Дистанционный способ измерения средней скорости ветра Российский патент 2024 года по МПК G01P5/22 

Изобретение относится к дистанционному зондированию атмосферы и может быть использовано для определения средней скорости и направления горизонтального ветра.

Уровень техники

Существуют способы оценивания скорости ветра по корреляции искаженных вследствие турбулентных флуктуаций показателя преломления оптических изображений удаленных объектов (Porat O., Shapira J. Crosswind sensing from optical-turbulence-induced fluctuations measured by a video camera // Appl. Opt. 2010. Vol. 49, № 28. P. 5236; Belenkii M. Passive crosswind profiler. 2012. Patent No.:US 8,279,287 B2, USA; Афанасьев А.Л., Банах В.А., Маракасов Д.А., Ростов А.П. Оценка скорости интегрального бокового ветра из статистики дрожаний бинокулярных изображений некогерентных источников // Известия Вузов. Физика. 2016. Т. 59. № 12/2. C. 152-155). Недостаток этих способов в том, что они позволяют оценивать лишь перпендикулярную к направлению на объект наблюдения компоненту средней скорости ветра. В изобретении предлагается способ измерения вектора средней горизонтальной скорости ветра в атмосфере, основанный на корреляционной обработке одновременно регистрируемых оптических изображений двух наблюдаемых объектов, разнесённых в горизонтальной плоскости на некоторый угол.

В качестве прототипа выбран способ дистанционного определения перпендикулярной к направлению наблюдения компоненты средней скорости ветра по корреляции случайных смещений сегментов оптического изображения наблюдаемого объекта (Belenkii M. Passive crosswind profiler. 2012. Patent No.:US 8,279,287 B2, USA). В отличие от прототипа, в изобретении предлагается определять по корреляции случайных смещений сегмента(ов) би(мо)нокулярных-оптических изображений не одну, а две перпендикулярные к разным направлениям наблюдения компоненты средней скорости ветра, и по величине этих компонент и углу между направлениями наблюдения рассчитывать среднюю скорость и направление горизонтального ветра.

Раскрытие сущности

Оценка перпендикулярной к направлению наблюдения компоненты средней скорости ветра из статистики случайных смешений сегментов оптического изображения наблюдаемого объекта может осуществляться с использованием монокулярной или бинокулярной схем измерений. В первом случае вычисляется взаимная пространственно-временная корреляционная функция

(1)

между временными рядами координат сегментов и в оптическом изображении, соответствующих разнесённым по горизонтали на расстояние областям объекта наблюдения. Во втором для вычисления взаимной корреляционной функции используются временные ряды координат сегментов, соответствующих одной и той же области наблюдаемого объекта, в изображениях, сформированных в двух приемных объективах, разнесенных в приемной плоскости на расстояние по горизонтали.

Перпендикулярная к направлению наблюдения компонента средней скорости ветра рассчитывается, в зависимости от схемы измерений, по формулам

, (2)

или

, (3)

где - задержка положения максимума корреляционной функции. Монокулярная и бинокулярная схемы измерений представлены на фиг. 1. Принцип определения и её знака (направления) по задержке максимума корреляционной функции иллюстрирует фиг. 2.

Использование двух монокулярных либо двух бинокулярных либо одного монокулярного и одного бинокулярного регистраторов оптических изображений объектов наблюдения, линии визирования которых направлены под некоторым углом друг к другу в горизонтальной плоскости, позволяет оценивать по формулам (2) или (3) перпендикулярные к линиям визирования компоненты средней скорости ветра, и рассчитывать по ним среднюю скорость горизонтального ветра и его направление.

Технический результат изобретения

Изобретение представляет собой дистанционный способ определения средней скорости и направления горизонтального ветра, основанный на регистрации оптических изображений объектов наблюдения.

Технический результат достигается посредством корреляционного анализа турбулентных искажений видеоизображений двух объектов наблюдения, разнесённых в пространстве по горизонтали на некоторое расстояние, определения перпендикулярных к линиям визирования на эти объекты компонент средней скорости ветра и расчёта по формулам геометрических соотношений между найденными скоростями и их направлениями относительно выделенного направления, например, на север, средней скорости горизонтального ветра и его направления.

