Облакомер

2429-01731RU
ОБЛАКОМЕР
Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к приборостроению, а именно к технике измерения оптических характеристик атмосферы с целью определения высоты обнаружения взлетно-посадочной полосы (ВПП) для метеорологического обеспечения полетов авиации, более точно к приборам для определения высоты нижней границы облаков (облакомерам).
Уровень техники
Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получили светолокационные измерители высоты облаков, использующие в качестве излучателя твердотельный лазер на эрбиевом стекле, обеспечивающий генерацию импульсов с высокой энергией в безопасной для глаз среде [Григорьев В. М. Лазерные измерители высоты нижней границы облаков - "Информационные материалы по гидрометеорологическим приборам и методам наблюдений", 1976, сб. 68]. Такие приборы имеют большую дальность обнаружения облачных слоев благодаря высокой мощности излучения.
Известны приборы для измерения высоты облаков [US4134677A, US4106872A, US4121889A] принципиально собраны по одной схеме. Такие приборы содержат приемо-передающую оптическую систему, лазерные излучатель которой представляет собой диод GaAs, усилитель сигнала, два задающих генератора и два интегратора. Один из интеграторов принимает обратно рассеянное излучение от облаков, второй имеет только шумовую дорожку. Данные с интеграторов сохраняются и каждые несколько импульсов сравниваются для более точного определения наличия облаков их высоты. Друг от друга приборы незначительно отличаются формой задающего сигнала для обработки данных. Недостатком таких приборов является сложность в исполнении схемы, в отличие от облакомера, не имеющего в своём составе интеграторов и генераторов для них. Для более точных показаний облакомер калибруется на чистой атмосфере.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбранным в качестве прототипа является облакомер фирмы «Vaisala», модель CL31 [http://www.iag.co.at/uploads/tx_iagproducts/pdf_handbuch/CL31.de.pdf].
Известный облакомер содержит приемо-передающую оптическую систему, содержащую лазерный излучатель, приемный канал, передающий канал, объектив, являющийся общим для обоих каналов, плоское зеркало с отверстием, установленное с возможностью разделения передающего и приемного канала, и защитное стекло, а также фотоприемник, модуль обработки, процессорный модуль, модуль термостабилизации, модуль передачи данных, модуль питания и систему очистки защитного стекла.
Недостатком ближайшего аналога является недостаточная эффективность детектирования вследствие низкого отношения сигнал-шум, которое проводится только на этапе математической обработки сигнала, однако не продолжающееся бесконечно вследствие изменения условий окружающей среды.
Задачей полезной модели является создание облакомера, обладающего повышенной чувствительностью приемника к полезному сигналу за счет повышения отношения сигнал-шум.
Раскрытие полезной модели
Для решения поставленной задачи предложен облакомер, включающий в себя приемо-передающую оптическую систему, содержащую лазерный излучатель, приемный канал, передающий канал, объектив, являющийся общим для обоих каналов, плоское зеркало с отверстием,  установленное с возможностью разделения передающего и приемного канала, и защитное стекло, а также фотоприемник, фотодиод, модуль обработки, процессорный модуль, модуль термостабилизации, модуль передачи данных, модуль питания и систему очистки защитного стекла, отличающийся тем, что приемо-передающая система дополнительно содержит пространственный фильтр, расположенный в фокальной плоскости объектива, и расположенную после него по ходу луча проекционную систему.
В предпочтительном варианте объектив выполнен однолинзовым.
В предпочтительном варианте проекционная система содержит проекционный объектив, включающий в себя по меньшей мере две линзы и установленный между ними светофильтр.
Система очистки защитного стекла предпочтительно включает в себя модуль обдува и обогрева и датчик загрязненности защитного стекла.
Модуль термостабилизации предпочтительно включает в себя модуль обогрева, по меньшей мере два датчика температуры, датчик влажности, и модуль охлаждения.
Модуль обогрева может содержать по меньшей мере два нагревателя с вентиляторами.
Модуль охлаждения может содержать по меньшей мере один вентилятор.
Модуль обработки и процессорный модуль могут быть связаны между собой через Ethernet коммутатор.
Процессорный модуль предпочтительно имеет выходы каналов Ethernet, RS-485 или модемной линии.
Техническим результатом, получаемым при реализации данной полезной модели, является повышение эффективности работы прибора за счет повышения чувствительности приемника к полезному сигналу (повышение отношения сигнал-шум), а именно повышение эффективности детектирования сигналов с малой амплитудой. При этом достижение технического результата обеспечивается за счет наличия в приемо-передающем канале облакомера проекционной системы, которая фокусирует весь принимаемый сигнал на площадке фотоприемника, имеющая в своем составе пространственный фильтр, пропускающий только полезный сигнал и устраняющий фоновое и паразитное излучение.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана общая схема облакомера.
На Фиг. 2 представлена оптическая схема приемо-передающей системы облакомера.
Осуществление полезной модели
Облакомер, общая схема которого приведена на Фиг. 1, содержит приемо-передающую оптическую систему 1, фотодиод 2, модуль 3 обработки, процессорный модуль 4, модуль 5 термостабилизации, модуль 6 передачи данных, модуль 7 питания и систему 8 очистки защитного стекла.
Процессорный модуль 4 служит для математической обработки данных, реализации алгоритма определения нижней границы облачности, а также контроля бортового оборудования и выдачи данных о границы облачности и состоянии оборудования оператору по каналам Ethernet, RS-485 или модемной линии.
