ИМПУЛЬСНЫЙ ФОТОМЕТР Российский патент 1998 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения фотометрических параметров, и может найти применение на аэродромах для измерения оптических характеристик атмосферы при определении видимости световых ориентиров взлетно-посадочной полосы (ВПП) в ходе метеорологического обеспечения действий авиации на аэродроме.

В настоящее время видимость ориентиров ВПП в светлую часть суток определяют по результатам измерения прозрачности атмосферы с последующим пересчетом коэффициента светопропускания T в значение метеорологической дальности видимости по формуле Кошмидера [1]. В темную часть суток несамосветящиеся ориентиры визуально не могут быть обнаружены даже при хорошей прозрачности атмосферы. Ориентирами ВПП в темное время суток являются огни высокой интенсивности (ОВИ). Кроме коэффициента светопропускания T необходимы данные о яркости окружающего фона. В этом случае используется формула Аллара [1].

Коэффициент светопропускания на аэродроме измеряют с помощью трансмиссометров - базисных фотометров, содержащих источник излучения и приемник света, оптически связанных через измеряемую среду, пространственно ограниченную длиной геометрической базы B. Яркость окружающего фона измеряют яркометрами, которые устанавливают в непосредственной близости к ВПП и ориентируют на северную часть неба.

Для вычисления дальности видимости огней ВПП используют формулы

lgE = 0,887 lgL - 6,95, (2)
где
E_t - порог световой чувствительности глаза;
L - яркость по данным яркометра (кд/м);
T - прозрачность атмосферы по данным трансмиссометра (0...100%);
B - длина измерительной базы прибора;
R - дальность видимости огней ВПП;
I - сила света огней ВПП (обычно используются три ступени яркости).

Величины I (сила света огней ВПП) и R (дальность их видимости) в формуле (1) функционально взаимосвязаны, поэтому для определения R используют алгоритмы итерации.

Недостатком описанного комплекта аппаратуры, состоящего из трансмиссометра, яркометра и вычислителя дальности видимости огней ВПП, является его сложность и связанная с этим большая стоимость. Примером может служить комплект аппаратуры, описанный в [2]. Кроме того, для вычисления R необходимо ввести (вручную) в вычислитель значение I, что не обеспечивает требуемый уровень автоматизации наблюдений за видимостью на аэродроме. Без введения в вычислитель значения I характер информации на выходе описанного комплекта аппаратуры оказывается незавершенным, автономность его работы в темное время суток не обеспечивается.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является импульсный фотометр [3], содержащий импульсный источник света, отражатель, оптически связанный через измеряемую среду с расположенными по ходу оптического луча защитным стеклом, объективом, оптическим аттенюатором, приемным зеркалом и светоделительной пластиной, разделяющей излучение на две части. Одна часть излучения после диффузного рассеивателя направляется на первый фотопреобразователь и далее на первый вход блока обработки измерительной информации. С помощью первого фотопреобразователя измеряется коэффициент светопропускания. Другая часть излучения попадает после светоделительной пластины на второй фотопреобразователь, установленный перед светоделительной пластиной в отраженной от нее фокальной плоскости приемного зеркала. С помощью второго фотопреобразователя измеряется яркость фона. Выход второго фотопреобразователя соединен с вторым входом блока обработки измерительной информации. Один из выходов блока обработки измерительной информации подключен к индикатору яркости огней ВПП. Это устройство принято заявителем в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является незавершенный характер получаемой информации, отсутствие данных о дальности видимости огней ВПП.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей импульсного фотометра путем обеспечения измерения дальности видимости световых ориентиров ВПП.

Поставленная задача решается в предлагаемом импульсном фотометре, содержащем импульсный источник света, отражатель, оптически связанный через измеряемую среду с расположенными по ходу оптического луча защитным стеклом, объективом, приемным зеркалом, светоделительной пластиной, первым фотопреобразователем и вторым фотопреобразователем, который установлен между приемным зеркалом и светоделительной пластиной в отраженной от светоделительной пластины фокальной плоскости приемного зеркала. Выходы первого и второго фотопреобразователей соединены с первым и вторым входами блока обработки измерительной информации соответственно. Выход блока обработки подключен к индикатору яркости огней ВПП.

