Способ определения основных параметров структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения основных параметров структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов. Сущность: рассчитывают метеорологическую дальность видимости, измеряют водность воздушно-капельного образования. С учетом указанных параметров рассчитывают эффективный радиус капель. Технический результат: упрощение способа. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к метрологии и его использование предназначено для определения структуры естественных и искусственных капельных образований в виде облаков и туманов. Определяемая с помощью заявленного способа воздушно-капельная структура предназначена для получения исходных данных, необходимых при проведении расчетов пропускания в толще облаков и туманов оптического излучения (излучения с длинами волн от 1 нм до 1 мм и включающего диапазоны рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения) и может быть использована метеорологическими службами, при эксплуатации навигационных систем, в т.ч. на наземном и воздушном транспорте, службами контроля и наблюдения за объектами, использована для различных оптических методов измерений, в т.ч. при проведении тепловизионных обследований строительных и других объектов, при проведении научных исследований, а также в других отраслях, где необходимым является знание оптических характеристик атмосферного воздуха, содержащего капельные образования.

Изобретение служит для определения основных параметров структуры капельных образований в виде облаков и туманов, влияющих на пропускание оптического излучения: размер содержащихся в нем частиц (капель) и количество этих частиц в единице объема (концентрация). Содержащиеся в воздухе водяные капли рассеивают проходящее через капельное образование оптическое излучение и, в зависимости от размера частиц и их концентрации, в той или иной степени снижают его интенсивность. Например, при наличии тумана такая важная для практики характеристика туманов, как метеорологическая дальности видимости в видимом свете (МДВ), может иметь значения от нескольких километров до нескольких метров. При постоянной водности (содержании жидкой воды в единице объема воздуха) чем меньший размер имеют капли, тем менее прозрачным является туман и наоборот. С увеличением водности при постоянном размере капель прозрачность тумана уменьшается. При этом туманы почти всегда менее прозрачны, чем воздух, в котором идет дождь, несмотря на то, что водность воздуха при дожде на многие порядки выше водности туманов.

Концентрация частиц воздушно-капельных образований типа облаков и туманов практически не поддается прямым измерениям и вместо нее при измерениях используют ее интегральную величину - водность капельных образований, т.е. содержание жидкой воды в единице объема воздуха. При этом, зная водность и функцию распределения капель по размерам, можно провести обратный пересчет и определить концентрации капель для каждого размера и, наоборот, по количеству капель и распределению капель по размерам можно определить водность.

Определение (измерение) водности тумана является самостоятельной важной задачей, например, для авиационного транспорта. От водности облаков и температурного режима воздуха зависят условия образования льда на корпусе и крыльях самолетов, причем как в процессе полетов, так и в предполетном состоянии.

Измерение водности может быть осуществлено несколькими различными способами. Наиболее распространенными среди них являются следующие:

Определение водности методом инерционного осаждения капель. Осаждение капель проводят, например, на гигроскопическую бумагу. По значению диаметра образующегося влажного пятна определяют массу осевшей воды и, зная расход воздуха, т.е. объем воздуха, из которого набирается эта масса воды, вычисляют водность капельного образования (см., например, [1]). Использование данного способа позволяет также одновременно определить и концентрацию химических примесей, для чего на бумагу заранее наносят химический реактив, который меняет цвет бумаги под действием химической примеси. По величине отношения диаметров окрашенных и неокрашенных пятен определяют концентрацию примеси в воде тумана или облака. Данный способ измерения водности является наиболее простым в реализации и достаточно точным в условиях приземных туманов.

Другим известным способом измерения водности является электротермический способ [2]. Способ основан на измерении мощности, потребляемой нагреваемым зондом, на котором происходит испарение капельной влаги в тумане или облаке. Для реализации способа необходимо обеспечить поток воздуха относительно зонда (или наоборот, движение зонда относительно воздуха, как это происходит на транспортных средствах). При определении водности учитывается величина относительной скорости воздушного потока и зонда. Данный способ часто применяют как средство обнаружения и диагностики условий возможного обледенения транспортных средств, например, крыльев и корпуса самолета.

Известен также способ дистанционного бесконтактного измерения водности в туманах и облаках. Это оптический способ, положенный в основу работы устройства по патенту [3]. Способ основан на том, что в тумане или в облаке происходит рассеяние и уменьшение пропускания электромагнитного оптического излучения, в частности, света, которое можно измерить. Величина рассеяния зависит от количества капель, которые встречаются на пути прохождения излучения. В способе, применяемом в [3], в качестве источника излучения используют солнце, а перед фотоприемниками используют фильтры, поляризующие солнечный свет в различных направлениях. Фотоприемники принимают излучение на нескольких частотах и по разности мощности сигналов поляризованного и неполяризованного света с помощью расчетов определяют долю излучения, рассеянного каплями воды и, следовательно, измеряют содержание капельной воды. В различных вариантах данного способа вместо солнечного света используют искусственные источники излучения.

