СВЕТОЛОКАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАКОВ Российский патент 1999 года по МПК G01S17/95 G01W1/00 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения оптических характеристик атмосферы с целью определения высоты обнаружения взлетно-посадочной полосы (ВПП) в интересах метеорологического обеспечения полетов авиации. В настоящее время в практике метеорологического обеспечения полетов авиации высота обнаружения ВПП оценивается по результатам измерений высоты нижней границы облаков.

Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получили светолокационные измерители высоты облаков, использующие в качестве излучателя твердотельный лазер [1]. Такие приборы имеют большую дальность обнаружения облачных слоев благодаря высокой мощности излучения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому измерителю и выбранный в качестве прототипа является измеритель высоты облаков по [2]. Он содержит излучатель света, приемник световых эхо-сигналов, оптическую систему для формирования разнесенных с параллельными оптическими осями диаграмм направленности излучателя и приемника, хронизатор, формирователь запускающих импульсов лазера, блок обработки эхо-сигналов и измеритель временных интервалов (ИВИ). Излучатель света направляет импульс света к облачному слою, рассеянный облаком эхо-сигнал относительно зондирующего импульса ИВИ формирует результат измерения дальности в цифровой форме. Для этого ИВИ имеет вход для приема импульсов от хронизатора, который, в свою очередь, содержит фотодиодный преобразователь излучаемых лазером световых импульсов.

Прототип обладает следующими недостатками: 1. Ограниченный ресурс работы лазерного излучателя. 2. Низкий уровень достоверности измерений.

Задача изобретения заключается в повышении достоверности измерения высоты нижней границы облаков при наличии ограниченного ресурса работы лазерного излучателя.

Поставленная задача решается в предлагаемом светолокационном измерителе нижней границы облаков, содержащем излучатель и приемник световых импульсов, оптическую систему, формирователь запускающих импульсов, хронизатор, блок обработки эхо-сигналов и измеритель временных интервалов. Выход формирователя запускающих импульсов соединен с излучателем, который через хронизатор связан с первым входом измерителя временных интервалов. Приемник световых импульсов через блок обработки эхо-сигналов соединен с вторым входом измерителя временных интервалов. Предлагаемый измеритель отличается от прототипа тем, что в него дополнительно введены управляющий преобразователь и блок статистической обработки результатов измерений, содержащий схему управления и соединенные последовательно первое запоминающие устройство, устройство считывания и перезаписи, второе запоминающее устройство и буферное устройство. При этом управляющие входы первого и второго запоминающих устройств, устройства считывания и перезаписи, буферного устройства соединены с выходом схемы управления, вход которой является первым входом блока статистической обработки и связан с выходом хронизатора. Вход первого запоминающего устройства является вторым входом блока статистической обработки, связан с выходом измерителя временных интервалов и также является первым выходом светолокационного измерителя высоты нижней границы облаков. Выход буферного устройства является выходом блока статистической обработки и соединен с входом управляющего преобразователя и является вторым выходом светолокационного измерителя высоты нижней границы облаков. Выход управляющего преобразователя связан с управляющим входом формирователя запускающих импульсов.

Сущность изобретения пояснена принципиальной схемой предлагаемого устройства на фиг. 1 и примером реализации блока статистической обработки измерений на фиг. 2.

Схема предлагаемого светолокационного измерителя высоты нижней границы облаков содержит лазерный источник световых импульсов 1, приемник эхо-сигналов 2, оптическую систему 3, формирователь запускающих импульсов 4 с управляющим входом, хронизатор 5, блок обработки эхо-сигналов 6, измеритель временных интервалов 7, блок статистической обработки измерений 8, содержащий первое запоминающее устройство 9, устройство считывания и перезаписи 10, второе запоминающее устройство 11, выходное буферное устройство 12, схему управления 13, и управляющий преобразователь 14.

На фиг. 2 показан пример реализации блока статистической обработки измерений 8. Блок 8 содержит последовательно соединенные первое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ1) 15, схему сравнения 16. второе оперативное запоминающее устройство (ОЗУ2) 17, выходное буферное устройство 18, схему управления 19. Выход блока 8 связан с управляющим входом формирователя запускающих импульсов 4 через управляющий преобразователь 14. Блок имеет информационный (вход ОЗУ1 15) и управляющий (вход схемы управления 19) входы.

Блок 8 может быть реализован, например, на ОЗУ серии 537, 132a цифровых ИМС серии 1533, 1564. При использовании в составе прибора микропроцессора или однокристальной ЭВМ алгоритм статистической обработки может быть реализован программно с использованием в качестве ОЗУ1 15 и ОЗУ2 17 определенных областей ОЗУ процессорной системы. Управляющий преобразователь 14 может быть выполнен, например, в виде преобразователя кода на ПЗУ серии 273, 556.

