Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования

Рассматривается метод восстановления интенсивности жидких осадков с помощью активно-пассивного зондирования на основе двухчастотного радара и радиометра. Получены выражения для активно-пассивного зондирования дождей в виде системы трех интегральных уравнений. Предложен алгоритм решения обратной зада...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Радіофізика та електроніка
Дата:	2014
Автори:	Линкова, А.М., Хлопов, Г.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2014
Теми:	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106103
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования / А.М. Линкова, Г.И. Хлопов // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 3. — С. 26-31. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860247055833759744
author	Линкова, А.М. Хлопов, Г.И.
author_facet	Линкова, А.М. Хлопов, Г.И.
citation_txt	Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования / А.М. Линкова, Г.И. Хлопов // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 3. — С. 26-31. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Радіофізика та електроніка
description	Рассматривается метод восстановления интенсивности жидких осадков с помощью активно-пассивного зондирования на основе двухчастотного радара и радиометра. Получены выражения для активно-пассивного зондирования дождей в виде системы трех интегральных уравнений. Предложен алгоритм решения обратной задачи численными методами, основанный на использовании базы данных принятых мощностей двухчастотного радара и радиояркостной температуры радиометра, рассчитанной путем решения прямой задачи активно-пассивного зондирования для различных значений параметров распределения капель по размерам. Проведено численное моделирование активно-пассивного зондирования жидких осадков в диапазоне интенсивности до 30 мм/ч и для длин волн радара 8,2 мм и 3,2 см и 3,4 см для радиометра. Показано, что предложенный алгоритм позволяет восстанавливать интенсивность дождя с погрешностью не более 10 %. Розглядається метод відновлення інтенсивності рідких опадів за допомогою активно-пасивного зондування на основі двочастотного радара й радіометра. Отримано вирази для активно-пасивного зондування дощів у вигляді системи трьох інтегральних рівнянь. Запропоновано алгоритм розв’язання оберненої задачі числовими методами, заснований на використанні бази даних прийнятих потужностей двочастотного радара і радіояскравісної температури радіометра, розрахованих через розв’язання прямої задачі активно-пасивного зондування для різних значень параметрів розподілу крапель за розмірами. Проведено числове моделювання активно-пасивного зондування рідких опадів в діапазоні інтенсивності до 30 мм/год і для довжин хвиль радара 8,2 мм і 3,2 см та 3,4 см для радіометра. Показано, що запропонований алгоритм дозволяє відновлювати інтенсивність дощу з похибкою не більше 10 %. The method of retrieving the intensity of liquid precipitation by active-passive sensing based on double frequency radar and radiometer is considered. The expressions for activepassive sensing of rains are obtained in the form of system of three integral equations. The algorithm for solution of inverse problem by numerical methods is proposed, which is based on the database of received powers of double frequency radar and radiometer brightness temperature calculated by solving the direct problem of activepassive sensing for different values of drop size distribution parameters. Numerical simulation of active-passive remote sensing of liquid precipitation at the range of intensity up to 30 mm/h and radar wavelengths 8.2 mm and 3.2 cm, and 3.4 cm for radiometer has been carried out. It was shown that the proposed algorithm can retrieve the rain intensity with error not more than 10 %.
first_indexed	2025-12-07T18:38:15Z
format	Article