Предлагаемый фотометр отличается от прототипа тем, что в него введены индикатор метеорологической дальности видимости и индикатор дальности видимости огней ВПП. Оба фотопреобразователя снабжены полевыми диафрагмами, а первый фотопреобразователь расположен в фокальной плоскости приемного зеркала. Блок обработки измерительной информации содержит хронизатор, преобразователь амплитудных значений, три логарифмических преобразователя, обратно-логарифмический преобразователь, масштабный усилитель, вычислитель-сумматор, сравнивающее устройство, переключатель и источник опорного напряжения. Первый вход преобразователя амплитудных значений является первым входом блока обработки измерительной информации и связан с выходом первого фотопреобразователя. Первый вход первого логарифмического преобразователя является вторым входом блока обработки измерительной информации и соединен с выходом второго фотопреобразователя. Хронизатор, преобразователь амплитудных значений, второй логарифмический преобразователь, масштабный усилитель, вычислитель-сумматор и сравнивающее устройство соединены последовательно. Второй выход преобразователя амплитудных значений подключен к обратно-логарифмическому преобразователю, выход которого является первым выходом блока обработки измерительной информации и связан с индикатором метеорологической дальности видимости. Второй выход хронизатора является вторым выходом блока обработки измерительной информации и подключен к импульсному источнику света. Третий выход хронизатора соединен с вторым входом первого логарифмического преобразователя, выход которого связан с вторым входом вычислителя-сумматора, выход последнего является третьим выходом блока обработки измерительной информации и соединен с индикатором яркости огней ВПП. Выход сравнивающего устройства через переключатель и третий логарифмический преобразователь подключен к третьему входу вычислителя-сумматора. Управляющий вход масштабного усилителя соединен с входом третьего логарифмического преобразователя и является четвертым выходом блока обработки измерительной информации и связан с индикатором дальности видимости огней ВПП. Второй вход переключателя соединен с источником опорного напряжения. Второй вход сравнивающего устройства является третьим входом блока обработки измерительной информации.

Сущность изобретения: дальность видимости огней ВПП является входным параметром вычислителя, а не выходным, как это принято при расчетах по известному методу итерации. Одновременно I (lgI) - сила света огней ВПП - является выходным параметром вычислителя, что позволяет определить ступень яркости огней ВПП, которую необходимо включить диспетчеру при данных условиях видимости. Предлагаемая конструкция прибора упрощена и обеспечивает автономность работы прибора, так как не требует вводить данные параметра о включенной ступени яркости огней ВПП от диспетчера. При этом предлагаемый фотометр может работать как в светлое, так и в темное время суток.

На чертеже изображена схема предлагаемого импульсного фотометра, где 1 - импульсный источник света, 2 - отражатель, 3 - измеряемая среда, 4 - защитное стекло, 5 - объектив, 6 - приемное зеркало, 7 - светоделительная пластина, 9 - первый фотопреобразователь, 8 - второй фотопреобразователь, 10 - блок обработки измерительной информации, 11 - хронизатор, 12 - преобразователь амплитудных значений, 13, 14, 15 - логарифмические преобразователи, 16 - обратно-логарифмический преобразователь, 17 - масштабный усилитель с управляющим входом, 18 - вычислитель-сумматор, 19 - сравнивающее устройство, 20 - переключатель, 21 - источник опорного напряжения, 22 - индикатор метеорологической дальности видимости, 23 - индикатор яркости огней ВПП, 24 - индикатор дальности видимости огней ВПП, S - метеорологическая дальность видимости, R - дальность видимости огней ВПП, lg I - яркость огней ВПП, lgI_o(n) - включенная ступень яркости огней ВПП.

