Способ определения метеорологической дальности видимости в сложных метеоусловиях

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения метеорологической дальности видимости в сложных метеоусловиях. Сущность: для реализации способа используют излучательный блок, приемный блок и вычислительный блок. Причем излучательный блок содержит коллимирующий объектив и светодиод, расположенный в фокусе коллимирующего объектива. Приемный блок содержит фотоприемник и объектив, диаметр которого не менее ширины коллимированного пучка света, фокусирующий ослабленное излучение на фотоприемнике. Измеряют приемным блоком при выключенном излучении светодиода интенсивность шума, регистрируемого фотоприемником. Измеряют приемным блоком вблизи излучательного блока интенсивность неослабленного видимого светового пучка, создаваемого светодиодом. Устанавливают приемный блок на фиксированное расстояние от излучательного блока и измеряют интенсивность ослабленного слоем атмосферы излучения, регистрируемого фотоприемником. Вычисляют метеорологическую дальность видимости с учетом измеренных параметров. Технический результат: повышение точности измерения метеорологической дальности видимости в сложных метеорологических условиях. 1 ил.

 

Изобретение относится к области оптики и служит для измерения метеорологической дальности видимости (МДВ) в атмосфере в сложных метеорологических условиях (СМУ).

Аналогом предлагаемого технического решения является «Визуальный способ определения наклонной дальности движущимся наблюдателем», патент RU 2326348 С2, опубликовано 10.06.2008 Бюл. №16. Принципиальный недостаток этого способа - невозможность определения наклонной дальности видимости с борта летательного аппарата в сложных метеорологических условиях, т.к. пилот, визуально не видя полосы, не видит и расположенных на ней маркеров.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению (прототип) является способ измерения метеорологической дальности видимости, основанный на измерении ослабления калиброванного светового пучка слоем атмосферы [см., например, И.Я. Рацимор. Наклонная видимость. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 6-8, 82-84; 67-71].

Недостатком способа является низкая точность измерения в сложных метеоусловиях, обусловленная дополнительной засветкой приемника за счет рассеянного солнечного излучения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения МДВ в сложных метеорологических условиях.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе измерения метеорологической дальности видимости, основанный на измерении ослабления калиброванного светового пучка слоем атмосферы, согласно изобретению, дополнительно измеряют интенсивность шума атмосферы.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет измерения интенсивности шума атмосферы определяется метеорологическая дальность видимости в сложных метеоусловиях по формуле:

где Ф₀ - интенсивность неослабленного видимого светового пучка, лм, Ф_пр -интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником, Ф_ш - интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником, r - величина расстояния между излучательным блоком и блоком приемника, м.

Известный способ измерения метеорологической дальности видимости (МДВ) основан на измерении ослабления калиброванного светового пучка слоем атмосферы [Л.Т. Матвеев. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, с. 165-175; 472-474. И.Я. Рацимор. Наклонная видимость. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 6-8, 82-84; 67-71]. Ослабление светового пучка определяется законом Бугера-Ламберта:

где Ф₀ - интенсивность неослабленного видимого светового пучка, лм; r - величина расстояния между излучательным блоком и блоком приемника, м; μ - коэффициент ослабления видимого излучения, 1/м.

Коэффициент пропуская излучения атмосферой определяется по формуле:

МДВ вычисляется по формуле Кошмидера [см., например, И.Я. Рацимор. Наклонная видимость. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 6-8, 82-84; 67-71]:

где ε=0,05 - средняя контрастная чувствительность глаза человека.

Этот способ измерения МДВ используется во всех современных измерителях дальности видимости [Измеритель дальности видимости ФИ-3. Руководство по эксплуатации ИКШЮ.201112.002 РЭ (Ю-34.12209 РЭ)].

Недостатком известного способа является низкая точность определения метеорологической дальности видимости в сложных метеоусловиях при низком отношении сигнал/шум в приемнике. То есть должна учитываться дополнительная шумовая засветка приемника атмосферой.

Реально интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником, равна:

В пределе минимальная интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником Ф_ш, определяется тепловым шумом датчика фотоприемника.

Тогда:

Откуда получаем

Окончательно МДВ с учетом засветки фотоприемника атмосферой вычисляется по следующей формуле метеорологическая дальность видимости в сложных метеоусловиях (МДВ_см):

где - отношение сигнал/шум приемника.

