СПОСОБ СВЕТОЛОКАЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ ОБЛАЧНЫХ СЛОЕВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PHOTO-LOCATION MEASUREMENT OF HEIGHT OF CLOUD LAYERS AND DEVICE TO THIS END

Изобретения относятся к приборостроению, а именно к технике измерения оптических характеристик атмосферы с целью определения высоты обнаружения взлетно-посадочной полосы и мониторинга аэрозольного следа, образованного продуктами сгорания топлива летательных аппаратов, в интересах обеспечения безопасности полетов авиации.
Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получили светолокационные измерители высоты облаков, использующие в качестве излучателя светодиоды и лазеры. Такие приборы имеют большую дальность обнаружения нижней границы облаков благодаря высокой мощности излучения и накопления данных за один или несколько импульсов. Однако в случае, когда вероятность регистрации эхо-сигнала становится меньше единицы, например сигнала от второго слоя облаков после потерь на рассеяние энергии импульса при двукратном прохождении первого слоя, эхо-сигнал не регистрируется [Круглов Р.А. Статистический метод обнаружения низкой облачности в системе автоматизированного метеообеспечения аэродромов. Труды ГГО, выпуск 413, 1980]. Известно также устройство по патенту RU №2136016, МПК G01S 17/95, опубликованному в 1999 г., для измерения высоты нижней границы облаков, которое содержит источник зондирующих импульсов, фотоприемник, оптическую систему, формирователь запускающих импульсов, хронизатор, блок обработки эхо-сигналов и измеритель временных интервалов. Данное устройство обладает следующими недостатками.
1. Невозможность измерения измерений характеристик многослойных облаков (плотности и толщины слоя облаков).
2. Сложность электронной схемы для приема и обработки эхо-сигнал.
3. Требуется большое количество замеров для компенсации неточности получения результатов обработки при применении порядковой статистики, так как уровень эхо-сигналов зависит от дальности.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу светолокационного измерения высоты облачных слоев, является способ, описанный в статье А.В.Бухарина, С.М.Першина «Теоретическое рассмотрение лидара обратного рассеяния с безопасным для глаз уровнем излучения». Оптика атмосферы и океана, т.7, стр.521-537 (1994 г.), заключающийся в направлении зондирующих импульсов света к облачным слоям и включении фотоприемника излучения строб-импульсом питания, в течение которого может произойти только одно срабатывание фотоприемника, приеме эхо-сигнала, срабатывании фотоприемника, передаче значения задержки времени между зондирующим импульсом и срабатыванием фотоприемника в блок управления и обработки сигналов, где находятся ячейки памяти, причем строб разделяется на целое число равных по величине временных интервалов, и каждому временному интервалу соответствует своя ячейка памяти. При приеме эхо-сигналов в ячейку памяти, соответствующую временному интервалу строба, в который произошло это событие, поступает единичный импульс, то есть содержимое этой ячейки памяти увеличивается на единицу. Прием эхо-сигнала с другой временной задержкой будет увеличивать на единицу содержимое другой, соответствующей этой временной задержке, ячейки памяти. Причем, в случае слабых фоновых потоков и эхо-сигнала, фотоприемник может не регистрировать эти сигналы. В этом случае содержимое ячеек памяти остается без изменения. После чего содержимое ячеек памяти считывается и передается в компьютер, который формирует гистограмму распределения числа приема эхо-сигналов фотоприемником по номерам ячеек памяти и, следовательно, по дальности расположения облачных слоев-источников эхо-сигналов в данном стробе. Затем строб перемещается на фиксированную задержку, равную или меньшую длительности строба, относительно первого светового импульса зондирования и цикл измерения повторяется. Число смещений строба определяется дальностью зондирования. Причем (уровень) фонового потока (шума) измеряется отдельно, для чего импульс строба подается на приемник также в середине интервала между световыми импульсами. Таким образом, компьютер формирует две гистограммы распределения числа приема эхо-сигналов фотоприемником по номерам ячеек, одна из которых отражает распределение «сигнал + шум», а другая - только «шум». Полная гистограмма по всей трассе зондирования составляется как последовательность отдельных гистограмм, измеренных в каждом положении строба при его «сшивке» на границе совмещения. Гистограмма распределения эхо-сигнала получается вычитанием гистограмм «сигнал + шум» - «шум».
Светолокационный измеритель высоты нижней границы облачных слоев для осуществления данного способа содержит источник зондирующих импульсов, на вход которого подается запускающий импульс с выхода формирователя запускающих импульсов. Один выход источника зондирующих импульсов связан с входом синхронизатора, а со второго выхода подается зондирующий импульс к облачным слоям. Вход фотоприемника с помощью оптической схемы, обеспечивающей требуемую геометрию диаграмм направленности, связан с выходом источника зондирующих импульсов через облачный слой. Выход синхронизатора связан с первыми входами измерителя временных интервалов и блока управления и обработки данных. Один выход которого является входом формирователя стробов, выход которого, в свою очередь, связан с приемником излучения. Выход приемника излучения связан с формирователем импульсов, выход которого является вторым входом измерителя временных интервалов, а его выход является вторым входом блока управления и обработки сигналов. Выход блока управления и обработки сигналов является выходом всего устройства.
