Измеритель высоты нижней границы облаков Советский патент 1982 года по МПК G01W1/00 

(5) ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАКОВ

1

Изобретение относится к метеоро логическому приборостроению и может быть использовано для измерения высоты нижней границы облаков (НГО) и последующего ввода данных о высоте ИГО в различные регистрирующие устройства и автоматические метеостанции.

Известны триангуляционные измерители высоты НГО 1 , в которых с д помощью прожектора с источником модулированного излучения, фотоэлектрического приемника и угломерного устройства определяется угол Р встречи прожекторного луча с облаком,15 а, соответственно, и высота НГО по формуле

И Ltgf , (1)

где L - расстояние между про хектором 20

и приемником.

При этом световой сигнал, поступающий от облака в приемник прибора, воспринимается фоточувствительным

элементом, усиливается усилителем и в момент встречи луча с облаком приводит в действие выходное настроение на определенное пороговое значение принимаемого сигнала реле усилителя, которое по линии связи направляет в регистрирующее устройство свой сигнал, в соответствии с которым осуществляется запись на диаграммной ленте самописца в виде последовательного ряда штрихов. При этом принимается, что огибающая записи штрихов снизу характеризует высоту облаков, а длина штрихов позволяет судить о плотности облаков вблизи ИГО tl.

Недостатком названных приборов является низкая точность измерения высоты НГО,

Наиболее близким к предлагаемому является комплекс средств измерений высоты НГО М105 E2j. Такой измеритель высоты НГО содержит разнесенные прожектор и приемное устройство. включакхцее в себя фоточувствительный элемент, линейный усилитель, по роговый элемент с фиксированным зна чением порогового сигнала и формиро ватель линейных информационных сигналов, с оптическими осями в одной вертикальной плоскости, последовательно соединенные генератор стабил ной частоты и синхронный электродви гатель, выход которого подключен к прожектору, и преобразователь, входы которого соединены с прожектором, приемным устройством и генератором стабильной частоты. Выход преобразователя подключен к регистрирующей аппаратуре: самописцу, имеющему линейную шкалу по высоте и пред ста вляю|дему результаты измере НИИ в виде записи на диаграммной ле те последовательного ряда штрихов, и цифровому индикатору, высвечивающему величину высоты НГО (Ну,) на табло в виде цифры. Известный преоб разователь содержит блок коррекции, с помощью которого результат измерения Hj,ro представляемый на табло индикатора, соответствует соотношениюНа.- Н мго- ч п где Н. и Н, - высота положения, соответственно, начала и концы штриха, п - коэффициент деления делителя блока коррек ции. Наличие такого блока коррекции позволяет существенно повысить точность измерения высоты НГО, однако это не охватывает всего круга метео ситуаций, соответствующих различной высоте и структуре ИГО. Во многих случаях точность измерения остается недостаточно высокой, либодостигается за счет появления вероятности пропусков регистрации наличия облаков, т.е. в ущерб достоверности измерений. Цель изобретения - повышение точности измерения высоты НГО. Для этого в измерителе высоты НГО, содержащем разнесенные прожектор и приемное устройство, включающ фоточувствительный элемент, линейный усилитель, пороговое устройство и формирователь линейных информацио ных сигналов, а также преобразователь, входы которого соединены с Прожектором, формирователем линейных сигналов приемного устройства и генератором стабильной частоты, пороговое устройство выполнено в виде двух передающих каналов, один из которых состоит из после/1овательно соединенных коммутатора, амплитудндго дискриминатора и формирователя пороговых сигналов, а второй - из коммутатора и компаратора, при этом одни входы коммутаторов подключены к выходу линейного усилителя, другие входы коммутаторов связаны с прожектором, компаратор входом подключен к формирователю пороговых сигналов, а выходом - к формирователю линейных информационных сигналов. На чертеже приведена структурная схема предлагаемого измерителя. Измеритель содержит разнесенные ,прожектор 1 с источником модулированного,импульсного оптического излучения и приемное устройство 2 с оптическими осями в одной вертикальной плоскости, последовательно соединенные генератор 3 стабильной частоты и синхронный электродвигатель 4, выход которого подключен к прожектору 1, и преобразователь 5, входы которого соединены с прожектором, приемным устройством и генератором стабильной частоты. Приемное устройство 2 состоит из последовательно соединенных фоточувствительного элемента 6, линейного усилителя 7, узла 8 автоматического формирования величины порога и формирователя 9 линейных информационных сигналов, выход которого соединен с входом преобразователя 5. Узел 8 автоматического