Измеритель высоты нижней границы облаков Советский патент 1983 года по МПК G01W1/00 

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ высоты НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАКОВ 1 - -Изобретение относится к метеорологическому приборостроению и может быть использовано для измерения высоть нижней границы облаков, в частности, в аэропортах при теообеспечении посадки воздушных судов. Известен измеритель высоты нижней граяИ цы облаков, содержащий разнесенные прожектор и фотоприемиик с оптическими осяыа а одной вертикальной плоскости, синхронный электродвигатель, схему запрета н преобразую щее устройство, содержащее последовательно соеданенные старт-стопньй формирователь счетных импульсов, делители частоты, коммутаторы интервалов и частот, и имеюи(ий выход и три входа, два из которых присоедииены к прожектору и фотоприемннку, а третий - к линии питания синхронного электродвигателя 1. Наиболее близким к изоб{ тенню по техикческой сущности является измеритель высоты ниж ней границы облаков, содержашгзй разнесенные прожектор н фотоприемник с оптическими ОСЯМ1 в одной . вертикальной пяоскрстя, последовательно соединенные генератор стабильНОЙ частоты и синхронный эпект{х двйгатепь, выход которого подключен к прожектеру, Ji преобразующий блок, состоявши яз ncxatenoвательно соединенных блока о ботки измерительной информация, к двум входам которого подключены щюжектор я фОтоприекооос, старт-стопного формирователя счетных ямцуэвьсов, другой вход которого соединен с rdw ратором .стабильиой частоты, деятеля частоты, коммутатора интервалов, коммутатодря частот, второй вход которого ооеданея с вторым выходом делителя Ч8сгс ты, блока ф фмировання выходных сигналов, два других входа которого соединены с пфвым н ato рым выходами, блока обработки язме мпеяь . нсж информации, а также, блока KoppcKUHRi состоящего из последовательно соединенных селектора паузы, блока памяти, блока совпадения и управляемого делителя частоты, выход которого подключен к BropiMiiy входу блока совпадения, а два- входа соединены с выходом коммутатора частот я вторым выходом коммутатора янтервалов, при этом вход селектора паузы соединен с третьим выходом блока обработки измерительной информации, второй выход которого подклю чен к второму входу блока памяти, выход блока совпадения подключен к четвертому входу блока формирования выходных сигналов, а третий выход коммутатора интервалов соединен с третьим входом старт-стопного формирователя счетных импульсов 2. Однако в сложных метеоусловиях, когда имеются отслоения от нижней части облака, интенсивные осадки и другие виды подоблач ных замутнений, возможно .наличие ряда областей по высоте, где отраженные сигналы п вышают пороговое значение, что приводит к неоднозначному истолкованию результатов измерения (в зависимости от потребителя информации о высоте нижней гранищ 1 облаков), неточному или недостоверному отсче ту значения Ннго. Это затрудняет использование подобных измерителей в проблеме метеообеспечения авиации как основного потребителя информации о высоте облаков особенно в сложных метеоусловиях. Цель изобретения - повьпиение точности измерения высоты путем коррекции сигнала с учетом нестабильности элементов, образующих границу облаков, нижней границы облаков. Для достижения цели измеритель высоты нижней границы облаков, содержащий разнесенные гфожектор и фотоприемник с оптическими осями в одной вертикальной плоскости, последовательно соединенные генератор стабильной частоты и синхронный электродвигатель, выхЪд которого подключен к прожектору, и преобразующий блок, состоящий из последовательно соединенных блока обработки измерительной информации, к двум входам которого подключены прожектор и фотоприеминик, старт- стопного формирователя счетных импульсов, другой вход которого соединен с генератором стабильной частоты, делителя частоты, коммутатора интерва лов, комматутора частот, второй вход которого , соединен с вторым выходом делителя частоты, блока формирования выходных сигналов, два др гих входа которого соединены с первым и вторым выходами блока обработки измерительной информации, а также блока коррек Щ1И, состоящего из последовательно . соединен ных селектора паузы, блока памяти, блока совпадения и управляемого делителя частоты выход которого подключен к второму входу блока совпадения, а два входа соединены с выходом коммутатора частот и вторым выходом коммутатора интервалов, при этом вход селектора паузы соединен с третьим выходом блока обработки измерительной ин формации, второй выход которого подклюен к второму входу блока памяти, выход блока совпадения подключен, к четвертому входу блока формирования выходных сигналов, третий выход коммутатора интервалов соеинен с третьим входом старт-стопного формирователя счетных импульсов, в преобразующий блок введен счетный узел, состоящий з двух коммутаторов входных импульсов, первые входы которых соединены с третьим выходом коммутатора интервалов, вторые с выходом коммутатора частот, третьи - с вторым выходом старт-стопного формирователя счетных импульсов и четвертые - с выходом блока памяти, сумматора разрядов и счетчика разрывов, первые входы которых соединены с третьим выходом коммутатора интервалов, вторые - с первым выходом блока обработки измерительной информации, третьи - с выходами- соответственно первого и второго коммутаторов входных импульсов, и коммутатора выходных импульсов, первый вход которого соединен с выходом сумматора разрывов, второй - с выходом счетчика разрывов, третий - с вторым выходом старт-стопного формирователя счетных импульсов, при этом пятые входы первого и второго коммутаторов входных импульсов соединены с выходами соответственно сумматора разрывов и счетчика разрывов, а выход коммутатора выходных импульсов - . с пятым входом блока формирования выходных сигналов. На чертеже приведена структурная схема предлагаемого измерителя. Измеритель содержит прожектор 1, фотоприемник 2, генератор 3 стабильной частоты, синхронный электродвигатель 4, преобразующий блок 5, состоящий из блока 6 обработки измерительной информации, старт-стопного формирователя 7 счетных импульсов, делителя 8 частоты, коммутатора 9 интервалов, коммутатора 10 частот, блока 11 формирования выходных сигналов, блока 12 коррекции, включающего в себя селектор 13 паузы, блок 14 памяти, блок 15 совпадения, и управляемый делитель 16 частоты и счетного узла 17, включающего в себя коммутаторы 18 и 19 входных импульсов, сумматор 20 .разрывов, счетчик 21 разрывов и коммутатор 22 выходных импульсов. Измеритель высоты нижней границы облаков работает следующим образом. Измерительный иикл начинается в момент времени, когда оптическая ось сканирующего устройства (прожектор 1 с модулированным источником излучен)О) совпадает с горизонталью и от него по линии связи посылается сигнал Пуск, который поступает в преобразующий блок 5 на вход блока 6 цессе последующего сканирования лучом точка пересечения оптических осей прожектора 1и фотоприемника 2 перемешается вертикально вверх. При зтом в фотоприемник 2поступают изменяющиеся с высотой h рассеянные средой импульсные,- световые сигналы, которые в нем преобразуются в злект рические сигналы и усиливаются, принимая вид электрических импульсов с огибающей и (1) . Вид и I h) может быть самым различным в зависимости от вертикального распределения оптической плотности (} В случае выраженного облачного слоя име ется зона с постепенным переходом от высокой прозрачности под облаком до полной потери видимости в облаке. При этом U(4i) «- возрастает с высотой в соответствии с возрастанием (5(4) при переходе от подоблачной дымки к облаку, достигает максимума тах некоторой высоте Но и далее убывает из-за ослабления луча в плотной .среде облака. Как следует из натурных иссл дований в облаках с малыми значениями Ннго ( loop Ом), представляющих наибольший интерес дпя авиации и относящихся преимущественно к слоистым формам, уровень Не с максимальным значением огибающей Ujnax соответствует области в переходнЫ зоне, где характеристики микрострук туры становятся стабильными, локальная видимость составляет ,30Q м, а предел видимости в наклониом направлении соответствует углу наблюдения 10°-15, что близко к углу наблюдения наземных объектов пилотом при посадке самолетов. Оптическая толщина слоя высотой Но при этом составляет ,5. Это означает, что в таком случае HO совпадает с физической высотой Нф нижней границы облачного слоя и авиационной высотой нижней границы облаков, т.