СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ ВИДИМОСТИ В СЛОЖНЫХ МЕТЕОУСЛОВИЯХ
METHOD FOR DETERMINING THE METEOROLOGICAL RANGE OF VISIBILITY IN DIFFICULT WEATHER CONDITIONS

Изобретение относится к области оптики и служит для измерения метеорологической дальности видимости (МДВ) в атмосфере в сложных метеорологических условиях (СМУ).
Аналогом предлагаемого технического решения является «Визуальный способ определения наклонной дальности движущимся наблюдателем», патент RU 2326348 С2, опубликовано 10.06.2008 Бюл. №16. Принципиальный недостаток этого способа - невозможность определения наклонной дальности видимости с борта летательного аппарата в сложных метеорологических условиях, т.к. пилот, визуально не видя полосы, не видит и расположенных на ней маркеров.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению (прототип) является способ измерения метеорологической дальности видимости, основанный на измерении ослабления калиброванного светового пучка слоем атмосферы [см., например, И.Я. Рацимор. Наклонная видимость. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 6-8, 82-84; 67-71].
Недостатком способа является низкая точность измерения в сложных метеоусловиях, обусловленная дополнительной засветкой приемника за счет рассеянного солнечного излучения.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения МДВ в сложных метеорологических условиях.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе измерения метеорологической дальности видимости, основанный на измерении ослабления калиброванного светового пучка слоем атмосферы, согласно изобретению, дополнительно измеряют интенсивность шума атмосферы.
Сущность изобретения заключается в том, что за счет измерения интенсивности шума атмосферы определяется метеорологическая дальность видимости в сложных метеоусловиях по формуле:
0
пр
ш
где Ф - интенсивность неослабленного видимого светового пучка, лм, Ф -интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником, Ф - интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником, r - величина расстояния между излучательным блоком и блоком приемника, м.
Известный способ измерения метеорологической дальности видимости (МДВ) основан на измерении ослабления калиброванного светового пучка слоем атмосферы [Л.Т. Матвеев. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, с. 165-175; 472-474. И.Я. Рацимор. Наклонная видимость. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 6-8, 82-84; 67-71]. Ослабление светового пучка определяется законом Бугера-Ламберта:
0
где Ф - интенсивность неослабленного видимого светового пучка, лм; r - величина расстояния между излучательным блоком и блоком приемника, м; μ - коэффициент ослабления видимого излучения, 1/м.
Коэффициент пропуская излучения атмосферой определяется по формуле:
МДВ вычисляется по формуле Кошмидера [см., например, И.Я. Рацимор. Наклонная видимость. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 6-8, 82-84; 67-71]:
где ε=0,05 - средняя контрастная чувствительность глаза человека.
Этот способ измерения МДВ используется во всех современных измерителях дальности видимости [Измеритель дальности видимости ФИ-3. Руководство по эксплуатации ИКШЮ.201112.002 РЭ (Ю-34.12209 РЭ)].
Недостатком известного способа является низкая точность определения метеорологической дальности видимости в сложных метеоусловиях при низком отношении сигнал/шум в приемнике. То есть должна учитываться дополнительная шумовая засветка приемника атмосферой.
Реально интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником, равна:
ш
В пределе минимальная интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником Ф, определяется тепловым шумом датчика фотоприемника.
Тогда:
Откуда получаем
см
Окончательно МДВ с учетом засветки фотоприемника атмосферой вычисляется по следующей формуле метеорологическая дальность видимости в сложных метеоусловиях (МДВ):
где  - отношение сигнал/шум приемника.
ш
см
Если Ф → 0, то предлагаемый способ измерения МДМВ сводится к известному.
Покажем, что не учет шума приемника приводит к значительным ошибкам измерения МДВ, особенно при большом уровне шумовой засветки приемника и его низкой чувствительности.
Пусть измерения производятся измерителем дальности видимости ФИ-3 на базе r=35 м. Тогда согласно формуле Кошмидера при τ=0,91
По предлагаемому способу вычисления МДВ с учетом атмосферной засветки в СМУ для того же значения 1/τ=1,1 и низком отношении сигнал/шум приемника m=5 имеем:
При существенном повышении чувствительности приемника, например до уровня m=20, получаем:
Но и здесь ошибка измерения МДВ составляет 391 м, что весьма критично при посадке на пределе минимума пилота.
То есть, для достоверного измерения МДВ в СМУ известным способом отношение сигнал/шум приемника должно быть не менее m=100. Для этого в измерителе дальности видимости используется высокочувствительный фотоприемник, и технически до минимальных значений уменьшена засветка фотоприемника атмосферой.
Реализация этих требований приводит к чрезвычайно сложным техническим решениям в конструкциях измерителей дальности видимости, основанных на формуле Кошмидера [Измеритель дальности видимости ФИ-3. Руководство по эксплуатации ИКШЮ.201112.002 РЭ (Ю-34.12209 РЭ)].
Способ, реализующий заявляемое техническое решение, основан на использовании блок-схемы, состоящей из трех блоков (фиг. 1):
1. Излучательный блок (1), состоящий из некогерентного источника видимого света, например светодиода, и коллимирующего объектива.
2. Приемный блок (2), состоящий из объектива, фокусирующего ослабленное атмосферой излучение на фотоприемнике.
3. Вычислительный блок (3), определяющий МДВ в сложных метеоусловиях.
Технический результат изобретения достигается следующей последовательностью действий с использованием основных базовых блоков:
ш
1. При выключенном излучении светодиода приемным блоком измеряется интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником Ф.
0
2. Вблизи излучательного блока измеряется интенсивность неослабленного видимого светового пучка Ф, создаваемого светодиодом, расположенным в фокусе коллимирующего пучок объектива.
пр
3. На фиксированном расстоянии г от излучательного блока устанавливается приемный блок, содержащий объектив, диаметр которого не менее ширины коллимированного пучка света, который фокусирует ослабленное слоем атмосферы излучение на фотоприемнике, и измеряется интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником Ф.
0
ш
пр
см
4. Сигналы Ф, Ф, Ф, а также величина расстояния г между излучательным блоком и блоком приемника подаются в вычислительный блок, вычисляющей истинное значение МДВ по формуле (7) с учетом шума атмосферы.
0
ш
пр
cм.
Отметим, что предлагаемый способ может быть реализован при определенной наклонной дальности видимости летчиком с борта летательного аппарата. При этом излучательный блок, обеспечивающий модулированное видимое излучение, размещается на аэродроме. Там же измеряется величина Ф. На подходе к аэродрому, до того, как на земле включен излучатель, измеряется интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником Ф. После включения излучателя измеряется интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником Ф. В вычислительном блоке производятся вычисления величины наклонной дальности видимости МДВ В СМУ эта величина дает более точный результат, чем горизонтальная МДВ, измеренная на аэродроме, что обеспечивает более высокую надежность посадки в СМУ.