СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ОСАДКОВ
METHOD OF OPTICAL PRECIPITATION METRE CALIBRATION

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения. Предлагаемый способ может быть использован для калибровки оптического измерителя осадков, который работает на основе принципа получения и анализа теневых изображений частиц осадков, перекрывающих световой поток в оптическом канале и в котором в качестве фотоприемника функционирует линейный массив светочувствительных элементов (линейный сенсор).
При определении размеров частиц осадков, проходящих через оптический канал измерителя осадков, следует учитывать неоднородность светового потока, вызывающую зависимость погрешности измерений размеров частиц осадков от их местоположения в световом потоке оптического канала. Неоднородность светового потока вызвана несовершенствами оптической системы прибора, которая содержит источник светового потока, систему оптических линз и линейный сенсор. Ошибка измерения размера частиц осадков может достигать значения порядка 0,5 мм, что достаточно существенно, учитывая, что пик распределения капель дождя по размерам приходится на интервал 1,5-2 мм.
Известны способы калибровки, когда для определения калибровочных характеристик оптических измерителей осадков применяли шары определенного диаметра [1], либо непрозрачные диски различного диаметра [2], либо искусственно получаемые капли известного размера [3].
Общий недостаток приведенных способов заключается в трудоемкости выполнения калибровки, обусловленной необходимостью проведения большого количества измерений.
Из известных способов калибровки наиболее близким к предлагаемому является Способ определения калибровочных характеристик оптико-электронного измерителя осадков [4]. Способ заключается в получении величины поправки, вычисляемой при сравнении результатов определения размеров эталонных стальных шаров калибруемым прибором и их диаметром, заявленным производителем.
Для осуществления известного способа поперечное сечение оптического канала прибора условно разбивают по ширине на участки, в каждом из которых может быть затенено известное количество светочувствительных элементов линейного сенсора. После этого в каждом участке проводят определение диаметров эталонных шаров, проходящих через оптический канал под действием силы тяжести. При этом за измеренный диаметр принимается максимальное из зарегистрированных теневых сечений, определяемых по количеству затененных светочувствительных элементов линейного сенсора известного размера. По результатам измерений диаметров множества одинаковых шаров получают среднее значение для данного участка. Величина поправки участка линейного сенсора вычисляется как разность среднего измеренного диаметра и диаметра эталонного шара.
Основной недостаток данного способа заключается в трудоемкости выполнения калибровки оптического измерителя осадков, обусловленной необходимостью измерения диаметра большого количества эталонных шаров, которые должны пройти через определенные области оптического канала.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является упрощение процедуры калибровки, сокращение времени и трудозатрат, необходимых для ее успешного проведения.
Технический результат - устранение погрешности определения размеров частиц осадков, вызванной неоднородностью светового потока в оптическом канале.
Технический результат достигается тем, что для калибровки оптического измерителя осадков осуществляют измерение линейных размеров теней эталонных объектов в условно выделенных участках оптического канала, на основании сравнения измеренных значений и эталонных размеров получают значения поправки для каждого из выделенных участков.
В отличие от известного технического решения в предлагаемом способе калибровку осуществляют с помощью непрозрачного стержня круглого поперечного сечения, который горизонтально перемещают через оптический канал перпендикулярно к направлению светового потока с сохранением ортогональности оси стержня относительно плоскости оптического канала на всем пути стержня, при этом значения поправки для каждого из выделенных участков рассчитываются по формуле:
i
где k - значение поправочного коэффициента для i-го участка оптического канала,
c
d - диаметр стержня,
- среднее измеренное значение диаметра стержня, полученное при его перемещении на участке i.
Данный результат достигается за счет уменьшения количества операции, связанных с процессом многократной регистрации эталонных объектов.
Пример реализации способа поясняется рисунками.
c
На фиг. 1 показано, что стержень круглого поперечного сечения 1 диаметра d размещают ортогонально плоскости оптического канала 2. Пока стержень находится вне оптического канала, световой поток от источника излучения 3 беспрепятственно достигает всех светочувствительных элементов линейного сенсора приемника 4. Затем стержень горизонтально перемещают между источником светового потока и линейным сенсором оптического измерителя осадков так, что он проходит через оптический канал перпендикулярно к направлению светового потока с сохранением ортогональности оси стержня Ζ относительно плоскости оптического канала Х-Y на всем пути стержня. При перемещении стержня в оптическом канале происходит затенение группы смежных светочувствительных элементов линейного сенсора в зависимости от положения оси стержня в световом потоке оптического канала.
1
2
m
0
1
j+1
j
j
На фиг. 2 показано вертикальное сечение оптического канала и положение стержня 1 относительно светового потока 2 и линейного сенсора 3. В оптическом канале условно выделяют m участков, в каждом из которых могут быть затенены соответственно n, n, … n светочувствительных элементов. В момент времени t стержень находится вне оптического канала, поэтому световой поток беспрепятственно достигает всех светочувствительных элементов линейного сенсора. Пусть N - это количество незатененных светочувствительных элементов линейного сенсора, начиная с первого. Процедура калибровки начинается в момент времени t, когда стержень не затеняет первый светочувствительный элемент сенсора, то есть при N=1. В процессе перемещения стержня значение N увеличивается на единицу, т.е. N=N+1, где N - текущее значение N. Каждый раз, когда выполняется данное условие, осуществляют вычисление значения измеренного диаметра стержня по формуле:
j
j
D=L⋅p
j
где D - текущее измеренное значение диаметра стержня, мм;
j
p - количество светочувствительных элементов, затененных в текущий момент времени;
L - средний размер светочувствительного элемента линейного сенсора, мм.
1
2
Для каждого из выделенных участков вычисляют среднее измеренное значение диаметра стержня, полученное из результатов многократного измерения этого диаметра при перемещении стержня внутри участка. Так, для первого участка, содержащего n светочувствительных элементов, в момент времени t, когда затенено  светочувствительных элементов, среднее измеренное значение диаметра стержня определяется соотношением:
2
4
Для второго участка, содержащего n светочувствительных элементов, в момент времени t, когда затенено  светочувствительных элементов, среднее измеренное значение диаметра стержня определяется соотношением:
m
S
Для m-го участка, содержащего n светочувствительных элементов, в момент времени t, когда затенено  светочувствительных элементов, среднее измеренное значение диаметра стержня определяется соотношением:
Значение поправочного коэффициента для i-го участка получают по формуле:
i
где k - значение поправочного коэффициента для i-го участка оптического канала;
c
d - диаметр стержня;
- среднее измеренное значение диаметра стержня, полученное при его перемещении в участке i.
i
Для того чтобы получить точное значение размера частицы осадков, центр которой прошел через участок i, нужно измеренное значение диаметра D умножить на соответствующий поправочный коэффициент k.
Литература
1. Kruger A., Krajewski W.F. Two-Dimensional Video Disdrometer: A Description // J. Atmos. Ocean. Technol. 2002. V. 19. P. 602-617.
2. Barthazy E., Goke S., Schefold R., Hogl D. An Optical Array Instrument for Shape and Fall Velocity Measurements of Hydrometeors // J. Atmos. Ocean. Technol. 2004. V. 21. P. 1400-1416.
3. Глущенко A.C. Исследование оптических свойств дождевых капель и разработка измерительных средств дистанционного определения микроструктуры осадков: Автореф. дис. … канд. тех. наук. М.: МГАПИ, 2005. 143 с.
4. Азбукин А.А., Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А., Тихомиров А.А. Определение калибровочных характеристик оптико-электронного измерителя атмосферных осадков // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. №05. С. 449-455.