Устройство для дистанционного определения водности облачной и безоблачной атмосферы

 

Изобретение относится к геофизическому и метеорологическому приборостроению и может быть использовано при оценке водности облачной и безоблачной атмосферы. Устройство состоит из оптической фокусирующей системы со сменным оптическим абсолютно непрозрачным для поперечной составляющей солнечного потока электромагнитного излучения фильтром, оптического концентратора, который представляет собой правильный многогранник и установлен после оптического фильтра на главной оптической оси фокусирующей системы так, что его выпуклый многогранный угол обращен в сторону приемника излучения, причем ось симметрии многогранного угла совпадает с главной оптической осью фокусирующей системы, приемника излучения, расположенного под углом 30-60^o к главной оптической оси фокусирующей системы после концентратора, а также блока обработки сигналов, который состоит из усилителя приемника излучения и индикатора для осреднения и счета измеряемого параметра. Технический результат изобретения заключается в создании объективного опорного канала в измерительной схеме за счет исключения влияния солнечной активности на измерения и упрощение калибровки измерительной схемы. 1 ил.

Изобретение относится к области геофизического и метеорологического приборостроения и может быть использовано при оценке водности облачной и безоблачной атмосферы.

Известно устройство дистанционного определения водности облаков [1], которое содержит источник облучения, приемник отраженного зондирующего сигнала и блок обработки полученных сигналов, которые объединены в рамках радиолокационной станции. Как правило, применяются двухволновые радиолокационные станции. Поскольку отражательная способность облака связана с его водностью, то рабочие длины волн подобраны по максимальному и минимальному коэффициентам отражения. Разница между величинами двух отраженных зондирующих сигналов дает оценку водности облака.

Недостатком данного устройства является в первую очередь опасность мощностей излучения в экологическом плане, а также громоздкость технического решения.

Наиболее близким к заявляемому устройству является индикатор фазового состояния облаков [2], который содержит оптическую фокусирующую и расщепляющую систему, два оптических фильтра в ближней ИК-области спектра, два приемника данного излучения, которые включены по дифференциальной схеме, причем оптические фильтры расположены на входах соответствующих приемников и имеют разные полосы пропускания солнечного потока. На выходе устройства для оценки водности облака имеется блок обработки сигналов с двух приемников, имеющих разные полосы пропускания спектра.

Прибором измеряют трансформированную облаком интенсивность поперечной составляющей солнечного потока электромагнитного излучения в двух группах диапазонов спектра, объединяющих, например, по три узких полосы спектра 14.0, 1.9 и 2.85 мкм и 1.5, 2.0 и 3.1±0.02 мкм. Каждая группа имеет максимальный коэффициент поглощения, который определяется фазовым состоянием облака. В зависимости от фазового состояния облака (капельножидкого или ледяного) один из каналов является опорным, а другой - измерительным. Разница в трансформированной облаком интенсивности поперечной составляющей солнечного потока электромагнитного излучения между двумя измерительными каналами градуирована в единицах водности.

В качестве оптической фокусирующей системы используется линзовый объектив, расщепляющая система реализуется отражательной разделительной призмой. Приемниками излучения служат фоторезисторы на входах дифференциального усилителя. Для устойчивости работы усилительных каналов применена модуляция оптического сигнала на входе расщепляющей системы. Сигнал с выхода дифференциального усилителя обрабатывается синхронным детектором и отражается на индикаторе для счета измеряемого параметра.

Недостатком данного устройства является зависимость измерения от условия солнечной активности, т.е. от времени суток, а также от сопряженного с этим моментом сложности в калибровке измерительной схемы.

Общим недостатком известных устройств является создание псевдообъективного опорного канала в измерительной схеме, основанного на использовании известной зависимости коэффициента поглощения облака от его фазового состояния на различных зондирующих длинах волн.

Задача изобретения состоит в создании измерительной схемы с действительно объективным опорным каналом, что максимально формализует процедуру измерения и повысит объективность калибровки схемы.

Заявляемое устройство для дистанционного определения водности облачной и безоблачной атмосферы состоит из оптической фокусирующей системы со сменным оптическим абсолютно непрозрачным для поперечной составляющей солнечного потока электромагнитного излучения фильтром, оптического концентратора, который представляет собой правильный многогранник и установлен после оптического фильтра на главной оптической оси фокусирующей системы так, что его выпуклый многогранный угол обращен в сторону приемника излучения, причем ось симметрии многогранного угла совпадает с главной оптической осью фокусирующей системы, приемника излучения, расположенного под углом 30-60^o к главной оптической оси фокусирующей системы после концентратора, а также блока обработки сигналов, который состоит из усилителя приемника излучения и индикатора для осреднения и счета измеряемого параметра.

Под понятием правильный многогранник понимается многогранник, у которого все грани равные правильные многоугольники и все многогранные углы равны [3] . Существует пять правильных многогранников: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр.

Общими для заявляемого устройства и прототипа являются следующие признаки: оптическая фокусирующая система; оптический фильтр; приемник солнечного потока электромагнитного излучения; блок обработки сигналов.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки: Оптический фильтр является сменным и абсолютно непрозрачным для поперечной составляющей солнечного потока электромагнитного излучения, он расположен между оптической фокусирующей системой и концентратором; Оптический концентратор, который представляет собой правильный многогранник и установлен после оптического фильтра на главной оптической оси фокусирующей системы так, что его выпуклый многогранный угол обращен в сторону приемника излучения, а ось симметрии многогранного угла совпадает с главной оптической осью фокусирующей системы; Приемник солнечного потока электромагнитного излучения, который расположен под углом 30-60^o к главной оптической оси фокусирующей системы и установлен после концентратора.