Если Ф_ш → 0, то предлагаемый способ измерения МДМВ_см сводится к известному.

Покажем, что не учет шума приемника приводит к значительным ошибкам измерения МДВ, особенно при большом уровне шумовой засветки приемника и его низкой чувствительности.

Пусть измерения производятся измерителем дальности видимости ФИ-3 на базе r=35 м. Тогда согласно формуле Кошмидера при τ=0,91

По предлагаемому способу вычисления МДВ с учетом атмосферной засветки в СМУ для того же значения 1/τ=1,1 и низком отношении сигнал/шум приемника m=5 имеем:

При существенном повышении чувствительности приемника, например до уровня m=20, получаем:

Но и здесь ошибка измерения МДВ составляет 391 м, что весьма критично при посадке на пределе минимума пилота.

То есть, для достоверного измерения МДВ в СМУ известным способом отношение сигнал/шум приемника должно быть не менее m=100. Для этого в измерителе дальности видимости используется высокочувствительный фотоприемник, и технически до минимальных значений уменьшена засветка фотоприемника атмосферой.

Реализация этих требований приводит к чрезвычайно сложным техническим решениям в конструкциях измерителей дальности видимости, основанных на формуле Кошмидера [Измеритель дальности видимости ФИ-3. Руководство по эксплуатации ИКШЮ.201112.002 РЭ (Ю-34.12209 РЭ)].

Способ, реализующий заявляемое техническое решение, основан на использовании блок-схемы, состоящей из трех блоков (фиг. 1):

1. Излучательный блок (1), состоящий из некогерентного источника видимого света, например светодиода, и коллимирующего объектива.

2. Приемный блок (2), состоящий из объектива, фокусирующего ослабленное атмосферой излучение на фотоприемнике.

3. Вычислительный блок (3), определяющий МДВ в сложных метеоусловиях.

Технический результат изобретения достигается следующей последовательностью действий с использованием основных базовых блоков:

1. При выключенном излучении светодиода приемным блоком измеряется интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником Ф_ш.

2. Вблизи излучательного блока измеряется интенсивность неослабленного видимого светового пучка Ф₀, создаваемого светодиодом, расположенным в фокусе коллимирующего пучок объектива.

3. На фиксированном расстоянии г от излучательного блока устанавливается приемный блок, содержащий объектив, диаметр которого не менее ширины коллимированного пучка света, который фокусирует ослабленное слоем атмосферы излучение на фотоприемнике, и измеряется интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником Ф_пр.

4. Сигналы Ф₀, Ф_ш, Ф_пр, а также величина расстояния г между излучательным блоком и блоком приемника подаются в вычислительный блок, вычисляющей истинное значение МДВ_см по формуле (7) с учетом шума атмосферы.

Отметим, что предлагаемый способ может быть реализован при определенной наклонной дальности видимости летчиком с борта летательного аппарата. При этом излучательный блок, обеспечивающий модулированное видимое излучение, размещается на аэродроме. Там же измеряется величина Ф₀. На подходе к аэродрому, до того, как на земле включен излучатель, измеряется интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником Ф_ш. После включения излучателя измеряется интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником Ф_пр. В вычислительном блоке производятся вычисления величины наклонной дальности видимости МДВ_cм. В СМУ эта величина дает более точный результат, чем горизонтальная МДВ, измеренная на аэродроме, что обеспечивает более высокую надежность посадки в СМУ.

Способ определения метеорологической дальности видимости в сложных метеоусловиях, заключающийся в использовании излучательного блока, содержащего коллимирующий объектив и светодиод, расположенный в фокусе коллимирующего объектива, приемного блока, содержащего фотоприемник и объектив, диаметр которого не менее ширины коллимированного пучка света, фокусирующий ослабленное излучение на фотоприемнике, и вычислительного блока, измерении приемным блоком при выключенном излучении светодиода интенсивности Ф_ш шума, регистрируемого фотоприемником, измерении приемным блоком вблизи излучательного блока интенсивности Ф₀ неослабленного видимого светового пучка, создаваемого светодиодом, установке приемного блока на фиксированное расстояние r (м) от излучательного блока и измерении интенсивности Ф_пр излучения, регистрируемого фотоприемником, вычислении метеорологической дальности видимости по формуле