СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ОБЛАКОВ Российский патент 2013 года по МПК G01S17/95 

Настоящее изобретение относится к средствам для измерения расстояния или скорости с использованием радиоволн объектов, с использованием отражения радиоволн, звуковых или других волн и может быть использовано для дистанционного определения скорости движения облаков с помощью лазерных локаторов, например, в метеорологии.

Известен способ измерения скорости облаков, описанный в статье А.И. Гришин «О возможности определения высоты и скорости облачности пассивными методами зондирования», журнал «Оптика атмосферы и океана», 1999 г., №7, с.640-642. В соответствии с этим способом визуально или с помощью теодолита, в одной точке расположенной на поверхности Земли, наблюдают за перемещением одного и того же крупного фрагмента облака по небосводу, фиксируют положение этого фрагмента на небосводе и в определенные моменты времени, определяют пройденное облаком расстояние за данный промежуток времени и, зная пройденное облаком расстояние и время, вычисляют скорость перемещения облака. Данный способ не позволяет получить высокую точностью измерений скорости перемещения облака, т.к. для данного метода, во-первых, серьезным ограничивающим фактором является сама структура облачности, во-вторых, точность этих наблюдений сильно зависит от состояния видимости в атмосфере, и данный метод становится полностью неприменимым в темное время суток и при наблюдении за облаками, находящимися на больших высотах.

Ближайшим из известных является способ измерения скорости облаков, описанный в статье Ю.С. Балин, А.Д. Ершов, П.А. Коняев, Д.С. Ломакин «Контроль скорости перемещения атмосферных аэрозольных образований с использованием видео- и лидарной информации», журнал «Оптика атмосферы и океана». Т.17, №12. 2004 г. В соответствии с этим способом с помощью видеокамеры подключенной к компьютеру через плату видео ввода на экран компьютера в реальном времени выводится изображение исследуемого объекта, в частности облака. В определенный момент выбирают опорный кадр, т.е. некоторую область изображения на экране, по команде запоминают часть изображения облака входящего в этот кадр в виде матрицы значений яркости пикселей в окне анализа. После этого через заданный интервал времени получают текущий кадр, также представляющий собой изображение некоторой части облака в этом прямоугольнике и запоминают матрицу яркости пикселей данного кадра. После этого рассчитывают двумерную взаимно корреляционную функцию опорного и текущего кадра, находят координаты максимума этой функции, и учитывая время между получением этих кадров, вычисляют скорость и направление смещения облака. При этом соблюдают условие, чтобы направление смещения исследуемого объекта было перпендикулярно вектору наблюдений за ним через видеокамеру (с помощью лазера измеряют дальность до краев облака).

Данный способ не позволяет измерить скорость перемещения облаков с высокой точностью, т.к. видеокамера позволяет получить изображение большой по размеру части облака, внутри которой происходит перемещение фрагментов этой части независимо друг от друга. Это приводит к существенному снижению точности при определении скорости и направления смещения облачности. При этом видеокамера исключает возможность получения изображения малой, монотонной части облака с нечеткими границами неоднородностей, т.к. получение изображения осуществляется за счет рассеянного солнечного света, то от малой части облака поток света будет недостаточным для получения изображения с высокой контрастностью всех неоднородностей этой части. Эта ситуация настолько усугубляется в темное время суток или для облаков находящихся на большой высоте, что измерение скорости движения облаков ночью или перистых облаков с малой оптической толщью исключается этим способом полностью. Кроме того, т.к. видеокамера не позволяет получить четкие изображения малых частей облака, то она не позволяет получить изображения этих частей за малый промежуток времени, что также существенно снижает точность измерения скорости облаков.

Задачей данного изобретения является получение высококонтрастных изображений малых частей облака разделенных друг от друга временным интервалом, не превышающим 2 секунды, в любое время суток. Решение этой задачи обеспечит получение нового технического эффекта, который заключается в том, что в результате будет существенно повышена точность измерения скорости движения облаков и, к тому же, будут существенно расширены возможности проведения таких измерений, т.к. измерение скорости облаков можно будет осуществлять и в темное время суток, и для облаков, находящихся на большой высоте, и для облаков, имеющих малые оптические толщи.

Поставленная задача решается тем, что, как и в описанном выше способе с помощью оптического телескопического устройства от облака по направлению вертикально вверх или вниз принимают рассеянное оптическое излучение, формируют изображение, полученное от освещенного слоя облака и запоминают его в виде картины двумерного распределения интенсивности; после этого рассчитывают взаимно-корреляционную функцию, соответствующую двум последовательным изображениям, по положению максимума взаимно-корреляционной функции оценивают величину пространственного сдвига двух изображений относительно друг друга, и по этому сдвигу с учетом времени между полученными изображениями судят о скорости и направлении перемещения облака.