Способ дистанционного определения средней скорости и направления горизонтального ветра, заключающийся в том, что по задержке максимума взаимной пространственно-временной корреляционной функции случайных смещений координат сегментов оптических изображений наблюдаемых объектов определяют скорости и направления перпендикулярных к направлениям наблюдения компонент скорости ветра и по формулам (10), (11), связывающим величину и направления этих компонент с вектором скорости горизонтального ветра, рассчитывают среднюю скорость и направление горизонтального ветра, реализуемый посредством одновременной регистрации оптических изображений двух удалённых объектов, разнесённых в пространстве по горизонтали на некоторое расстояние, при этом дистанционно определяют не проекцию средней горизонтальной скорости ветра на выделенное направление, а вектор средней скорости горизонтального ветра.

1) Фиг. 1. Монокулярная (а) и бинокулярная (б) схемы измерений перпендикулярной к направлению на объект компоненты средней скорости ветра:

[1] - объект наблюдения;

[2] - метки (выделенные сегменты изображения) на объекте наблюдения;

[3] - горизонтальный разнос меток на объекте наблюдения;

[4] - объектив;

[5] - перпендикулярная компонента средней скорости ветра ;

[6] - горизонтальный разнос объективов.

2) Фиг. 2. Схематический график взаимной пространственно-временной корреляционной функции

(4)

или

(5)

между временными рядами координат сегментов изображений наблюдаемых объектов.

3) Фиг. 3. Схема визирования:

[7] - направление визирования на первый объект;

[8] - направление визирования на второй объект;

[9] - угол между направлением на север и линией визирования на первый объект;

[10] - угол между направлением на север и линией визирования на второй объект;

[11] - перпендикулярная к направлению на первый объект компонента средней скорости ветра ;

[12] - перпендикулярная к направлению на второй объект компонента средней скорости ветра ;

[13] - угол между направлением на север и направлением скорости ;

[14] - угол между направлением на север и направлением скорости .

4) Фигура 4. Схема определения средней скорости горизонтального ветра и его направления:

[11] - перпендикулярная к направлению на первый объект компонента средней скорости ;

[12] - перпендикулярная к направлению на второй объект компонента средней скорости ;

[13] - угол между направлением на север и направлением скорости ;

[14] - угол между направлением на север и направлением скорости ;

[15] - горизонтальная скорость ;

[16] - угол между направлением на север и направлением горизонтальной скорости ;

[17] - прямые углы.

5) Формулы для оценивания скоростей (i = 1,2) при монокулярной

(6)

и бинокулярной

(7)

схемах измерений.

6) Формулы для расчёта углов (i = 1,2)

, (8)

если скорость имеет положительный знак, и

, (9)

если отрицательный.

7) Формула для расчёта угла направления горизонтального ветра.

, (10)

8) Формула для расчёта средней скорости горизонтального ветра.

. (11)

Осуществление изобретения

В поле зрения объективов регистраторов оптических изображений выбираются два объекта наблюдения, разнесённые по горизонтали на некоторое расстояние. Это могут быть здания, высотные трубы, вышки сотовой связи, опоры высоковольтных линий электропередач, стволы деревьев. Определяются углы и между направлением на север и линиями визирования на объекты. Осуществляется регистрация изображений объектов (фиг. 1) и по задержке максимума взаимной пространственно-временной корреляционной функции случайных смещений координат выделенных сегментов изображений объектов (фиг. 1, фиг. 2, формулы (4) или (5)) определяются перпендикулярные к направлениям на объекты компоненты средней скорости (формулы (6) или (7) и углы направления этих скоростей относительно направления на север (фиг. 3, формулы (8) или (9)). Затем рассчитывается угол направления горизонтального ветра относительно севера (фиг. 4, формула (10)) и средняя скорость горизонтального ветра (фиг. 4, формула (11)).