е. высотой обнаружения наземных объектов в наклонном направлении - высотой ко такта HK . В сложных метеоусловиях, когда имеются значительные замутнения в подоблачном слое в виде отслоений, клочьев, интенсивных осад ков, тумана и т.п., 6(4i)He монотонна и испытьгаает значительные колебания. В соот ветствии с этим и(Ъ}также колеблется и может быть несколько максимумов Umax i ( 1, 2, ..., m). Последовательность и вид колебаний U(h) вблизи i характеризует мощность и оптическую плотность зон подоблачных замзгтнений и лишь, область последнего максимума Umax m относится к переходной зоне в нижней части облака. Такое поведение функции U(h) обуславливает появленнё нескольких регистрируемых интерчение Нф соответствует уровню Нр, а значение HK может быть значительно меньше, поскольку оптическая толщина слоя высотой Н( может быть значительно больше TO . Очевидно, что при , определении HK необходимо учитывать все регистрируемые интервалы высот. Как было установлено натурными зкспериментами, в случаях, соответствующих сложным метеоусловиям, HK может быть определена путем сложении всех регистрируемых интервалов высот к верхнему интервалу и нахождения высоты У| ювня внутри этого суммарного интервала, отвечающего пршШтому коэффициенту корре깫 в - соответствии с соотношением H ElHJ.ElHr.c.) |г:1 1 где HK - высота контакта; ну - интервал высоты с 0(ti)Uoi предшествующий i-тому слою за- мутнения; Hj - интервал высоты с Oib),, соответствующий -том спою замутнения; п - коэффнцнент деления делителя блока коррекшш (коэффициент коррекции). Величинь Ufi и п зависят sit технических характеристик конкретных устройств я уточняются в процессе раз{я€отки натуряыми зкспериментами. Соответственно, при превышений величинами импульсов U(h) порогового уровня Un на выходе фотоприемника 2 формируются сигналы Стоп, которые посылаются по линии связи на другой вход блока 6 обработки измерительной информации. В зтом блоке формируется действительный сигнал Стоп, если в течение заданного промежутка времени задержки tT в нем накшшивается определенное число стоповых сигналов. На выходах блока 6 обработки измерительной информации вырабатывают соответственно сигналы Пуск, Стоп и Действительный стоп Пусковой сигнал разрешает прохождение импульсов от генератора 3 стабильной частоты на вход старт-стопного формирователя 7 счетных импульсов, с первого (коммутируемого) выхода которого счетные импульсы с частотой fo поступают на вход делителя 8 частоты. Ввиду нелинейной зависимости высоты от угла поворота сканирующего устройства про; жектора 1 частота счетных импульсов в процессе их прохождения через делитель 8 часготы, коммутатор 9 интервалов и коммутатор 10 частот преобразуется в переменную частоту f, которая растет с увеличением угла поворота сканирующего устройства от 1 до fo( о)- Изменение этой частоты происходит дискретно, причем меняется как частота следования импульсов or одного временного интервала к другому, так и длительность самих интервалов. С выхода коммутатора 10 частот счетные импульсы в Щ1сло-импульсяом коде поступают на вход блока II формирования выходных сигналов. В момент сформирования действительного сигнала Стоп прекращается прохождение сче Ных импульсов с выхода коммутатора 10 частот. С этого jyioMeHTa счетные импульсы начинают проходать на вход блока 11 формирования выходных сигналов с выхода блока 12 коррекции. При этом действительный сигнал Стоп воздействует на блок 14 памяти, выходной сигнал которого управляет блоком 15 совпадения так, что с приходом действительного сигнала Стоп счетные импульсы проходят на блок И формироваНИЛ выходных сигналов с выхода блока 15 совпадения через управляемый делитель 16 частоты, который преобразует частоту следования счетных импульсов на входу (f) и выходе {f) блока 12 корекции в соотношении--ff,(21 где п - коэффициент коррекции. В общем случае коэффициент изменяется с высотой. Для этого от коммутатора 9 интервалов на управляемый делитель 16 частоты поступают управляющие импульсы. Сиг налы Стоп, сформированные на выходе бл ка б