fulltext	РРААССППРРООССТТРРААННЕЕННИИЕЕ РРААДДИИООВВООЛЛНН,, РРААДДИИООЛЛООККААЦЦИИЯЯ ИИ ДДИИССТТААННЦЦИИООННННООЕЕ ЗЗООННДДИИРРООВВААННИИЕЕ _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2014. Т. 5(19). № 3 © ИРЭ НАН Украины, 2014 УДК 551.508.85:621.396.96 А. М. Линкова, Г. И. Хлопов Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: khlopov@ire.kharkov.ua ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ЖИДКИХ ОСАДКОВ С ПОМОЩЬЮ МНОГОЧАСТОТНОГО АКТИВНО-ПАССИВНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Разработка методов дистанционного зондирования жидких осадков является актуальной задачей как для практического применения в различных областях сельского хозяйства, так и для решения теоретических задач физики атмосферы. Рассматривает- ся метод восстановления интенсивности жидких осадков с помощью активно-пассивного зондирования на основе двухчастотного радара и радиометра. Получены выражения для активно-пассивного зондирования дождей в виде системы трех интегральных урав- нений. Предложен алгоритм решения обратной задачи численными методами, основанный на использовании базы данных приня- тых мощностей двухчастотного радара и радиояркостной температуры радиометра, рассчитанной путем решения прямой задачи активно-пассивного зондирования для различных значений параметров распределения капель по размерам. Проведено численное моделирование активно-пассивного зондирования жидких осадков в диапазоне интенсивности до 30 мм/ч и для длин волн радара 8,2 мм и 3,2 см и 3,4 см для радиометра. Показано, что предложенный алгоритм позволяет восстанавливать интенсивность дождя с погрешностью не более 10 %. Ил. 3. Библиогр.: 17 назв. Ключевые слова: активно-пассивное зондирование, гамма-распределение, интенсивность дождя, отраженная мощность, радиояркостная температура, двухчастотный радар, радиометр. Измерение интенсивности жидких осад- ков представляет значительный интерес для на- родного хозяйства в связи с участившимися слу- чаями наводнений и оползней. Постоянный мо- ниторинг количества выпавших жидких осадков позволяет планировать работу гидрологических сооружений и вовремя информировать соответст- вующие государственные органы о возможных стихийных бедствиях. Поэтому разработка мето- дов дистанционного зондирования (ДЗ) жидких осадков является весьма актуальной задачей. В основе методов ДЗ лежит решение об- ратных задач по восстановлению параметров жидких осадков путем измерения характеристик рассеяния и излучения их частиц. Так как струк- тура жидких осадков [1] зависит от многих пара- метров, то использование только характеристик рассеяния или излучения, получаемых с по- мощью одночастотного активного или пассивно- го зондирования, не позволяет получить решение обратной задачи. В последнее время широкое распространение получили методы двухчастотно- го [2, 3], поляризационного [4, 5], а также активно- пассивного зондирования (АПЗ) дождей [6]. Для решения обратных задач широко ис- пользуются трехпараметрические модели распре- деления частиц по размерам (например, гамма- распределение [7]), которые требуют измерения минимум трех некоррелированных величин, в то время как выше перечисленные методы позволя- ют измерять только два параметра. Как правило, для решения проблемы неполной определенности обратной задачи используются априорные статис- тические данные о микроструктурных параметрах дождя, в том числе полученные контактными методами [8, 9]. В частности, авторами ранее предложен и исследован комбинированный метод двухчастот- ного зондирования жидких осадков [10], осно- ванный на использовании усредненных статисти- ческих данных в виде зависимости параметров распределения капель по размерам от интенсив- ности дождя. Численное моделирование и экспе- риментальные исследования показали, что пред- ложенный метод позволяет однозначно восста- навливать неоднородный профиль микрострук- турных и интегральных параметров дождей в среднестатистическом смысле. Однако результа- ты дистанционного зондирования для конкретно- го дождя могут существенно отличаться от ре- альной интенсивности, так как разработанный метод основан на использовании усредненных моделей. Таким образом, значительный интерес представляет разработка методов ДЗ текущей интенсивности в данный момент времени, что требует решения проблемы неполной определен- ности обратной задачи. В настоящей работе рассматривается ре- шение обратной задачи по восстановлению ин- тенсивности жидких осадков путем АПЗ с ис- пользованием двухчастотного радара и радиомет- ра, что в принципе решает проблему неполной определенности и позволяет определить микро- структурные характеристики трехпараметриче- ской функции распределения частиц по размерам и вычислить интенсивность осадков. В основе предложенного подхода используется различная физическая природа процессов рассеяния и излу- чения, что позволяет повысить информативность результатов ДЗ за счет увеличения количества статистически независимых параметров. 