Импульсный фотометр содержит импульсный источник света 1, отражатель 2, оптически связанный через измеряемую среду 3 с расположенными по ходу оптического луча защитным стеклом 4, объективом 5, приемным зеркалом 6, светоделительной пластиной 7, первым 9 и вторым 8 фотопреобразователями, установленными в фокальных плоскостях приемного зеркала 6. Фотопреобразователи снабжены полевыми диафрагмами D1 и D2. Выходы первого 9 и второго 8 фотопреобразователей соединены с первым и вторым входами блока обработки измерительной информации 10 соответственно. Блок обработки измерительной информации 10 содержит хронизатор 11, преобразователь амплитудных значений 12, три логарифмические преобразователя 13, 14, 15, обратно-логарифмический преобразователь 16, масштабный усилитель 17, вычислитель-сумматор 18, сравнивающее устройство 19, переключатель 20 и источник опорного напряжения 21. Первый вход преобразователя амплитудных значений 12 является первым входом блока обработки измерительной информации 10 и связан с выходом первого фотопреобразователя 9. Первый вход первого логарифмического преобразователя 13 является вторым входом блока обработки измерительной информации 10 и соединен с выходом второго фотопреобразователя 8. Хронизатор 11, преобразователь амплитудных значений 12, второй логарифмический преобразователь 14, масштабный усилитель 17, вычислитель-сумматор 18 и сравнивающее устройство 19 соединены последовательно. Второй выход преобразователя амплитудных значений 12 подключен к обратно-логарифмическому преобразователю 16, выход которого является первым выходом блока обработки измерительной информации 10 и связан с индикатором метеорологической дальности видимости 22. Второй выход хронизатора 11 является вторым выходом блока обработки измерительной информации 10 и подключен к импульсному источнику света 1. Третий выход хронизатора 11 соединен с вторым входом первого логарифмического преобразователя 13, выход которого связан с вторым входом вычислителя-сумматора 18, выход последнего является третьим выходом блока обработки измерительной информации 10 и соединен с индикатором яркости огней ВПП 23. Выход сравнивающего устройства 19 через переключатель 20 и третий логарифмический преобразователь 15 подключен к третьему входу вычислителя-сумматора 18. Управляющий вход масштабного усилителя 17 соединен с входом третьего логарифмического преобразователя 15 и является четвертым выходом блока обработки измерительной информации 10 и связан с индикатором дальности видимости огней ВПП 24. Второй вход переключателя 20 соединен с источником опорного напряжения 21. Второй вход сравнивающего устройства 19 является третьим входом блока обработки измерительной информации 10.

Преобразователь амплитудных значений выполнен по схеме, представленной в [4], обратно-логарифмический преобразователь 16 выполнен аналогично [5], первый логарифмический преобразователь 13 описан в [6], а вычислитель-сумматор 18 представлен в [7].

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок от импульсного источника света 1, проходя через объектив 5, формируется в узкий направленный пучок света, который проходит через защитное стекло 4, измеряемую среду с расстоянием 100 м до отражателя 2, отражается от него, снова проходит измеряемую среду 3, защитное стекло 4 и попадает на приемное зеркало 6. Через светоделительную пластину 7 и полевую диафрагму D1 световые импульсы поступают на первый фотопреобразователь 9. Площадь полевой диафрагмы D1 первого фотопреобразователя 9 достаточно мала, чтобы не воспринимать фоновое излучение. Напротив полевая диафрагма D2 второго фотопреобразователя 8 достаточно велика, чтобы уверенно регистрировать яркость фона, на котором проецируется отражатель 2. По принятой схеме расположения таких приборов на аэродроме отражатель 2 устанавливается на высоте 5 м над поверхностью земли, а блок приемоизлучателя - на высоте 2 м. Поэтому отражатель 2 проецируется на фоне неба у горизонта, что удовлетворяет требованиям методики измерения яркости фона на аэродроме.

