Устройство наблюдения оптического состояния неба в пределах видимой полусферы

Устройство относится к измерительным приборам, в частности к устройствам и приборам для измерения двух или более переменных величин, и может быть использовано для круглосуточного и круглогодичного наблюдения оптического состояния видимой полусферы неба. Устройство может применяться для контроля атмосферно-оптического и метеорологического состояния атмо-сферы.
Известен «Датчик ночной облачности». Датчик содержит объектив, теле- визионную камеру, блок накопления кадров и вычитания фона, блок запомина- ния звездного каталога. В датчик дополнительно введены формирователь теле- визионного массива звезд, формирователь каталожного массива звезд, блок отождествления звезд, вычислитель прозрачности атмосферы, формирователь зон облачности. Вычисление ночной прозрачности атмосферы осуществляется с помощью отождествления блеска телевизионных и каталожных звезд. Техническим результатом является обеспечение работы датчика в автоматическом режиме, повышение объективности и точности оценки ночной облачности. (RU 2436133, Здор С. Е., Колинько В. И.).
Основным недостатком данного датчика является невозможность функционирования в круглосуточном режиме.
Известно AUTOMATIC TOTAL SKY IMAGER MODEL TSI-880 («Автоматическое устройство съемки небосвода»), http://yesinc.com/products/data/tsi880/tsi-880ds.pdf), описанный, в том числе, в работе S.V. Zuev, A.A. Tikhomirov "Cloudiness monitoring for database of local weather", Proc. SPIE 6160, Twelfth Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics/Atmospheric Physics, 61600U (April 21, 2006); doi:10.1117/12.675238. Устройство состоит из сферического зеркала, аналоговой камеры с оцифровкой и обработкой изображения на ЭВМ и защитного экрана с системой слежения за Солнцем. Недостатками устройства являются нестабильность определения балла облачности, обусловленная малой информативностью цветовых признаков изображения и низким пространственным разрешением. Защита от засветок выполнена в виде пластины, которая значительно перекрывает поля зрения системы.
Известно «Устройство для определения общего балла облачности на основе прямых цифровых широкоугольных снимков видимой полусферы неба». Устройство содержит систему регистрации данных в виде цифровой камеры с широкоугольным объективом, блока контроля положения системы регистрации, включающий трехосевой датчик ускорения свободного падения, трехосевой датчик вращения и датчик географического положения, блок управлениярегистрацией и обработки данных. Блок управления регистрацией данных связан цифровыми линиями связи с системой регистрации данных и с блоком контроля положения, последние жестко соединены между собой с образованием единой установки наружного монтажа. Техническим результатом является повышение достоверности, объективности и точности определения общего баллаоблачности, и возможность регистрации видимой пространственной структуры облачности в цифровом формате. (RU 2589463, Криницкий М. А., Гулев С. К., Синицын А. В.).
Недостатком данного устройства является отсутствие защиты от прямых солнечных лучей, которые могут привести к повреждению фотодетектора или к пересвету участка изображения в зоне около Солнца (Луны) и увеличению погрешности определения границ облачного поля.
Известно «Устройство распознавания форм облачности» и ее количества по пространственно-временной структуре излучения в инфракрасной области.
Устройство распознавания форм облачности содержит радиометр, сканирующую систему, систему регистрации и обработки данных (блок регистрации).
Техническим результатом является повышение быстродействия устройства и возможность регистрации полусферического с перестраиваемым разрешением изображения поля излучения облачности для ее распознавания по пространственной структуре (RU 2331853, Третьяков Н.Д., Алленов М. И., Иванов В.Н.).
Недостатками устройства являются: невозможность функционирования в круглосуточном режиме, недостаточные полнота и достоверность результатов, низкая надежность в связи с наличием механического сканирующего устройства, составляющего основу измерителя и включающего быстро вращающиеся детали.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является «ALL SKY IMAGER» (US 2004/0169770 A1, Kevin B., Charles N. Long). Авторы данного изобретения предлагают использовать цифровую камеру с высоким разрешения установленную на солнечный трекер, который следит за положениием солнца. Для защиты камеры от прямых солнечных лучей солнечный трекер оснащен защитным экраном (шаром).