формирования величины порога имеет два передающих канала, одич из которых состоит из последовательно соединенных коммутатора 10 сигналов канала формирования порога, амплитудного дискриминатора 11 и формирователя 12 пороговых сигналов, выход которого соединен с одним входом компаратора 13, а второй - из коммутатора 14 сигналов измерительного канала, выход которого соединен с другим входом компаратора 13, при этом одни входы коммутаторов 10 и k подключены к выходу линейного усилителя J, другие входы коммутаторов 10 и Ц через шифратор 15 хода прожектора соединены с прожектором 1, а выход компаратора 13 подключен к входу формирователя 9 линейных информационных сигналов. Предлагаемый измеритель высоты НГО работает следующим образом. Измерительный цикл начинается в момент времени, когда оптическая ось сканирующего устройства (в данном случае прожектора 1) совпадает к. горизонталью и от него по линии связи посылается сигнал Пуск, который поступает на вход преобразова теля 5. В процессе последующего сканирования лучом точка пересечени оптических осей прожектора 1 и приемного устройства 2 перемещается вертикально вверх. Поскольку четкой нижней границы облаков не существует, а есть слой с постепенным переходом от высокой прозрачности под облаком до полной потери вертикальной видимости в облаке, в приемное устройство 2 поступают изменяющиеся с высотой h рассеянные средой импульсные световые сигналы. Эти сигналы воспринимаются фоточувствительным элементом 6, преобразуются в электрические сигналы, кот6 рые усиливаются линейным усилителем 7 и поступают на вход узла 8 автома тического формирования порога в вид импульсов напряжения с огибающей Эта функция возрастает с высотой h в соответствии с возрастанием опт ческой плотности Q (h) при переходе от подоблачной дымки к облаку, достигает максимума n на некоторой - VMOIX высоте HQ и далее убывает из-за ослабления луча в плотной среде облака. Уровень с максимальным значением огибающей сигналов U,, соотве ствует стабильной области в зоне НГО, где заканчивается перестройка микроструктуры, т.е. высота Н явля ется тем уровнем, который целесообразно принимать за Н оПри регистрации результатов изме рения в моменты достижения сигналам определенного порогового значения сигнала U фиксируются две высоты: Н. И , между которыми значения сигналов удовлетворяют неравенству U(li} 7 п Р отсчете формуле (2) при определенном выборе порогового сигнала Up и коэффициента п эта высота достаточно близка к Н , причем погрешность фотометрирования в довольно широких пределах (до 30% и выше) почти не 46 сказывается на результатах отсчета Н, поскольку при этом погрешности измерения Н и Н j имеют противополож ный знак и взаимно компенсируют друг друга. Однако в зависимости от высоты облаков, структуры в зоне НГО, наличия замутнений в подоблачном слое абсолютные значения огибающей U(h) и ее максимального значения Uhicr могут колебаться в значительных пределах. Поэтому для надежного обнаружения облаков во всем заданноА диапазоне БЫСОТ и метеоусловий в приземном слое пороговое значение сигнала должно выбираться достаточно малым. С другой стороны, при малых значениях Up измерение высот Н и Н2 в отдельных случаях (особенно когда огибающая сигналов имеет относительно боль.шое значение , может производиться уже на слишком пологих участках огибающей U(h), где характер асимметрии э.той-функции относительно уровня Н р может также значительно колебаться, что приводит к большой погрешности определения HHTO- Увеличение значения U в таких случаях повышает точность измерения, но появляется вероятность ложных пропусков (регистрации высоты НГО) при наличии облаков в других случаях, т.е. уменьшается достоверность из- мерений. Высокая точность и достоможет быть верность измерения Н,, обеспечена путем использования веющего порогового сигнала Ц п Упацоги торый находится с максимумом бащей в каждом измерительном цикле. Сигналы, поступающие на вход узла 8 автоматического формирования порога, проходят на коммутатор lA сигналов измерительного канала, по скольку именно этот канал открыт на прямом ходу прожектора 1 через шифратор 15 хода прожектора. Далее сигналы поступают в компаратор 13, где они сравниваются с пороговым сигналом Un, сформированным в предыдущем цикле работы прибора (если .