СПОСОБ СВЕТОЛОКАЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ ОБЛАЧНЫХ СЛОЕВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01S17/10 

Изобретения относятся к приборостроению, а именно к технике измерения оптических характеристик атмосферы с целью определения высоты обнаружения взлетно-посадочной полосы и мониторинга аэрозольного следа, образованного продуктами сгорания топлива летательных аппаратов, в интересах обеспечения безопасности полетов авиации.

Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получили светолокационные измерители высоты облаков, использующие в качестве излучателя светодиоды и лазеры. Такие приборы имеют большую дальность обнаружения нижней границы облаков благодаря высокой мощности излучения и накопления данных за один или несколько импульсов. Однако в случае, когда вероятность регистрации эхо-сигнала становится меньше единицы, например сигнала от второго слоя облаков после потерь на рассеяние энергии импульса при двукратном прохождении первого слоя, эхо-сигнал не регистрируется [Круглов Р.А. Статистический метод обнаружения низкой облачности в системе автоматизированного метеообеспечения аэродромов. Труды ГГО, выпуск 413, 1980]. Известно также устройство по патенту RU №2136016, МПК G01S 17/95, опубликованному в 1999 г., для измерения высоты нижней границы облаков, которое содержит источник зондирующих импульсов, фотоприемник, оптическую систему, формирователь запускающих импульсов, хронизатор, блок обработки эхо-сигналов и измеритель временных интервалов. Данное устройство обладает следующими недостатками.

1. Невозможность измерения измерений характеристик многослойных облаков (плотности и толщины слоя облаков).

2. Сложность электронной схемы для приема и обработки эхо-сигнал.

3. Требуется большое количество замеров для компенсации неточности получения результатов обработки при применении порядковой статистики, так как уровень эхо-сигналов зависит от дальности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу светолокационного измерения высоты облачных слоев, является способ, описанный в статье А.В.Бухарина, С.М.Першина «Теоретическое рассмотрение лидара обратного рассеяния с безопасным для глаз уровнем излучения». Оптика атмосферы и океана, т.7, стр.521-537 (1994 г.), заключающийся в направлении зондирующих импульсов света к облачным слоям и включении фотоприемника излучения строб-импульсом питания, в течение которого может произойти только одно срабатывание фотоприемника, приеме эхо-сигнала, срабатывании фотоприемника, передаче значения задержки времени между зондирующим импульсом и срабатыванием фотоприемника в блок управления и обработки сигналов, где находятся ячейки памяти, причем строб разделяется на целое число равных по величине временных интервалов, и каждому временному интервалу соответствует своя ячейка памяти. При приеме эхо-сигналов в ячейку памяти, соответствующую временному интервалу строба, в который произошло это событие, поступает единичный импульс, то есть содержимое этой ячейки памяти увеличивается на единицу. Прием эхо-сигнала с другой временной задержкой будет увеличивать на единицу содержимое другой, соответствующей этой временной задержке, ячейки памяти. Причем, в случае слабых фоновых потоков и эхо-сигнала, фотоприемник может не регистрировать эти сигналы. В этом случае содержимое ячеек памяти остается без изменения. После чего содержимое ячеек памяти считывается и передается в компьютер, который формирует гистограмму распределения числа приема эхо-сигналов фотоприемником по номерам ячеек памяти и, следовательно, по дальности расположения облачных слоев-источников эхо-сигналов в данном стробе. Затем строб перемещается на фиксированную задержку, равную или меньшую длительности строба, относительно первого светового импульса зондирования и цикл измерения повторяется. Число смещений строба определяется дальностью зондирования. Причем (уровень) фонового потока (шума) измеряется отдельно, для чего импульс строба подается на приемник также в середине интервала между световыми импульсами. Таким образом, компьютер формирует две гистограммы распределения числа приема эхо-сигналов фотоприемником по номерам ячеек, одна из которых отражает распределение «сигнал + шум», а другая - только «шум». Полная гистограмма по всей трассе зондирования составляется как последовательность отдельных гистограмм, измеренных в каждом положении строба при его «сшивке» на границе совмещения. Гистограмма распределения эхо-сигнала получается вычитанием гистограмм «сигнал + шум» - «шум».