1. АПЗ жидких осадков. Активное зон- дирование с использованием двухчастотного ра- дара основано на измерении мощности сигналов, отраженных от зоны дождя, на двух длинах волн λ1,2. Для объемных рассеивателей принятая мощность на входе приемника радара записыва- ется в следующем виде [11]: А. М. Линкова, Г. И. Хлопов / Восстановление интенсивности жидких… _________________________________________________________________________________________________________________ 27 ),(),( )( )( 2,102,14 2,1 2,1 λσλ λ λ RRK R C P R R = , (1) где ( ) ( ) ( ) ( ) )( )( )( )( 2 1 2 222 2 111 2 1 λ λ λλλ λλλ λ λ ef ef RT RT T T R V V GG GG P PC = – посто- янная радара, которая описывает его энергетиче- ский потенциал; PT – мощность передатчика; GT,R – коэффициент усиления передающей и при- емной антенн соответственно; Vef – эффективный рассеивающий объем; R – расстояние от радио- локационной станции (РЛС) до рассеивающего объема; )(0 Rσ – удельная эффективная поверх- ность рассеяния (ЭПР); ),( 2,1 RK λ – коэффициент ослабления при распространении на трассе: ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ −= ∫ 1 0 ),(2exp),( 2,12,1 R R at dRRRK λαλ , (2) где )(Ratα – удельное ослабление; R0 – расстоя- ние от РЛС до зоны дождя; R1 – расстояние от РЛС до конца зоны дождя. В то же время, пассивное зондирование с помощью радиометра позволяет измерять собст- венное излучение дождя в виде его радиояркост- ной температуры. Следует отметить, что излуча- тельные характеристики метеорологических объек- тов описываются с помощью интегродифферен- циального уравнения переноса [12], решение которого в общем виде пока не получено. В настоящее время широко используется прибли- женный метод «чистого поглощения», согласно которому выражение для радиояркостной темпе- ратуры атмосферы при нисходящем излучении (радиометр направлен вверх) записывается в виде [13] К,,)(exp)()(),( 0 1 0 3 ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −= ∫∫ R R a ab R R a ab a b dRRRTRdRT ααλθ где λ3 – рабочая длина волны радиометра; θ – зенитный угол; )(Ra abα – профиль коэффи- циента поглощения в атмосфере; T(R) – профиль термодинамической температуры. В связи с тем, что собственное излучение дождя значительно превышает собственное излу- чение атмосферных газов и облаков, вкладом по- следних в радиояркостную температуру атмосфе- ры можно пренебречь [14]. Тогда согласно (3) выражение для радиояркостной температуры до- ждя Tb запишем в виде ,)(exp)()(),( 1 0 3 ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −= ∫∫ R R ab R R abb dRRRTRdRT ααλθ  где )(Rabα – профиль коэффициента поглощения дождя. Так как выражение (4) описывает радио- яркостную температуру вдоль луча антенны радиометра, а выражение (1) – принятую мощ- ность, отраженную от отдельного элемента раз- решения, то удобно ввести величину общей при- нятой мощности также вдоль луча радара как сумму принятых мощностей от каждого элемента разрешения по дальности м.Вт,),(),()( ),()( 1 0 1 0 2,102,142,1 2,12,1 ⋅= == ∫ ∫∑ R R R R R R RRK R dRC dRRPP λσλλ λλ (5) В выражениях (1)–(5) удельное ослабление, поглощение и удельная ЭПР зависят от микро- структурных характеристик дождя (параметров распределения капель по размерам) и в случае однократного некогерентного рассеяния записы- ваются в следующем виде [15]: ;)(),( 0 0 ∫ ∞ = dDDNDp λσσ (6) ;)(),( 0 ∫ ∞ = dDDNDATat λσα (7) ,)(),( 0 ∫ ∞ = dDDNDABab λσα (8) где D – диаметр капель; )(Dpσ – ЭПР одиночной капли; )(DATσ – сечение ослабления одиночной капли; )(DABσ – сечение поглощения одиночной капли; N(D) – распределение капель по размерам. В результате АПЗ дождя описывается системой из трех интегральных уравнений ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −× ×= = = ∫ ∫ ∫ ∫ ∑ ∑ .),(exp )(),(),( ),,(),()()( ,),(),()()( 0 1 0 1 0 1 0 3 33 202422 101411 R R ab R R abb R R R R R R dRR RTRdRT RRK R dRCP RRK R dRCP λα λαλθ λσλλλ λσλλλ (9) Для решения данной системы целесооб- разно использовать трехпараметрическую модель в виде гамма-распределения капель по разме- рам [16], которая широко используется в гидро- метеорологии: )exp( )1( )( 1 ββα α α DDNDN T − +Γ = + , (10) (3) (4) А. М. Линкова, Г. И. Хлопов / Восстановление интенсивности жидких… _________________________________________________________________________________________________________________ 28 где NT – концентрация капель; β, α – параметры распределения; )1( +Γ α – гамма-функция. Тогда с учетом (10) система интеграль- ных уравнений (9) преобразуется в систему трансцендентных уравнений ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −× ×× ×= × ×× ×= × ×× ×= ∫ ∫ ∫ ∫ ∑ ∑ .))