СВЕТОЛОКАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАКОВ

Предлагаемая полезная модель относится к приборостроению, а именно к технике измерения оптических характеристик атмосферы с целью определения высоты обнаружения взлетно-посадочной полосы (ВПП) в интересах метеорологического обеспечения полетов авиации.
В настоящее время в практике метеорологического обеспечения полетов авиации высота обнаружения ВПП оценивается по результатам измерений высоты нижней границы облаков.
Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получили светолокационные измерители высоты нижней границы облаков, использующие в качестве излучателя твердотельный лазер [1]. Такие приборы имеют большую дальность обнаружения облачных слоев благодаря высокой мощности излучения.
Известен измеритель высоты облаков [2], который содержит излучатель света, приемник световых эхо-сигналов, оптическую систему для формирования диаграмм направленности излучателя и приемника, хронизатор, блок обработки эхо-сигналов, измеритель временных интервалов (ИВИ), формирователь запускающих импульсов, управляющий преобразователь, блок статической обработки результатов измерений. Излучатель света направляет импульс света к облачному слою, рассеянный облаком эхо-сигнал возвращается к приемнику. По времени запаздывания эхо-сигнала относительно зондирующего импульса ИВИ формирует результат измерения дальности в цифровой форме. Для этого ИВИ имеет вход для приема импульсов от хронизатора, который в свою очередь, содержит фотодиодный преобразователь излучаемых лазером световых импульсов. Выход блока статистической обработки связан с управляющим преобразователем для изменения периода зондирования с целью повышения ресурса излучателя.
К недостаткам известного устройства можно отнести низкий ресурс работы и низкий уровень достоверности измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является светолокационный измеритель высоты облаков [3], содержащий излучатель света и приемник эхо-сигналов, оптическую систему, последовательно соединенные управляющий преобразователь и формирователь запускающих импульсов и хронизатор, связанный с излучателем света, блок обработки эхо-сигналов, содержащий последовательно соединенные усилитель эхо-сигналов, устройство функционального преобразования и устройство порогового сравнения, измеритель временных интервалов и блок статистической обработки результатов измерений, содержащий последовательно соединенные первое запоминающее (ЗУ), первая схема сравнения, второе ЗУ, вторая схема сравнения, третье ЗУ и буферное устройство. При этом управляющие входы первого, второго, третьего ЗУ, первый и второй схем сравнения, буферного устройства соединены с выходом схемы управления. Выходы второго и третьего ЗУ соединены обратной связью с вторым входом первой и второй схем сравнения. Вход схемы управления является первым входом блока статистической обработки и связан с выходом хронизатора. Вход первого ЗУ является вторым входом блока статистической обработки, связан с выходом измерителя временных интервалов и первым выходом светолокационного измерителя. Выход буферного устройства подключен к входу управляющего устройства и является выходом блока статистической обработки и вторым выходом устройства. Выход формирователя запускающих импульсов подключен к входу излучателя света, первый вход измерителя временных интервалов соединен с выходом хронизатора, а его второй вход - к выходу светолокационного измерителя порогового сравнения.
Недостатками описанного прототипа является низкая обнаружительная способность и наличие грубых ошибок измерений.
Эти недостатки являются следствием возникновения перегрузок приемно-усилительного тракта известного светолокационного измерителя, связанных с широким динамическим диапазоном мощности принимаемого эхо-сигнала (пропорционально квадрату расстояния) и наличием значительной временной задержки сигнала с выхода устройства функционального преобразования, поступающего на вход порогового устройства, по отношению к синхроимпульсу хронизатора. Это время определяется временем проведения обработки эхо-сигнала в соответствии с алгоритмом работы устройства функционального преобразования.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение достоверности и точности измерений высоты нижней границы облаков при наличии дымки и осадков.