Основным недостатком устройства является неточность определения параметров облачности связанное с большими размерами затеняющего экрана (шар) на регистрируемом изображении неба обусловленное малым расстоянием (600 мм) от центра экрана (шара) до защитного купола. Вторым недостатком является отсутствие постоянной привязки к сторонам света регистрируемых изображений неба вследствие непрерывного отслеживания трекером положения Солнца на небе, а следовательно возникающие неточности при определении координат облачности.
Задачей технического решения является создание устройства для круглосуточного и круглогодичного наблюдения оптического состояния видимой полусферы неба, определения общего балла облачности, и состояния атмосферы на основе широкоугольных снимков высокого разрешения видимой полусферы неба.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности оценки балла облачности по цвету в дневное время и по наличию звезд в ночное время.
Достижение указанного результата обеспечивается тем, что устройство состоит из оптического блока с цифровым фотодетектором со сверхширокоугольным объективом типа «FishEye», размещёнными в климатическом боксе, защитного лунно-солнечного экрана с электромеханическим приводом и ЭВМ для управления и обработки данных.
Сущность полезной модели заключается в том, что для наблюдения оптического состояния неба в пределах видимой полусферы устройство накапливаети обрабатывает изображения неба, полученные цифровым фотодетектором со сверхширокоугольным объективом типа «FishEye» (установленным перед оптическим окном). В качестве защиты от засветок Солнцем днем и Луной ночью входного оптического окна (7) диаметром D используется подвижный лунно-солнечный экран, диаметр которого S на ~40% больше: S = 1.4 D. Расстояние L от центра экрана до центра защитного купола определяется оптимальным видимым угловым размером. Данный размер в полном объеме зачищает оптическую систему от засветки и при этом минимум ограничивает поле обзора фотодетектора. Лунно-солнечный экран выполнен в виде диска на выносной штанге. Положение штанги по азимуту и углу места задается двухосным поворотным блоком. Управление поворотным блоком производится от блока управления, на котором рассчитывается текущее положение Солнца/Луны. Устройство выполнено в герметичном и термостабилизированном корпусе, что позволяет использовать его на открытом воздухе. Обработка изображений и контроль работы устройства осуществляется, посредством ЭВМ.
Все элементы устройства находятся в конструктивном единстве.
Устройство состоит (Фиг. 1) из:
1. Термостабилизированный корпус;
2. Цифровой фотодетектор со сверхширокоугольным объективом типа «FishEye»;
3. Лунно-солнечный экран (ЛСЭ);
4. Двухосный поворотный блок;
5. Блока управления;
6. ЭВМ;
7. Оптическое окно.
Блок-схема устройство наблюдения оптического состояния неба в пределах видимой полусферы приведена на фиг.1.
Принцип работы устройства.
Цифровой фотодетектор со сверхширокоугольным объективом типа «FishEye» (2) с заданной периодичностью производит фотосьемку верхней полусферы неба, изображение передаются на ЭВМ, где в зависимости от времени суток по одному из двух алгоритмов производится оценка общего бала облачности.
Оценка общего балла облачности осуществляется автоматически по набору цветовых и статистических характеристик регистрируемых изображений облачности. Наличие звезд на участке изображения указывает на отсутствие экранирующего объекта (облака). Для защиты фотодетектора от яркого света Солнца/Луны используется подвижный лунно-солнечный экран(3). ЭВМ (6) по координатам место положения устройства и текущего времени автоматически определяет текущее положение Солнца/Луны и передает данные на блок управления (5), который формирует управляющие сигналы и передаёт их на двухосный поворотный блок (4), который перемещает экран в заданное положение.