Но данные способ и устройство имеют
- низкую эффективность использования энергии излученного импульса, так как на каждый излученный зондирующий импульс получается не более одного срабатывания фотоприемника;
- необходимость получения нескольких отдельных гистограмм, которые потом «сшиваются» в полную гистограмму;
- переменную вероятность срабатывания фотоприемника в течение строба, так как вероятность приема эхо-сигнала фотоприемником зависит от номера ячейки - чем ближе к концу, тем вероятность ниже и падает в зависимости от уровня сигнала, если фотоприемник сработал в начале строба и выключился, то потом он уже не будет регистрировать фотоны.
Задачей данного изобретения является повышение эксплуатационных характеристик.
Технический результат - увеличение эффективности использования энергии зондирующего импульса при увеличении вероятности приема эхо-сигнала фотоприемником и упрощении обработки сигналов.
Это достигается тем, что в способе светолокационного измерения высоты облачных слоев, заключающемся в направлении зондирующих импульсов света к облачным слоям, включении фотоприемника излучения первым строб-импульсом питания одновременно с первым зондирующим импульсом, в течение которого может произойти только одно срабатывание фотоприемника, приеме эхо-сигнала, определении времени задержки между зондирующим импульсом и срабатыванием фотоприемника, направлении в момент срабатывания фотоприемника единичного импульса в ячейку памяти, соответствующую времени срабатывания фотоприемника, смещении каждого последующего строба-импульса питания фотоприемника, повторении измерений, суммировании единичных импульсов в соответствующих ячейках памяти и передаче данных на компьютер для построения гистограммы, в отличие от известного, фотоприемник во время строба периодически включается и выключается, причем время выключения равно или больше времени восстановления фотоприемника, а каждый последующий строб смещают на величину, равную времени между началом первого зондирующего импульса и последовательно каждым следующим выключением фотоприемника в первом стробе-импульсе питания строба, при этом число смещений равно отношению длительности выключения фотоприемника в стробе к длительности строба и при завершении измерений - формирование в ячейках памяти гистограммы - распределение числа единичных импульсов по времени задержки относительно зондирующего светового импульса по всей длине зондируемого пространства.
Кроме того, это достигается тем, что в устройстве для осуществления данного способа, состоящем из источника зондирующих импульсов, вход которого связан с выходом формирователя запускающих импульсов, один его выход связан с входом синхронизатора, а второй выход оптически сопряжен через оптическую систему с входом фотоприемника излучения, выход синхронизатора связан с первыми входами измерителя временных интервалов и блока управления и обработки данных, один выход которого является входом формирователя стробов, выход которого, в свою очередь, связан с фотоприемником излучения, выход фотоприемника излучения связан с формирователем импульсов, выход которого является вторым входом измерителя временных интервалов, а его выход является вторым входом блока управления и обработки сигналов, выход блока управления и обработки сигналов является выходом всего устройства, в отличие от известного, дополнительно введен многоканальный сумматор, первый вход которого связан с входом синхронизатора, второй вход с выходом измерителя временных интервалов, а выход со вторым входом блока управления и обработки данных.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены
на фиг.1 - блок-схема устройства;
на фиг.2 - гистограмма.
Предлагаемый способ по данному изобретению осуществляют в следующей последовательности: в направлении зондирующих импульсов света к облачным слоям, включением фотоприемника первым стробом-импульсом питания одновременно с первым зондирующим импульсом, причем в стробе происходит последовательное включение и выключение фотоприемника излучения и в течение каждого строба может произойти только одно срабатывание фотоприемника, приеме эхо-сигнала, срабатывании фотоприемника, передачи значения задержки времени между зондирующим импульсом и регистрацией эхо-сигнала в многоканальный сумматор и далее в блок управления и обработки сигналов, где находятся ячейки памяти, причем каждый строб представляет собой последовательность импульсов, интервал между которыми выбирается равным или большим времени восстановления фотоприемника после регистрации эхо-сигнала, а число импульсов определяется дальностью зондирования, и каждому импульсу соответствует своя ячейка памяти. При срабатывании фотоприемника в ячейку памяти, номер которой соответствует номеру импульса в стробе, при котором произошло это событие, поступает единичный импульс то есть содержимое этой ячейки памяти увеличивается на единицу. Регистрация эхо-сигнала в другой временной интервал будет увеличивать на единицу содержимое другой соответствующей этой временной задержке ячейки памяти. Причем в случае слабых фоновых потоков и эхо-сигнала, фотоприемник может не регистрировать эти сигналы. В этом случае содержимое ячеек памяти остается без изменения. Далее происходит смещение второго строба-импульса питания на величину, равную времени между началом первого зондирующего импульса и окончанием включения фотоприемника первым импульсом в первом стробе-импульсе питания. Повторение измерений, заполнение соответствующих ячеек памяти, вновь смещение строба-импульса питания на величину, равную времени между началом первого зондирующего импульса и окончанием включения фотоприемника вторым импульсом питания. Число смещений периодической последовательности импульсов в стробе питания фотоприемника определяется отношением длительности интервала между импульсами в стробе к длительности строба.