Измерение размеров капель воздушно-капельных образований может быть осуществлено несколькими гранулометрическими способами, общим для которых является визуализация капель. Наиболее простыми и распространенными среди них являются следующие:

Улавливание капель в объем вязкой жидкости, не смешивающейся с каплями и не растворяющей их (см. например [4]). После взаимодействия тумана или облака с такой жидкостью проводят наблюдение и измерение размера капель под микроскопом. Недостатком такого способа является ограниченная область применимости, невысокая точность измерений, а также малая оперативность, связанная с тем, что после улавливания капель необходима их визуализация с помощью дополнительных технических средств и измерение размеров. Кроме того, улавливание можно провести только в потоке, например, на выходе из устройства, генерирующего искусственный туман, или на транспортном средстве. Для неподвижных туманов способ неприменим. Невысокая точность измерений обусловлена коагуляцией капель в капли других размеров, как на поверхности, так и внутри поглощающей жидкости.

Улавливание капель на поверхности. В данном способе проводят осаждение капель на стеклянную поверхность, покрытую гидрофобной пленкой, например, масляной. Способ положен в основу работы устройства для измерения капель [5], которое может быть установлено на самолете или в движущемся автомобиле. Отборы проб производят в закрываемые камеры, в которых в течение времени экспозиции происходит осаждение, а далее проводят фотографирование с увеличением и измерение размеров. Данный способ прост и удобен в работе, но он также обладает недостатками. Для его реализации необходимо, чтобы улавливающая поверхность контактировала с туманом в условиях достаточно продолжительного времени, за которое поверхности достигнут капли не только из зоны взаимодействия стекла и тумана, но и из других зон, в которых размеры капель могут отличаться. При этом в процессе гравитационного осаждения капли в самом тумане могут контактировать между собой с изменением их размеров.

Общим недостатком для указанных способов определения размеров капель является также то, что их реализация требует использования оборудования для улавливания и осаждения капель, которое может изменить измеряемые размеры и снизить точность измерений. Кроме того, оба приведенных способа требуют термостатирования как самой измерительной системы, так и воздуха, в котором проводят измерения.

Недостатками перечисленных способов определения структуры капельных образований является следующие:

Способы для определения водности являются интегральными, без детализации размеров и не позволяют определить размеры капель, необходимые для расчетов пропускания оптического излучения. Способы для определения размеров капель не позволяют определить их количественное содержание, что также является необходимым для расчетов пропускания излучения.

Для устранения этих недостатков используют способы измерений, которые позволяют одновременно измерять и размеры капель в туманах и облаках и их концентрацию, по которой можно рассчитать водность, при этом без нарушений их структуры. Все эти способы основаны на оптическом диагностировании капельных образований и получении мгновенной информации об их структуре на основе установленных физических закономерностей о свойствах капельной составляющей воздуха взаимодействовать с проходящим через него излучением. Большинство известных способов оптического диагностирования основано на том, что в область капельного образования от источника посылают зондирующее оптическое излучение с известными свойствами (мощность, спектральный состав, поляризация), а приемниками регистрируют отраженное и(или) рассеянное излучение. По характеристикам принимаемого излучения и по известным закономерностям рассеяния излучения проводятся вычисления структуры капельных образований в воздухе. Преимуществом данных способов является то, что они являются бесконтактными и многие из них при определенных условиях позволяют получать необходимые данные о структуре облаков и туманов, включая содержание в них воды и распределение капель по размерам. Недостатком является сложность применения способа на практике, требующего использования специального оборудования и специальных методик измерения. Недостатком является также ограниченная достоверность, получаемых данных. Это связано с тем, что при математической обработке получаемых результатов необходимо решать обратную задачу - определение микроструктуры по полученным интегральным данным в виде характеристик принимаемого излучения. Прохождение и рассеяние света в дисперсных системах, к которым относятся капельно-воздушные образования, описывается теорией, в которой при расчете коэффициента рассеяния одновременно используются все параметры микроструктуры, а также спектральный состав проходящего излучения. Параметров много, их величины оказывают различное, часто противоположное влияние на прохождение излучения и однозначно восстановить величины всех параметров по значению коэффициента рассеяния удается не всегда. При этом обеспечить измерение необходимого количества характеристик излучения для детализации характеристик капельной структуры технически сложно.