это начало работы прибора, то прямой ход первого цикла являемся холостым) 8тот момент, когда достигается соотношение U(i) U на выходе компаратора 13 нач инают вырабатываться сигналы, запускающие формирователь 9линейных информационных сигналов, в котором формируются сигналы Стоп и посылаются по линии связи на другой вход преобразователя 5. При 7 э этом синхронная работа прожектора 1 и преобразователя 5 достигается за счет применения генератора 3 стабил ной частоты, импульсы с выхода которого используются для формировани счетных импульсов по высоте и преобразователе 5 и для питания синхронного электродвигателя Ц привода сканирующего устройства прожектора 1, а синфазная работа прожектора 1 и преобразователя 5 достигается за счет посылки в начале измерительного цикла фазирующего импульса от прожектора 1. Сигналы Пуск и Сто пришедшие по линии связи от прожектора 1 и приемного устройства 2, воздействуют на преобразователь 5. Сигнал Пуск разрешает прохождение импульсов от генератора 3 стабильной частоты в преобразователь 5 ко торые формируются в счетные импульсы, следующие из-за нелинейной зави симости (1) с переменной частотой, растущей с увеличением угла у , в число-импульсном коде, что обеспе чивает линейную связь числа импульсов с высотой Н kN где k - шаг квантования. В преобразователе формируется действительный сигнал Стоп, если в течение заданного промежутка времени задержки в нем накапливается определенное число стоповых сигналов, следующих с временным интервалом, равным периоду зондирукмцих импульсов. Появление действительного Сигнала Стоп соответствует высоте Н . С этого момента вступает в работу блок коррекции преобразовате ля 5 под воздействием которого про исходит преобразование (уменьшение) частоты следования счетных импульсо в п раз. При достижении высоты Hj начиная с которой U(h) U, прекра щается формирование стоповых сигналов и, соответственно, следование счетных импульсов на выход преобраз вателя 5. Таким образом, к числу счетных импульсов N -г--, пришедши на выход преобразователя 5 к моменту появления действительного сигнала Стоп, добавляется 1/2 часть счетных импульсов AN -v... , которые следуют на выход преобразователя и далее на регистрирующее устройство, отображающее результат измерения высоты НГО йго MV- k&N Н, -нД (4) 6 конце первой половины измерительного цикла, когда угол места оптической оси прожектора 1 приближается к 90, через шифратор 15 хода прожектора на второй вход коммутатора 1 сигналов измерительного канала подается сигнал, запирающий этот канал, а на второй вход коммутатора 10 сигналов,канала формирования порога - сигнал, открывающий канал формирования порога и осуществляющий по цепи элементов этого канала сброс порогового сигнала, сформированного в предыдущем цикле измерения. Вследствие этого на обрат ном ходу луча прожектора 1 при изменении места оптической оси от 90 до о с выхода усилителя 7 сигналы поступают на вход коммутатора 10 сигналов канала формирования порога и проходят через него на вход амплитудного дискриминатора 11. В нем производится анализ огибающей U(h), вырабатывается сигнал, соответствующий максимальному в данном цикле измерения значению этой функции , (точнее - значению наибольшего импульса напряжения), который поступает на вход формирователя 12 пороговых сигналов, где для следующего цикла измерения формируется пороговый сигнал U и поступает на вход компаратора 13. Этот процесс заканчивается к моменту достижения оптической осью прожектора 1 горизонтального положения, с которого начинается новый измерительный цикл. Реализация изобретения позволяет повысить точность и достоверность измерения высоты НГО, что непосредственно связано с обеспечением безопасности полетов воздушных судов. Кроме того, такой метод измерения названного параметра снижает требования к стабильности приемопередающего тракта прибора (состоянию оптических поверхностей, частоте и точности градуировки фотометрической цепи, увеличению срока использования излучателя и т.п.), что упрощает использование и обслуживание приборов в местах эксплуатации и может дать определенный экономичес- , кий эффект. Формула изобретения Измеритель высоты нижней границы облаков, содержащий разнесенные про жектор и приемный блок с последовательно включенными фоточувствительным элементом, линейным усилителем, пороговым устройством и формирователем линейных сигналов, а также преобразователь, входы которого соединены с прожектором, формирователем линейных сигналов приемного устройства и генератором стабильной частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в нем пороговое устройство выполнено в виде двух каналов, один из которых содержит коммутатор, амплитудный дискриминатор и формирователь пороговых сигналов, а второй - коммутатор и компаратор, при этом первые входы коммутаторов 5 4 подключены к выходу линейного усилителя, вторые - связаны с прожектором, а компаратор входом подключен к формирователю пороговых сигналов, а выходом - к.формирователю линейных сигналов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Божевиков И.С., ШестопаловЛ.Ау Прожекторные тригонометрические измерители высоты нижней границы облаков ВНГО). Обзор. Ин формациониые материалы по гидрометприборам и методам наблюдений. Сб. 32, 19б7, Гидроме-теоиздат, с. 12-21. 2.Комплекс средств измерений ВНГО М105. Техническое описание. Госкомитет СССР по гидрометеороло1гии и контролю природной среды. АЖН2.787.006 ТО.1978.