На чертеже изображена функциональная схема заявляемого устройства.

Устройство содержит оптическую фокусирующую систему 1, сменный оптический фильтр 2, оптический концентратор в виде тетраэдра 3, установленный на главной оптической оси O-O^*, приемник солнечного потока электромагнитного излучения 4, который расположен под углом 30-60^o к главной оптической оси O-O^*, блок обработки сигналов, который состоит из усилителя 5 и индикатора 6.

Устройство для дистанционного определения водности облачной и безоблачной атмосферы работает следующим образом.

На первом этапе прибором осуществляется измерение полной интенсивности рассеянного атмосферой солнечного потока электромагнитного излучения, включающей продольную Ф_⊥ и поперечную () составляющие: Здесь K= f(W) - функция водности W атмосферы, которая определяет потери поперечной составляющей, связанные с рассеиванием/отражением солнечного излучения при прохождении физической среды: водности атмосферы. С помощью данного измерения реализуется измерительный канал прибора.

Солнечное излучение, находящееся в поле зрения оптической системы 1, проходя через атмосферу, фокусируется и достигает концентратора 3. Концентратор 3, выполняющий дополнительно функции оптического резонатора, направляет и концентрирует солнечное излучение на приемник 4. Угол наклона приемника 4 относительно главной оптической оси прибора позволяет обработать ортогональные составляющие излучения солнечного потока . Преобразованный солнечный поток электромагнитного излучения вида (1) в электрический сигнал усиливается далее усилителем 5, величина которого пропорциональна полной интенсивности рассеянного атмосферой солнечного потока электромагнитного излучения за период осреднения τ, и отображается с помощью индикатора 6.

На втором этапе прибором осуществляют измерение интенсивности только продольной составляющей солнечного потока электромагнитного излучения:

При этом солнечное излучение на пути к концентратору 3 попадает на оптический фильтр 2, который является сменным, участвует в работе только на втором этапе и является абсолютно непрозрачным для поперечной составляющей (Ф_⊥) солнечного потока электромагнитного излучения. В итоге на индикаторе 6 отображается величина, которая пропорциональна интенсивности продольной составляющей () солнечного потока электромагнитного излучения. Поскольку на интенсивность продольной составляющей () солнечного потока электромагнитного излучения не оказывает существенного влияния атмосфера [4], то с помощью данного измерения реализуется опорный канал прибора.

Величина водности находится из разности измеренных величин (1) и (2):

В итоге найденная разность Δ E ~ W, т.е. пропорциональна величине водности, которая может быть откалибрована в соответствующих единицах измерения.

Работоспособность устройства проверялась на макете с использованием следующих элементов:
концентратора в виде тетраэдра;
приемника солнечного потока на базе фотодиода ФД-7К;
усилителя фототока на базе микросхемы УД406;
индикатора на базе цифрового мультиметра М-83;
в качестве оптического фильтра использовалась стеклянная пластинка с абсолютно непрозрачным покрытием для поперечной составляющей солнечного потока;
оптическая фокусирующая система заимствована от фотоаппарата "Смена".

В эксперименте проводились исследования кучевых облаков с тремя возрастающими значениями вертикальной мощности. С увеличением вертикальной мощности кучевого облака имеет место возрастание его водности. Развитие кучевого облака от первого до третьего состояния наблюдалось в течение 150 мин и приходилось на полдень летнего месяца. При этом были получены следующие результаты измерений:
Δ E₁=3 mB; ΔE₂=7 mB и Δ E₃=12 mB
Результаты наблюдений подтверждают работоспособность заявляемого устройства по его прямому назначению.

Использование заявляемого устройства позволяет оперативно получать информацию о водности облачной и безоблачной атмосферы.

Источники информации принятые во внимание
1. Дзюбенко В. А. Измерение водности облаков двухволновой РЛС./Тр.Укр. регионального НИИ. - Вып. 199 - 1984 г.

2. Авт. св. СССР N 473973, М.кл. 5 G 01 W 1/00, опубл. 14.06.1975 г. - Бюл. 22.

З. Бронштейн И.Н. и Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ - М.: Наука.-1965.- С. 171-174.

4. Дмитрук М.А. На гребне новой волны / Не может быть.- Альманах чудес, сенсаций и тайн. Вып.2.- М.: ОРЕГС, 1991 г.- с. 16-29.

Формула изобретения

Устройство для дистанционного определения водности облачной и безоблачной атмосферы, содержащее оптическую фокусирующую систему с оптическим фильтром, приемник солнечного потока электромагнитного излучения и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что на главной оптической оси фокусирующей системы дополнительно установлен оптический концентратор, который представляет собой правильный многогранник и установлен после оптического фильтра на главной оптической оси фокусирующей системы так, что его выпуклый многогранный угол обращен в сторону приемника излучения, причем ось симметрии многогранного угла совпадает с главной оптической осью фокусирующей системы, а оптический фильтр является сменным и абсолютно непрозрачным для поперечной составляющей солнечного потока электромагнитного излучения и расположен между оптической фокусирующей системой и концентратором, приемник излучения расположен после концентратора под углом 30 - 60^o к главной оптической оси фокусирующей системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1