(),(),(,(exp )())(),(),(,( ),( )),(),(),(,( ))(),(),(,( )()( )),(),(),(,( ))(),(),(,( )()( 0 1 0 1 0 1 0 3 3 3 20 2 422 10 1 411 R R Tab Tab R R b T T R R R T T R R R dRRNRR RTRNRR dRT RNRR RNRRK R dRCP RNRR RNRRK R dRCP βαλα βαλα λθ βαλσ βαλ λλ βαλσ βαλ λλ (11) В общем случае параметры распределе- ния капель по размерам зависят от расстояния, однако в качестве первого приближения рассмот- рим модель пространственно-однородного дождя, для которой const,)( == cR αα const,)( == cR ββ .const)( == TcNRN Следовательно, выражения для удельных сечений (6)–(8) принимают вид const,)( == c atat R αα const,)( == c abab R αα =)(0 Rσ const,0 == cσ а выражение (2) запишется как )),,,(2exp(),( 2,12,1 Tccc c at NRRK βαλαλ Δ−= , (12) где 01 RRR −=Δ – ширина зоны дождя вдоль луча зондирования. В результате система уравнений (11) за- пишется следующим образом: ( )⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ −−× ×= Δ− × ×= Δ− × ×= ∫ ∫ ∫ ∑ ∑ ,))(,,,(exp )(),,,(),( , )),,,(2exp( ),,,()()( , )),,,(2exp( ),,,()()( 03 33 4 2 2022 4 1 1011 1 0 1 0 1 0 dRRRN RTNT R NR dR NCP R NR dR NCP Tcccab R R Tcccabb R R Tccc c at TcccR R R Tccc c at TcccR βαλα βαλαλθ βαλα βαλσλλ βαλα βαλσλλ (13) в связи с чем обратная задача восстановления микроструктурных параметров дождя ( Tccc N,, βα ) сводится к системе трех трансцендентных урав- нений (13), которые могут быть решены с по- мощью численных методов. 2. Решение обратной задачи АПЗ дождей. Рассмотрим метод восстановления параметров дождя путем создания базы данных значений принятой мощности двухчастотного радара и радио- яркостной температуры радиометра, которые со- ответствуют разным значениям микроструктур- ных характеристик дождя для гамма-распреде- ления частиц по размерам (10). Указанная база вычисляется решением прямой задачи АПЗ жид- ких осадков на основе выражения (13) ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ = = = ΣΣ ΣΣ ,),,,()( ),,,,()( ),,,,()( 33 БД 22 БД 11 БД m Tc l c k cbb m Tc l c k c m Tc l c k c NTT NPP NPP βαλλ βαλλ βαλλ (14) где 1 ≤ k ≤ K; 1 ≤ l ≤ L; 1 ≤ m ≤ M; количество значений параметра cα , cβ , TcN равно ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ Δ − = c ccK α αα minmax Int , ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ Δ − = c ccL β ββ minmax Int , ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ Δ − = Tc TcTc N NNM minmax Int соответственно; max cα , max cβ , max TcN – максимальные значения параметров cα , cβ , TcN соответственно; min cα , min cβ , min TcN – минимальные значения параметров cα , cβ , TcN соответственно; cαΔ , cβΔ , TcNΔ – шаги измене- ния параметров cα , cβ , TcN соответственно. Как показано в работах [7, 8], минималь- ные и максимальные значения микроструктурных характеристик дождя соответствуют следующим значениям: min cα = 0, max cα = 7, min cβ = 0, max cβ = 0,7 мм, (15) min TcN = 0, max TcN = 500 м–3, а размер базы данных (общее количество значе- ний )(),(),( 321 λλλ bTPP ∑∑ ) определяется выраже- нием KLMN 3БД = (16) и зависит от диапазона и шага изменения пара- метров распределения. Поиск решения системы уравнений (13) сводится к поиску общих нулей трех уравнений: ,0)()( 1 БД 1 изм =− ΣΣ λλ PP ,0)()( 2 БД 2 изм =− ΣΣ λλ PP (17) ,0)()( 3 БД 3 изм =− λλ bb TT А. М. Линкова, Г. И. Хлопов / Восстановление интенсивности жидких… _________________________________________________________________________________________________________________ 29 где )( 2,1 изм λΣP – измеренное значение принятой мощности с помощью радара; )( 2,1 БД λΣP – рассчи- танные значения принятой мощности согласно сформированной базы данных; )( 3 изм λbT – изме- ренное значение радиояркостной температуры с помощью радиометра; )( 3 БД λbT – рассчитанные значения радиояркостной температуры согласно сформированной базы данных. Отметим, что нахождение точного реше- ния системы уравнений (17) численными метода- ми далеко не всегда возможно в связи с дискрет- ностью значений базы данных для )( 2,1 БД λΣP и )( 3 БД λbT . Поэтому можно найти только прибли- женные решения каждого из уравнений (17) пу- тем вычисления среднего значения между двумя соседними точками разного знака для функций в левой части уравнения (17). При этом очевидно, что точность нахождения решения зависит от шага изменения параметров распределения базы данных )( 2,1 БД λΣP и )( 3 БД λbT . Другими словами, чем меньше шаг, тем меньше интервал соседних значений )( 2,1 БД λΣP и )( 3 БД λbT в базе данных и тем ближе приближенное решение (17) к точному решению. Однако уменьшение величины шага при- водит к увеличению размеров базы данных (16), что