обработки измерительной информащш, попадают на селектор 13 паузы и переводят его в состояние возбуждения длительностью tn устойчивое состояние селектор 13 паузы возвращается, если очередной стоповый сигнал появляется на его входе спус тя время € (7- При этом необходимо, чтобы Tj-p - fj , поскольку процесс преобразования, выполняемый преобразующим блоком 5, сдвинут относительно начала измерительного цикла на время t . Этот сдвиг осуществляется блоком 6 обработки, измерительной информации. При завершении прохождения первой группы стоповых сигна лов селектор 13 паузы возвращается в исг ходное состояние, на его выходе формируется импульс, который переводит блок 14 памяти э исходное положение. Импульс, формируемый в этот момент на выходе блока 14 памяти, воздействует на блок 15 совпадение,в результате чего прекращается прохождение счетных импульсов с выхода блока 12 коррекции на блок 11 форми{Ювания выходных сигналов. Соответственно, к числу счетных импульсов N , прощедших на выход преобразующего блока 5 до появления действительного сигнала Стоп, добавляется некоторое число счетных импульсов ,4- N , прощедщее на выход этого блока через блок 12 коррекции, за время от момента появления действительного сигнала Стоп цр исчезновения стоповых сигналов N; -b-i- IMJ. С этого момента вступает в работу (счетный) узел 17. Управляющий импульс с выхода блока 14 памяти разрешает прохождение счетных импульсов с частотой f с коммутатора 10 частот через коммутаторы 18 и 19 входных импульсов на сумматор 20 и счетчик 21 разрывов, которые идут до появления следующей группы стоповых сигналов. Первый действительный сигнал Стоп из зтрй группы сигаалов, формирующийся на выходе блока 6 обработки измерительной информации, воздействует на блок 14 памя-: ти, управляющий импульс с выхода которого разрешает прохождение счетных импульсов с частот -if с блока 15 совпадения на вход блока 11 формирования выходных сигналов и запрещает прохождение счетных импульсов на сумматор 20 и счетчик 21 разрывов через коммутаторы 18 и 19 входных импульсов. Одновременно управляющий импульс с блока 14 памяти осуществляет сброс информации о величине разрыва между предьщущей и последующей группами стоповых сигналов в счетчике 21 разрывов. В сумьАягоре 20 разрьгаов эта информация сохраняется. В момент прохождения- последнего сигнала из расматриваемой группы стоповых сигналов на выходе селектора 13 паузы формируется управляющий импульс, который возвращает блок 14 памяти в исходное состояние. При этом управляющий импульс с выхода блока 14 памяти вновь разрещает прохождение счетных импульсов с частотой f с коммутатора 10 частот через коммутаторы 18 и 19 входных импульсов на сумматор 20 и счетчик 21 разрьшов. Работа преобразующего блока 5с приходом следующих групп стоповых сигналов протекает аналогично. Если после прохождения очередной группы стоповых сигналов на вход преобразующего блока 5 стоповые сигналы больше не приходят, счетные импульсы следуют на вход сумматора 20 и счетчика 21 разрывов до конца измерительного цикла. В момент окончания измерительного цикла на выходе коммутатора 9 интервалов формируется импульс Конец цикла измерения, который запрещает прохождение счетных НМпульсов с частотой f через коммутаторы 18 и 19 входных импульсов на сумматор 20 н счетчик 21 разрывов, производит преоб зовйние прямого кода в сумматоре 20 и счетчике 21 разрывов в инверсш 1Й и разрчешает прохождение серии счетиых импульсов частотой fp с. второго (иекоммутируемогр) выхода старт-стопиого формирователя 7 ететных ка1уль сов через Коммутаторы 18 и 19 входных сигналЬв на 20 и счетwk 21 разры в. Импульс, обрлзуюащтя па выходе счетчика 21 разрьпвов в момент его заполтикя, зап{рещает прохождение счетных импульсов с частотой fp на выход комлд штора 19 Входных шшульсов и разрешает прохождение счетных импульсов с частотой fo через коммутатор 22 вьЬсодных импуль сов на вход блока 11 формирования вш;од ных сигналов. Счетные импульсы прохоХ ят на выход коммутатора 22 выходных импуль1сов до заполнения сумматора 20 разрыBOU. В момент заполнения сумматора 20 ртзрьшов на его выходе формируется импульс, запрбщаюищй прохождение счетных импульсов на