Наиболее близким к заявленному изобретению и использованным в качестве прототипа является способ, приведенный в патенте [6]. Данный способ также относится к оптическому определению микроструктуры воздушно-капельных образований облаков и туманов. При использовании способа одновременно определяют распределение капель по размерам и величину водности. Способ основан на том, что в воздушно-капельное образование последовательно посылают зондирующие импульсы излучения с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Приемники излучения принимают основную и ортогональную компоненты рассеянного излучения от этих сигналов. Дополнительно проводят прием излучения под углами, превышающими характерные углы однократного (первичного) рассеяния излучения каплями. При этом на приемник преимущественно поступают сигналы, сформированные многократным рассеянием на множестве частиц, в т.ч. на частицах различного размера. Далее проводят обработку сигналов и по мощности и степени поляризации принятого излучения проводят расчеты распределения капель по размерам, по которому рассчитывают водность облаков и туманов.

Данный способ имеет преимущество перед другими аналогичными способами, поскольку позволяет получить информацию о размерах капель в капельных образованиях, о распределении капель по размерам, на основе которых возможно вычислить водность. Но способ имеет и недостатки, присущие всем оптическим способам, используемым при диагностировании воздушно-капельных образований, содержащих капли различных размеров. Для его реализации требуется сложное и дорогостоящее измерительное оборудование и математическая обработка получаемых результатов. Для получения необходимой информации требуется комплексная схема проведения измерений, например, зондирование облаков и туманов под разными углами, использование нескольких источников излучения и нескольких приемников. Большим недостатком является то, что полнота получаемой информации о структуре облаков и туманов является приблизительной, и ее не всегда хватает, чтобы на основе полученных при использовании такого способа данных о дисперсности и концентрациях капель различного размера можно было проводить точные расчеты требуемых свойств облаков и туманов. Например, получаемая при использовании способа-прототипа капельная структура может быть не полной для того, чтобы при ее применении в расчетах пропускания облаками и туманами оптического излучения различного спектрального состава были получены точные результаты. Типичным примером является получение исходных данных для обработки результатов инфракрасной температурной диагностика различных объектов в условиях замутненной атмосферы.

Использование данного способа, несмотря на его сложность, вполне оправдано, когда научный и практический интерес представляет именно каким то образом детализированная структура капельного образования, получить которую другими способами, кроме оптических, невозможно или нецелесообразно. Такие измерения наиболее востребованы, например, в тех случаях, когда проводится разработка и оптимизация оборудования, служащего для формирования искусственных туманов различного назначения. При разработке такого оборудования на стадиях проведения исследований и отработки конструктивных решений необходима как можно детальная диагностика образуемых капельных образований. Детализированная информация о структуре туманов и облаков необходима также при проведении многих научных исследований.

Однако большинство практических задач, связанных с оптическими свойствами облаков и туманов, не требуют детализации структуры воздушно-капельных образований. При их решении искомая и трудноопределимая функция распределения водяных капель по размером может быть заменена на некоторый эффективный размер капель. При этом эффективный размер капель, а также эффективная концентрация капель при их использовании в расчетах должны дать результаты по рассеянию и пропусканию излучения, аналогичные реальной воздушно-капельной системе. Кроме этого эффективный размер капель является характеристикой, по которой можно оценить скорость гравитационного осаждения тумана, предсказать его динамику при изменении атмосферных температурных условий, а самое главное, применяя стандартную теорию рассеяния Ми [7], с его помощью достаточно просто и точно можно вычислить коэффициенты пропускания туманов, облаков и других воздушно-капельных образований для оптического излучения различного типа, в том числе, и для видимого света.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение простого и достоверного способа определения эффективного размера капель в воздушно-капельных образованиях.

Техническим результатом от использования изобретения является упрощение описания структуры воздушно-капельного образования за счет использования в качестве геометрического параметра только эффективного радиуса капель, общего для всего капельного образования. Кроме того, техническим результатом является упрощение проведения измерений по определению структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов.

В поставленном техническом результате упрощение проведения измерений означает не только упрощение и сокращение количества операций, необходимых для определения структуры, но также и упрощение используемой приборной базы и оборудования и максимально полное исключение сложных процедур обработки результатов.

Разработка настоящего изобретения выполнена на основе результатов комплекса вычислительных экспериментов по анализу рассеяния оптического излучения на воздушно-капельных образованиях различного состава по размерам капель, распределению капель по размерам и количеству капель в единице объема воздуха, эквивалентному водности воздушно-капельного образования (содержанию жидкой воды). В результате исследований была установлена количественная связь между эффективным размером капель, водностью и метеорологической дальностью видимости в туманах и облаках. Установленная количественная связь легла в основу заявленного изобретения.