требует резкого увеличения вычислительных ресурсов при решении обратной задачи. В то же время большая величина шага при формировании базы данных (14) приводит не только к потерям точности решений системы уравнений, но, как будет показано далее, к потере некоторых реше- ний. В связи с этим выбор оптимального шага изменения параметров распределения является важным этапом при решении обратной задачи. Кроме того, характерной особенностью обратных задач, система (17) обладает неодно- значностью решения, в связи с чем необходимо решить проблему единственности решений (17). В частности, одним из возможных подходов для выбора решения является использование так на- зываемого критерия близости ___________________________________________ ,)()()(min( 2измБД2изм 2 БД 2 2изм 1 БД 1 bb TTPPPP −+−+−=Δ ΣΣΣΣ (18) ___________________________________________ где минимум физически соответствует наимень- шему расстоянию между найденным решением (14) и измеренным величинам )( 2,1 изм λΣP и )( 3 изм λbT в трехмерном пространстве микроструктурных ха- рактеристик αс, βс, Nc. При этом определение параметров рас- пределения позволяет найти интенсивность осад- ков согласно [15]: ,)()( 6 0 3∫ ∞ = dDDNDVDI π (19) где V(D) – скорость падения капель дождя [15] ),600exp(3,1065,9)( DDV −−= причем диаметр капель измеряется в метрах, а скорость – в метрах в секунду. 3. Численное решение обратной задачи АПЗ жидких осадков. Для численного модели- рования процесса восстановления интенсивности дождя по результатам АПЗ база данных форми- ровалась с применением значений принятой мощности и радиояркостной температуры для дождей с использованием параметров распре- деления капель по размерам согласно выраже- нию (15). При этом рассматриваются параметры распределения, которые соответствуют дождям с интенсивностью не более 100 мм/ч, а в качестве исследуемого дождя использовалась широко из- вестная модель [17] в виде зависимости парамет- ров гамма-распределения от интенсивности, полу- ченная на основе данных контактных измерений: )).17,3/exp(1(45,495 мм,,148,0,8,3 38,042,0 IN II T −−= == − βα (20) Приведенные значения микроструктур- ных характеристик (20) использовались для вы- числения принятой мощности )( 2,1 изм λΣP и радиояркостной температуры ),( 3 изм λbT причем численное моделирование проводилось для 15 зна- чений интенсивности дождя в диапазоне Im ≤ 30 мм/ч. При этом использовались следую- щие значения параметров задачи: λ1 = 8,2 мм, λ2 = 3,2 см, λ3 = 3,4 см; RΔ = 1 050 м; CR(λ1) = 0,41 Вт⋅м3; CR(λ2) = 0,52 Вт⋅м3; θ = 45°; T(R) = T0 – 6,5Rcosθ (T0 – температура у поверх- ности земли, К; R – наклонная дальность, км). Как и следовало ожидать, результаты численного моделирования показали, что обрат- ная задача АПЗ дождей в виде системы уравне- ний (17) характеризуется неоднозначностью, когда каждой интенсивности дождя соответствует несколько решений. Более того, как оказалось, возможны ситуации, когда решения вообще от- сутствуют. В частности, на рис. 1 показана зависи- мость восстановленной интенсивности дождя Ir от заданных значений интенсивности (точки) для А. М. Линкова, Г. И. Хлопов / Восстановление интенсивности жидких… _________________________________________________________________________________________________________________ 30 базы данных с параметрами cαΔ = 0,4, cβΔ = 0,04, TcNΔ = 20 и L = M = K = 26 (размер базы данных NБД = 52 728 значений), а сплошная кривая соот- ветствует истинным значениям интенсивности дождя. Рис. 1. Восстановленные значения интенсивности дождя (точ- ки) и истинные значения (сплошная кривая) для базы данных с Δαс = 0,4, Δβс = 0,04, ΔNTc = 20 Для устранения неоднозначности исполь- зовался критерий близости (18), результаты при- менения которого приведены на рис. 2 (точки) для тех же параметров базы данных (рис. 1). Как видно, применение критерия близости (18) обеспечивает хорошее соответствие восстанов- ленных и истинных значений интенсивности дождя, при этом погрешность восстановления %100⋅⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = m mr I I IIδ не превышает 10 %. Рис. 2. Восстановленные значения интенсивности дождя (точ- ки) и истинные значения (сплошная кривая) после примене- ния критерия близости (18) В то же время при некоторых значениях интенсивности дождя (Im = 6 мм/ч) система урав- нений (17) не имеет решений, что обусловлено большой величиной шага изменения параметров распределения ( cαΔ , cβΔ , TcNΔ ) при формирова- нии базы данных (14). Как показал анализ, потеря решений отсутствует, если