Определитель параметров ветра дистанционный пассивный Российский патент 2023 года по МПК G01P5/26 G01W1/00 

Изобретение относится к пассивным системам метеорологического контроля атмосферы и может быть использовано для увеличения объема информации о ветровом состоянии атмосферы, получаемой с разных удалений и направлений от объекта в круглосуточном режиме работы и широком рабочем диапазоне погодных условий.

Известна система измерения скорости ветра у поверхности моря на основании оптического изображения морской поверхности, полученного под двумя углами обзора (патент CN106324275A, опубл. от 26.07.2022), которая обеспечивает определение скорости ветра над поверхностью моря на основе анализа оптического изображения структуры водной поверхности, полученного под двумя углами визирования при солнечном освещении, и наличия зависимости характеристик водной поверхности от скорости ветра над ней.

Недостатками данного решения являются:

- необходимость для проведения измерений наличия водной поверхности,

- необходимость интенсивного солнечного излучения,

- невозможность проводить измерения параметров ветра по направлениям под разными углами к горизонту.

Известна система определения скорости ветра над водной поверхностью (патент RU2616354 МПК G01P 5/00, G01W 1/02, G01P 3/68, опубл. от 14.04.2017), которая обеспечивает определение скорости ветра над водной поверхностью на основе получения при помощи двух оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с разными направлениями визирования двух пространственно-временных изображений водной поверхности. На основе их стыковки определяется направление распространения ветровых порывов по углам наклона полос ветровых порывов на пространственно-временных изображениях и известному углу между направлениями визирования. Скорость ветра определяют над каждой точкой водной поверхности в направлении визирования на основании модельной зависимости дисперсии уклонов волн.

Недостатками данного решения являются:

- необходимость наличия водной поверхности,

- необходимость интенсивного солнечного излучения,

- невозможность проводить измерения параметров ветра по направлениям под разными углами к горизонту.

Известна система измерения параметров ветра над горизонтальной поверхностью по характеристикам изображения объекта (патент IL166109A, опубл. от 07.08.2008), которая обеспечивает определение скорости ветра на горизонтальной трассе на основе анализа полученного изображения удаленного объекта через турбулентную атмосферу. Положение объекта на изображении изменяется за счет смещения световых лучей при прохождении горизонтально движущегося турбулентного вихря. При этом искажение изображения движется вдоль горизонтальной линии со скоростью, пропорциональной составляющей скорости ветра, вдоль этой линии и существует в течение периода времени, обратно пропорционального этой составляющей скорости ветра.

Недостатками данного решения являются:

- необходимость наличия контрастного объекта, искажения изображения которого анализируются;

- проведение измерений на горизонтальных или близких к ним трассах;

- возможность проведения измерений только при высоком уровне освещенности.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату является система, которая реализует метод определения высот нижней границы облаков по их изображениям на стереокамере, ориентированной на местности по азимутальному и зенитному углам и скорости движения облака (скорости его ветра) по смещению его изображения во времени (патент JP6925619B2).

Недостатками данного технического решения являются:

- необходимость наличия для определения скорости и направления ветра облачного слоя, движение изображений которого, полученное со стереокамеры, и является носителем информации;

- неработоспособность системы в условиях чистой атмосферы;

- неработоспособность системы при пониженной освещенности, когда получение подвергаемого обработке контрастного изображения облаков затруднено.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение объема информации о ветровом состоянии атмосферы, полученной с разных направлений и удалений от объекта в круглосуточном режиме и широком диапазоне погодных условий за счет:

- применения высокочувствительных фотоприемников, позволяющих улавливать очень слабые фоновые потоки из атмосферы;

- отказа от анализа изображений облачных образований, водных поверхностей или контуров предметов и перехода к получению полезной информации от промодулированной движущимися воздушными массами интенсивности фонового излучения атмосферы.

Технический результат достигается тем, что определитель параметров ветра дистанционный пассивный содержит блок управления и обработки сигналов, три оптико-электронных модуля, направленные на выбранные участки неба, причем эти направления некомпланарны, каждый из которых включает три высокочувствительных фотоприемных устройства с блоками предварительного усиления сигнала, оптическую систему с переменным фокусным расстоянием и узел диафрагмы, регулирующей в автоматическом режиме принимаемый оптико-электронным модулем поток фонового излучения, при этом каждый фотоприемник в совокупности с оптической системой формирует один из трех, расположенных рядом друг с другом угловых секторов оптико-электронного модуля, в пределах которого фотоприемник принимает поток фонового излучения с интенсивностью, промодулированной неоднородностями движущихся и пересекающих сектор воздушных масс, при этом с выхода каждого из фотоприемников оптико-электронного модуля снимается и усиливается переменная составляющая электрического сигнала, соответствующая переменной составляющей потока фонового излучения, принимаемого фотоприемником, частота которой пропорциональна средней скорости перемещения воздушной массы, а фазовая задержка между повторяющимися на выходах фотоприемников оптико-электронного модуля подобными сигналами определяет направление смещения воздушной массы как единого целого, между рядом расположенными секторами оптико-электронного модуля, формируя информацию о средних скорости и направлении перемещения воздушной массы относительно каждого из трех некомпланарных направлений, на основе которой рассчитываются средние направление и модуль вектора скорости ветра в контролируемой определителем параметров ветра области пространства, причем угловые размеры секторов каждого оптико-электронного модуля определяют область пространства, которая вносит максимальный вклад в модуляцию фонового излучения движущейся воздушной массой, что позволяет локализовать область, вносящую максимальный вклад в информацию о векторе скорости ветра, и, изменяя угловые размеры секторов путем изменения фокусного расстояния оптической системы оптико-электронного модуля, определять параметры ветра на разном удалении от объекта.

