ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ДИСДРОМЕТР

Полезная модель относится к метеорологическому приборостроению и может быть использована для измерения параметров атмосферных осадков, например при решении задач физики атмосферы и агрометеорологии.
Известно устройство для измерения параметров осадков [1], которое содержит две одинаковые оптические системы, каждая из которых состоит из источника плоского луча света с оптическим каналом для транспортировки излучения, на пути которого установлен многоэлементный линейный фотоприемник для регистрации прошедшего излучения, блока обработки и вычисления. Оптические каналы удалены друг от друга по вертикали. Их проекции на горизонтальную плоскость, пересекаясь, образуют прямой угол, при этом, формируется двухуровневая измерительная область, сигналы о затенении элементов передаются в блок обработки и вычисления, размеры частиц определяют по количеству затененных элементов линейного фотоприемника.
К недостаткам такого устройства относится невысокая разрешающая способность обусловленная применением в устройстве теневого метода и размытием теней регистрируемых объектов. Относительная погрешность измерения для средних и крупных (не менее 2 мм) частиц составляет порядка 5% и возрастает при уменьшении их размеров (1 мм и менее). Дополнительные погрешности измерений возникают в случае, когда две частицы или более одновременно пересекают лучи разных измерительных каналов за пределами измерительной площадки. Вероятность такого события составляет не менее 10% при интенсивности осадков 10 мм/час и не менее 20% при интенсивности осадков 100 мм/час. Кроме того, использование линейных фотоприемников не позволяет получать непосредственно изображения частиц. Устройство не может использоваться при низких отрицательных температурах окружающей среды без дополнительной системы подогрева.
Известно устройство для определения микроструктуры осадков [2] включающее в себя источник излучения на базе галогенной лампы; приемник оптического излучения, расположенный под углом 25° в вертикальной плоскости верхней полуплоскости, чувствительным элементом которого является фотодиод и блок аналогово-цифрового преобразователя. Размеры капель определяются в результате анализа индикатрисы рассеяния с применением математической модели капли в виде тела вращения.
Недостатком такого устройства является то, что оно не позволяет получать непосредственно изображение частиц и анализировать их форму, а также измерять размеры частиц (например снежинок), форма которых отлична от тела вращения. Таким образом, устройство не имеет возможности измерения параметров осадков, выпадающих в виде снега, а также смешанных осадков (дождь со снегом).
В качестве прототипа выбрана бортовая цифровая голографическая система для измерения частиц облаков [3]. Система состоит из электрооптического блока, блока подогрева и контроля температуры, блоков хранения и передачи данных. Электрооптический блок состоит из лазера, расширителя пучка, поворотного зеркала, оптических окон, цветного светофильтра для предотвращения нежелательной засветки от сторонних источников света, светопоглощающего ND фильтра, поляризатора и видеокамеры. Система использует голографическую схему регистрации частиц. Блок контроля температуры состоит из термопар и управляемых нагревателей.
3
2
Недостатком данной системы является то, что минимальный и максимальный размер регистрируемых частиц, величина измерительного объема и размер измерительной площадки определяются геометрическими размерами пикселя и CCD сенсора и не подлежат настройке. Система имеет малый измерительный объем (~1 см), малый размер измерительной площадки (~2.1 см) и низкую чувствительность, в результате чего не способна обеспечить регистрацию наличия жидких осадков с минимальной интенсивностью 0.02 мм/час за время, не превышающее 30 секунд согласно требованиям Всемирной метеорологической организации (ВМО), а следовательно не может быть использована в качестве осадкомера.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, является возможность измерения интенсивности и объемов любых видов осадков (дождь, снег, град), в том числе смешанных (например дождь со снегом), снижение погрешностей измерения, при обеспечении высокой чувствительности цифрового голографического дисдрометра, обусловленной большими размерами измерительной площадки и измерительного объема; возможность перенастройки диапазона размеров регистрируемых частиц, величины измерительного объема и размера измерительной площадки; снижение мощности лазерного источника, энергопотребления, стоимости системы, повышение безопасности ее эксплуатации.
Достигается технический результат за счет того, что между видеокамерой и светофильтром помещен объектив, а в качестве светофильтра установлен узкополосный светофильтр, максимум пропускания которого соответствует длине волны лазера.
Как и в прототипе, используется голографическая схема регистрации, однако объектив позволяет перенастраивать и расширить диапазон размеров регистрируемых частиц, величину измерительного объема и размер измерительной площадки независимо от геометрических размеров пикселя и CCD сенсора. Увеличение величины измерительного объема и размера измерительной площадки приводит к повышению чувствительности цифрового голографического дисдрометра.