Блок обработки измерительной информации 10 преобразует электрические импульсы на выходе первого фотопреобразователя 9 с помощью преобразователя амплитудных значений (ПАЗ) 12 в постоянный ток, который пропорционален коэффициенту светопропускания среды (T). Этот сигнал поступает на обратно-логарифмический преобразователь 16, с выхода которого, являющегося первым выходом блока обработки измерительной информации 10, сигнал в виде электрических импульсов, частота которых прямо пропорциональна значению метеорологической дальности видимости S (МДВ), поступает на индикатор МДВ 22, отражающий на цифровом табло результат преобразования в единицах МДВ. Хронизатор 11 вырабатывает импульсы для управления работой импульсного источника света 1 и преобразователей (13, 16). С этой целью ПАЗ 12 выполнен с управляющим входом и включается только на время действия светового импульса. Первый логарифмический преобразователь 13 снабжен электронным ключом, блокирующим его вход на время действия светового импульса. Сигнал постоянного тока, пропорциональный коэффициенту светопропускания среды (T), с выхода ПАЗ 12 поступает через второй логарифмический преобразователь 14 и масштабный усилитель 17 на первый вход вычислителя-сумматора 18. Сигнал постоянного тока, пропорциональный яркости фона, поступает с выхода второго фотопреобразователя 8 на первый логарифмический преобразователь 13 и далее на второй вход вычислителя-сумматора 18. Третий вход вычислителя-сумматора 18 через третий логарифмический преобразователь 15 соединен с выходом переключателя 20. Один вход переключателя 20 подключен к источнику опорного напряжения 21 с управляющим входом, другой вход переключателя соединен с выходом сравнивающего устройства 19, один вход которого связан с выходом вычислителя 18, другой вход является третьим входом блока обработки измерительной информации 10 и предназначен для ручного ввода информации о ступени яркости огней ВПП, включенной диспетчером посадки (lg I_o(n)).

Вычислитель-сумматор 18 в положении 2 переключателя 20, когда он соединен с источником опорного напряжения 21, выполняет суммирование сигналов по формуле
lg I^* = 21gR^* + lgE_t - (R^*/B)lgT, (3)
где
R^* - значение дальности видимости огней, взятое из рабочего минимума аэродрома;
I^* - минимальная сила света огней, необходимая для их обнаружения на расстоянии R.

Формула (3) получена в результате функционального преобразования формулы Аллара (1) и принята для реализации в предлагаемом устройстве. R^* вводится путем установки уровня выходного напряжения блока обработки 10, что контролируется по цифровому индикатору дальности видимости огней ВПП 24. Ввиду того, что в данном случае R^* является входным параметром, а не выходным, как это принято при расчетах по методу итерации, удается значительно упростить процедуру расчета. При этом I^*(lg I^*) является соответственно выходным параметром, а не входным, как это принято при расчетах по методу итерации, и отображается на отдельном индикаторе 23. Указанные отличия позволяют получить значение I^* автономно, без ввода из вне информации о яркости включенных огней ВПП. Согласно изобретению эта информация является достаточной для того, чтобы диспетчер принял решение о возможности безаварийной посадки. Диспетчеру необходимо лишь установить, что яркость включенных огней ВПП больше минимально необходимой величины, то есть I_o/I^*. Информация о значении I^* позволяет также определить автономно минимальную ступень яркости, которую рекомендуется включить диспетчеру посадки. В положении 1 переключателя 20, когда он соединен с выходом сравнивающего устройства, устройство позволяет также по запросу диспетчера вычислять дальность видимости R включенных диспетчером огней ВПП. Для этого на вход сравнивающего устройства 19 необходимо подать сигнал, пропорциональный lgI_o. Этот сигнал необходимо ввести по сообщению диспетчера вручную, как это принято в настоящее время для электронных вычислителей R. Введение lgI_o(n) на управляющий вход сравнивающего устройства 19 приводит к замене постоянного значения R^* на текущее R, которое отражается на индикаторе дальности видимости огней ВПП 24. Вследствие действия обратной связи на выходе вычислителя 18 устанавливается сигнал, равный сигналу на управляющем входе сравнивающего устройства 19. При этом цифровой индикатор 24 отображает дальность видимости огней ВПП, включенных диспетчером посадки. Поскольку на аэродроме действует ограниченное число ступеней огней ВПП (обычно не более четырех), управление вычислителем в положении 1 переключателя 20 может быть обеспечено дополнительным переключателем, обеспечивающим четыре уровня сигнала, соответствующих ступеням яркости огней ВПП для данного аэродрома. Устанавливая последовательно эти уровни сигнала на управляющем входе сравнивающего устройства 19, оператор заблаговременно до связи с диспетчером посадки может определить по индикатору 24 дальность видимости огней любой ступени яркости. Автономность и полнота получаемой информации о дальности видимости огней ВПП в светлое в темное время суток являются главным преимуществом предлагаемого устройства. Другим достоинством является упрощение устройства обработки при расширении функциональных возможностей импульсного фотометра.

