Определитель параметров ветра бесконтактный пассивный Российский патент 2025 года по МПК G01P5/26 G01W1/00 

Изобретение относится к пассивным системам метеорологического контроля атмосферы и может быть использовано для повышения точности информации о ветровом состоянии атмосферы, получаемой с разных удалений от объекта.

Известен дистанционный способ определения средней скорости и направления горизонтального ветра, основанный на регистрации оптических изображений объектов наблюдения (патент РФ №2823690, зарегистрирован 29.07.2024 г. )

Недостатком данного патента является необходимость наличия удаленного, контрастного с окружающей средой объекта, по изменению характеристик изображения которого определяются параметры движения воздушной массы, находящиеся между объектом и точкой наблюдения.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату является определитель параметров ветра дистанционный пассивный, работающий на аналогичных заявляемому физических принципах получения информации о параметрах атмосферного ветра (патент РФ №2801433, зарегистрирован 08.08.2023).

Недостатками данного технического решения является сложность реализации контроля формы сигналов и их фазовой задержки в каждом периоде колебаний аналоговых сигналов, снимаемых с выходов усилителей сигналов фотоприемных устройств (ФПУ), связанного с их неполной повторяемостью и искажениями, вызванными наложением шумов усилителей и воздействиями, искажающими форму сигналов, случайных турбулентных явлений атмосферы.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности результатов и чувствительности процесса измерения параметров ветра за счет получения возможности накопления и усреднения текущих результатов измерений на больших временных промежутках без необходимости технически сложного контроля формы сигналов и их фазовой задержки в каждом периоде колебаний аналоговых сигналов, снимаемых с выходов усилителей сигналов ФПУ, связанного с их неполной повторяемостью и искажениями, вызванными наложением шумов усилителей и воздействиями, искажающими форму сигналов, случайных турбулентных явлений атмосферы.

В основе корреляционных методов измерения скорости ветра лежит гипотеза «замороженности турбулентности», согласно которой пространственные неоднородности, обусловленные турбулентностью, переносятся от точки к точке без изменений.

Корреляционные функции (определение временных задержек между сигналами, поступающими от разных ФПУ, пропорциональных скорости перемещения воздушных масс):

где - время задержки между сигналами первого и второго ФПУ, пропорциональное скорости перемещения воздушных масс между направлениями визирования, образованным первым и вторым ФПУ и оптической системой;

- время задержки между сигналами с первого и третьего ФПУ, пропорциональное скорости перемещения воздушных масс между направлениями визирования, образованными первым и третьим ФПУ и оптической системой;

- усиленные сигналы с первого, второго и третьего ФПУ в цифровом формате;

- корреляционные функции для сигналов

Технический результат достигается тем, что определитель параметров ветра бесконтактный пассивный содержит блок управления и обработки сигналов с ФПУ, оптико-электронный модуль (ОЭМ), который содержит три ФПУ с блоками предварительного усиления сигнала, оптическую систему с переменным фокусным расстоянием и узел диафрагмы, регулирующей в автоматическом режиме принимаемый ОЭМ поток фонового излучения, при этом каждое ФПУ в совокупности с оптической системой формирует один из трех, расположенных рядом друг с другом угловых секторов ОЭМ, в пределах которого ФПУ принимает поток фонового излучения с интенсивностью, промодулированной неоднородностями движущейся и пересекающей сектор воздушной массы, при этом с выхода каждого из ФПУ снимается и усиливается переменная составляющая электрического сигнала, соответствующая переменной составляющей потока фонового излучения, принимаемого ФПУ, временные задержки между повторяющимися на выходах ФПУ сигналами, полученные на основе вычисления корреляционных функций в модуле вычисления корреляционных функций между сигналами с выходов аналого-цифрового преобразователя (АЦП), пропорциональны скорости перемещения воздушной массы, как единого целого, между угловыми секторами ОЭМ в плоскости, перпендикулярной направлению оптической оси ОЭМ, причем формируемые оптической системой угловые размеры секторов ОЭМ при априорно известных средних размерах наиболее часто встречающихся неоднородностей атмосферы, осуществляющих при движении временную модуляцию интенсивности фонового излучения, позволяют локализовать положение области пространства, где происходит максимальная модуляция фонового излучения движущейся воздушной массой, вносящая основной вклад в информацию о векторе скорости ветра, и изменение угловых размеров секторов путем изменения фокусного расстояния оптической системы ОЭМ позволяет определять параметры проекции скорости ветра на разном удалении от определителя параметров ветра.