В отличие от известного способа, в наблюдаемое облако с установленного на поверхности Земли или вблизи этой поверхности лазерного излучателя в тело облака посылают импульсное лазерное излучение с длительностью импульсов излучения (10-20) не и с промежутком времени между импульсами не более 2 с, причем это лазерное излучение посылают в облако таким образом, чтобы оно было направлено вертикально вверх или вниз, при этом определяют направление и скорость перемещения самого лазерного излучателя в случае если он установлен на подвижном объекте и перемещается вместе с ним; в том же месте где установлен лазерный излучатель, в моменты, когда импульсы лазера попадая в облако и постепенно распространяясь вглубь, будут формировать поток рассеянного назад излучения от некоторого освещаемого в данный момент слоя, принимают рассеянное излучение и фиксируют время прихода, выделяют из этих сигналов, по меньшей мере, два, отстоящих друг от друга по времени не более чем на 2 секунды; с помощью оптического телескопического устройства формируют от каждого из принятых сигналов, как указано выше, изображения, представляющие собой картины двумерного распределения интенсивности, по этим изображениям рассчитывают двумерную взаимно-корреляционную функцию, по положению максимума взаимно-корреляционной функции оценивают величину пространственного сдвига двух изображений относительно друг друга, и по этому сдвигу с учетом времени между полученными изображениями судят о скорости и направлении перемещения наблюдаемого облака.

В данном способе сформированное оптическим телескопическим устройством изображение части облака, которая рассеивает указанное излучение, подают на поляризационное устройство и запоминают с помощью запоминающего устройства.

В данном способе сформированное оптическим телескопическим устройством изображение той части облака, которая рассеивает указанное излучение, подают на ПЗС-матрицу, а сигнал с этой ПЗС-матрицы выводят на экран компьютера и заносят в его память.

В данном способе сформированное оптическим телескопическим устройством изображение части облака, которая рассеивает указанное излучение, подают на многоканальный ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), а сигнал с этого ФЭУ запоминают с помощью запоминающего устройства.

В данном способе лазерный излучатель может быть установлен на поверхности Земли неподвижно, при этом излучение от этого излучателя посылают вертикально вверх.

В данном способе лазерный излучатель может быть установлен на поверхности Земли на движущемся объекте, например, на автомобиле, при этом излучение от этого излучателя посылают вертикально вверх.

В данном способе лазерный излучатель может быть установлен на летающем аппарате, например, на самолете или на искусственном спутнике, при этом лазерное излучение посылают вертикально вверх, если указанный аппарат расположен ниже наблюдаемого облака, или вертикально вниз, если указанный аппарат расположен выше наблюдаемого облака.

При этом впервые установлено, что при «подсвечивании» облака лазерным излучением, получаемое изображение от подсвеченной части облака, рассеивающей данное излучение, сохраняет очень высокую контрастность всех рассеивающих фрагментов облака. Этот эффект установлен, прежде всего, экспериментально, и основан он на специфических свойствах лазерного излучения, таких как высокая степень коллимирования пучка и когерентность излучения. Т.о., специфические свойства лазерного излучения позволяют получить новый технический эффект при определении скорости движения облака, причем этот технический эффект не мог быть известен среднему специалисту даже в области лазерного зондирования без проведения соответствующего эксперимента, что позволяет утверждать наличие изобретательского уровня в заявляемом изобретении.

Способ реализуется следующим образом. В облако с поверхности Земли вертикально вверх посылают импульсное лазерное излучение с длинной волны 532 нм и частотой 10 Гц. Каждый импульс, попадая в облако и постепенно распространяясь вглубь, будет формировать поток рассеянного назад излучения от некоторого освещаемого в данный момент слоя. С помощью объектива от облака по направлению вертикально вниз к приемнику в момент попадания импульса в нижнюю границу облака принимают рассеянное оптическое излучение, и создают изображение части облака, которая рассеивает указанное излучение, например, с помощью видеокамеры с ПЗС-матрицей. Данное изображение может выводиться на экран компьютера и заносится в его память. В полученном таким образом изображении определяют распределение интенсивности (в виде матрицы значений яркости пикселей). После этого указанные изображения обрабатывают при помощи корреляционно-экстремального метода, описанного, например, в работе Орлов В.М., Матвиенко Г.Г., Самохвалов И.В. и др. «Применение корреляционных методов в атмосферной оптике». - Новосибирск: Наука, 1983. Получают взаимно-корреляционную функцию между двумя последовательно зарегистрированными изображениями. По положению максимума взаимно-корреляционной функции оценивают величину пространственного сдвига двух изображений относительно друг друга, и по этому сдвигу с учетом времени между полученными изображениями судят о скорости и направлении перемещения облака.

Данный способ будет реализован на высотном лидаре кафедры ОЭС и ДЗ Радиофизического факультета Томского государственного университета, в котором установлены видеокамера Andor iStar DH712 и YAG:Nd3+лазер. Параметры камеры: область чувствительности - 0,115-0,920 мкм, размер ПЗС-матрицы камеры -512×512 пикселей, размер пикселя - 24 мкм, входной диаметр - 18 мм. Параметры лазера: длина волны излучения лазера - 0,532 мкм, частота импульсов излучения лазера - 10 Гц, энергия в импульсе на 0,532 мкм - 400 мДж, длительность импульса излучения лазера - 7 нс.