Светолокационный измеритель высоты нижней границы облачных слоев для осуществления данного способа содержит источник зондирующих импульсов, на вход которого подается запускающий импульс с выхода формирователя запускающих импульсов. Один выход источника зондирующих импульсов связан с входом синхронизатора, а со второго выхода подается зондирующий импульс к облачным слоям. Вход фотоприемника с помощью оптической схемы, обеспечивающей требуемую геометрию диаграмм направленности, связан с выходом источника зондирующих импульсов через облачный слой. Выход синхронизатора связан с первыми входами измерителя временных интервалов и блока управления и обработки данных. Один выход которого является входом формирователя стробов, выход которого, в свою очередь, связан с приемником излучения. Выход приемника излучения связан с формирователем импульсов, выход которого является вторым входом измерителя временных интервалов, а его выход является вторым входом блока управления и обработки сигналов. Выход блока управления и обработки сигналов является выходом всего устройства.

Но данные способ и устройство имеют

- низкую эффективность использования энергии излученного импульса, так как на каждый излученный зондирующий импульс получается не более одного срабатывания фотоприемника;

- необходимость получения нескольких отдельных гистограмм, которые потом «сшиваются» в полную гистограмму;

- переменную вероятность срабатывания фотоприемника в течение строба, так как вероятность приема эхо-сигнала фотоприемником зависит от номера ячейки - чем ближе к концу, тем вероятность ниже и падает в зависимости от уровня сигнала, если фотоприемник сработал в начале строба и выключился, то потом он уже не будет регистрировать фотоны.

Задачей данного изобретения является повышение эксплуатационных характеристик.

Технический результат - увеличение эффективности использования энергии зондирующего импульса при увеличении вероятности приема эхо-сигнала фотоприемником и упрощении обработки сигналов.

Это достигается тем, что в способе светолокационного измерения высоты облачных слоев, заключающемся в направлении зондирующих импульсов света к облачным слоям, включении фотоприемника излучения первым строб-импульсом питания одновременно с первым зондирующим импульсом, в течение которого может произойти только одно срабатывание фотоприемника, приеме эхо-сигнала, определении времени задержки между зондирующим импульсом и срабатыванием фотоприемника, направлении в момент срабатывания фотоприемника единичного импульса в ячейку памяти, соответствующую времени срабатывания фотоприемника, смещении каждого последующего строба-импульса питания фотоприемника, повторении измерений, суммировании единичных импульсов в соответствующих ячейках памяти и передаче данных на компьютер для построения гистограммы, в отличие от известного, фотоприемник во время строба периодически включается и выключается, причем время выключения равно или больше времени восстановления фотоприемника, а каждый последующий строб смещают на величину, равную времени между началом первого зондирующего импульса и последовательно каждым следующим выключением фотоприемника в первом стробе-импульсе питания строба, при этом число смещений равно отношению длительности выключения фотоприемника в стробе к длительности строба и при завершении измерений - формирование в ячейках памяти гистограммы - распределение числа единичных импульсов по времени задержки относительно зондирующего светового импульса по всей длине зондируемого пространства.

Кроме того, это достигается тем, что в устройстве для осуществления данного способа, состоящем из источника зондирующих импульсов, вход которого связан с выходом формирователя запускающих импульсов, один его выход связан с входом синхронизатора, а второй выход оптически сопряжен через оптическую систему с входом фотоприемника излучения, выход синхронизатора связан с первыми входами измерителя временных интервалов и блока управления и обработки данных, один выход которого является входом формирователя стробов, выход которого, в свою очередь, связан с фотоприемником излучения, выход фотоприемника излучения связан с формирователем импульсов, выход которого является вторым входом измерителя временных интервалов, а его выход является вторым входом блока управления и обработки сигналов, выход блока управления и обработки сигналов является выходом всего устройства, в отличие от известного, дополнительно введен многоканальный сумматор, первый вход которого связан с входом синхронизатора, второй вход с выходом измерителя временных интервалов, а выход со вторым входом блока управления и обработки данных.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены

на фиг.1 - блок-схема устройства;

на фиг.2 - гистограмма.

