Оптический способ определения микроструктуры дождя
OPTICAL METHOD FOR DETERMINING THE MICROSTRUCTURE OF RAIN

Изобретение относится к гидрометеорологии, к дистанционным оптическим методам измерения микроструктуры и интенсивности осадков.
Известен оптический способ измерения осадков, основанный на формировании двух скрещенных под 90° узких горизонтальных лучей, которые светят прямо на две видео камеры, расположенные по осям этих лучей. Зона пересечения лучей формирует рабочую зону. Размер и форма пролетающих через рабочую зону частиц осадков регистрируется по затенению матриц видео камерах [1]. Недостатком метода является сложность аппаратуры и трудность ее использования в полевых условиях.
Другим аналогом является оптический измеритель дождя фирмы Optical Scientific [2]. В этом приборе излучаемый свет и фотоприемник формируют рабочую зону, через которую пролетают частицы осадков и рассеивают свет излучателя. Приемник регистрирует рассеянный световые импульсы (сцинтилляции), статистическая обработка которых позволяет определить тип осадков их интенсивность. Недостатком предложенного метода является неточность определения микроструктуры, поскольку одинаковые частицы в различных частях рабочей зоны формируют импульсы разной интенсивности и разной формы.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является оптический способ измерения микроструктуры и интенсивности осадков основанный на излучении света излучателем, контроля мощности излучателя путем регистрации интенсивности света в прямом луче с помощью первого приемника, регистрации импульсов света, рассеянного частицами осадков, пролетающими через рабочую зону, с помощью второго приемника, статистической обработке полученных приемниками сигналов [3]. Недостатком предложенного метода является неточность определения микроструктуры, поскольку одинаковые частицы в различных частях рабочей зоны формируют импульсы света разной амплитуды и разной формы.
Технический результат предложенного способа заключается в упрощении оптической схемы, что обеспечивает надежность измерений, и повышении точности определения микроструктуры осадков, поскольку геометрия измерений выбирается таким образом, что одинаковые частицы в различных частях рабочей зоны формируют импульсы света одинаковой амплитуды и одинаковой формы.
1
2
2
1
Для реализации технического результата излучатель формирует в горизонтальной плоскости секторный луч, который коллимирован по высоте, приемник располагают впереди излучателя над его оптической осью так, чтобы произведение трех сомножителей: (отношение расстояния L от излучателя до ближней к излучателю границы рабочей зоны к расстоянию L от излучателя до дальней границы рабочей зоны, квадрата отношения расстоянияот приемника до ближней от излучателя границы рабочей зоны к расстояниюот приемника до дальней от излучателя границы рабочей зоны, и отношения индикатрисы рассеяния сферической дождевой капли на дальней от излучателя границе рабочей зоны J к индикатрисе рассеяния на ближней от излучателя границе рабочей зоны J) было близко к единице. А именно
1
2
1
2
где L расстояние от излучателя до ближней к излучателю границы рабочей зоны; L - расстояние от излучателя до дальней от излучателя границы рабочей зоны;  - расстояние от приемника до ближней от излучателя границы рабочей зоны;  - расстояние от приемника до дальней от излучателя границы рабочей зоны; J - индикатриса рассеяния сферической дождевой капли на ближней от излучателя границе рабочей зоны; J - индикатриса рассеяния на дальней от излучателя границе рабочей зоны. При выполнении такого условия одинаковые частицы в различных частях рабочей зоны будут формировать импульсы одинаковой энергии и одинаковой формы.
На фиг. 1 представлена оптическая схема измерений. Излучатель 1 формирует в горизонтальной плоскости коллимированный по вертикали тонкий секторный по горихонтали луч 2, первый фотоприемник 3 располагается на оптической оси излучателя, второй фотоприемник 4 расположен над оптической осью излучателя. Рабочая зона показана заштрихованным овалом.  - расстояние от второго фотоприемника 4 до ближней от излучателя границы рабочей зоны,  - расстояние от второго фотоприемника 4 до дальней от излучателя границы рабочей зоны, L1 и L2- расстояния от излучателя до ближней и дальней от излучателя границ рабочей зоны, соответственно.
Оптическая схема на фиг. 2 отличается от схемы на фиг. 1 тем, что используются не один, а два излучателя, которые формируют в горизонтальной плоскости два коллимированных по вертикали и секторных по горизонтали тонких параллельных луча, расположенных на небольшом фиксированном расстоянии.
В способе прототипе дождевые капли, пролетающие через рабочую зону в различных ее частях, находятся в области освещения различное время. На краях цилиндрического луча излучателя время пролета меньше, чем время пролета в центре луча. Это приводит к изменению длительности и формы рассеянного импульса, что, в конечном итоге к ошибкам измерения. Кроме того, интенсивность рассеянного импульса в различных частях рабочей зоны различна, поскольку расстояние от приемника разное, и этот фактор никак не учитывается. Поэтому амплитуда сигналов на приемнике, даже для одинаковы капель, будет зависеть от места пролета капли в рабочей зоне. Это приводит к дополнительным ошибкам измерений.