Заявленный способ включает в себя следующие существенные признаки, каждый из которых необходим, а в общей совокупности достаточных для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата:

1. Способ определения структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов включает измерение водности воздушно-капельного образования и размера капель.

Данные признаки являются ограничительными и общими с прототипом [6], поскольку в нем также определяются составляющие структуры облаков и туманов в виде размера капель и водности воздуха. Определяемая в прототипе структура включает в себя измерение размеров капель (распределение количества капель по размерам). Водность (содержание жидкой воды в единице объема воздуха) также является определяемым параметром, рассчитываемом на основе измерения размеров.

Измерение водности относится к ограничительному признаку, известному из прототипа. Более того, во всей совокупности признаков заявленного изобретения (отличительных и ограничительных) в нем не указывается, каким образом проводят измерение водности. Это означает, что водность может быть измерена или вычислена, причем любым способом, например, осаждением капель [1], или электротермическим способом [2], или другими известными способами. При этом важным является то, что в изобретении не указывается на то, что водность должна быть измерена именно оптическим способом [3], который является достаточно сложным в реализации.

При этом все остальные существенные признаки прототипа в заявленном изобретении не используются и не включаются в перечень ограничительных признаков. В частности, в качестве ограничительных признаков не используется то, что для решения поставленной задачи необходимо посылать зондирующие импульсы линейно поляризованного излучения с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, принимать приемником излучения основную и ортогональную компоненты отраженного излучения, выделять и определять профили степени поляризации и величину коэффициента обратного рассеяния, дополнительно принимать отраженное излучения при повышенных углах поля зрения, обрабатывать результаты и по профилю степени поляризации получать данные о распределении капель по размерам, по которому рассчитывается водность. Все указанные признаки необходимы для получения именно детальной информации о структуре капельных образований и в заявленном изобретении не используются для решения поставленной задачи и достижения технического результата. Использование перечисленных признаков допустимо, но не является обязательным, поскольку значительно усложняет реализацию способа и служит возможным источником получения не полностью достоверной информации. В частности, в качестве признака не используется то, что в прототипе водность вычисляют как результат измерения количества и размеров капель. В данной постановке применительно к заявленному изобретению водность может быть определена любым известным способом.

2. В качестве размера капель определяют их эффективный радиус.

Данный признак является существенным и отличительным. Существенность признака обусловлена тем, что из всего многообразия капель, составляющих туман, определяются капли не с реальными множественными трудноопределимыми размерами, а капли с единственным, характеризующим данное образование, размером - эффективным радиусом. Эффективный радиус капель находится расчетным путем с учетом эквивалентности оптических свойств эффективного и реального воздушно-капельного образований. Его использование в качестве характеристики структуры воздушно-капельного образования позволяет с достаточной точностью рассчитать большинство его физических характеристик, необходимых для практики, включая степень прозрачности и дальность видимости для оптического излучения различного спектрального состава. С его помощью могут быть выполнены оценочные расчеты по предсказанию динамики воздушно-капельных образований (осаждение или рост туманов) и вероятность выпадения осадков. Существенным признаком также является то, что эффективный радиус не измеряют, а определяют с использованием расчетов и других измеренных величин.

3. Проводят измерение метеорологической дальности видимости (МДВ).

Данный признак является существенным и отличительным. То, что измерение МДВ проводят до или после измерения водности не является существенным. Важно то, что оба этих параметра должны быть определены и только после этого может быть рассчитан эффективный радиус капель. Под МДВ подразумевается используемая в метеорологии дистанция, на которой по общепринятому определению в тумане или облаке еще существует контраст яркости излучения между деталями на поверхности объекта на уровне 2%. Если перейти к коэффициенту пропускания атмосферы, то МДВ соответствует условию для воспринимаемого глазом человека диапазона длины волны излучения 0,38-0,78 мкм, в котором коэффициент пропускания составляет τ=0,02. В заявленной совокупности существенных признаков изобретения в общем случае МДВ может быть измерена любым доступным способом, например, исходя даже из личного опыта оператора или на основе измерения дистанции до плохо различимых каких либо реперных объектов в тумане или облаке. Все определяется требуемой точностью вычисления эффективного радиуса капель.

4. Эффективный радиус капель рассчитывают по формуле

где w - водность (г/м³), L - метеорологическая дальность видимости (м).