Литература.

1. Приборы и установки для измерений на аэродромах. /Под редакцией Л.П. Афиногенова. Л.: Гидрометиоиздат, 1981, с. 21.

2. Комплект аппаратуры MITRAS фирмы Вайсала Оу (Финляндия). Сертификат об утверждении типа средств измерений Комитета РФ по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарта России), N 855 от 12.02.96.

3. Патент РФ N 2063002, кл. G 01 J 1/44, опубл. 27.06.96 (прототип)
4. Авт. св. СССР N 781979, кл. G 11 C 27/02, опубл. 23.11.80.

5. Авт. св. СССР N 1405102, кл. H 03 K 3/284, опубл. 23.06.88.

6. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир. 1984, том 1, с. 243.

7. Там же, с. 166.

Изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения фотометрических параметров, и может найти применение на аэродромах для измерения оптических характеристик атмосферы при определении видимости световых ориентиров взлетно-посадочной полосы (ВПП) в ходе метеорологического обеспечения действия авиации на аэродроме. Сущность изобретения: в устройстве обеспечено измерение дальности видимости световых ориентиров ВПП, поскольку дальность видимости огней ВПП является входным параметром вычислителя, а не выходным, как это принято при расчетах по известному методу итерации. Одновременно lgI - сила света огней ВПП - является выходным параметром фотометра, что позволяет определить ступень яркости огней ВПП, которую необходимо включить диспетчеру при данных условиях видимости. 1 ил.

Импульсный фотометр, содержащий импульсный источник света, отражатель, оптически связанный через измеряемую среду с расположенными по ходу оптического луча защитным стеклом, объективом, приемным зеркалом, светоделительной пластиной, первым фотопреобразователем и вторым фотопреобразователем, который установлен между приемным зеркалом и светоделительной пластиной в отраженной фокальной плоскости приемного зеркала, выходы первого и второго фотопреобразователей соединены с первым и вторым входами блока обработки измерительной информации соответственно, выход блока обработки подключен к индикатору яркости огней взлетно-посадочной полосы (ВПП), отличающийся тем, что в него дополнительно введены индикатор метеорологической дальности видимости и индикатор дальности видимости огней взлетно-посадочной полосы (ВПП), оба фотопреобразователя снабжены полевыми диаграммами, а первый фотопреобразователь расположен в фокальной плоскости приемного зеркала, блок обработки измерительной информации содержит хронизатор, преобразователь амплитудных значений, три логарифмических преобразователя, обратно-логарифмический преобразователь, масштабный усилитель, вычислитель-сумматор, сравнивающее устройство, переключатель и источник опорного напряжения, при этом первый вход преобразователя амплитудных значений является первым входом блока обработки измерительной информации и связан с выходом первого фотопреобразователя, первый вход первого логарифмического преобразователя является вторым входом блока обработки измерительной информации и соединен с выходом второго фотопреобразователя, хронизатор, преобразователь амплитудных значений, второй логарифмический преобразователь, масштабный усилитель, вычислитель-сумматор и сравнивающее устройство соединены последовательно, второй выход преобразователя амплитудных значений подключен к обратно-логарифмическому преобразователю, выход которого является первым выходом блока обработки измерительной информации и связан с индикатором метеорологической дальности видимости, второй выход хронизатора является вторым выходом блока обработки измерительной информации и подключен к импульсному источнику света, третий выход хронизатора соединен с вторым входом первого логарифмического преобразователя, выход которого связан с вторым входом вычислителя-сумматора, выход последнего является третьим выходом блока обработки измерительной информации и соединен с индикатором яркости огней ВПП, выход сравнивающего устройства через переключатель и третий логарифмический преобразователь подключен к третьему входу вычислителя-сумматора, управляющий вход масштабного усилителя соединен с входом третьего логарифмического преобразователя и является четвертым выходом блока обработки измерительной информации, который соединен с индикатором дальности видимости огней ВПП, второй вход переключателя связан с источником опорного напряжения, второй вход сравнивающего устройства является третьим входом блока обработки измерительной информации.