Предлагаемый способ по данному изобретению осуществляют в следующей последовательности: в направлении зондирующих импульсов света к облачным слоям, включением фотоприемника первым стробом-импульсом питания одновременно с первым зондирующим импульсом, причем в стробе происходит последовательное включение и выключение фотоприемника излучения и в течение каждого строба может произойти только одно срабатывание фотоприемника, приеме эхо-сигнала, срабатывании фотоприемника, передачи значения задержки времени между зондирующим импульсом и регистрацией эхо-сигнала в многоканальный сумматор и далее в блок управления и обработки сигналов, где находятся ячейки памяти, причем каждый строб представляет собой последовательность импульсов, интервал между которыми выбирается равным или большим времени восстановления фотоприемника после регистрации эхо-сигнала, а число импульсов определяется дальностью зондирования, и каждому импульсу соответствует своя ячейка памяти. При срабатывании фотоприемника в ячейку памяти, номер которой соответствует номеру импульса в стробе, при котором произошло это событие, поступает единичный импульс то есть содержимое этой ячейки памяти увеличивается на единицу. Регистрация эхо-сигнала в другой временной интервал будет увеличивать на единицу содержимое другой соответствующей этой временной задержке ячейки памяти. Причем в случае слабых фоновых потоков и эхо-сигнала, фотоприемник может не регистрировать эти сигналы. В этом случае содержимое ячеек памяти остается без изменения. Далее происходит смещение второго строба-импульса питания на величину, равную времени между началом первого зондирующего импульса и окончанием включения фотоприемника первым импульсом в первом стробе-импульсе питания. Повторение измерений, заполнение соответствующих ячеек памяти, вновь смещение строба-импульса питания на величину, равную времени между началом первого зондирующего импульса и окончанием включения фотоприемника вторым импульсом питания. Число смещений периодической последовательности импульсов в стробе питания фотоприемника определяется отношением длительности интервала между импульсами в стробе к длительности строба.

После завершения последнего цикла измерения в ячейках памяти формируется распределение числа единичных импульсов по времени задержки относительно зондирующего светового импульса. Это распределение передается на компьютер для отображения и хранения.

Предлагаемый светолокационный измеритель высоты нижней границы облачных слоев (на фиг.1) содержит излучатель зондирующих импульсов 1 и фотоприемник 2, оптическую систему 3, формирователь запускающих импульсов 4, синхронизатор 5, формирователь импульсов 6, измеритель временных интервалов 7, формирователь стробов и сдвига стробов 8, схему управления и обработки сигналов 9, многоканальный сумматор 10. На вход источника зондирующих импульсов 1 подается запускающий импульс с выхода формирователя запускающих импульсов 4. Один выход источника зондирующих импульсов 1 связан с входом синхронизатора 5, а со второго выхода подается зондирующий импульс к облачным слоям. Вход фотоприемника 2 с помощью оптической схемы 3, обеспечивающей требуемую геометрию диаграмм направленности, связан с выходом источника зондирующих импульсов 1 через облачный слой. Выход синхронизатора 5 связан с первыми входами измерителя временных интервалов 7, многоканального сумматора 10 и блока управления и обработки данных 9, первый выход которого является входом формирователя стробов 8, выход которого, в свою очередь, связан с фотоприемником 2. Выход фотоприемника 2 связан с формирователем импульсов 6, выход которого является вторым входом измерителя временных интервалов 7, а его выход является вторым входом многоканального сумматора 10. Выход многоканального сумматора 10 является входом блока управления и обработки сигналов 9. Выход блока управления и обработки сигналов 9 является выходом всего устройства.

Устройство работает следующим образом. Источник зондирующих импульсов 1 излучает короткие (~(5-100) нс) зондирующие импульсы света мощностью (~50 Вт) в направлении облачного слоя атмосферы. Период следования импульсов определяется формирователем запускающих импульсов 4 и лежит в диапазоне до 100 кГц. Синхронизатор 5 содержит фотодиод и формирует синхроимпульсы в моменты излучения зондирующих световых импульсов источником зондирующих импульсов 1, синхроимпульсы подаются на первый вход измерителя временных интервалов 7, запускают измеритель временных интервалов 7 и синхронизируют схему управления и обработки сигналов 9. Рассеянные атмосферным аэрозолем и облачными слоями эхо-сигналы возвращаются в фотоприемник 2. Оптическая система 3 обеспечивает требуемую геометрию диаграмм направленности излучателя и фотоприемника. Формирователь стробов 8 формирует не один строб-импульс включения, а последовательность импульсов, длительность которых и интервалы между ними задает схема управления и обработки сигналов 9, причем в устройство дополнительно включен многоканальный сумматор 10, необходимый для обеспечения обработки значений задержек, следующих с высокой скоростью. При срабатывании фотоприемника формирователь импульсов 6 вырабатывает импульс, нарастающий фронт которого соответствует этому моменту срабатывания. И этот импульс поступает на второй вход измерителя временных интервалов 7, который измеряет значение временной задержки относительно зондирующего импульса. Значение времени задержки подается в многоканальный сумматор 10, который прибавляет единицу в ячейку памяти с номером, соответствующим этому значению временной задержки. После излучения заданного числа зондирующих импульсов, например, 50000, схема управления и обработки сигналов 9 считывает полученные результаты (полную гистограмму фиг.2.) и передает их на выход в компьютер. После этого все ячейки многоканального сумматора 10 обнуляются, и измеритель профиля облаков готов к началу нового цикла измерений.