Модуль 5 термостабилизации служит для поддержания заданной температуры внутри корпуса, очистку и обогрев защитного стекла от осадков и обледенения, управления электропитанием внутреннего оборудования. Модуль 5 термостабилизации включает в себя модуль обогрева, включающий в себя по меньшей мере два нагревателя с вентиляторами, по меньшей мере два датчика температуры, датчик влажности и модуль охлаждения, включающий в себя по меньшей мере один вентилятор. Модуль 5 получает информацию о температуре и влажности от цифровых датчиков, а также информацию о состоянии защитного стекла и в соответствии с алгоритмом управляет модулями обогрева и системой очистки стекла.
Модуль 5 термостабилизации по последовательному каналу RS-485 управляет подачей питания на оборудование в соответствии с режимом работы, осуществляет аварийное отключение устройств, а также по запросу процессорного модуля 4 по каналу USB выдает информацию о состоянии электропитания, оборудования и параметров температуры и влажности внутри корпуса.
Модуль 6 передачи данных предназначен для обратной связи оператора с оборудованием облакомера и обратной связи между модулями облакомера по каналам Ethernet, RS-485 или модемной линии.
Модуль 7 питания обеспечивает преобразование входного переменного напряжения 220В 50Гц в постоянное напряжение 27В заданной мощности.
Система 8 очистки защитного стекла включает в себя модуль обдува и обогрева и датчик загрязненности защитного стекла (на схеме не показаны).
Блок аккумуляторов (АКБ) является источником резервного питания и обеспечивает автономную работу облакомера в течение заданного времени (на схеме не показан).
Оптическая схема приемо-передающей системы 1, представленная на Фиг. 2, содержит лазерный излучатель 9, приемный канал 10, передающий канал 11, объектив 12, являющийся общим для обоих каналов, плоское зеркало 13 с отверстием, установленное с возможностью разделения передающего 11 и приемного канала 10, и защитное стекло 14, а также фотоприемник 15. Приемо-передающая система 1 дополнительно содержит пространственный фильтр 16, расположенный в фокальной плоскости объектива 12, и расположенную после него по ходу луча проекционную систему 18. Проекционная система 18 содержит проекционный объектив, включающий в себя по меньшей мере две линзы и установленный между ними светофильтр 17.
Облакомер работает следующим образом: детектирует мощность P(r) обратно рассеянного сигнала из атмосферы, величина которой от дистанции описывается уравнением:
,
где:  – мощность зондируемого излучения, С – скорость света, r – дистанция измерения,  – коэффициент обратного рассеяния,  – коэффициент поглощения, – фоновое излучение.
Принцип работы облакомера основан на измерении времени, необходимого для прохождения импульса света в атмосфере от лазерного излучателя облакомера до рассеивающей нижней границы облака и его возврата на фотоприемник облакомера.
Приемо-передающая оптическая система 1 построена по однолинзовой оптической схеме с одним объективом 12, в фокусе которого находятся лазерный излучатель 9 и фотоприемник 15.
В качестве объектива 12 предпочтительно используется асферическая линза со световым диаметром 100 мм и фокусным расстоянием 200 мм.
Разделение в пространстве приемного 10 и передающего 11 каналов осуществляется при помощи плоского зеркала 13 с отверстием, расположенного под углом 45º к оптической оси объектива 12. В качестве лазерного излучателя 9 используется компактный микрочиповый лазер с безопасной для глаз длиной волны 1535 нм, генерирующий импульсы с частотой 2,6 кГц, длительностью 3 нс и энергией 7 мкДж. Излучение (с расходимостью 23 мрад), пройдя через отверстие в плоском зеркале 13, после объектива 12 на выходе коллимируется в пучок диаметром 4,5 мм и расходимостью 0,5 мрад. Излучение частично отражается от плоской поверхности оптического стекла и попадает на фотоприемник 15, размещенный под защитным стеклом 14. Фотоприемник 7 преобразует оптический сигнал в синхроимпульс.
Обратно рассеянное в атмосфере излучение объектив 12 проецирует в фокальную плоскость приемного канала 10 в виде пятна диаметром 280 мкм. Для ограничения поля зрения используется пространственный фильтр 16 (диафрагма) диаметром 300 мкм, расположенный в фокальной плоскости приемного канала 10. После пространственного фильтра 16 расположена двухкомпонентная проекционная система 18 с увеличением 0,5 крат, которая предназначена как для проецирования обратно рассеянного излучения на площадку фотоприемника 15 диаметром 200 мкм, так и минимизации воздействия на фотоприемник 15 солнечного излучения за счет установки пространственного фильтра 16 в параллельный ход лучей между ее компонентами.
В качестве фотоприемника 15 используется лавинный фотодиод (ЛФД). Сигнал с ЛФД поступает в модуль 3 обработки, где усиливается с заданным коэффициентом усиления, оцифровывается с частотой не менее 50МГц. Необходимые для функционирования ЛФД напряжения питания формируются в модуле 3 обработки. Для уменьшения влияния кондуктивных помех на измерительный тракт связка фотоприемник-модуль обработки имеет гальванически развязанную от корпуса и общих шин аналоговую схему и схему питания. В модуле 3 обработки происходит накопление заданного количества обратно рассеянных реализаций принимаемого сигнала и передача осредненных данных по каналу Ethernet в процессорный модуль 4.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение эффективности работы прибора за счет повышения чувствительности приемника к полезному сигналу, а именно повышение эффективности детектирования сигналов с малой амплитудой. Это обеспечивается за счет наличия в приемо-передающем канале облакомера проекционной системы, которая фокусирует весь принимаемый сигнал на площадке фотоприемника, имеющая в своем составе пространственный фильтр, пропускающий только полезный сигнал и устраняющий фоновое и паразитное излучение.