шаг изменения пара- метров распределения не превышает cαΔ ≤ 0,001 и cβΔ ≤ 0,0001. При этом величина шага измене- ния концентрации капель NTс практически не влияет на потери решений, однако определяет их точность. На рис. 3 приведены восстановленные зна- чения интенсивности дождя (точки), полученные для базы данных с параметрами: cαΔ = 0,2, cβΔ = 0,02, TcNΔ = 10 и L = M = K = 51 (размер базы данных NБД = 397 953). Как видно, умень- шение величины шага изменения параметров распределения подтверждает отсутствие потерь решений системы (17). Рис. 3. Восстановленные значения интенсивности дождя (точ- ки) и истинные значения (сплошная кривая) для базы данных с Δαс = 0,2, Δβс = 0,02, ΔNTc = 10 Кроме этого, уменьшение шага измене- ния параметров распределения при формирова- нии базы данных приводит также к повышению точности восстановления интенсивности дождя: средняя погрешность восстановления в диапазоне 0÷30 мм/ч составляет Iδ = 6,67 % для случая на рис. 2 и Iδ = 3,85 % для случая на рис. 3. Выводы. Предложен метод восстановле- ния параметров дождя по данным АПЗ, основан- ный на формировании базы данных для парамет- ров гамма-распределения. Установлено, что шаг изменения пара- метров гамма-распределения непосредственно влияет на точность восстановления параметров дождя. Показано, что большой шаг изменения параметров распределения приводит к потере решений, а малый шаг – к увеличению неодно- значности решений и неоправданному возраста- нию времени вычислений. 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Im, мм /ч Ir, мм /ч 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Im, мм /ч Ir, мм /ч 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Im, мм /ч Ir, мм /ч А. М. Линкова, Г. И. Хлопов / Восстановление интенсивности жидких… _________________________________________________________________________________________________________________ 31 Предложен критерий близости для устра- нения неоднозначности решений и показано, что даже для небольшого размера базы данных (52 728 значений) для шага изменения данных α = 0,4, β = 0,04 мм и NT = 20 м–3, погрешность восстановления интенсивности дождя в диапазо- не 0÷30 мм/ч не превышает 10 %. При этом ско- рость вычисления составляет 8 с с учетом форми- рования базы данных. Показано, что потери решений отсутст- вуют, если шаг изменения параметров распреде- ления не превышает cαΔ ≤ 0,001 и cβΔ ≤ 0,0001. При этом величина шага для концентрации ка- пель NTс практически не влияет на потери реше- ний, однако определяет их точность. Библиографический список 1. Хргиан А. Х. Физика атмосферы / А. Х. Хргиан. – Л.: Гидро- метеоиздат, 1969. – 645 с. 2. Mardiana R. A dual-frequency rain profiling method without the use of a surface reference technique / R. Mardiana, T. Iguchi, N. Takahashi // IEEE Trans. Geosc. and Remote Sens. – 2004. – 42, N 10. – P. 2214–2225. 3. Rose C. R. A GPM Dual-Frequency Retrieval Algorithm: DSD Profile-Optimization Method / C. R. Rose, V. Chandra- sekar // J. of Atmospheric and Oceanic Technology. – 2006. – 23, iss. 10. – P. 1372–1383. 4. Mott H. Remote Sensing with Polarimetric Radar / H. Mott. – Hoboken: John Wiley & Sons, 2007. – 309 p. 5. Brandes E. A. Comparison of Polarimetric Radar Drop Size Distribution Retrieval Algorithms / E. A. Brandes, G. Zhang, J. Vivekanandan // J. Atmospheric and Oceanic Technology. – 2004. – 21, iss. 4. – P. 584–598. 6. Olson W. S. A Method for Combined Passive-Active Micro- wave Retrievals of Cloud and Precipitation Profiles / W. S. Olson, L. Giglio // J. Appl. Met. – 1996. – 35, iss. 10. – P. 1763–1789. 7. Munchak S. J. Retrieval of Raindrop Size Distribution from Simulated Dual-Frequency Radar Measurements / S. J. Mun- chak, Ali Tokay // J. Appl. Met. and Climat. – 2008. – 47, iss. 1. – Р. 223–239. 8. Ulbrich C. W. Natural variations in the analytical form of the raindrop size distribution / C. W. Ulbrich // J. Climat. Appl. Met. – 1983. – 22, iss. 10. – Р. 1764–1775. 9. Seifert A. On the shape-slope relation of drop size distributions in convective rain / A. Seifert // J. Appl. Met. – 44, iss. 7. – P. 1146–1151. 10. Линкова А. М. Комбинированный метод двухчастотного зондирования дисперсных сред в атмосфере: дис. канд. физ.-мат. наук / А. М. Линкова; Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 2012. – 168 с. 11. Брылёв Г. Б. Радиолокационные характеристики облаков и осадков / Г. Б. Брылёв, С. Б. Гашина, Г. Л. Низдойминога. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 232 с. 12. