ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ Российский патент 2016 года по МПК G01W1/14 

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения и может быть использовано для измерения выпадающих атмосферных осадков.

Известны оптические измерители параметров осадков, работающие на основе метода получения и анализа изображений теней частиц осадков: 2D Video Disdrometer [1]; Измеритель формы и скорости частиц осадков [2]; Оптико-электронный двухканальный измеритель осадков [3].

Метод получения и анализа изображений теней частиц осадков предполагает применение оптической системы, содержащей источник света, приемник на основе многоэлементного массива светочувствительных элементов (линейного сенсора) и другие оптические компоненты для формирования измерительной площади. Измерительная площадь оптических измерителей осадков определяется размерами горизонтальной проекции измерительного канала, через которую проходят все учитываемые частицы осадков. Измерительная площадь оптических измерителей параметров осадков, как правило, не превышает 100 см².

Известные оптические измерители параметров осадков обеспечивают измерение размеров горизонтальных сечений теней частиц осадков, измерение скорости падения частиц осадков, восстановление формы частиц осадков, определение агрегатного состояния частиц осадков, получение спектров распределения частиц осадков по размерам и скоростям, а также получение интегральных характеристик: интенсивностей, сумм и т.д.

Известные оптические измерители параметров осадков обладают недостатком, выраженным в отсутствии возможности регулировать поток измерительной информации, который может достигать 40 Мб/с [4] для одного измерительного канала. При необходимости передачи полной информации о микроструктуре осадков на расстояния и по каналу связи с ограниченной пропускной способностью, могут возникнуть затруднения, ограничивающие область применения оптических измерителей параметров осадков.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому техническому решению является способ автоматического измерения параметров дождя и снега [5], основанный на применении метода получения и анализа изображений теней частиц. Оптическое излучение от источника пропускают через оптическую систему и посылают на приемник, выполненный на основе линейного сенсора. Ширина и длина формируемого оптического канала определяет размер измерительной площади. Частицы осадков, проходят через измерительную площадь и производят изменение освещенности линейного сенсора. Аналоговый сигнал с выходов линейного сенсора оцифровывают и преобразуют в поток измерительной информации, на основании которой вычисляют искомые параметры атмосферных осадков: размеры, скорости и величины деформации частиц осадков, распределение частиц осадков по размерам, формам и скоростям, текущую интенсивность и сумму, агрегатное состояние и характер осадков. Особенностью известного способа является то, что при измерении дождя и при измерении снега применяют различную частоту сканирования измерительной площади: 25 кГц и 5 кГц соответственно.

Однако при использовании известного способа возникает проблема обработки и передачи большего потока измерительной информации, генерируемой при высокой интенсивности дождя. Особенно это актуально при необходимости передачи измерительной информации по каналам связи с ограниченной пропускной способностью.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в измерении параметров атмосферных осадков оптическим способом с применением адаптивной измерительной площади. Технический результат - возможность регулирования потока данных, генерируемых оптическим осадкомером, для предотвращения превышения пропускной способности канала связи.

Технический результат достигается тем, что оптический способ измерения параметров атмосферных осадков включает формирование измерительной площади с помощью источника излучения, линейного сенсора и оптической системы, регистрацию горизонтальных размеров теней частиц осадков по количеству затененных светочувствительных элементов линейного сенсора, аналого-цифровое преобразование сигнала, формирование и передачу потока измерительной информации, вычисление искомых параметров атмосферных осадков.

В заявляемом способе предлагается проводить адаптацию размеров измерительной площади за счет изменения ее ширины в зависимости от текущей интенсивности осадков. Для этого осуществляют непрерывный контроль потока измерительной информации. При увеличении (уменьшении) потока измерительной информации производят исключение из рассмотрения (включение в рассмотрение) крайних светочувствительных элементов линейного сенсора. В начальный момент измерений значение размера измерительной площади определяют как S=L·B_s, где L - длина измерительной площади; B_s - максимальная ширина измерительной площади. С изменением количества светочувствительных элементов длина измерительной площади сохраняется неизменной, а ширина определяется количеством и размером рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора. Значение размера измерительной площади при изменении количества светочувствительных элементов определяют по следующему соотношению:

$$S=L\cdot N\cdot l\cdot \frac{B_L}{B_S},$$

где N - текущее значение количества рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора; l - размер одного светочувствительного элемента; B_L - суммарный размер всех светочувствительных элементов линейного сенсора. Рассчитанный размер измерительной площади используют для вычисления искомых параметров атмосферных осадков в текущий момент времени.

На рисунке приведена схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит: источник излучения 1, коллиматор 2, объектив приемника 3, адаптивную измерительную площадь 4, оптический линейный сенсор 5, блок первичной обработки 6 и блок вычисления 7.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от источника 1 пропускают через коллиматор 2, формируя в горизонтальной плоскости параллельный световой поток. Световой поток через объектив 3 направляют на линейный сенсор 5, суммарный размер светочувствительных элементов которого составляет B_L. При этом в пространстве формируется измерительная площадь 4. Частица осадков проходит через измерительную площадь 4 и производит изменение освещенности соответствующих светочувствительных элементов сенсора 5. Аналоговый сигнал с выходов сенсора 5 передают в блок 6 для оцифровки и преобразования в поток измерительной информации, который по каналу связи передают в блок 7, где происходит вычисление размеров, скоростей и величин деформации частиц осадков, проведение статистического анализа, получение распределений частиц осадков по размерам, формам и скоростям, вычисление интенсивности, определение агрегатного состояния и характера осадков.

