Моноскопический способ определения высоты нижней границы облачности
MONOSCOPIC METHOD FOR DETERMINING THE HEIGHT OF THE LOWER CLOUD BOUNDARY

Изобретение относится к метеорологии к способам для определения физических параметров атмосферы и позволяет получать информацию о высоте нижней границы облачности путем измерения расстояния до выбранного в качестве объекта измерения фрагмента облачности.
1
2
1
2
Известен способ определения высоты нижней границы облачности [1] принятый за прототип, заключающийся в следующем. С помощью двух фотоприемников, расположенных на земной поверхности, ориентированных в зенит и разнесенных на расстояние d друг от друга, одновременно получают два изображения с точкой интереса, расположенной на основании облака, которую можно однозначно идентифицировать на изображениях, определяют по изображениям зенитные θ и θ и азимутальные ϕ и ϕ углы точки интереса и определяют высоту нижней границы облачности по формуле
.
Недостатком такого способа является использование двух фотоприемников, разнесенных на расстояние d, зависящее от требуемой точности измерения, что существенно усложняет процесс измерения высоты нижней границы облачности и делает неудобным эксплуатацию используемого оборудования.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является использование для измерения высоты нижней границы облачности только одного фотоприемника. Технический результат - упрощение процесса измерения высоты нижней границы облачности и повышение удобства эксплуатации используемого оборудования.
1
2
1
2
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что с помощью фотоприемников, расположенных на земной поверхности и ориентированных в зенит, получают изображения с точкой интереса, расположенной на основании облака, которую можно однозначно идентифицировать на изображениях. В отличие от известного, в предлагаемом способе с помощью одного фотоприемника через определенные промежутки времени получают изображения с точкой интереса, расположенной на основании равномерно движущегося облака, определяют по изображениям линейные y' и y' и угловые α и α размеры видимого смещения точки интереса, зенитные углы линий визирования β и β точки интереса и зенитный угол δ видимого смещения точки интереса, после чего определяют высоту нижней границы облачности по формуле
где  фокусное расстояние оптической системы фотоприемника,
- коэффициент отношения линейных размеров видимого смещения точки интереса,
- коэффициент отношения косинусов углов наблюдения точки интереса.
Сравнение заявляемого способа с прототипом позволило установить соответствие их условию "новизна". При сравнении заявляемого способа с другими известными техническими решениями не выявлены сходные признаки, что позволяет сделать вывод о соответствии условию "изобретательский уровень".
1
2
Сущность изобретения заключается в следующем. Пусть два предмета АВ и CD одинакового размера у расположены на одной линии с точкой Z и на одном расстоянии α от плоскости наблюдения (параллельны ей) с соответствующими углами отклонения β и β от перпендикуляра HZ из точки наблюдения H, лежащей на плоскости наблюдения (Фиг. 1).
1
1
1,
1
2
1
2
2
1
1
При этом предмет АВ будет иметь видимый угловой размер α, что эквивалентно наблюдению предмета АВ размером y перпендикулярного линии визирования НА и находящегося на расстоянии α от точки наблюдения Н, а предмет CD будет иметь видимый угловой размер α, что эквивалентно наблюдению предмета CD размером γ, перпендикулярного линии визирования НС и находящегося на расстоянии α от точки наблюдения Н. Для треугольников АВВ и CDD по теореме синусов имеем
Кроме того, для треугольников HZA и HZC имеем
1
1
1
2
1
2
1
2
Совместим линии визирования НА и НС с перпендикуляром HZ и положим, что плоскость наблюдения является главной плоскостью оптической системы с фокусным расстоянием  а предметы АВ и CD размерами y и y находятся в пространстве предметов на расстоянии соответственно α и α от главной точки оптической системы Н. Тогда в пространстве изображений будут сформированы изображения  и  размерами y' и y' (Фиг. 2).
Используя законы геометрической оптики в части зависимости между положением и размером предмета и его изображением [2], можно записать
1
2
Прировняв (1) и (3) соответственно по y и y и выразив y, получаем
Приравняв уравнения (4) по у и учитывая (2), получаем
откуда расстояние от главной точки оптической системы И до точки Z определяется как
Способ поясняется примерами.
1
2
1
2
1
2
Пример 1. Для определения высоты нижней границы облачности по панорамным изображениям всего небосвода, с помощью цветной телевизионной камеры МВК-1653ц (БайтЭрг, Россия) через равные промежутки времени получаем три изображения с одной точкой интереса, расположенной на основании равномерно движущегося облака (Фиг. 3), видимое смещение которой образует изображения  и  с общей точкой  размерами y' и y' (Фиг. 4). Определив углы α, α, β, и β по (6) определяем расстояние α, а высоту нижней границы облачности определяем как
где δ - зенитный угол видимого смещения точки интереса.
1
2
1
2
1
2
Пример 2. Для определения высоты нижней границы облачности по панорамным изображениям всего небосвода, с помощью цветной телевизионной камеры МВК-1653ц (БайтЭрг, Россия) через равные промежутки времени получаем два изображения с двумя точками интереса, расположенными на основании равномерно движущегося облака (Фиг. 5) и образующими собой изображения  и  размерами y' и y' одного и того же протяженного объекта. Определив углы α, α, β, β и δ по (6) и (7) рассчитываем высоту нижней границы облачности h.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать информацию о высоте нижней границы облачности как о расстоянии от плоскости наблюдения до точек интереса, расположенных на основании равномерно движущегося облака. Преимущество изобретения состоит в том, что процесс измерения высоты нижней границы облачности упрощается за счет использования только одного фотоприемника и повышается удобство эксплуатации используемого оборудования.
Использованные источники
1. Allmen М., Kegelmeyer W. The computation of cloud-base height from paired whole-sky imaging cameras. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology (1996) 13(1)97-113.
DOI:10.1175/1520-0426(1996)013<0097:TCOCBH>2.0.CO;2.
2. Заказное H. П. Прикладная геометрическая оптика. M.: Машиностроение, 1984. - 184 с.