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно- неоднородных средах: в 2 т. Т. 1; пер. с англ. под ред. Л. А. Апресяна и др. – М.: Мир, 1981.− 280 с. 13. Радиотеплолокация в метеорологии / В. Д. Степаненко, Г. Г. Щукин, Л. П. Бобылев, С. Ю. Матросов. – Л.: Гидро- метеоиздат, 1987. − 283 с. 14. Применение активно-пассивного зондирования для иссле- дования профиля водности облаков / Е. Н. Белов, О. А. Войтович, А. М. Линкова и др. // Радиотехника. – 2013. – Вып. 174. – C. 32–42. 15. Розенберг В. И. Рассеяние и ослабление электромагнитно- го излучения атмосферными частицами / В. И. Розенберг. – Л.: Гидрометеоиздат, 1972. − 348 с. 16. Айвазян Г. М. Распространение миллиметровых и субмилли- митровых волн в облаках / Г. М. Айвазян. – Л.: Гидро- метеоиздат, 1991. – 480 с. 17. Литвинов И. В. Структура атмосферных осадков / И. В. Лит- винов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974. – 153 c. Рукопись поступила 03.04.2014. A. M. Linkova, G. I. Khlopov RETRIEVAL OF LIQUID PRECIPITATION INTENSITY BY MULTIFREQUENCY ACTIVE-PASSIVE REMOTE SENSING Development of methods for remote sensing of liquid precipitation is quite an actual task for both practical application in different areas of agriculture and solution of theoretical tasks of atmosphere physics. The method of retrieving the intensity of liquid precipitation by active-passive sensing based on double frequency radar and radiometer is considered. The expressions for active- passive sensing of rains are obtained in the form of system of three integral equations. The algorithm for solution of inverse problem by numerical methods is proposed, which is based on the database of received powers of double frequency radar and radiometer bright- ness temperature calculated by solving the direct problem of active- passive sensing for different values of drop size distribution parame- ters. Numerical simulation of active-passive remote sensing of liquid precipitation at the range of intensity up to 30 mm/h and radar wave- lengths 8.2 mm and 3.2 cm, and 3.4 cm for radiometer has been carried out. It was shown that the proposed algorithm can retrieve the rain intensity with error not more than 10 %. Key words: active-passive remote sensing, Gamma distribution, rain intensity, reflected power, brightness tempera- ture, double frequency radar, radiometer. А. М. Лінкова, Г. І. Хлопов ВІДНОВЛЕННЯ ІНТЕНСИВНОСТІ РІДКИХ ОПАДІВ ЗА ДОПОМОГОЮ БАГАТОЧАСТОТНОГО АКТИВНО-ПАСИВНОГО ЗОНДУВАННЯ Розробка методів дистанційного зондування рідких опадів є актуальним завданням як для практичного застосу- вання у різних областях сільського господарства, так і для розв’язання теоретичних задач фізики атмосфери. Розгляда- ється метод відновлення інтенсивності рідких опадів за допо- могою активно-пасивного зондування на основі двочастотно- го радара й радіометра. Отримано вирази для активно- пасивного зондування дощів у вигляді системи трьох інтеграль- них рівнянь. Запропоновано алгоритм розв’язання оберненої задачі числовими методами, заснований на використанні бази даних прийнятих потужностей двочастотного радара і радіо- яскравісної температури радіометра, розрахованих через розв’язання прямої задачі активно-пасивного зондування для різних значень параметрів розподілу крапель за розмірами. Проведено числове моделювання активно-пасивного зонду- вання рідких опадів в діапазоні інтенсивності до 30 мм/год і для довжин хвиль радара 8,2 мм і 3,2 см та 3,4 см для радіо- метра. Показано, що запропонований алгоритм дозволяє від- новлювати інтенсивність дощу з похибкою не більше 10 %. Ключові слова: активно-пасивне зондування, гамма- розподіл, інтенсивність дощу, відбивана потужність, радіо- яскравісна температура, двочастотний радар, радіометр.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106103
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1028-821X
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:38:15Z
publishDate	2014
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
record_format	dspace