Поток измерительной информации регулируется в блоке 6, который отслеживает объем генерируемой и передаваемой в единицу потока измерительной информации. Размер измерительной площади изменяется за счет изменения ее ширины в зависимости от текущей интенсивности осадков. Для этого осуществляется непрерывный контроль соотношения объема потока измерительной информации и пропускной способности канала передачи данных. Поток измерительной информации может изменяться в пределах от 20% (нижнее пороговое значение) до 80% (верхнее пороговое значение) от пропускной способности канала передачи данных. При увеличении интенсивности осадков и достижении верхнего порогового значения осуществляется уменьшение количества рассматриваемых светочувствительных элементов на краях линейного сенсора на 10% от их общего количества, при этом происходит уменьшение измерительной площади S. Эта процедура повторяется до тех пор, пока поток измерительной информации не станет ниже относительно верхнего порога. При последующем уменьшении интенсивности осадков происходит достижение нижнего порогового значения, осуществляется увеличение количества рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора на 10% от их общего количества, при этом происходит увеличение измерительной площади S. Эта процедура повторяется до тех пор, пока поток измерительной информации не превысит нижний порог. В случае дальнейшего уменьшения интенсивности данная процедура продолжается до достижения максимально возможного числа рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора.

Значение размера измерительной площади при изменении количества светочувствительных элементов определяют по следующему соотношению:

$$S=L\cdot N\cdot l\cdot \frac{B_L}{B_S},$$

где L - длина измерительной площади, N - текущее значение количества рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора; l - размер одного светочувствительного элемента; B_L - суммарный размер всех светочувствительных элементов линейного сенсора B_S - максимальная ширина измерительной площади.

Информация об изменении величины измерительной площади передается в блок 7 для введения поправок в процедуры расчета искомых параметров атмосферных осадков.

Литература

1. Kruger A., Krajewski W.F. Two-Dimensional Video Disdrometer: A Description // J. Atmos. Oceanic Technol. 2002. V. 19. P. 602-617.

2. Barthazy E., Goke S., Schefold R., Hogl D. An Optical Array Instrument for Shape and Fall Velocity Measurements of Hydrometeors // J. Atmos. Oceanic Technol. - 2004. - V. 21. - P. 1400-1416.

3. Пат. 119898, Российская Федерация. МПК G01W 1/14. Оптико-электронный двухканальный измеритель осадков / Азбукин А.А., Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А. №2012100082/28; заявл. 10.01.2012; опубл. 27.08.2012. Бюл. №24. - 1 с.

4. Schonhuber, М, Lammer, G., and Randeu, W.L. One decade of imaging precipitation measurement by 2D-video-distrometer [Электронный ресурс]: An Open Access Journal for Refereed Proceedings and Special Publications // Adv. Geosci. N 10. P. 89. URL: 10/85/2007/adgeo-10-85-2007.pdf (дата обращения: 12.05.2014).

5. Пат. №CN103033857 A, Китайская народная республика. МПК G01W 1/14. Rainfall and snowfall automatic observation method based on parallel light large visual field / Gao Taichang, Jiang Zhidong, Liu Lei, Liu Xichuan, Su Xiaoyong, Zhai Dongli, Zhao Shijun. №201210569814; заявл. 25.12.2012; опубл. 10.04.2013.

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения и может быть использовано для расширения области применения оптических осадкомеров. В заявленном оптическом способе измерения атмосферных осадков с помощью источника излучения, линейного сенсора и оптической системы формируют измерительную площадь, размеры которой адаптируют в зависимости от текущей интенсивности осадков, затем регистрируют горизонтальные размеры теней частиц осадков по количеству затененных светочувствительных элементов линейного сенсора, осуществляют передачу потока измерительной информации и вычисление искомых параметров атмосферных осадков. Технический результат - возможность регулирования потока данных, генерируемых оптическим осадкомером, для предотвращения превышения пропускной способности канала связи. 1 ил.

Оптический способ измерения атмосферных осадков, включающий формирование измерительной площади с помощью источника излучения, линейного сенсора и оптической системы, регистрацию горизонтальных размеров теней частиц осадков по количеству затененных светочувствительных элементов линейного сенсора, аналого-цифровое преобразование сигнала, формирование и передачу потока измерительной информации, вычисление искомых параметров атмосферных осадков, отличающийся тем, что проводят адаптацию размеров измерительной площади в зависимости от текущей интенсивности осадков, для чего осуществляют непрерывный контроль потока измерительной информации и при его увеличении (уменьшении) производят исключение из рассмотрения (включение в рассмотрение) крайних светочувствительных элементов линейного сенсора, при этом соответствующее значение размера измерительной площади определяют по следующему соотношению:

где L - длина измерительной площади, N - текущее значение количества рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора; l - размер одного светочувствительного элемента; B_L - суммарный размер всех светочувствительных элементов линейного сенсора; B_S - максимальная ширина измерительной площади.