Измеритель высоты нижней границы облаков

Измеритель высоты нижней границы облаков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(72) Авторы изобретеиия

В.Е. Лысцев, В. В.фомишкин, А.К. Иванов

71 Заявитель

Научно-исследовательский институт гидро приборостроения Государственного комите и контролю природной ср (54) .ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАКОВ

Изобретение относится к метеоро логическому приборостроению и может быть использовано для измерения высоты нижней границы облаков (НГО) и последующего ввода данных о высо5 те НГО в различные регистрирующие устройства и автоматические метеостанции.

Известны триангуляционные измерители высоты НГО (1 ), в которых с помощью прожектора с источником модулированного излучения, фотоэлект.рического приемника и угломерного устройства определяется угол встречи прожекторного луча с облаком,1 а, соответственно, и высота НГО по формуле где Ь - расстояние между прожектором 2О 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 НГО (17.

Недостатком названных приборов является низкая точность измерения высоты НГО, Наиболее близким к предлагаемому является комплекс средств измерений высоты НГО М105 (2). Такой измеритель высоты НГО содержит разнесенные прожектор и приемное устройство, 943624 включающее в себя фоточувствительный элемент, линейный усилитель, no" роговый элемент с фиксированным значением порогового сигнала и формиро- ватель линейных информационных сиг" налов, с оптическими осями в одной вертикальной плоскости, последовательно соединенные генератор стабиль" ной частоты и синхронный электродвигатель, 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 представляющему результаты измере ний в виде записи на диаграммной ленте последовательного ряда штрихов, и цифровому индикатору, высвечивающему величину высоты НГО (Н д,) на табло в виде цифры. Известный преобразователь содержит блок коррекции, с помощью которого результат изме" рения Нь,„, представляемый на табло индикатора, соответствует соотношению где Н„ и Н - высота положения, соответственно, начала и концы штриха, и коэффициент деления делителя блока коррек ции.

Наличие такого блока коррекции пбзволяет существенно повысить точность измерения высоты НГО, однако это не охватывает всего круга метеоситуаций, соответствующих различной высоте и структуре НГО. Во многих случаях точность измерения остается недостаточно высокой, либо достигается 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, включающее фоточувствительный элемент, линейный усилитель, пороговое устройство и формирователь линейных информационных 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 последовательно соединенных коммутатора, амплитудного дискриминатора и формирователя пороговых сигналов, а второй - из

1ф коммутатора и компаратора, при этом одни входы коммутаторов подключены к выходу линейного усилителя, другие входы коммутаторов связаны с прожектором, компаратор входом подключен

15 к формирователю пороговых сигналов, а выходом — к формирователю линейных информационных сигналов, На чертеже приведена структурная схема предлагаемого измерителя.

2в 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 прожекто. ром, приемным устройством и генератором стабильной частоты. !1риемное устройство 2 состоит из последоваг, тельно соединенных фоточувствительного элемента б, линейного усилите35 ля 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, один из которых состоит из последовательно соединенных комму45 татора 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 сигна50 лов измерительного канала, выход которого соединен с другим входом компаратора 13, при этом одни входы коммутаторов 10 и 14 подключены к выходу линейного усилителя 7, другие входы коммутаторов 10 и 14 че" рез шифратор 15 хода прожектора соединены с прожектором 1, а выход компаратора 13 подключен к входу

9" 362 формирователя 9 линейных информационных сигналов.

Предлагаемый измеритель высоты

НГО работает следующим образом.

Измерительный цикл начинается S в момент времени, когда оптическая ось сканирующего устройства (в данном случае прожектора 1) совпадает .с горизонталью и от него по линии связи посылается сигнал "Пуск", ко- 10 торый поступает на вход преобразователя 5, В процессе последующего сканирования лучом точка пересечения оптических осей прожектора 1 и приемного устройства 2 перемещается 1S вертикально вверх. Поскольку четкой нижней границы облаков не существует, а есть слой с постепенным переходом от высокой прозрачности под облаком до полной потери вер- щ тикальной 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, кото рые усиливаются линейным усилителем

7 и поступают на вход узла 8 автоматического формирования порога в виде щ импульсов напряжения с огибающей

U(h) .

Эта функция возрастает с высотой

h в соответствии с возрастанием оптической плотности G (h) при переходе от подоблачной дымки к облаку, достигает максимума U „ на некоторой высоте Н и далее убывает из-за ослабления луча в плотной среде облака. Уровень с максимальным значением огибающей сигналов U д соответствует стабильной области в зоне

НГО, где заканчивается перестройка микроструктуры, т.е. высота Н является тем уровнем, который целесообразно принимать за Н„г .