В наблюдаемое облако с установленного на поверхности Земли или вблизи этой поверхности лазерного излучателя в тело облака посылают импульсное лазерное излучение с длительностью импульсов излучения 10-20 нс и с промежутком времени между импульсами не более 2 с. Лазерное излучение посылают в облако таким образом, чтобы оно было направлено вертикально вверх или вниз. Определяют направление и скорость перемещения самого лазерного излучателя, в случае если он установлен на подвижном объекте и перемещается вместе с ним. В том же месте где установлен лазерный излучатель принимают рассеянное излучение и фиксируют время прихода. Выделяют из этих сигналов, по меньшей мере, два, отстоящих друг от друга по времени не более чем на 2 с. С помощью оптического телескопического устройства формируют изображения от каждого из принятых сигналов, представляющие собой картины двумерного распределения интенсивности. По этим изображениям формируют двумерную взаимно-корреляционную функцию. По положению максимума взаимно-корреляционной функции определяют величину пространственного сдвига двух изображений относительно друг друга. По этому сдвигу с учетом времени между полученными изображениями вычисляют скорость и направление перемещения наблюдаемого облака. Технический результат - получение высококонтрастных изображений малых частей облака, разделенных друг от друга временным интервалом. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ измерения скорости движения облаков, по которому с помощью оптического телескопического устройства от облака по направлению вертикально вверх или вниз принимают рассеянное оптическое излучение, формируют изображение, полученное от освещенного слоя облака, и запоминают его в виде картины двумерного распределения интенсивности; после этого формируют взаимно-корреляционную функцию, соответствующую двум последовательным изображениям, по положению максимума взаимно-корреляционной функции определяют величину пространственного сдвига двух изображений относительно друг друга и по этому сдвигу с учетом времени между полученными изображениями вычисляют скорость и направление перемещения облака, отличающийся тем, что в наблюдаемое облако с установленного на поверхности Земли или вблизи этой поверхности лазерного излучателя в тело облака посылают импульсное лазерное излучение с длительностью импульсов излучения 10-20 нс и с промежутком времени между импульсами не более 2 с, причем это лазерное излучение посылают в облако таким образом, чтобы оно было направлено вертикально вверх или вниз, при этом определяют направление и скорость перемещения самого лазерного излучателя, в случае если он установлен на подвижном объекте и перемещается вместе с ним, в том же месте, где установлен лазерный излучатель, в моменты, когда импульсы лазера, попадая в облако и постепенно распространяясь вглубь, будут формировать поток рассеянного назад излучения от освещаемого в данный момент слоя, принимают рассеянное излучение и фиксируют время прихода, выделяют из этих сигналов, по меньшей мере, два, отстоящих друг от друга по времени не более чем на 2 с; с помощью оптического телескопического устройства формируют изображения от каждого из принятых сигналов, представляющие собой картины двумерного распределения интенсивности, по этим изображениям формируют двумерную взаимно-корреляционную функцию, по положению максимума взаимно-корреляционной функции определяют величину пространственного сдвига двух изображений относительно друг друга и по этому сдвигу с учетом времени между полученными изображениями вычисляют скорость и направление перемещения наблюдаемого облака.

2. Способ измерения скорости облаков по п.1, отличающийся тем, что созданное оптическим телескопическим устройством изображение части облака, которая рассеивает указанное излучение, подают на поляризационное устройство и запоминают с помощью запоминающего устройства.

3. Способ измерения скорости облаков по п.1, отличающийся тем, что сформированное оптическим телескопическим устройством изображение части облака, которая рассеивает указанное излучение, подают на ПЗС-матрицу (прибор с зарядовой связью), а сигнал с этой ПЗС-матрицы выводят на экран компьютера и заносят в его память.

4. Способ измерения скорости облаков по п.1, отличающийся тем, что сформированное оптическим телескопическим устройством изображение части облака, которая рассеивает указанное излучение, подают на многоканальный ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), а сигнал с этого ФЭУ запоминают с помощью запоминающего устройства.

5. Способ измерения скорости облаков по п.1, отличающийся тем, что лазерный излучатель установлен на поверхности Земли неподвижно, при этом излучение от этого излучателя посылают вертикально вверх.

6. Способ измерения скорости облаков по п.1, отличающийся тем, что лазерный излучатель установлен на движущемся по поверхности Земли объекте, например на автомобиле, при этом излучение от этого излучателя посылают вертикально вверх.

7. Способ измерения скорости облаков по п.1, отличающийся тем, что лазерный излучатель установлен на летательном аппарате, например на самолете или на искусственном спутнике Земли, при этом лазерное излучение посылают вертикально вверх, если указанный аппарат расположен ниже наблюдаемого облака, или вертикально вниз, если указанный аппарат расположен выше наблюдаемого облака.