В предлагаемом способе перечисленных недостатков нет. Это достигается учетом индикатрис рассеяния дождевых капель и выбором формы луча излучателя.
Действительно, в предлагаемом способе при коллимации излучения по вертикали и секторной форме излучения по горизонтали интенсивность света спадает с расстоянием до источника как 1/R. Поэтому интенсивность падающего света от расстояния L до источника света имеет вид:
0
пад
Где I - интенсивность на единичном расстоянии от источника. Интенсивность рассеянного дождевой каплей света зависит от угла рассеяния 0 между падающим волновым вектором и волновым вектором рассеянного излучения и характеризуется индикатрисой рассеяния  Яркость капли, выраженная в мощности рассеянного света, приходящейся на единицу телесного угла, пропорциональна произведению интенсивности падающего на каплю света I на индикатрису рассеяния J. Интенсивность света, приходящего на приемник пропорциональна яркости рассеивателя и падает обратно пропорционально квадрату расстоянию до приемника, как В результате,
интенсивности рассеянного света, приходящего к приемнику от одинаковых капель, находящихся в ближней и дальней от излучателя точках рабочей зоны, фиг. 1, имеют вид:
1
2
Оптимальной геометрией измерений является условие, при котором интенсивность сигнала приходящего к приемнику будет одинаковой при пролете капли как в дальних, так и в ближних участках рабочей зоны. Это будет выполняться, если I=I, или при выполнении условия (1).
1
2
Пример реализации служит фиг. 1 со следующими параметрами: луч излучателя коллимирован по высоте и имеет толщину 1 мм, секторный угол его раскрыва составляет 30°; углы рассеяния выбираются θ=15°, θ=25°, а высоту второго приемника над оптической осью излучателя выбираем Н=75 мм. При таком выборе геометрии остальные параметры рассчитываются однозначно. Во-первых, из диаграммы рассеяния для сферических и статически деформированных капель воды [4, 5] получаем, что отношение индикатрис рассеяния составляет:
А из геометрии измерений:
Из геометрии измерений и уравнения (1) получаем:
1
1
3
Решая уравнения (4) и (5) получаем остальные геометрические параметры измерений: L=204 мм, L=324 мм. Использование данной геометрии измерений обеспечит одинаковую интенсивность сигнала на приемнике вне зависимости от участка рабочей области, через который пролетают капли. Если сектор излучения излучателя составит 30°, то площадь рабочей зоны, показанной на фиг. 1 овалом составит около 100 см, что обеспечит быстрый набор статистики падающих капель и высокое быстродействие прибора. Весьма малый объем измерительной зоны 10 см обеспечивает малую вероятность регистрации одновременного пролета двух капель, что позволяет проводить измерения при высокой интенсивности осадков. Малая величина измерительного объема обеспечивает высокую интенсивность падающего на капли излучения, что увеличивает отношение сигнал/шум на приемнике. Кроме того, при рассеянии вперед под малыми углами капля является наиболее яркой, что обеспечивает высокий уровень сигнала даже от самых малых капель. Стандартная процедура статистической обработки импульсов на приемнике позволяет определить как микроструктуру дождя, так и интенсивность выпадающих осадков.
Модификацией предлагаемого способа является использование двух излучателей, которые формируют два параллельных секторных луча на фиксированном расстоянии, например d=5 мм, фиг. 2. По задержке между парными импульсами на приемнике можно вычислить скорость гравитационного падения рассеивателей и проводить дополнительную идентификацию типа осадков.
Использование первого приемника в оптической схеме позволяет контролировать изменение мощности излучателя во время эксплуатации и автоматически вводить необходимые поправки при обработке данных.
Изобретательский уровень предлагаемого изобретения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.
Литература
1. 2D Video Distrometer.
https://www.distrometer.at/fileadmin/DIGITAL/Downloads/2DVD_Aktualisierte_Versio n.pdf
2. ORG Optical Rain Gauge ORG-815 https://catalog.opticalscientific.com/Asset/ORG-815-DS%20Brochure%202021.pdf
3. Ting-I Wang, Weather identifier and visibility sensor, U.S. Patent 5.444.530, 1995. https://patents.google.com/patent/US5444530A/en?q=visibility+sensor
4. B.B. Стерлядкин Рассеяние света дождевыми каплями // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. №5. С. 534-538.
5. Глущенко А.С.Исследование оптических свойств дождевых капель и разработка измерительных средств дистанционного определения микроструктуры осадков. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. МГАПИ, Москва, 2005,143 с.