности возможной (прогнозируемой) болтанки воздушного судна на глиссаде в градациях «слабая», «умеренная», «сильная» и «очень сильная».
Особенность способа заключается в том, что впервые для дистанционного контроля интенсивности турбулентности на глиссаде используется система, работающая на эффекте усиления обратного рассеяния. Эффект усиления обратного рассеяния возникает при двойном (прямом и обратном) распространении оптического излучения в турбулентной атмосфере (Виноградов А.Г., Гурвич А.С., Кашкаров С.С., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. «Закономерность увеличения обратного рассеяния волн». Свидетельство на открытие № 359. Приоритет открытия: 25 августа 1972 г. в части теоретического обоснования и 12 августа 1976 г. в части экспериментального доказательства закономерности. Государственный реестр открытий СССР // Бюл. изобретений. 1989. № 21). Аналоги работают на других принципах и эффект усиления обратного рассеяния не используют. В отличие от аналогов, преимущества системы заключаются в способности контролировать интенсивность турбулентности непосредственно на глиссаде, которая начинается на высоте 400 м и на удалении 8 км от взлетно-посадочной полосы аэродрома. Интенсивная турбулентность в районе аэропорта может возникнуть в результате сдвига ветра, который не обнаруживается стандартными приборами. Подобная ситуация с неблагоприятными для посадки погодными условиями сложилась в момент катастрофы Боинг-737-800 19 марта 2016 г. в Ростове-на-Дону (Шакина Н.П., Иванова А.Р., Скриптунова Е.Н., Горлач И.А. Крушение самолета Boeing-737-800: метеорологические условия в Ростове-на-Дону 19 марта 2016 г. // Метеорология и гидрология. 2016. № 7. С. 93-98).
Достижение технического результата в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет применения турбулентного лидара для зондирования вдоль траектории снижения летательных аппаратов (глиссада) и специализированной обработке получаемой информации в реальном времени.
P
(x)
P
(x)
x
q(x)
R
λ
p
T
p(z)
T(z)
z=x
sin(3°)
g
(z)
z
1
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Лидарная система для контроля интенсивности турбулентности на глиссаде, состоит из приемопередатчика, блока регистрации эхо-сигналов и блока обработки информации. Приемопередатчик турбулентного лидара представляет собой безопасный для глаз ультрафиолетовый турбулентный лидар, который располагается на аэродроме у торца взлетно-посадочной полосы (ВПП), трассу зондирования устанавливают под углом 3° к горизонту, чтобы она совпадала с глиссадой – траекторией снижения летательных аппаратов. Лидаром с пространственным разрешением по горизонтали 60 м и по вертикали 3 м до дистанции 20 км (высота 1 км) производится зондирование атмосферы. Принимаемые приемопередатчиком эхосигналы в виде фотоэлектрических импульсов поступают в блок регистрации, где они анализируются дискриминатором, затем прошедшие дискриминатор фотоэлектрические импульсы преобразуются в сигналы стандартного TTL-уровня. Сигналы TTL-уровня поступают на счетчик фотонов, который производит накопление сигналов вдоль всей трассы зондирования. Накопленная информация о пространственном распределении эхосигналов основного  и дополнительного  приемных каналов, где  – дистанция от лидара, из блока регистрации передается в блок обработки информации. Время накопления эхосигналов в каждом цикле измерений составляет 1 мин. В блоке обработки вычисляют фактор  влияния турбулентности на среднюю мощность рассеянного света на приемнике согласно алгоритму: . Вычисляют структурную характеристику коэффициента преломления согласно алгоритму (Разенков И.А. Оценка интенсивности турбулентности из лидарных данных // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 01. С. 1-9): , где:  – радиус приемопередающей апертуры лидара;  – волновое число;– длина волны;  – масштаб Френеля. Вычисляют структурную характеристику температуры согласно алгоритму: , где  – давление в миллибарах;  – температура в градусах Кельвина. Высотные профили давления  и температуры , где  – высота, могут быть получены либо из данных стандартного аэрологического зондирования, либо рассчитаны по наземным наблюдениям давления и температуры с использованием барометрической формулы и адиабатического градиента температуры. Вычисляют скорость диссипации турбулентной энергии согласно алгоритму: ,  – параметр плавучести;  – ускорение свободного падения (Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548 с.). Скорость диссипации ε кинетической энергии в единице массы за единицу времени является важной характеристикой, зависящей от интенсивности турбулентности. С использованием эмпирического соотношения (Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Шур Г.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 288 с.) анализируется значение скорости диссипации ε и в зависимости от ее величины определяется интенсивность болтанки для каждой высоты : «слабая», если ε<0,025 м/с; «умеренная», если 0,025 м/с<ε<0,05 м/с; «сильная», если 0,05 м/с<ε<0,1 м/с; «очень сильная», если ε>0,1 м/с.