Используемая в этом признаке расчетная формула для определения эффективного радиуса капель ранее не известна и является существенной по совокупности используемых в ней параметров и коэффициентов. Зависимость по формуле (1) получена с использованием теории Ми по рассеянию электромагнитного оптического излучения на взвешенных частицах. Зависимость (1) устанавливает связь между расчетной величиной эффективного радиуса водяных капель, который может быть использован для описания оптических свойств облаков и туманов, водностью воздушно-капельного образования, которая поддается сравнительно простым измерениям, и МДВ для воспринимаемого глазом человека света, которая также сравнительно просто может быть измерена. При получении зависимости (1) использованы воздушно капельные образования с различной дисперсией капель по размерам и различной их концентрацией в объеме воздуха. Дистанция МДВ рассчитывалась с учетом не только рассеяния излучения на каплях, но также и с учетом дополнительного поглощения светового излучения парами воды и углекислым газом. При этом учитывалось, что содержание углекислого газа в воздухе соответствует его среднему значению для северного полушария 400 ррm, относительная влажность воздуха составляет величину около 100% (полное равновесное насыщение воздуха водяным паром за счет наличия диспергированной в каплях жидкой влаги, или льдинок в зимних условиях).

Приведенная выше совокупность признаков заявленного изобретения относится к независимым признакам, необходимым и достаточным для его реализации. Каждый признак из представленной совокупности служит для обеспечения решаемой задачи и достижения технического результата, обеспечивая тем самым единство изобретения. Для решения поставленной задачи используются только измерения водности и измерения МДВ, которые не требуют сложного оборудования и, самое главное, сложной обработки результатов измерений, необходимой в оптических способах и приводящей к значительной погрешности и частичной недостоверности получаемых данных.

Заявленное изобретение содержит четыре набора зависимых признаков, которые раскрывают варианты способов измерения МДВ, с помощью которых может быть получено ее достаточно точное значение.

5. В воздушно-капельном образовании на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм, измеряют коэффициент пропускания воздуха между источником оптического излучения и удаленным от него приемником, а метеорологическую дальность видимости рассчитывают по формуле

где τ - коэффициент пропускания, а l - дистанция между источником и приемником излучения (м).

Данная совокупность признаков показывает, каким образом может быть измерена МДВ, если отсутствуют другие более простые способы ее измерения или эти способы являются сложными или не дают требуемой точности.

Измеряемый коэффициент пропускания рассчитывают по результатам измерения интенсивности излучения источника (Вт/м²), получаемой приемником на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм, отнесенной к интенсивности излучения, испускаемого источником. Интенсивность излучения, испускаемого источником, должна быть определена для того же диапазона длин волн и может быть либо заранее известной величиной, если источник является калиброванным и поверенным, либо она может быть определена непосредственно при измерениях МДВ на дистанции вблизи источника, много меньшей чем МДВ. Последний способ может быть более предпочтительным в случаях, когда проводят определение структуры воздушно-капельных образований на транспортных средствах, например, в самолете.

Присутствующие в формулировке данной совокупности признаков материальные объекты (источник и приемник излучения), не определенные в независимом пункте изобретения, не нарушают единства признаков. Эти объекты лишь указывают, что коэффициент пропускания воздуха должен быть измерен на некоторой дистанции, а для его измерения может быть использовано излучение от источника, принимаемое приемником. Понятия источника и приемника использованы для того, чтобы конкретизировать дистанцию, используемую в формуле (2). Тип источника и приемника не является определяющими.

В приведенной совокупности признаков существенным является то, что коэффициент пропускания рассчитывают по результатам измерений на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм. Обеспечить такое ограничение по диапазону измерения возможно, если, например, перед приемником излучения установить соответствующий фильтр, отсекающий большие длины волн, или использовать соответствующие диапазону волн селективные приемник или источник. Приемник может быть фотометрическим и в нем проводят интегрирование сигнала по задаваемому диапазону. Главное, чтобы измерения интенсивности излучения, испускаемого источником и получаемого приемником, были выполнены для одного и того же диапазона длин волн.

Требование измерения коэффициента пропускания в диапазоне длин волн, не превышающем 1,2 мкм, связано с тем, что в этом случае для размера капель от 1 мкм и выше (именно такие капли являются составляющими туманов и облаков) коэффициент рассеяния, определяющий коэффициент пропускания воздуха, слабо зависит от длины волны излучения и для его измерения могут быть использованы источник и приемник, работающие не в жестких ограничениях по диапазону длин волн. В диапазон длин волн менее 1,2 мкм попадает и видимое излучение 0,38-0,78 мкм, при котором определена величина МДВ, используемая в формуле (1) расчета эффективного радиуса капель.