При регистрации результатов измерения в моменты достижения сигналами определенного порогового значения сигнала U ôèêñèðóþòñÿ две высоты:

Н и Н, между которыми значения сигналов удовлетворяют неравенству

Б(11) у Ип. При отсчете Н,г по формуле (2) при определенном выборе порогового сигнала Uä и коэффициента п эта высота достаточно близка к Н, причем погрешность фотометрирования в довольно широких пределах (до 303 и выше) почти не

4 6 сказывается на результатах отсчета

HI„, поскольку при этом погрешности измерения Н и Н < 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

Ц, могут колебаться в значительных пределах. Поэтому для надежного обнаружения облаков во всем заданноь диапазоне высот и метеоусловий в приземном слое пороговое значение сигнала должно выбираться достаточно малым. С другой стороны, при малых значениях U„ измерение высот

Н„ и Н в отдельных случаях (особенно когда огибающая сигналов имеет относительно большое значение Ц,„), может производиться уже на слишком пологих участках огибающей U(?i), где характер асимметрии этой. функции относительно уровня Н о может также значительно колебаться, что приводит к большой погрешности определения

Н„го. 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 достоверность измерения Н„ о может быть обеспечена путем использования "пла" вающего" порогового сигнала Uä, ко" торый находится с максимумом U îãè. бащей в каждом измерительном цикле.

Сигналы, поступающие на вход узла 8 автоматического формирования порога, проходят на коммутатор 14 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 U>, сформированным в предыдущем цикле работы прибора (если это начало работы прибора, то прямой ход первого цикла является холостым)

В тот момент, когда достигается соотношение U{lx) + U„ ea выходе компаратора 13 начинают вырабатываться сигналы, запускающие формирователь

9 линейных информационных сигналов, в котором формируются сигналы "Стоп" и посылаются по линии связи на другой вход преобразователя 5. При

7 943624 этом синхронная рабата прожектора 1 и преобразователя 5 достигается за счет применения генератора 3 стабильной частоты, импульсы с выхода которого используются для формирования счетных импульсов по высоте и преобразователе 5 и для питания синхронного электродвигателя 4 привода сканирующего устройства прожектора

1, а синфазная работа прожектора 1 10 и преобразователя 5 достигается за счет посылки в начале иэмерительного цикла фазирующего импульса от прожектора 1. Сигналы "Пуск" и "Стоп" пришедшие по линии связи от прожек- 15 тора 1 и приемного устройства 2, воздействуют на преобразователь 5, Сигнал "Пуск" разрешает прохождение импульсов от генератора 3 стабильной частоты в преобразователЬ 5, ко- 0 торые формируются в счетные импульсы, следующие из"за нелинейно" зависимости (1) с переменной частотой, растущей с увеличением угла в число-импульсном коде, что обеспе- 25 чивает линейную связь числа импульсов с высотой

Н =k-N 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 зондирующих импульсов. Появление действительного сигнала "Стоп" соответствует высоте Н . С этого момента вступает в

40 работу блок коррекции преобразователя 5, под воздействием которого происходит преобразование (уменьшение) частоты следования счетных импульсов в и раз. При достижении высоты Н, на

1S начиная с которой U(h) с U,,прекращается формирование стоповых сигналов и, соответственно, следование счетных импульсов на выход преобразователя 5. Таким образом, к числу

«н, 50 счетных импульсов N = -, пришедших на выход преобразователя 5 к моменту появления действительного сигна-ла "Стоп", добавляется 1/2 часть н - и„ счетных импульсов hN = " ко2 торые следуют на выход преобразователя и далее на регистрирующее уст" ройство, отображающее результат измерения высоты НГО

Н =kN +Щ=.Н + . (4) н -и, Иго

В конце первой половины измерительного цикла, когда угол места оптической оси прожектора 1 приближается к 90, через шифратор 15 хода прожектора на второй вход коммутатора 14 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 угла места оптической оси от

90 до 0 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

Ц(Ь), вырабатывается сигнал, сооТ ветствующий максимальному в данном цикле измерения значению этой функции Б„„с „ (точнее - значенио наибольшего импульса напряжения), Р который поступает на вход формирователя 12 пороговых сигналов, где для следующего цикла измерения формируется пороговый сигнал Бп 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, 9 формула изобретения

Я 43624 10 подключены к выходу линейного усилителя, вторые " связаны с прожектором, а компаратор входом подключен к фор" мирователю пороговых сигналов, а выходом - к формирователю линейных сигналов.

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, о т л и ч à ю шийся 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

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

14

1. Божевиков И.С., ВестопаловЛ.AC

Прожекторные тригонометрические измврители высоты нижней границы облаков (ВНГО). Обзор. "Информационные мате1 риалы по гидрометйриборам и методам наблюдений", Сб. 32, 1967, Гидроме-" теоиздат, с. 12-21.

2. Комплекс средств измерений ,ВНГО И105. Техническое описание.

Госкомитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды.

АЖН2.787.006 ТО.1978.

ВНИИПИ Заказ 5100/51 Тираж 717 Подписное е

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4