После завершения последнего цикла измерения в ячейках памяти формируется распределение числа единичных импульсов по времени задержки относительно зондирующего светового импульса. Это распределение передается на компьютер для отображения и хранения.
Предлагаемый светолокационный измеритель высоты нижней границы облачных слоев (на фиг.1) содержит излучатель зондирующих импульсов 1 и фотоприемник 2, оптическую систему 3, формирователь запускающих импульсов 4, синхронизатор 5, формирователь импульсов 6, измеритель временных интервалов 7, формирователь стробов и сдвига стробов 8, схему управления и обработки сигналов 9, многоканальный сумматор 10. На вход источника зондирующих импульсов 1 подается запускающий импульс с выхода формирователя запускающих импульсов 4. Один выход источника зондирующих импульсов 1 связан с входом синхронизатора 5, а со второго выхода подается зондирующий импульс к облачным слоям. Вход фотоприемника 2 с помощью оптической схемы 3, обеспечивающей требуемую геометрию диаграмм направленности, связан с выходом источника зондирующих импульсов 1 через облачный слой. Выход синхронизатора 5 связан с первыми входами измерителя временных интервалов 7, многоканального сумматора 10 и блока управления и обработки данных 9, первый выход которого является входом формирователя стробов 8, выход которого, в свою очередь, связан с фотоприемником 2. Выход фотоприемника 2 связан с формирователем импульсов 6, выход которого является вторым входом измерителя временных интервалов 7, а его выход является вторым входом многоканального сумматора 10. Выход многоканального сумматора 10 является входом блока управления и обработки сигналов 9. Выход блока управления и обработки сигналов 9 является выходом всего устройства.
Устройство работает следующим образом. Источник зондирующих импульсов 1 излучает короткие (~(5-100) нс) зондирующие импульсы света мощностью (~50 Вт) в направлении облачного слоя атмосферы. Период следования импульсов определяется формирователем запускающих импульсов 4 и лежит в диапазоне до 100 кГц. Синхронизатор 5 содержит фотодиод и формирует синхроимпульсы в моменты излучения зондирующих световых импульсов источником зондирующих импульсов 1, синхроимпульсы подаются на первый вход измерителя временных интервалов 7, запускают измеритель временных интервалов 7 и синхронизируют схему управления и обработки сигналов 9. Рассеянные атмосферным аэрозолем и облачными слоями эхо-сигналы возвращаются в фотоприемник 2. Оптическая система 3 обеспечивает требуемую геометрию диаграмм направленности излучателя и фотоприемника. Формирователь стробов 8 формирует не один строб-импульс включения, а последовательность импульсов, длительность которых и интервалы между ними задает схема управления и обработки сигналов 9, причем в устройство дополнительно включен многоканальный сумматор 10, необходимый для обеспечения обработки значений задержек, следующих с высокой скоростью. При срабатывании фотоприемника формирователь импульсов 6 вырабатывает импульс, нарастающий фронт которого соответствует этому моменту срабатывания. И этот импульс поступает на второй вход измерителя временных интервалов 7, который измеряет значение временной задержки относительно зондирующего импульса. Значение времени задержки подается в многоканальный сумматор 10, который прибавляет единицу в ячейку памяти с номером, соответствующим этому значению временной задержки. После излучения заданного числа зондирующих импульсов, например, 50000, схема управления и обработки сигналов 9 считывает полученные результаты (полную гистограмму фиг.2.) и передает их на выход в компьютер. После этого все ячейки многоканального сумматора 10 обнуляются, и измеритель профиля облаков готов к началу нового цикла измерений.
Преимущества предложенного технического решения
- более высокая эффективность использования энергии зондирующего импульса, так как на каждый излученный зондирующий импульс формирователь стробов формирует последовательность импульсов в стробе включения фотоприемника, что обеспечивает максимальное количество срабатываний фотоприемника, равное количеству импульсов в стробе за цикл измерений;
- не требуется дополнительных операций по «сшивке» гистограмм, так как на выходе генерируется полная гистограмма в цифровой форме;
- постоянная вероятность срабатывания фотоприемника, так как она не зависит от номера строба.