Для решения поставленной задачи предложен светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков, который, как и прототип, содержит последовательно соединенные управляющий преобразователь, формирователь запускающих импульсов и излучатель света, оптическую систему, приемник эхо-сигнала, хронизатор, связанный с излучателем света, блок обработки эхо-сигналов, включающий усилитель эхо-сигналов, устройство функционального преобразования, подключенное к его выходу пороговое устройство, блок статистической обработки результатов измерения, содержащий схему управления и последовательно соединенные первое запоминающее устройство (ЗУ), первая схема сравнения, второе ЗУ, вторую схему сравнения, третье ЗУ и буферное устройство, при этом управляющие входы первого, второго и третьего ЗУ, первой и второй схем сравнения, буферного устройства соединены с выходом схемы управления, выходы второго и третьего ЗУ соединены обратной связью с вторыми входами первой и второй схем сравнения, кроме того, вход схемы управления является первым входом блока статистической обработки, вход первого ЗУ является вторым входом блока статистической обработки и первым выходом светолокационного измерителя, выход буферного устройства является выходом блока статистической обработки и вторым выходом светолокационного измерителя и связан с выходом управляющего преобразователя.
В отличие от прототипа в блок обработки эхо-сигнала дополнительно введены делитель, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и буферное запоминающее устройство, таймер, два компаратора, анализатор и согласующее устройство, причем делитель включен между выходом приемника эхо-сигнала и входом усилителя эхо-сигнала, первый вход таймера соединен с выходом хронизатора, а его выход подключен к вторым входам аналого-цифрового преобразователя и буферного запоминающего устройства, первый вход аналого-цифрового преобразователя и входы первого и второго компараторов подключены к выходу усилителя эхо-сигнала, выход первого компаратора подключен к первому входу анализатора, выход второго компаратора одновременно подключен ко вторым входам таймера и анализатора, выход которого одновременно подключен ко второму входу делителя и дополнительному входу устройства функционального преобразования, согласующее устройство включено между выходом устройства функционального преобразования и вторым входом блока статистической обработки, являющимся первым выходом светолокационного измерителя, второй вход согласующего устройства одновременно подключен к выходу порогового устройства и к входу схемы управления, который является первым входом блока статистической обработки.
Сущность полезной модели заключается в том, что, благодаря введению в блок обработки эхо-сигнала делителя, последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя и буферного запоминающего устройства, таймера, двух компараторов, анализатора и согласующего устройства и их взаимодействия с остальными элементами и устройствами светолокационного измерителя, позволило значительно повысить достоверность и точность измерения высоты нижней границы облаков при наличии дымки и осадков и обеспечить эффективность использования алгоритмов анализа и обработки полученных сигналов в устройстве функционального преобразования и блоке статистической обработки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема светолокационного измерителя высоты нижней границы облаков, на фиг. 2 - пояснения к работе устройства.
Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков содержит излучатель света 1, приемник эхо-сигнала 2, оптическую систему 3, формирователь запускающих импульсов 4, хронизатор 5, связанный с излучателем света 1, управляющий преобразователь 6, блок обработки эхо-сигналов 7, содержащий последовательно соединенные делитель 8, усилитель эхо-сигналов 9, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10 и буферное запоминающее устройство (БЗУ) 11, устройство функционального преобразования 12 и пороговое устройство 13, таймер 14, первый 15 и второй 16 компараторы, анализатор 17 и согласующее устройство 18, блока статистической обработки результатов измерений 19, содержащий последовательно соединенные первое запоминающее устройство (ЗУ) 20, первая схема сравнения 21, второе ЗУ 22, вторая схема сравнения 23, третье ЗУ 24 и буферное устройство 25. При этом управляющие входы первого 20, второго 22 и третьего 24 ЗУ, первой 21 и второй 23 схем сравнения, буферного устройства 25 соединены с выходом схемы управления 26.
Выходы второго 22 и третьего 24 ЗУ соединены обратной связью со вторыми входами первой 21 и второй 23 схем сравнения. Вход схемы управления 26 является первым входом блока статистической обработки результатов измерений 19.
Вход первого ЗУ 20 является вторым входом блока статистической обработки результатов измерений 19 и первым выходом светолокационного измерителя.
Выход буферного устройства 25 подключен к входу управляющего устройства 6 и является выходом блока статистической обработки результатов измерений 19 и вторым выходом светолокационного измерителя.