Устройство работает следующим образом. Источник света 1 излучает короткие (≈ 30 нс) мощные (≈ 500 кВт) зондирующие импульсы света в направлении облачного слоя атмосферы. Период следования импульсов определяется формирователем запускающих импульсов 4. Рассеянные облаком эхо-сигналы возвращаются в приемник 2. Оптическая система 3 обеспечивает требуемую геометрию диаграмм направленности излучателя и приемника [3]. В блоке обработки 6 эхо-сигналы усиливаются, фильтруются и сравнивается с пороговым уровнем. Сигнал, превышающий пороговый уровень, поступает на измеритель временных интервалов 7, другой вход которого подключен к хронизатору 5. Хронизатор 5 содержит фотодиод и формирует синхроимпульсы в моменты излучения световых импульсов источником света 1. По времени запаздывания эхо-сигнала, превысившего пороговый уровень, относительно зондирующего светового импульса измеритель временных интервалов 7 формирует результат измерения в цифровой форме. Выход измерителя временных интервалов 7 является первым выходом устройства.

Результаты измерений на первом выходе устройства подвергаются дополнительной статистической обработке. Первое запоминающее устройство 9 регистрирует результаты измерений в хронологическом порядке за текущий интервал наблюдения T. С помощью устройства считывания и перезаписи 10 хронологическая последовательность преобразуется в упорядоченную выборку, которая поступает во второе запоминающее устройство 11 в порядке возрастания (убывания) значений результатов измерений. Буферное устройство 12 обеспечивает считывание результата измерения, соответствующего номеру порядковой статистики. Номер порядковой статистики определяет порогом срабатывания блока обработки 8. Результат измерения, соответствующий номеру порядковой статистики, формируется в цифровом виде на выходе буферного устройства 12, который является вторым выходом измерителя. С каждым последующим зондирующим сигналом формируются новые выборки результатов измерений, так, что обеспечивается скользящий принцип обработки данных. Благодаря статистической обработке измерительная информация на втором выходе носит устойчивый характер, так как отражает пространственные колебания облачного слоя. На первом выходе устройства различия между смежными результатами измерения существенно больше, поскольку отражают колебания высоты облачного слоя в точке пространства (над местом установки приемо-излучательного блока). Используемый алгоритм обработки позволяет снизить в несколько раз частоту зондирования без снижения достоверности измерительной информации на втором входе. В предложенном устройстве для реализации этих преимуществ предусмотрена цепь обратной связи со второго выхода устройства на управляющий вход формирователя запускающих импульсов 4 через управляющий преобразователь 14. Управляющий преобразователь 14 обеспечивает преобразование измерительной информации на втором выходе устройства в сигнал управления для увеличения периода следования зондирующих импульсов пропорционально высоте облачного слоя, например, в соответствии с формулой t = t_min + dt(H), где t - период зондирования при замкнутой цепи обратной связи, t_min - минимальное значение периода зондирования - при разорванной цепи обратной связи, dt(H) - изменение (увеличение) периода зондирующих импульсов пропорционально разности между текущим значением H и некоторым пороговым значением H_i, ниже которого частота зондирующих импульсов остается неизменной и соответствует периоду t_min. При изменении длительности периода зондирования t и соответственно периода наблюдения T число зондирующих импульсов остается неизменным.

Благодаря цепи обратной связи через блок обработки результатов измерений 8 удается исключить резкие колебания в цепи управления частотой зондирующих импульсов, в несколько раз увеличить срок службы источника световых импульсов за счет снижения средней частоты зондирования и обеспечить требуемый уровень достоверности обнаружения облачных слоев, возникающих ниже высоты, регистрируемой прибором в текущий момент времени. Эти преимущества обеспечивает используемый алгоритм статистической обработки и выбор порогового уровня порядковой статистики меньше 0,5. Например, при пороговом уровне порядковой статистики 0,3 для обнаружения более низкого облачного слоя достаточно трех эхо-сигналов от 10 зондирующих световых импульсов для того, чтобы информация об этом слое уверенно отражалась на втором выходе устройства. Если же в облачном слое появились разрывы, то информация о высоте этого слоя будет продолжать устойчиво отображаться на втором выходе до тех пор, пока число зондирующих импульсов, попавших в "окно" (разрыв облака) не превышает семь из десяти. Более подробно теоретические обоснования этого алгоритма изложены в [4].