Сущностью технического решения является возможность увеличения объема информации о ветровом состоянии атмосферы за счет получения ее с разных удалений и направлений от объекта, круглосуточного режима работы, расширения рабочего диапазона погодных условий.

Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с уже известными признаками позволяют успешно достичь поставленной цели.

Изобретение проиллюстрировано графическим материалом, где на чертеже приведен определитель параметров ветра дистанционный пассивный.

Состав предложенного объекта:

1. Блок управления и обработки сигналов фотоприемников.

2. Оптико-электронные модули.

3. Три некомпланарных направления приема излучения из атмосферы, формируемые оптико-электронными модулями.

4. Оптические системы с переменным фокусным расстоянием оптико-электронных модулей.

5. Корпуса оптико-электронных модулей.

6. Механические диафрагмы оптико-электронных модулей, в автоматическом режиме регулирующие величины проходящих потоков излучения, управляющие диафрагмами сигналы снимаются с выхода фотоприемных устройств.

7. Высокочувствительные фотоприемные устройства (ФПУ) оптико-электронных модулей с блоками предварительного усиления сигнала.

8. Угловые сектора, формируемые фотоприемными устройствами и оптическими системами оптико-электронных модулей, в пределах которых фотоприемники принимают излучение из атмосферы.

9. Области пространства, где локализованы угловые сектора 8 каждого оптико-электронного модуля 2.

10. Усилители сигналов ФПУ 7.

11. Формирователи сигналов, после которых производится фиксация фазы сигналов, снимаемых с фотоприемных устройств оптико-электронного модуля, определяющей направление перемещения воздушной массы.

12. Анализаторы спектра, в которых производится формирование спектров сигналов и выделение центральной частоты, пропорциональной средней скорости перемещения воздушной массы.

13. Среднее направление перемещения воздушной массы.

14. Поперечные составляющие вектора скорости ветра в областях пространства 9, где локализованы угловые сектора 8 каждого оптико-электронного модуля 2.

Функционирование определителя параметров ветра дистанционного пассивного.

Выходы высокочувствительных фотоприемных устройств с блоками предварительного усиления сигнала 7 трех оптико-электронных модулей 2 подключаются к блоку управления и обработки сигналов 1 и ориентируются в пространстве таким образом, что продольные оси их корпусов 5, совпадающие с оптическими осями оптических систем 4, образуют в пространстве некомпланарную тройку направлений 3, а угловые сектора 8 направлены на выбранные участки неба. Оптическая система с переменным фокусным расстоянием 4, диафрагма регулировки величины потока излучения 6, три фотоприемных устройства 7 установлены в корпус 5 оптико-электронного модуля 2. Взаимное положение фотоприемных устройств 7, их положение относительно оптической системы 4 и ее оптической оси позволяет сформировать три рядом лежащих угловых сектора 8 оптико-электронного модуля 2, локализованные в области пространства 9, в пределах которых фотоприемные устройства 7 принимают из атмосферы промодулированное движущимися воздушными массами 13 фоновое излучение. Угловые сектора так пространственно разнесены, что в пределах области пространства 9, где они расположены, атмосферу можно считать «замороженной» - имеющей в течении продолжительного времени, большего, чем время перемещения между секторами одного оптико-электронного модуля, мало меняющуюся структуру, что позволяет считать условия модуляции излучения для всех секторов 8 одного оптико-электронного модуля 2 одинаковыми - структура сигналов с фотоприемников 7 одного оптико-электронного модуля 2 повторяется, с фазовой задержкой между сигналами, определяемой временем перемещения воздушной массы 13 между секторами 8. Сигналы с фотоприемников 7 оптико-электронного модуля 2 усиливаются на усилителях 10, проходят сглаживание на формирователях 11, после которых сигналы подвергаются сравнительному анализу, который позволяет выделить фазу между сигналами с фотоприемников 7 одного оптико-электронного модуля 2, определяющую направление перемещения воздушной массы между секторами одного оптико-электронного модуля 2. В анализаторах спектра 12 производится определение центральной частоты сигнала, пропорциональной средней скорости перемещения воздушной массы. Таким образом, на основе сигналов с трех фотоприемников 7 одного оптико-электронного модуля 2 формируется информация о поперечных составляющих скорости ветра по двум взаимно перпендикулярным направлениям, параллельным линиям, соединяющим центры фотоприемных устройств 7 в вертикальной и перпендикулярной ей плоскости, на основе которых вычисляется величина и направление поперечной составляющей 14 вектора скорости ветра 13 на одном из трех некомпланарных направлений 3. Аналогичным образом вычисляются поперечные составляющие вектора скорости ветра по двум другим некомпланарным направлениям 3. На основе полученных результатов рассчитываются скорость и направление ветра 13 в области пространства, куда направлены оси оптико-электронных модулей 2. Изменение размеров угловых секторов 8, которое позволяет получать информацию о параметрах ветра с разного удаления от объекта, осуществляется перефокусировкой оптических систем 4 оптико-электронных модулей 2 на основе внешних управляющих команд, поступающих в блок управления и обработки сигналов 1. Управление положением механических диафрагм 6 оптико-электронных модулей 2, обеспечивающих регулировку доли проходящего на фотоприемные устройства 7 оптико-электронных модулей 2 фонового излучения, осуществляется в автоматическом режиме на основе уровней сигналов с фотоприемных устройств 7.