вьисод коммутатора 18 входных импульсов и на выход коммутатора 22 выходных импульсов. Таким образом, до конца щосла измерения на вход, блока П ч рмирования выход ных сигналов проходит N счетных импульсов с частотой f До появления действительг ного сигнала Стоц и серий счетных им. Ч Г Р пульсов -г . где, m - число , с частоте из которых соответствует определенной i-той группе стоповых сигналов. По команде Конец цикла измерения на вход блока II формирования выходных, сигналов проходит серия с ных импульсов, соответствующая величине сумкюрного разрыва между группами стоповых снгналов за весь цикл измерет1я, всего fftг „ Общее число прошедаоих счётаых импульсов N за цикл измерзшя составит N:IlN + IlNf , , П j-x, К - шаг квантования по высоте, соответствующий одному счетному ямпуЛьсу. Случай с m 1 соответствует наличию выраженного облачного слоя, а m О - отсутствию облаков с Нцго Нпред (Нпредмаксимальная высота, регис1фируемая облакомером) . Предлагаемый измеритель высоты нижней границы облаков позволяет повысить точность измерения авиационной высоты нижней границы облаков (высоты контакта HK), что повышает безопасность полетов и снижает коммерческие расходы на перквлетн воздушных судов благодаря уме}в шен1{ю количества неразрешенных. посадок по А1етеоусловиям., Формула изобретения Измеритель высоты нижней облаков, содержащий разнесённые 1фожектор н фотоприешик с onтичecки 0l оо№Йи в одной вертикальной плоскости, последовательно соединенные генератор стабильной частоты и синхронный злектродаигатель, выход которого подключен к прожектору, и преобразуннций блок, состоящий из последов1ательно соединенных блока обработки измерительной инфоршат, к двум входам которого подк лючены прожектор и фотоприемяик, старт-сто1П)Юго формирователя импульёов, другой вхОд которого соединен с генератором стабильной асшты, делителя частоты, коммутатора интервалов, коммутатора частот; второй вход которого соединен с вторым выходом делителя частоты, блока формирования выходных сигналов, два другах входа которого соедннень с первым и вторым выходами блока обработки измерительной информации, а также блока коррекции, состоящего из последовательно соеданенных селектора паузы, блока памяти, блока совпадения и управляемого, делителя частоть, выход которого подключен к второму вхо; блока; совпадения, а два входа соедаиены с выходом ко1ммутатора частот ис вторым выходом коммутатора интерваяю, дри этом вход селекторт паузы соединен с третьим выходом блока обработки йзмеритеюной информации, второй выход которого подключен к второму входу: блока памяти, выход совпадения: подключен к четвертому входу блока формирования выходных (ЯгваЛов, а третий вы- , ход коьомутатора интервалов соединен с третьим входом старт-стопного формирователя счетвых импульсов, отличающийся тем, чю, с целью повышения точности измерения путем коррекции сигнала с учетом нестабильности злементов, образующих границу облаков, в преобразующий блек введен сытный узел, состоящий из

двух коммутаторов входных импульсов, первые входы которых соединены с третьим выходом коммутатора интервалов, вторые с выходом коммутатора частот, третьи с вторым выходом старт-стопного формирователя счетньЬс импульсов и четвертые - с выходом блока памяти, сумматора разрывов н счетчика разрывов, первые входы которых соединены с третьим выходом коммутатора интервалов, вторые - с первым выходом блока обработки измерительной информации, третьи - с выходами соответственно первого и второго коммутаторов входных импульсов, и коммутатора аыходаых им1 льсов первый вход которого соединен с выходом Огмматора разрывов, второй - с выходом

счетчика разрьшов, третий - с вторым выходом старт-стопного формирователя счетных импульсов, при этом пятые входы первого и второго коммутаторов входных импульсов соединены с выходами соответственно сумматора разрывов и счетчика разрьшов, а выход коммутатора выходных импульсов - с пятым входом блока формирования выходньк сигналов. .

Источники информации, принятые; во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР N 443252 кл. G 01 W 1/00, 15.09.74.

2.Авторское свидетельство СССР JP 598390, кл. G 01 С 3/06, 15.07.79 (npOTOTHriJ.