Ввиду того, что на первом выходе устройства в рассмотренных ситуациях информация о высоте облачного слоя меняется скачкообразно от импульса к импульсу, этот выход используется как контрольный, для выполнения проверок и проведения исследований.

Представленный на фигуре 2 вариант реализации блока статистической обработки измерений 8 работает следующим образом. С выхода ИВИ 7 прибора сигнал поступает на вход ОЗУ1 и записывается в очередную ячейку ОЗУ1. Используемый объем ОЗУ1 определяется анализируемым интервалом наблюдения, который более чем на порядок величины превышает период зондирующих световых импульсов. Информация о каждом результате измерения высоты нижней границы облаков Hi располагается в ОЗУ1 в хронологическом порядке и очередной результат записывается на место самой последней записи. В интервале между зондирующими импульсами последовательным сравнением на цифровой микросхеме считывания и перезаписи производится сортировка записанных в ОЗУ результатов измерения Hi и размещение их в ОЗУ2 в виде упорядоченной выборки не в хронологическом порядке, а в порядке возрастания (убывания) значений H_i. По окончании сортировки из ячейки, соответствующей принятому порогу порядковой статистики (п) значений H_п записывается в выходное буферное устройство и поступает на выход прибора. Схема управления 19 (СУ) обеспечивает управление режимами записи информации в ОЗУ1, алгоритм последовательного сравнения и запоминания ОЗУ2. Увеличение периода следования зондирующих импульсов обеспечивается управляющим преобразователем 14.

Литература
1. Григорьев В. М. Лазерные измерители высоты нижней границы облаков - "Информационные материалы по гидрометеорологическим приборам и методам наблюдений", 1976, сб 68
2. Рекламный каталог фирмы ASEA, Швеция, Pamphlet TF 54-102 Е. 1973 (прототип)
3. В.Е.Зуев. Лазер-метеоролог, "Гидрометеоиздат", Ленинград, 1974, стр. 37, рис.3
4. Круглов Р. А. Статистический метод обнаружения низкой облачности в системе автоматизированного метеообеспечения аэродромов. Труды ГГО, выпуск 413, 1980.

Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков относится к измерению оптических характеристик атмосферы с целью определения высоты обнаружения взлетно-посадочной полосы (ВПП) в интересах метеорологического обеспечения полетов авиации. Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков содержит излучатель и приемник световых импульсов, оптическую систему, формирователь запускающих импульсов, хронизатор, блок обработки эхо-сигналов и измеритель временных интервалов, управляющий преобразователь и блок статистической обработки результатов измерений, содержащий схему управления и соединенные последовательно первое запоминающие устройство, устройство считывания и перезаписи, второе запоминающее устройство и буферное устройство. Управляющие выходы первого и второго запоминающих устройств, устройства считывания и перезаписи, буферного устройства соединены с выходом схемы управления, вход которой связан с выходом хронизатора. Вход первого запоминающего устройства связан с выходом измерителя временных интервалов и первым выходом устройства. Выход буферного устройства связан с входом управляющего преобразователя и является вторым выходом устройства. Выход управляющего преобразователя соединен с управляющим входом формирователя запускающих импульсов. Изобретение позволяет повысить точность измерений при наличии ограниченного ресурса работы излучателя и уменьшить плотность его излучения до безопасных для глаза величин. 2 ил.

Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков, содержащий излучатель и приемник световых импульсов, оптическую систему, формирователь запускающих импульсов, хронизатор, блок обработки эхо-сигналов и измеритель временных интервалов, при этом выход формирователя запускающих импульсов соединен с излучателем, который через хронизатор связан с первым входом измерителя временных интервалов, приемник световых импульсов через блок обработки эхо-сигналов соединен с вторым входом измерителя временных интервалов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены управляющий преобразователь и блок статистической обработки результатов измерений, содержащий схему управления и соединенные последовательно первое запоминающее устройство, устройство считывания и перезаписи, второе запоминающее устройство и буферное устройство, при этом управляющие входы первого и второго запоминающих устройств, устройства считывания и перезаписи, буферного устройства соединены с выходом схемы управления, вход которой является первым входом блока статистической обработки и связан с выходом хронизатора, вход первого запоминающего устройства является вторым входом блока статистической обработки, связан с выходом измерителя временных интервалов и первым выходом светолокационного измерителя высоты нижней границы облаков, выход буферного устройства является выходом блока статистической обработки, связан с входом управляющего преобразователя и является вторым выходом светолокационного измерителя высоты нижней границы облаков, а выход управляющего преобразователя соединен с управляющим входом формирователя запускающих импульсов.