Устройство для определения температурных контрастов между гидрометеорами и окружающим их воздухом

 

Устройство относится к области метеорологии и может быть использовано при изучении облаков. Сущность изобретения: устройство содержит оптическую головку при температуре окружающей среды, включающую подвижное зеркало с механизмом поворота, и последовательно оптически связанные объектив, основной модулятор и приемник лучистой энергии, а также черное тело при температуре окружающей среды. Дополнительный модулятор, частота вращения которого меньше частоты вращения основного модулятора не менее чем в 10 paз, включает два оптических фильтра, попеременно перекрывающих поток излучения, поступающий на приемник лучистой энергии в окне прозрачности атмосферы 8-12 мкм и на линии поглощения углекислого газа 4,255 мкм. Изобретение направлено на повышение точности измерений. 1 ил.

Предполагаемое изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано при изучении облаков.

Известно устройство измерения разницы между температурой облака и температурой окружающего воздуха, основанное на измерении температуры с помощью инфракрасного радиометра, работающего в полосе поглощения водяного пара с центром 6,3 мкм /1/. Устройство представляет собой оптико-электронный прибор и включает оптическую часть - входной объектив, фильтр, модулятор, приемник излучения и электрическую часть - усилители, фильтры, синхронный детектор. Излучение атмосферы фильтруется и радиометр измеряет интенсивность излучения в полосе поглощения водяного пара, которое зависит от температуры смеси гидрометеоров и водяного пара в облаке.

Данное устройство не позволяет получать информацию о различии температуры гидрометеоров от температуры окружающего их облачного воздуха.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения выбрано устройство для определения разницы между температурой гидрометеоров и воздуха, описанное в /2/. Оно предполагает измерение температуры безоблачного воздуха с летательного аппарата с помощью радиометра, работающего на линии поглощения углекислого газа 4,255 мкм. Радиометр устанавливается на самолете таким образом, чтобы излучение поступало с горизонтальной трассы, т.е. с изотермической поверхности. В момент пересечения облака измеряется температура смеси - углекислого газа и гидрометеоров. Разностный сигнал дает информацию о различии температуры облака от температуры воздуха вне облака. Устройство включает входной объектив, фильтр, приемник лучистой энергии, калибровочное черное тело, модулятор. Излучение, поступающее на вход прибора, модулируется и через интерференционный фильтр поступает на приемник. Величина сигнала пропорциональна температуре измеряемой среды. Выбор линии поглощения углекислого газа позволяет измерять температуру воздуха практически во всех облаках, за исключением наиболее плотных, в связи с тем, что поглощение (а следовательно, и излучение) на этой линии очень велико. Объем, формирующий излучение, не превосходит 10 м /2/. Однако такое устройство не позволяет получить информацию о разности температуры гидрометеоров и окружающего их воздуха.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение точности измерения разности между температурой гидрометеоров и окружающего их облачного воздуха.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство, включающее существенные признаки, общие с прототипом: оптическую головку при температуре окружающей среды, включающую подвижное зеркало с механизмом поворота, и последовательно оптически связанные объектив, основной модулятор и приемник лучистой энергии, черное тело при температуре окружающей среды, соединенные последовательно предварительный усилитель, соединенный с приемником лучистой энергии, ключевую схему и узкополосный фильтр, пропускающий напряжение, имеющее частоту вращения основного модулятора, блок обработки, первый датчик опорного напряжения и соединенную с последним схему управления, управляющую ключевой схемой и механизмом поворота подвижного зеркала - содержит новые отличительные признаки: оно снабжено дополнительным модулятором, частота вращения которого меньше частоты вращения основного модулятора не менее, чем в 10 раз. На модуляторе установлено 2 фильтра, которые перекрывают попеременно поток излучения. Первый из них пропускает излучение в окне прозрачности 8-12 мкм, а второй - на линии поглощения углекислого газа 4,255 мкм. Таким образом, на приемнике формируется переменный электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна разности потоков, формируемых измеряемыми гидрометеорами и первым модулятором (при прохождении излучения через фильтр 8-12 мкм). В связи с тем, что частота вращения первого модулятора превышает частоту вращения второго в 10 раз, сигнал будет представлять собой последовательность из нескольких импульсов, в момент перекрытия потока вторым фильтром на выходе приемника будет формироваться последовательность импульсов, амплитуда которых пропорциональна разности потоков, формируемых измеряемым воздухом (углекислым газом) и модулятором. В формировании излучения некоторый вклад будут вносить гидрометеоры, однако он мал, т.к. выбрана очень сильная линия поглощения.