Использование приведенных в п. 5 признаков служит для решения поставленной в изобретении задачи и достижения поставленного технического результата и не нарушает единства изобретения. Проводят измерение МДВ, необходимое для определения эффективного радиуса капель. Измерение МДВ проводят простым оптическим способом с применением минимального набора оборудования (источник и приемник излучения, а также устройство для измерения дистанции, если это необходимо). Для расчета МДВ не требуется специальная математическая обработка спектральных характеристик принимаемого сигнала.

Для расчета МДВ по данному способу достаточно всего одного измерения коэффициента пропускания на какой либо одной дистанции. Но такое измерение за счет различных случайных факторов может обладать не известной погрешностью. Источником погрешности может оказаться, например, то, что в выбранном направлении измерения существует температурная аномалия, изменение давление или конвективный поток, отличающиеся от средних величин в облаке или тумане. Для снижения погрешности в изобретении используются следующие дополнительные признаки:

6. Измерение коэффициента пропускания воздуха и расчет МДВ проводят для двух и более дистанций между источником и приемником, а для расчета эффективного радиуса капель используют величину МДВ, полученную обработкой результатов для всех дистанций.

Для этого для каждой новой дистанции измеряют коэффициент пропускания и по формуле (2) рассчитывают свою величину МДВ. В идеальном случае однородного капельного образования и при условии одновременности проведения всех измерений величина МДВ для каждого положения должна оставаться неизменной. В случае отличий в величинах МДВ, полученные результаты должны быть обработаны и в результате обработки получено достоверное значение МДВ и ее погрешность.

Использование дополнительных дистанций между приемником и источником не требует того, чтобы все они были различными. Положение приемника относительно источника может быть на той же дистанции, но под другим пространственным углом относительно источника. В этом случае в тумане или облаке может быть измерено пространственное распределение МДВ.

Другим способом измерения МДВ является способ, описываемый следующей совокупностью признаков:

7. В воздушно-капельном образовании на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм, измеряют интенсивности излучения от расположенного в нем источника оптического излучения, измерения проводят на двух различных дистанциях от источника, а МДВ рассчитывают по формуле

где J₁ и J₁ - интенсивности излучения (Вт/м²), измеренные на дистанциях l₁ и l₂ от источника оптического излучения (м), соответственно.

Данный способ по своему принципу схож с предыдущим, но не требует знания или измерения интенсивности излучения, испускаемого источником. В измерениях просто сравниваются мощности двух сигналов, принятых приемником на различных дистанциях от одного источника. Этот способ также имеет ограничение для измеряемого сигнала по длине волны или диапазону длин волн до 1,2 мкм. Для того чтобы исключить погрешности, связанные с тем, что структура воздушно-капельного образования может претерпевать изменения во времени, измерения на двух различных дистанциях должны проводиться с как можно меньшим интервалом времени между ними. Для этого может понадобиться использование двух приемников.

Для снижения погрешностей способ по п. 7 может быть дополнен операциями увеличения количества дистанций измерения МДВ. Для этого в изобретении используются следующие дополнительные признаки:

8. Измерение интенсивности излучения и расчет МДВ проводят на более, чем двух дистанциях от источника, а для расчета эффективного размера капель используют величину метеорологической дальности видимости, полученную обработкой результатов для всех дистанций.

При этом отсутствует требование, чтобы обязательно все дистанции измерения интенсивности излучения должны быть различными. Главное, чтобы в пределах одного малого телесного угла относительно точки расположения излучателя различными были как минимум только две из них.

В формулах (2) и (3) для расчета МДВ коэффициент 3,91 представляет собой |ln(0,02)|, где 0,02 - коэффициент пропускания излучения видимого света на дистанции МДВ.

Способ определения структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов осуществляют следующим образом. В воздушно капельном образовании проводят измерение его водности и метеорологической дальности видимости (МДВ).

Измерения водности и МДВ могут быть проведены параллельно или последовательно в любом порядке. Для достаточно точного определения текущего значения эффективного радиуса капель суммарный период времени на проведение обоих измерений не должен составлять более 20-30% от характерного времени стабильности воздушно-капельного образования, в течение которого оно примерно сохраняет свои физические свойства, к которым относятся водность и размеры капель. Скорость изменения физических свойств воздушно-капельного образования может быть оценена по изменению прозрачности воздуха. Для примера, характерное время стабильности в испытательных камерах, где используется искусственный туман, может составлять 1-2 часа, утреннего приземного и приводного тумана в условиях безоблачного неба - до 1 часа, утреннего приземного и приводного тумана в условиях облачного неба - 2-5 часов, облака, тучи - часы и десятки часов. Большое влияние на состояние капельного образования оказывают изменения погодных условий.