spelling	Линкова, А.М. Хлопов, Г.И. 2016-09-19T09:10:07Z 2016-09-19T09:10:07Z 2014 Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования / А.М. Линкова, Г.И. Хлопов // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 3. — С. 26-31. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106103 551.508.85:621.396.96 Рассматривается метод восстановления интенсивности жидких осадков с помощью активно-пассивного зондирования на основе двухчастотного радара и радиометра. Получены выражения для активно-пассивного зондирования дождей в виде системы трех интегральных уравнений. Предложен алгоритм решения обратной задачи численными методами, основанный на использовании базы данных принятых мощностей двухчастотного радара и радиояркостной температуры радиометра, рассчитанной путем решения прямой задачи активно-пассивного зондирования для различных значений параметров распределения капель по размерам. Проведено численное моделирование активно-пассивного зондирования жидких осадков в диапазоне интенсивности до 30 мм/ч и для длин волн радара 8,2 мм и 3,2 см и 3,4 см для радиометра. Показано, что предложенный алгоритм позволяет восстанавливать интенсивность дождя с погрешностью не более 10 %. Розглядається метод відновлення інтенсивності рідких опадів за допомогою активно-пасивного зондування на основі двочастотного радара й радіометра. Отримано вирази для активно-пасивного зондування дощів у вигляді системи трьох інтегральних рівнянь. Запропоновано алгоритм розв’язання оберненої задачі числовими методами, заснований на використанні бази даних прийнятих потужностей двочастотного радара і радіояскравісної температури радіометра, розрахованих через розв’язання прямої задачі активно-пасивного зондування для різних значень параметрів розподілу крапель за розмірами. Проведено числове моделювання активно-пасивного зондування рідких опадів в діапазоні інтенсивності до 30 мм/год і для довжин хвиль радара 8,2 мм і 3,2 см та 3,4 см для радіометра. Показано, що запропонований алгоритм дозволяє відновлювати інтенсивність дощу з похибкою не більше 10 %. The method of retrieving the intensity of liquid precipitation by active-passive sensing based on double frequency radar and radiometer is considered. The expressions for activepassive sensing of rains are obtained in the form of system of three integral equations. The algorithm for solution of inverse problem by numerical methods is proposed, which is based on the database of received powers of double frequency radar and radiometer brightness temperature calculated by solving the direct problem of activepassive sensing for different values of drop size distribution parameters. Numerical simulation of active-passive remote sensing of liquid precipitation at the range of intensity up to 30 mm/h and radar wavelengths 8.2 mm and 3.2 cm, and 3.4 cm for radiometer has been carried out. It was shown that the proposed algorithm can retrieve the rain intensity with error not more than 10 %. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования Відновлення інтенсивності рідких опадів за допомогою багаточастотного активно-пасивного зондування Retrieval of liquid precipitation intensity by multifrequency active-passive remote sensing Article published earlier
spellingShingle	Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования Линкова, А.М. Хлопов, Г.И. Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
title	Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования
title_alt	Відновлення інтенсивності рідких опадів за допомогою багаточастотного активно-пасивного зондування Retrieval of liquid precipitation intensity by multifrequency active-passive remote sensing
title_full	Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования
title_fullStr	Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования
title_full_unstemmed	Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования
title_short	Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования
title_sort	восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования
topic	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
topic_facet	Распространение радиоволн, радиолокация и дистанционное зондирование
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106103
work_keys_str_mv	AT linkovaam vosstanovlenieintensivnostižidkihosadkovspomoŝʹûmnogočastotnogoaktivnopassivnogozondirovaniâ AT hlopovgi vosstanovlenieintensivnostižidkihosadkovspomoŝʹûmnogočastotnogoaktivnopassivnogozondirovaniâ AT linkovaam vídnovlennâíntensivnostírídkihopadívzadopomogoûbagatočastotnogoaktivnopasivnogozonduvannâ AT hlopovgi vídnovlennâíntensivnostírídkihopadívzadopomogoûbagatočastotnogoaktivnopasivnogozonduvannâ AT linkovaam retrievalofliquidprecipitationintensitybymultifrequencyactivepassiveremotesensing AT hlopovgi retrievalofliquidprecipitationintensitybymultifrequencyactivepassiveremotesensing

Восстановление интенсивности жидких осадков с помощью многочастотного активно-пассивного зондирования

Репозитарії

Схожі ресурси