C
C
C
z
C
n
n
n
n
2
2
2
-4/3
2
3
2
3
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Рассмотрим конкретный пример контроля интенсивности турбулентности над ровной лесостепной местностью при зондировании под углом 3°, соответствующем стандартному наклону глиссады и имитирующий работу лидара в аэропорту. На фиг. 1 показана схема зондирования. Трение воздушного потока о поверхность и его торможение создают механическую турбулентность. Одновременно с этим неравномерный нагрев поверхности создает термическую турбулентность, которая является причиной существования в атмосфере флуктуаций температуры. Заметим, что флуктуации температуры в пограничном слое атмосферы присутствуют практически постоянно. На фиг. 2 показано пространственно-временное распределение интенсивности турбулентности в виде параметра , полученное с помощью турбулентного лидара 17 мая 2020 г. Измерения проводились в окрестности г. Томска на Базовом экспериментальном комплексе (БЭК) Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева. Рядом с лидаром на мачте высотой 36 м располагался измерительный метеорологический комплекс. На фиг. 3 показаны данные о скорости (верхний график) и направлении (нижний график) ветра, полученные на высотах 10 и 30 м. Начиная с 19:00 было зарегистрировано резкое увеличение скорости ветра с 2 до 8 м/с, которое сопровождалось изменением направления ветра с южного на северное и затем на западное. Пересеченная местность и увеличение скорости ветра >5 м/с способствовали росту интенсивности турбулентности в слое 500 м. На фиг. 4 показаны высотные профили параметра  (слева) и скорости диссипации ε (справа) для двух моментов времени - 20:20 (черные кружочки) и 23:50 (светлые кружочки). Моменты времени 20:20 (сильная интенсивность турбулентности) и 23:50 (слабая интенсивность турбулентности) на фиг. 2, и далее на фиг. 5, отмечены стрелками. Представленные данные рассчитаны в соответствии с изложенным выше алгоритмом. Профиль параметра  слева на фиг. 4, зарегистрированный в 23:50, в соответствии с теорией конвективного пограничного слоя уменьшается с высотой по закону ~. Соответствующий ему профиль скорости диссипации ε показан справа на фиг. 4. Профиль параметра ε по высоте постоянный, а его значения ε<0,025 м/с. В соответствии с приведенными выше градациями болтанки получаем, что интенсивность возможной болтанки воздушного судна «слабая», т.к. значения ε<0,025 м/с. На фиг. 4 на графике справа градации болтанки нанесены вертикальными пунктирными линиями, а ниже графика показана черно-белая шкала болтанки. Значения высотного профиля параметра  на фиг. 4, зарегистрированного в 20:20, существенно больше по величине, чем в 23:50. Соответствующий справа профиль скорости диссипации ε (черные кружочки) на фиг. 4 имеет максимум на высоте 100 м. Причем, интенсивность турбулентности до высоты 200 м может вызывать «сильную» болтанку (0,05 м/с<ε<0,1 м/с), а выше 200 м – «умеренную» (0,025 м/с<ε<0,05м/с). На фиг. 5 с использованием черно-белой шкалы показан результат регистрации интенсивности болтанки до высоты 1 км в течение 8 ч наблюдений. «Сильная» степень (0,05 м/с<ε<0,1 м/с) интенсивности болтанки воздушного судна (см. фиг. 5) могла наблюдаться с 19:30 до 21:30 в слое от 60 до 250 м.
Предлагаемое изобретение позволит повысить точность и надежность контроля интенсивности турбулентности на глиссаде и тем самым повысить безопасность при заходе на посадку воздушных судов.