Измерение водности воздушно-капельного образования проводят любым доступным способом. Например, может быть использован метод инерционного осаждения капель на гигроскопическую бумагу [1] или электротермический метод [2]. Первый из этих методов применяется в приземных или приводных туманах. Второй метод используется при движении транспортного средства (в т.ч. самолета) в тумане или в облаке. Второй метод может быть использован в непрерывном режиме измерения с автоматической выдачей результатов измерений, а первый метод основан на периодическом прокачивании воздуха и дальнейшей ручной обработкой результатов измерения. Цикл измерения в первом методе может составить несколько минут.

Определение МДВ может быть выполнено на основе оценок и измерения расстояния до нечетко видимых объектов. В этом случае дают субъективную оценку прозрачности воздуха в виде величины его коэффициента пропускания и по закону Ламберта-Бугера-Бэра измеренное расстояние пересчитывают на коэффициент пропускания τ=0,02, который должен соответствовать дистанции МДВ. Такой метод определения МДВ может оказаться не достаточно точным и может потребовать значительного времени, связанного с проведением экспертной оценки коэффициента пропускания, измерением дистанции и проведением непосредственно самого пересчета. Погрешности при определении МДВ и, следовательно, при расчетах эффективного радиуса капель в воздушно-капельном образовании, могут достигать 100% и более.

Для устранения этого недостатка в воздушно-капельном образовании проводят измерение МДВ.

Для этого по первому варианту в области воздушно-капельного образования помещают источник оптического излучения. Данный источник может быть не ограничен по диапазону длин волн, но он должен включать в себя диапазон излучения с длинами волн, не превышающими 1,2 мкм. В качестве источника излучения может быть использован инфракрасный лазер с фиксированной длиной волны и сравнительно высокой интенсивностью. При этом инфракрасное излучение не видимо человеческому глазу, что в ряде случаев является предпочтительным.

Источник, если речь идет о периодически повторяющихся или непрерывных измерениях, может быть установлен стационарно или его на период измерений помещают в область воздушно-капельного образования, а потом удаляют. Стационарный источник может быть установлен также и на транспортном средстве, например на крыше подвижного состава поезда, автомобиле, на корпусе самолета и пр. Главным условием является то, что источник должен быть в поле видимости приемником излучения, который также помещают в область воздушно капельного образования на требуемом расстоянии от источника. Приемник излучения также может быть установлен стационарно или периодически удаляться. После включения излучателя приемником измеряют интенсивность излучения от источника в виде электрического сигнала и, в случае необходимости, по калибровочным зависимостям переводят в мощность (Вт/м). Перед началом измерения по техническим характеристикам, если источник является поверенным, или с помощью измерения определяют интенсивность излучения, испускаемого источником в том же диапазоне длин волн, что измеряется приемником. Измерение интенсивности излучения, испускаемого источником, рекомендуется проводить тем же самым приемником на коротком расстоянии от источника. Рекомендуется, чтобы это расстояние составляло не более 2% от дистанции измерения коэффициента пропускания. По отношению величин измеренных интенсивностей излучения вычисляют коэффициент пропускания воздуха и по формуле (2) рассчитывают метеорологическую дальность видимости. Для увеличения точности расчета МДВ проводят несколько измерений коэффициента пропускания в различных точках относительно источника. Эти точки могут выбираться на различных дистанциях относительно источника и на одинаковой дистанции, но в различных направлениях. В последнем случае может быть проверена и определена пространственная структура капельно-воздушно образования. При нескольких измерениях МДВ определяют с помощью обработки результатов измерений.

По второму варианту измерение МДВ проводят без измерения коэффициента пропускания воздуха, а только измерением интенсивности источника в различных точках относительно источника. Дистанций между приемником и источником может быть две или более, если требуется увеличение точности измерения МДВ или определение пространственной структуры капельно-воздушного образования. Выбор дистанций между приемником и источником проводят таким образом, чтобы, для каждого пространственного направления, по крайней мере, две из них были различными. Для каждой пары измерений по формуле (3) проводят расчет МДВ.

При измерениях МДВ в его простой реализации (без проведения дополнительных измерений для повышения точности определения МДВ) второй вариант требует использования большего количества приемников излучения, но не требует измерения интенсивности излучения, испускаемого источником, которое вносит дополнительные погрешности.