Технико-экономическим достоинством предложенного решения является увеличение объема информации о ветровом состоянии атмосферы за счет возможности получать ее с разных направлений и удалений от объекта, обеспечения круглосуточного режима работы и значительного расширения рабочего диапазона погодных условий.

Изобретение относится к средствам для определения параметров ветра. Сущность: определитель параметров ветра содержит блок (1) управления и обработки сигналов, три оптико-электронных модуля (2), направленные на выбранные участки неба, причем эти направления некомпланарны. Каждый оптико-электронный модуль (2) включает три высокочувствительных фотоприемных устройства (7) с блоками (10) предварительного усиления сигнала, оптическую систему (4) с переменным фокусным расстоянием и узел диафрагмы (6), регулирующей в автоматическом режиме принимаемый оптико-электронным модулем (2) поток фонового излучения. При этом каждое фотоприемное устройство (7) в совокупности с оптической системой (2) формирует один из трех расположенных рядом друг с другом угловых секторов (8) оптико-электронного модуля (2), в пределах которого фотоприемное устройство (7) принимает поток фонового излучения с интенсивностью, промодулированной неоднородностями движущихся и пересекающих сектор воздушных масс (13). С выхода каждого из фотоприемных устройств (7) снимается и усиливается переменная составляющая электрического сигнала, соответствующая переменной составляющей потока фонового излучения, принимаемого фотоприемным устройством (7), частота которой пропорциональна средней скорости перемещения воздушной массы. При этом фазовая задержка между повторяющимися на выходах фотоприемных устройств (7) подобными сигналами определяет направление смещения воздушной массы как единого целого между рядом расположенными секторами (8) оптико-электронного модуля (2), формируя информацию о средних скорости и направлении перемещения воздушной массы относительно каждого из трех некомпланарных направлений (3). На основе полученной информации рассчитывают средние направление и модуль вектора скорости ветра в контролируемой определителем параметров ветра области пространства. При этом параметры ветра на разном удалении от объекта определяют путем изменения размеров угловых секторов каждого оптико-электронного модуля за счет изменения фокусного расстояния оптической системы оптико-электронного модуля. Технический результат: увеличение объема информации о ветровом состоянии атмосферы. 1 ил.

Определитель параметров ветра дистанционный пассивный, содержащий блок управления и обработки сигналов, три оптико-электронных модуля, направленные на выбранные участки неба, причем эти направления некомпланарны, каждый из которых включает три высокочувствительных фотоприемных устройства с блоками предварительного усиления сигнала, оптическую систему с переменным фокусным расстоянием и узел диафрагмы, регулирующей в автоматическом режиме принимаемый оптико-электронным модулем поток фонового излучения, при этом каждый фотоприемник в совокупности с оптической системой формирует один из трех расположенных рядом друг с другом угловых секторов оптико-электронного модуля, в пределах которого фотоприемник принимает поток фонового излучения с интенсивностью, промодулированной неоднородностями движущихся и пересекающих сектор воздушных масс, при этом с выхода каждого из фотоприемников оптико-электронного модуля снимается и усиливается переменная составляющая электрического сигнала, соответствующая переменной составляющей потока фонового излучения, принимаемого фотоприемником, частота которой пропорциональна средней скорости перемещения воздушной массы, а фазовая задержка между повторяющимися на выходах фотоприемников оптико-электронного модуля подобными сигналами определяет направление смещения воздушной массы как единого целого между рядом расположенными секторами оптико-электронного модуля, формируя информацию о средних скорости и направлении перемещения воздушной массы относительно каждого из трех некомпланарных направлений, на основе которой рассчитываются средние направление и скорость вектора ветра в контролируемой определителем параметров ветра области пространства, при этом параметры ветра на разном удалении от объекта определяются путем изменения размеров угловых секторов каждого оптико-электронного модуля за счет изменения фокусного расстояния оптической системы оптико-электронного модуля.