Сущностью технического решения является возможность повышения точности информации о ветровом состоянии атмосферы, получаемой с разных удалений от объекта.

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 представлен процесс определения параметров ветра и определитель параметров ветра бесконтактный пассивный.

Здесь:

1 - блок управления и обработки сигналов ФПУ;

2 - оптико-электронный модуль;

3 - три направления визирования (некомпланарных направления приема излучения из атмосферы), формируемые ОЭМ;

4 - оптическая система с переменным фокусным расстоянием ОЭМ;

5 - корпус ОЭМ;

6 - механическая диафрагма ОЭМ, в автоматическом режиме регулирующая величину проходящего потока излучения, управляющий положением диафрагмы сигнал снимается с выхода ФПУ;

7 - высокочувствительные ФПУ с блоками предварительного усиления сигнала;

8 - угловые сектора, формируемые ФПУ и оптической системой ОЭМ, в пределах которых ФПУ принимают излучение из атмосферы;

9 - область пространства, где локализованы угловые сектора 8 ОЭМ 2;

10 - усилители сигналов ФПУ 7;

11 - трехканальный АЦП, который преобразует усиленные аналоговые сигналы с ФПУ в цифровой формат;

12 - модуль вычисления корреляционных функций для определения временных задержек между сигналами с первого и второго ФПУ и первого и третьего ФПУ, пропорциональных проекциям скорости перемещения воздушной массы по линии между первым и вторым и линии между первым и третьим угловыми секторами 8 ОЭМ 2;

13 - среднее направление перемещения воздушной массы в плоскости, перпендикулярной оптической оси ОЭМ 2;

14 - поперечная составляющая вектора скорости ветра в области пространства 9, где локализованы угловые сектора 8 ОЭМ 2.

Функционирование определителя параметров ветра бесконтактного пассивного.

Выходы высокочувствительных ФПУ с блоками предварительного усиления сигнала 7 ОЭМ 2 подключаются к усилителям 10 сигналов ФПУ, после чего подаются на входы блока управления и обработки сигналов 1, а угловые сектора 8, образованные ФПУ и оптической системой 4, направляются на выбранный участок неба. Оптическая система с переменным фокусным расстоянием 4, диафрагма регулировки величины потока излучения 6, три ФПУ (первое, второе и третье) с блоками предварительного усиления сигнала 7 установлены в корпус 5 ОЭМ 2. Взаимное положение ФПУ 7, их положение относительно оптической системы 4 и ее оптической оси позволяет сформировать три рядом лежащих угловых сектора 8 ОЭМ 2, локализованные в области пространства 9, в пределах которых ФПУ 7 принимают из атмосферы промодулированное движущейся воздушной массой 13 фоновое излучение. Угловые сектора так пространственно разнесены, что в пределах области пространства 9, где они расположены, атмосферу можно считать «замороженной» - имеющей в течение продолжительного времени, большего, чем время перемещения между секторами ОЭМ, мало меняющуюся структуру, что позволяет считать условия модуляции излучения для всех секторов 8 одинаковыми - структура сигналов с ФПУ 7 повторяется с временной задержкой между сигналами, определяемой скоростью перемещения воздушной массы 13 между секторами 8. Аналоговые сигналы с ФПУ 7 усиливаются в усилителях 10, преобразуются в цифровой формат в трехканальном АЦП 11 и подаются в модуль вычисления корреляционных функций 12 для определения временных задержек между сигналами с первого и второго ФПУ и первого и третьего ФПУ, пропорциональных проекциям скорости перемещения воздушной массы по линии между первым и вторым (V_1,2) и линии между первым и третьим (V_1,3) угловыми секторами 8 ОЭМ 2. На основе этих проекций вычисляются скорость и направление перпендикулярной оптической оси ОЭМ 2 составляющей вектора скорости ветра. Изменение размеров угловых секторов 8, которое позволяет получать информацию о параметрах ветра с разного удаления от объекта, осуществляется изменением величины фокуса оптической системы 4 ОЭМ 2 на основе внешних управляющих команд. Управление положением механической диафрагмы 6 ОЭМ 2, обеспечивающее регулировку доли проходящего на ФПУ 7 фонового излучения, осуществляется в автоматическом режиме на основе уровней сигналов с ФПУ 7.