Измерения МДВ проводят с помощью источника и приемников на оптическом излучении в диапазоне длин волн, не превышающем 1,2 мкм. При этом верхнюю границу диапазона длин волн устанавливают исходя из следующих положений. Верхняя граница в 1,2 мкм, находящаяся в области инфракрасного излучения, соответствует условию, при котором достаточно точно может быть определен эффективный радиус капель, превышающий г>3 мкм. Причем, чем больше рассчитанный по формуле (1) эффективный радиус капель превышает величину 3 мкм, тем более точные результаты дает его применение для расчетов оптических свойств облаков и туманов. С уменьшением величины определяемого эффективного радиуса, при измерениях МДВ верхняя граница длин волн используемого излучения должна быть уменьшена. Например, при эффективном радиусе 2 мкм при измерении МДВ верхняя граница длин волн должна быть снижена до уровня, соответствующего фиолетовому спектру видимого света, а при эффективном радиусе 1 мкм и менее измерения МДВ должны проводиться в диапазонах ультрафиолетового излучения.

После измерения МДВ по формуле (1) проводят вычисление эффективного радиуса капель в воздушно-капельном образовании.

Пример использования изобретения.

Необходимо провести наружное тепловизионное обследование строительного объекта в условиях тумана. После термографирования будет проведена компьютерная обработка результатов, которая служит для коррекции температурного поля, полученного на термограмме. При компьютерной обработке будет использована возможность коррекции термограмм с учетом реальных величин коэффициента пропускания ИК излучения воздухом, формируемого поглощением излучения водяным паром, углекислым газом и рассеянием излучения. Термографирование будет проводиться в ИК диапазоне 8-14 мкм. Условия проведения измерений - температура воздуха 0°С, относительная влажность 100%.

Задача использования изобретения: определить две дистанции для термографирования, при которых коэффициент пропускания воздуха составит две различных известные величины τ=0,5 и τ=0,8. При компьютерной обработке термограмм эти две величины будут использованы как корректировочные параметры.

При использовании заявленного изобретения получены следующие результаты:

- водность, измеренная методом инерционного осаждения - w=2,5⋅10^-2 г/м³;

- метеорологическая дальность видимости, измеренная по интенсивности излучения на двух расстояниях - L=500 м;

- вычисленный по формуле (1) эффективный радиус капель в тумане - r=4,9 мкм.

По полученным результатам для данного воздушно-капельного образования концентрация капель с эффективным радиусом 4,9 мкм составляет N=51 см^-3.

С использованием этих параметров дистанция термографирования в ИК диапазоне 8-14 мкм, рассчитанная с использованием теории Ми рассеяния излучения и с учетом поглощения излучения парами воды и углекислым газом, будет составлять:

- L'=115 м для коэффициента пропускания τ=0,5

- L'=34 м для коэффициента пропускания τ=0,8

Использованные источники

[1] Авторское свидетельство СССР №1580302. Способ определения водности в тумане. Опубликовано: 07.23.1990.

[2] Патент РФ №2562476. Электротермический способ определения водности воздушного потока. Опубликовано 10.09.2015.

[3] Патент РФ №2167439. Устройство для дистанционного определения водности облачной и безоблачной атмосферы. Опубликовано 20.05.2001.

[4] Авторское свидетельство СССР №621990. Способ определения капель тумана. Опубликовано 08.30.1978.

[5] Патент РФ №2630853. Устройство для измерения размеров капель в водовоздушных потоках. Опубликовано 13.09.2017.

[6] Патент РФ №1780599. Способ определения микроструктуры капельных облаков и туманов. Опубликовано 15.10.1994.

[7] Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. - М.: Мир, 1986. - С. 221-222. - 660 с.

1. Способ определения основных параметров структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов, включающий измерение водности воздушно-капельного образования и размера капель, отличающийся тем, что в качестве размера капель определяют их эффективный радиус, для чего проводят определение метеорологической дальности видимости, а эффективный радиус капель в мкм рассчитывают по формуле

,

где w - водность в г/м³, L - метеорологическая дальность видимости в м.

2. Способ определения основных параметров структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов по п. 1, отличающийся тем, что метеорологическую дальность видимости рассчитывают по формуле

где τ - коэффициент пропускания воздуха между источником оптического излучения и удаленным от него приемником, измеренный в воздушно-капельном образовании на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм, а l - дистанция между источником и приемником оптического излучения (м).

3. Способ определения основных параметров структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов по п. 1, отличающийся тем, что метеорологическую дальность видимости рассчитывают по формуле

где J₁ и J₁ - интенсивности излучения (Вт/м²) от расположенного в воздушно-капельном образовании источника оптического излучения, измеренные на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм, на дистанциях l₂ и l₂ от источника (м).