Выход управляющего формирователя запускающих импульсов 4 подключен к входу излучателя света 1, вход таймера 14 подключен к выходу хронизатора 5, а его выход - к вторым входам АЦП 10 и БЗУ 11, входы первого 15 и второго 16 компараторов подключены к выходу усилителя эхо-сигналов 9, выход первого компаратора 15 подключен к первому входу анализатора 17, выход второго компаратора 16 подключен одновременно к вторым входам таймера 14 и анализатора 17, выход которого подключен к вторым входам делителя 8 и устройства функционального преобразования 12, выход которого подключен к входу порогового устройства 13 и к первому входу согласующего устройства 18, второй вход которого одновременно подключен к выходу порогового устройства 13 и входу схемы управления 26, а его выход соединен с входом первого ЗУ 20, являющимся вторым входом блока статистической обработки результатов измерений 19 и первым выходом светолокационного измерителя.
Вновь введенные элементы и устройства могут быть реализованы на аналоговых и цифровых схемах отечественного производства (например, серии 537, 1533, 1564 и др.), а также импортного (АЦП на микросхеме АЭ 9820 U, БЗУ - на программируемом быстродействующем ЗУ типа EPF 10K 10T/144, согласующего устройство - на приемнике-передатчике цифровой информации типа 74FLS245DW, анализатор и таймер на основе контролеров типа dsPIC33Fj128 и др., компараторы на основе микросхем MAX 907-9027 и др.).
На фиг. 2 приведены следующие обозначения:
F(R+ΔR) - функция повторяемости результатов измерений;
R - измеряемые значения высоты;
ΔR - интервал выборки;
n
R - текущие значения высоты облачных слоев;
N - число измерений (объем выборки массива данных);
n
n
N - количество измерений в текущем интервале высот R на высоте R;
i - уровень порядковой статистики (0,3-0,5N);
i
R - измеряемое значение высот нижних границ облачных слоев;
T
T
F - пример функции повторяемости при зондировании твердой цели на высоте R.
Обнаружение облачных слоев и определение высоты их нижней границы при использовании вышеописанного устройства осуществляется следующим образом.
Излучатель света 1 вырабатывает короткие (до 30 нс), но мощные зондирующие импульсы света, период следования которых задает формирователь запускающих импульсов 4.
з
В моменты излучения световых импульсов хрониазатор 5 формирует синхроимпульсы, запускающие таймер 14, который формирует цикл работы АЦП 10 (20) и БЗУ 11 (21) длительностью T, определяемую соотношением , где C - скорость света,
max
R - максимальная дальность зондирования;
з
T - время зондирования.
Оптическая система 3 обеспечивает требуемую геометрию направленности излучателя света 1 и приемника эхо-сигнала 2.
max
max
max
Рассеянный и отраженный атмосферой и облачными образованиями световой эхо-сигнал принимается приемником эхо-сигнала 2 и преобразуется им в соответствующий электрический. Выходной сигнал приемника эхо-сигнала 2 через делитель 8, в котором установлен исходный коэффициент передачи анализатором 17, и через усилитель эхо-сигнала 9 поступает на вход АЦП 10 и входы первого 15 и второго 16 компараторов. Первый компаратор 15 фиксирует превышение уровня сигнала с выхода усилителя эхо-сигнала 9 более 0,45 U, а второй компаратор 16 - превышение более U, где U напряжение, приводящее к перегрузке АЦП 10.
з
По команде таймера 14 АЦП 10 проводит цикл преобразования огибающей эхо-сигнала в реальном времени в течении времени зондирования T в цифровую форму и запись ее в БЗУ 11.
вх
max
Если в процессе преобразования эхо-сигнала его амплитуда Uпревысила U на любом участке принятой огибающей, то оба компаратора 15 и 16 вырабатывают сигнал, поступающий на соответствующие входы анализатора 17, а с выхода компаратора 16 дополнительно и на второй вход таймера 14.
При этом таймер 14 останавливает цикл работы АЦП 10 и БЗУ 11, устанавливает БЗУ 11 в нулевое состояние и ждет следующего синхроимпульса с выхода хронизатора 5.