Экспериментальное подтверждение возможности осуществления изобретения

В статьях Афанасьев А.Л., Банах В.А., Маракасов Д.А., Ростов А.П. Оценка скорости интегрального бокового ветра из статистики дрожаний бинокулярных изображений некогерентных источников // Известия Вузов. Физика. 2016. Т. 59. № 12/2. C. 152-155; Afanasiev A.L., Marakasov D.A. Testing of the transverse wind profiling algorithm // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11208. P. 112081G-1-112081G-4; Афанасьев А.Л., Банах В.А., Гордеев Е.В., Маракасов Д.А., Сухарев А.А., Фалиц А.В. Верификация корреляционного пассивного оптического измерителя поперечной скорости ветра в экспериментах с доплеровским ветровым лидаром // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30, №8. С. 657–663 и других работах авторов заявки представлены многочисленные результаты экспериментов по верификации оптических способов определения перпендикулярной к линии визирования на объект наблюдения компоненты средней скорости ветра, подтверждающие работоспособность этих способов. Специальный эксперимент по определению скорости горизонтального ветра проводился 21 сентября и 09 октября 2022 г. на Базовом экспериментальном комплексе Института оптики атмосферы СО РАН.

Измерения компонент скорости ветра осуществлялись по монокулярной схеме с использованием двух регистраторов оптических изображений (РОИ) на двух взаимно перпендикулярных трассах одновременно (фиг. 5). Трасса 1 (продольная): длина – 60 м; направление – юго-восток (135° по часовой стрелке от направления на север); объект – экран с метками, разнесенными по горизонтали; приемное устройство – телескоп MEADE LX65.6'' ACF с видеокамерой. Трасса 2 (поперечная): длина – 60 м; направление – северо-восток (45° по часовой стрелке от направления на север); объект – экран с метками, разнесенными по горизонтали; приемное устройство – объектив МТО-100 с видеокамерой).

Независимые измерения скорости ветра осуществлялись двумя акустическими метеостанциями АМК-03 (Сибаналитприбор, Томск, Россия): Метео 1 и Метео 2. На фиг. 6 показан пример сопоставления оценок скорости и направления горизонтального ветра, полученных в эксперименте из одновременных оптических и акустических (Метео 1) измерений. Визуально оценки скорости и направления горизонтального ветра, полученные по данным РОИ и Метео 1 близки. Коэффициент корреляции в данном случае составляет 0,6 для скорости и 0,7 для направления. Такие значения для коэффициентов корреляции являются типичными для проведенных сравнительных измерений, что подтверждает, с учетом естественной разницы между локальными (Метео 1) и пространственно осредненными по трассе (РОИ) данными, возможность осуществления изобретения.

Изобретение относится к области дистанционного зондирования атмосферы. Способ дистанционного определения средней скорости и направления горизонтального ветра заключается в том, что по задержке максимума взаимной пространственно-временной корреляционной функции случайных смещений координат сегментов оптических изображений наблюдаемых объектов определяют скорости и направления перпендикулярных к направлениям наблюдения компонент скорости ветра и по формулам, связывающим величину и направления этих компонент с вектором скорости горизонтального ветра, рассчитывают среднюю скорость и направление горизонтального ветра, реализуемый посредством одновременной регистрации оптических изображений двух удалённых объектов, разнесённых в пространстве по горизонтали на некоторое расстояние, при этом дистанционно определяют вектор средней скорости горизонтального ветра. Технический результат – повышение точности определения средней скорости и направления горизонтального ветра. 6 ил.

Способ дистанционного определения средней скорости и направления горизонтального ветра, заключающийся в следующем: выбираются два объекта наблюдения, разнесённые по горизонтали, и с использованием объективов регистраторов оптических изображений определяют углы и между направлением на север и линиями визирования на объекты, осуществляется регистрация изображений объектов, и по задержке максимума взаимной пространственно-временной корреляционной функции случайных смещений координат выделенных сегментов изображений объектов наблюдения определяют перпендикулярные к направлениям на объекты компоненты средней скорости и и углы и направлений этих компонент относительно направления на север, и рассчитывается угол направления горизонтального ветра относительно севера

,

и средняя скорость горизонтального ветра

.