Таким образом, достоинством предложенного решения является повышение точности результатов и чувствительности процесса измерения параметров ветра за счет получения возможности накопления и усреднения текущих результатов измерений на больших временных промежутках без необходимости технически сложного контроля формы сигналов и их фазовой задержки в каждом периоде колебаний аналоговых сигналов, снимаемых с выходов усилителей сигналов ФПУ, связанного с их неполной повторяемостью и искажениями, вызванными наложением шумов усилителей и воздействиями, искажающими форму сигналов, случайных турбулентных явлений атмосферы.

Изобретение относится к средствам для определения параметров ветра. Сущность изобретения - определитель параметров ветра содержит блок (1) управления и обработки сигналов, оптико-электронный модуль (2), содержащий три фотоприемных устройства (3) с блоками предварительного усиления сигнала, оптическую систему (4) с переменным фокусным расстоянием и узел диафрагмы, регулирующей в автоматическом режиме принимаемый оптико-электронным модулем (2) поток фонового излучения. Каждое фотоприемное устройство (7) в совокупности с оптической системой (4) 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 движущейся и пересекающей сектор воздушной массы (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). При этом временные задержки между повторяющимися на выходах фотоприемных устройств (7) сигналами, полученные на основе вычисления корреляционных функций между сигналами с выходов аналого-цифрового преобразователя (11), пропорциональны скорости перемещения воздушной массы (13) между угловыми секторами (8) оптико-электронного модуля (2). Причем формируемые оптической системой (4) размеры угловых секторов (8) при априорно известных средних размерах наиболее часто встречающихся неоднородностей атмосферы, осуществляющих при движении временную модуляцию интенсивности фонового излучения, позволяют локализовать положение области (9) пространства, где происходит максимальная модуляция фонового излучения движущейся воздушной массой (13), вносящая основной вклад в информацию о векторе скорости ветра. Изменяя размеры угловых секторов (8) путем изменения фокусного расстояния оптической системы оптико-электронного модуля (2), определяют параметры проекции скорости ветра на разном удалении от определителя параметров ветра. Технический результат - увеличение чувствительности устройства. 1 ил.

Определитель параметров ветра бесконтактный пассивный, содержащий блок управления и обработки сигналов фотоприемных устройств, оптико-электронный модуль, который содержит три 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 каждое фотоприемное устройство в совокупности с оптической системой формирует один из трех расположенных рядом друг с другом угловых секторов оптико-электронного модуля, в пределах которого фотоприемное устройство принимает поток фонового излучения с интенсивностью, промодулированной неоднородностями движущейся и пересекающей сектор воздушной массы, при этом с выхода каждого из фотоприемных устройств снимается и усиливается переменная составляющая электрического сигнала, соответствующая переменной составляющей потока фонового излучения, принимаемого фотоприемным устройством, временные задержки между повторяющимися на выходах фотоприемных устройств сигналами, полученные на основе вычисления корреляционных функций в модуле вычисления корреляционных функций между сигналами с выходов аналого-цифрового преобразователя, пропорциональны скорости перемещения воздушной массы как единого целого между угловыми секторами оптико-электронного модуля в плоскости, перпендикулярной направлению оптической оси оптико-электронного модуля, причем формируемые оптической системой размеры угловые секторов оптико-электронного модуля при априорно известных средних размерах наиболее часто встречающихся неоднородностей атмосферы, осуществляющих при движении временную модуляцию интенсивности фонового излучения, позволяют локализовать положение области пространства, где происходит максимальная модуляция фонового излучения движущейся воздушной массой, вносящая основной вклад в информацию о векторе скорости ветра, и изменение размеров угловых секторов путем изменения фокусного расстояния оптической системы оптико-электронного модуля обеспечивает определение параметров проекции скорости ветра на разном удалении от определителя параметров ветра.