Преимущества предложенного технического решения

- более высокая эффективность использования энергии зондирующего импульса, так как на каждый излученный зондирующий импульс формирователь стробов формирует последовательность импульсов в стробе включения фотоприемника, что обеспечивает максимальное количество срабатываний фотоприемника, равное количеству импульсов в стробе за цикл измерений;

- не требуется дополнительных операций по «сшивке» гистограмм, так как на выходе генерируется полная гистограмма в цифровой форме;

- постоянная вероятность срабатывания фотоприемника, так как она не зависит от номера строба.

Изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения высоты облачных слоев. При измерении высоты облачных слоев направляют зондирующие импульсы света к облачным слоям, включают фотоприемник излучения первым строб-импульсом питания одновременно с первым зондирующим импульсом, принимают эхо-сигнал, определяют время задержки между зондирующим импульсом и срабатыванием фотоприемника, направляют в момент срабатывания фотоприемника единичный импульс в ячейку памяти, соответствующую времени срабатывания фотоприемника, смещают каждый последующий строб-импульса питания фотоприемника, повторяют измерения, суммируют единичные импульсы в соответствующих ячейках памяти и передают данные на компьютер для построения гистограммы. Технический результат: увеличение эффективности использования энергии зондирующего импульса при увеличении вероятности приема эхо-сигнала фотоприемником и упрощении обработки сигналов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ светолокационного измерения высоты облачных слоев, заключающийся в направлении зондирующих импульсов света к облачным слоям, включении фотоприемника излучения первым стробом-импульсом питания одновременно с первым зондирующим импульсом, причем в течение строба-импульса может произойти только одно срабатывание фотоприемника, приеме эхо-сигнала, определении времени задержки между зондирующим импульсом и срабатыванием фотоприемника, направлении в момент срабатывания фотоприемника единичного импульса в ячейку памяти, соответствующую времени срабатывания фотоприемника, смещении каждого последующего строба-импульса питания фотоприемника, повторении измерений, суммировании единичных импульсов в соответствующих ячейках памяти и передаче данных на компьютер для построения гистограммы, отличающийся тем, что фотоприемник во время строба периодически включается и выключается, причем время выключения равно или больше времени восстановления фотоприемника, а смещают каждый следующий строб на величину, равную времени между началом первого зондирующего импульса и последовательно каждым следующим выключением фотоприемника в первом стробе-импульсе питания, при этом число смещений равно отношению длительности выключения фотоприемника в стробе к длительности строба, и при завершении измерений - формирование в ячейках памяти гистограммы - распределение числа единичных импульсов по времени задержки относительно зондирующего светового импульса по всей длине зондируемого пространства.

2. Устройство для светолокационного измерения высоты облачных слоев состоит из источника зондирующих импульсов, вход которого связан с выходом формирователя запускающих импульсов, при этом один выход источника зондирующих импульсов связан с входом синхронизатора, а со второго - подается зондирующий импульс к облачным слоям, вход фотоприемника связан с выходом источника зондирующих импульсов через облачный слой с помощью оптической схемы, выход синхронизатора связан с первыми входами измерителя временных интервалов и блока управления и обработки данных, один выход которого является входом формирователя стробов, выход которого, в свою очередь, связан с фотоприемником излучения, выход фотоприемника излучения связан с формирователем импульсов, выход которого является вторым входом измерителя временных интервалов, отличающееся тем, что дополнительно в устройство введен многоканальный сумматор, первый вход которого связан с выходом синхронизатора, второй вход - с выходом измерителя временных интервалов, а выход - со вторым входом блока управления и обработки данных.