Кроме того, применение объектива позволяет сместить измерительный объем от элементов конструкции, за счет формирования его виртуальной копии. В результате существенно снижается влияние ветрового недоучета.
Применение голографической схемы регистрации позволяет анализировать форму и получать изображения частичек, находящихся во всем измерительном объеме, который на несколько порядков больше чем у аналогов. В качестве лазерного источника может быть применен как импульсный, так и непрерывный лазер или лазерный диод. Для предотвращения нежелательной засветки от сторонних источников света применен узкополосный светофильтр высокой эффективности, максимум пропускания которого соответствует длине волны лазерного источника. На фиг. 1 приведена общая схема устройства.
Цифровой голографический дисдрометр состоит из электрооптического блока, блока подогрева и контроля температуры, блока хранения и передачи данных 10, корпуса источника 12, корпуса приемника 13, защитных козырьков 14. Электрооптический блок состоит из лазерного источника 1, расширителя пучка 2, окон 3, поляризатора 4, узкополосного светофильтра высокой эффективности 5, объектива 6, видеокамеры 7. Блок контроля температуры состоит из нагревателей 8, датчиков температуры 9 и блока управления 11. Поляризатор 4 может устанавливаться либо в корпусе источника 12, между расширителем пучка 2 и оптическим окном 3, либо в корпусе приемника 13, между объективом 6 и оптическим окном 3, либо в обоих корпусах одновременно.
Работа предлагаемого цифрового голографического дисдрометра, осуществляется следующим образом. Когерентное излучение лазерного источника 1, проходя через расширитель пучка 2 оказывается в пространстве между оптическими окнами 3, формируя таким образом измерительный объем, от размера которого зависит чувствительность дисдрометра. Чем больше измерительный объем и размер измерительной площадки (горизонтальное сечение этого объема), тем выше чувствительность.
Излучение рассеянное на частицах осадков попавших в измерительный объем интерферирует с невозмущенной частью пучка и формирует интерференционную картину (голограмму), которая регистрируется видеокамерой 7 через объектив 6. Применение голографической схемы регистрации позволяет наблюдать частицы осадков во всем измерительном объеме, а не только в фокусной плоскости, как в случае использования некогерентного источника.
Применение объектива позволяет сформировать в необходимом масштабе интерференционную картину на фотоприемной матрице видеокамеры 7. Масштаб подбирается в зависимости от размера пиксела и размера сенсора видеокамеры так, чтобы обеспечить достаточную глубину резкости, чувствительность и разрешающую способность.
Испытания предлагаемого цифрового голографического дисдрометра показали, что его чувствительность достаточна для регистрации осадков с интенсивностью 0.02 мм/час за время, не превышающее 15 секунд. В результате численной обработки полученных цифровых голограмм восстанавливается форма и изображение частиц, находящихся во всем измерительном объеме, измеряются их размеры и количество.
Поскольку пространство между оптическими окнами 3 является открытым, то на фотоприемную матрицу попадает не только когерентное излучение лазерного источника, но и рассеянный свет от сторонних источников, что снижает отношение сигнал/шум. Применение узкополосного светофильтра 5, максимум пропускания которого соответствует длине волны лазерного источника, значительно снижает уровень шума, позволяет использовать лазерный источник низкой мощности (например лазерный диод), повысить безопасность его эксплуатации, снизить энергопотребление и его стоимость.
Время экспозиции должно быть подобрано таким образом, чтобы за это время самые быстрые частицы осадков не успевали сместиться более чем наполовину пиксела с учетом масштаба. Мощность источника выбирают таким образом, чтобы обеспечить наиболее полное использование динамического диапазона фотоприемной матрицы видеокамеры. Точная настройка яркости производится путем поворота поляризатора 4.
Корпуса источника 12 и приемника 13 имеют защитные козырьки 14, которые служат для предотвращения попадания частиц осадков на оптические окна 3.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Кобзев А.А. Оптико-электронный двухканальный измеритель атмосферных осадков: автореферат диссертации канд. тех. наук. - Томск, 2013. - 22 с.
2. Глущенко А.С. Исследование оптических свойств дождевых капель и разработка измерительных средств дистанционного определения микроструктуры осадков: автореферат диссертации канд. тех. наук. - М., 2005. - 16 с.
3. Fugal J.P., Shaw R.A., Saw E.W. and Sergeyev A.V. Airborne digital holographic system for cloud particle measurements // Applied Optics, vol. 43, pp. 5987-5995. November 2004.