При этом анализатор 17 своим выходным сигналом запрещает работу устройства функционального преобразования 12 и уменьшает ранее установленный коэффициент передачи делителя 8, например, в 2 раза.
вх
max
вх
max
вх
max
При условиях U<0,45U выходные сигналы компараторов 15 и 16 отсутствуют, а, в случае, когда уровень U находится в пределах 0,45U<U<U с выхода первого компаратора 15 на вход анализатора 17 поступает сигнал.
вх
max
В обоих отмеченных случаях цикл преобразования эхо-сигнала в цифру проводится полностью, выходной сигнал с анализатора 17 разрешает считывание информации устройству функционального преобразования 12 с выхода БЗУ 11 и со своего выхода о текущем значении коэффициента передачи делителя 8. Кроме того, сигнал анализатора 17 подтверждает значение ранее установленного коэффициента передачи делителя 8 или же увеличивает его (например, в 2 раза), если была зафиксирована ситуация, когда U<0,45U.
Из приведенного выше алгоритма совместного функционирования компараторов 15 и 16, анализатора 17, делителя 8, АЦП 10 и БЗУ 11 следует, что полностью исключаются ошибки обнаружения и измерения высоты облачных образований из-за перегрузок приемно-усилительного канала и временных задержек в устройстве функционального преобразования 12.
вх
max
з
Таким образом, при завершении цикла преобразования эхо-сигнала в цифровую форму при условии U<U устройство функционального преобразования 12 считывает с выхода информацию о принятой в течении времени зондирования T реализации эхо-сигнала, а с выхода анализатора 17 - информацию об установленном коэффициенте передачи делителя 8, необходимую для корректировки соответствующих коэффициентов, и проводит функциональное преобразование принятой реализации эхо-сигнала, которое имеет целью компенсировать искажения формы эхо-сигнала в результате его ослабления через рассеивающую среду, и математическое обоснование которого приведено ниже.
i
н
Текущие результаты преобразования принятой реализации эхо-сигнала, соответствующие дальностям R=i·Δt·C, где i={1…N} - номер текущей выборки по дальности, Δt - временной интервал квантования АЦП 10, N=T/Δt анализируются пороговым устройство 13.
При уровнях, превышающих заданный порог, пороговое устройством 13 открывает согласующее устройство 18, через которое данные о текущей высоте обнаруженной границы облака в цифровом виде поступают с выхода устройства функционального преобразования 12 на первый выход светолакационного измерителя и второй вход блока статистической обработки результатов измерений 19.
Одновременно выходной сигнал порогового устройства 13 поступает на первый вход блока статистической обработки результатов измерений 19 и запускает работу схемы управления 26, организующую алгоритм функционирования блока статистической обработки результатов измерений 19.
Функциональное преобразование содержит следующие основные операции. Интегрирование, вычисление профиля средних значений показателя ослабления, восстановления профиля локальных значений показателя отражения - ослабления энергии при прохождении через рассеивающую среду.
Математическое обоснование этих операций состоит в следующем. Форма огибающей эхо-сигнала соответствует математическому выражению:
;
где: P - мощность излучения;
µ(R) и  - соответственно локальные и средние значения показателя ослабления рассеивающей среды;
l=cτ/2 - толщина рассеивающего объема в пределах длительности τ зондирующего импульса, c - скорость света;
t - время с момента излучения;
-2
G(R) - геометрический множитель, отражающий влияние геометрии оптической схемы прибора (обычно обратно-пропорционально квадрату расстояния R);
k - коэффициент пропорциональности.
В данном случае G(R) компенсируется программными средствами после оцифровки мгновенных значений огибающей эхо-сигнала в АЦП 10. После корректировки огибающая соответствует математическому выражению:
После операции интегрирования получают сигнал вида:
В пределе l(R) имеет максимальное значение, равное kP/2.
Разрешая функцию l(R) относительно  из выражения (∗∗) определяют  и путем деления на  получают сигнал, отражающий профиль локальных значений µ(R) (профиль отраженности), не искаженный затуханием из-за рассеяния:
i(R)=kPµ(R)l=const·µ(R)
Сравнивая этот сигнал с пороговым уровнем, определяют высоту расположения облачных слоев. При одинаковой оптической плотности облаков сигнал от второго (третьего) облачных слоев имеет одинаковую амплитуду с сигналом от первого слоя.