После усиления сигнала предварительным усилителем он поступает на ключевую схему, которая управляется схемой управления. Последняя пропускает сигналы лишь в те моменты времени, когда поток полностью перекрыт 1 или 2 фильтром. Далее сигнал проходит узкополосный фильтр с целью фильтрации шумов и поступает на регулируемый усилитель, коэффициент усиления которого меняется таким образом, чтобы обеспечивалось равенство сигналов при использовании 1 и 2 фильтров при работе прибора по модели черного тела, имеющей температуру, близкую к температуре измеряемой среды. Это обеспечивается периодическим перекрытием входного излучения подвижным зеркалом, которое во время калибровки подает излучение черного тела на вход прибора. Таким образом устанавливается "0" прибора. Установка "0" прибора осуществляется с помощью схемы управления, которая соединена со вторым датчиком опорного напряжения и регулируемым усилителем, включенным между узкополосным фильтром и блоком обработки, соединенным со схемой управления. Положение подвижного зеркала регулируется схемой управления. После установки "0" зеркало смещается, и на вход поступает измеряемое излучение. Сигнал с усилителя поступает на блок обработки, который по известному коэффициенту передачи устройства вычисляет разность между температурой гидрометеоров и температурой воздуха между ними. Эта разность пропорциональна разности амплитуд сигналов на выходе усилителя 14.

Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения достаточна для достижения технического результата - повышения точности измерения за счет того, что использование соответствующих фильтров и описанной процедуры обработки сигнала обеспечивает возможность измерения разности температур гидрометеоров и окружающего их воздуха.

На фиг. 1 приводится структурная схема устройства, где 1 - модель черного тела, 2 - подвижное зеркало, 3 - механизм поворота, 4 - входная оптика, 5 - основной модулятор, 6 - первый датчик опорного напряжения, 7 - дополнительный модулятор, 8 - второй датчик опорного напряжения, 9 - приемник лучистой энергии, 10 - схема управления, 11 - предварительный усилитель, 12 - ключевая схема, 13 - узкополосный фильтр, 14 - регулируемый усилитель, 15 - блок обработки.

Работает устройство следующим образом. Выполняется установка "0" прибора. С этой целью на входной объектив (4) через подвижное зеркало (2) подается излучение модели черного тела (1). Поворот зеркала осуществляется механизмом поворота (3) по команде схемы управления (10). Излучение модулируется основным модулятором (5) и через один из фильтров, установленных на дополнительном модуляторе (7), поступает на приемник лучистой энергии (9). Сигнал с приемника (9) усиливается предварительным усилителем (11) и поступает на ключевую схему (12), которая пропускает его лишь в моменты полного перекрытия фильтром входного потока. Ключевая схема (12) управляется схемой управления (10), которая формирует управляющее напряжение, используя опорные сигналы, формируемые датчиками формирования опорного сигнала 6 и 8, контролирующими положение модуляторов, после фильтрации сигнала узкополосным фильтром (13) он поступает на регулируемый усилитель (14). Его усиление меняется таким образом, чтобы на выходе усилителя амплитуда сигнала при работе с фильтром 8 - 12 мкм равнялась амплитуде сигнала при работе с фильтром 4,255 мкм. Процесс измерения аналогичен процессу калибровки. В этом случае подвижное зеркало (2) устанавливается таким образом, чтобы на входной объектив поступало излучение, формируемое исследуемой средой. Коэффициенты усиления регулируемого усилителя (14) поддерживаются для каждого из фильтров такими, которые были определены во время градуировки. Сигнал после усиления поступает на блок обработки (15), куда одновременно поступает информация об используемом фильтре со схемы управления (10). Используя известный коэффициент передачи устройства в блоке обработки, вычисляются разности между температурой гидрометеоров и основного модулятора (5), а также между температурой воздуха между гидрометеорами и основным модулятором (5). Эта информация позволяет получить разность между температурой гидрометеоров и температурой воздуха между ними путем вычитания указанных выше сигналов.

Источники информации 1. Синькевич А.А. Применение радиометра ИК-диапазона для измерения термических характеристик облаков, Труды ГГО. - 1979, вып. 420, с. 105-112.

2. Luwson R.P., Cooper W.A. Performance of some airborne thermometers in clouds, Journal of Atmospheric and. Oceanic Teohnoloqy. - 1990, vol. 7, N 3, p. 480-494.

Формула изобретения

Устройство для определения температурных контрастов между гидрометеорами и окружающим их воздухом, содержащее оптическую головку при температуре окружающей среды, включающую подвижное зеркало с механизмом поворота, и последовательно оптически связанные объектив, основной модулятор и приемник лучистой энергии, черное тело при температуре окружающей среды, соединенные последовательно предварительный усилитель, соединенный с приемником лучистой энергии, ключевую схему и узкополосный фильтр, пропускающий напряжение, имеющее частоту вращения основного модулятора, блок обработки, первый датчик опорного напряжения и соединенную с последним схему управления, управляющую ключевой схемой, и механизмом поворота подвижного зеркала, отличающееся тем, что в него введены дополнительный модулятор, частота вращения которого меньше частоты вращения основного модулятора не менее чем в 10 раз, включающий два оптических фильтра для попеременного перекрытия поступающего на приемник лучистой энергии потока излучения, первый из которых для пропускания излучения в окне прозрачности атмосферы 8 - 12 мкм, а второй - на линии поглощения углекислого газа 4,255 мкм, второй датчик опорного напряжения, соединенный со схемой управления, и регулируемый усилитель, включенный между узкополосным фильтром и блоком обработки, соединенным со схемой управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1