Благодаря этому обнаружительная способность светолокационного измерителя значительно повышается.
н
Результаты измерений на первом выходе блока обработки эхо-сигналов 7 подвергаются дополнительной статистической обработке. Первое ЗУ 20 регистрирует результаты измерений в хронологическом порядке за текущий интервал наблюдения T.
н
i
i
i
С выхода согласующего устройства 18 сигнал в цифровом виде поступает на вход первого ЗУ 20 и записывается в очередную ячейку. В зависимости от плотности распределения значений результатов измерений в исходной выборке данных в одну ячейку может быть сделана многократная запись, то есть записано целое число больше 1 (фиг. 2). Используемый объем первого ЗУ 20 определяется анализируемым интервалом наблюдения T, который более, чем на порядок величины превышает период зондирующих световых импульсов. Информация о каждом единичном результате измерения R располагается в первом ЗУ 20 в хронологическом порядке, и очередной результат записывается на место самой последней записи. В интервале между зондирующими импульсами последовательным сравнением на цифровой первой схеме сравнения 21 производится сортировка записанных на первом ЗУ 20 результатов измерений R и размещение их во втором ЗУ 21 в виде упорядоченной выборки не в хронологическом порядке, а в порядке возрастания (убывания) значений R с шагом дискретизации, равным разрешающей способности по дальности, например, ΔR=7,5 м.
max
max
i
Используемый объем второго ЗУ 21, то есть число используемых ячеек памяти, равен соотношению R/ΔR, где R=1500 метров, число используемых ячеек памяти равно 1500/7,5=200. Таким образом, порядковый номер ячейки соответствует определенному значению R. В сотую ячейку памяти записывается результат измерения, соответствующий высоте облаков 750 метров. В каждую ячейку записывается 1 или 0 в зависимости от наличия (отсутствия) соответствующего значения результата измерения в исходной выборке данных записанных в первом ЗУ 20.
Считывание в третьем ЗУ 24 происходит после формирования упорядоченной выборки по градациям высот с помощью второй схемы сравнения 23. В общем случае градации высот могут быть неравномерными и увеличиваться пропорционально результату измерения. В упрощенном варианте остается неизменным увеличение по всему диапазону и составляет: 2R=2·7,5=15 метров.
i.
i.
Если при скользящем «просмотре» двух соседних ячеек памяти в порядке возрастания сумма записанных чисел превысит установленный номер порядковой статистики, например, 4 при периоде наблюдения, состоящем из 12 зондирований (30% статистика), то в третье ЗУ 24 записывается результат, равный R+15 м, где R - скользящее с шагом дискретизации значение высоты.
Результаты статистической обработки через буферное устройство 25 поступает на второй выход светолокационного измерителя и на вход устройства управления 6, которое изменяет (увеличивает или уменьшает) период генерации сигнала с выхода формирователя запускающих импульсов 4 в зависимости от частоты изменений высоты облачных образований.
Это позволяет эффективно использовать ресурс работы излучателя света 1.
Таким образом, обеспечивается автоматическое поддержание работы предлагаемого светолокационного измерителя в области оптимальных уровней эхо-сигнала, устранения грубых ошибок измерений, связанных с задержками времени на преобразования и анализ огибающей эхо-сигнала. Это позволяет повысить эффективность использования алгоритмов обнаружения и выделения облачных слоев при наличии дымки и осадков. В результате значительно повышается достоверность оценки текущей видимости ВПП и их прогнозов, что способствует улучшению безопасности взлета и приземления самолетов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Григорьев В.М. Лазерные измерители высоты нижней границы облаков - «Информационные материалы по гидрометеорологическим приборам и методам наблюдений», 1976, сб 68.
2. Российская Федерация, патент на изобретение №2136016, МПК: G01W 1/00, G01V 1/42, 1999.
3. Российская Федерация, свидетельство на полезную модель №20976, МПК: G01W 1/00, G01V 1/42, 2001 - прототип.