Светолокаціонний вимірювач висоти нижньої межі хмар

Светолокаціонний вимірювач висоти нижньої межі хмар відноситься до вимірювання оптичних характеристик атмосфери з метою визначення висоти виявлення злітно-посадкової смуги (ЗПС) в інтересах метеорологічного забезпечення польотів авіації. Светолокаціонний вимірювач висоти нижньої межі хмар містить випромінювач і приймач світлових імпульсів, оптичну систему, формувач імпульсів, що запускають, хронізатора, блок обробки ехо-сигналів і вимірювач часових інтервалів, керуючий перетворювач і блок статистичної обробки результатів вимірювань, що містить схему управління і з'єднані послідовності першого запам'ятовують пристрій , пристрій зчитування та перезапису, друге пристрій і буферне пристрій. Керуючі виходи першого і другого запам'ятовуючих пристроїв, пристрої зчитування і перезапису, буферного пристрою з'єднані з виходом схеми управління, вхід якої пов'язаний з виходом хронізатора. Вхід першого пристрою, що запам'ятовує пов'язаний з виходом вимірювача часових інтервалів і першим виходом пристрою. Вихід буферного пристрою пов'язаний з входом керуючого перетворювача і є другим виходом пристрою. Вихід керуючого перетворювача з'єднаний з керуючим входом формувача імпульсів, що запускають. Винахід дозволяє підвищити точність вимірювань при наявності обмеженого ресурсу роботи випромінювача і зменшити щільність його випромінювання до безпечних для ока величин. 2 мул.

Винахід відноситься до приладобудування, а саме до техніки вимірювання оптичних характеристик атмосфери з метою визначення висоти виявлення злітно-посадкової смуги (ЗПС) в інтересах метеорологічного забезпечення польотів авіації. В даний час в практиці метеорологічного забезпечення польотів авіації висота виявлення ВПП оцінюється за результатами вимірювань висоти нижньої межі хмар.

Широке поширення у вітчизняній і зарубіжній практиці набули светолокаціонние вимірювачі висоти хмар, що використовують в якості випромінювача твердотільний лазер [1]. Такі прилади мають велику дальність виявлення хмарних шарів завдяки високій потужності випромінювання. Найбільш близьким за технічною сутністю до заявляється вимірника і обраний в якості прототипу є вимірювач висоти хмар по [2]. Він містить випромінювач світла, приймач світлових ехосигналів, оптичну систему для формування рознесених з паралельними оптичними осями діаграм спрямованості випромінювача і приймача, хронізатора, формувач імпульсів, що запускають лазера, блок обробки ехо-сигналів і вимірювач часових інтервалів (ИВИ). Випромінювач світла направляє імпульс світла до хмарного шару, розсіяний хмарою луна-сигнал щодо зондуючого імпульсу ИВИ формує результат вимірювання дальності в цифровій формі. Для цього ИВИ має вхід для прийому імпульсів від хронізатора, який, в свою чергу, містить фотодіодний перетворювач випромінюваних лазером світлових імпульсів. Прототип має наступні недоліки: 1. Обмежений ресурс роботи лазерного випромінювача. 2. Низький рівень достовірності вимірювань. Завдання винаходу полягає в підвищенні достовірності вимірювання висоти нижньої межі хмар при наявності обмеженого ресурсу роботи лазерного випромінювача. Поставлена ​​задача вирішується в пропонованому светолокаціонном вимірнику нижньої межі хмар, що містить випромінювач і приймач світлових імпульсів, оптичну систему, формувач імпульсів, що запускають, хронізатора, блок обробки ехо-сигналів і вимірювач часових інтервалів. Вихід формувача імпульсів, що запускають з'єднаний з випромінювачем, який через хронізатора пов'язаний з першим входом вимірювача часових інтервалів. Приймач світлових імпульсів через блок обробки ехо-сигналів з'єднаний з другим входом вимірювача часових інтервалів. Пропонований вимірювач відрізняється від прототипу тим, що в нього додатково введені керуючий перетворювач і блок статистичної обробки результатів вимірювань, що містить схему управління і з'єднані послідовності першого запам'ятовують пристрій, пристрій зчитування та перезапису, друге пристрій і буферне пристрій. При цьому керуючі входи першого і другого запам'ятовуючих пристроїв, пристрої зчитування і перезапису, буферного пристрою з'єднані з виходом схеми управління, вхід якої є першим входом блоку статистичної обробки і пов'язаний з виходом хронізатора. Вхід першого пристрою, що запам'ятовує є другим входом блоку статистичної обробки, пов'язаний з виходом вимірювача часових інтервалів і також є першим виходом светолокаціонного вимірювача висоти нижньої межі хмар. Вихід буферного пристрою є виходом блоку статистичної обробки і з'єднаний з входом керуючого перетворювача і є другим виходом светолокаціонного вимірювача висоти нижньої межі хмар. Вихід керуючого перетворювача пов'язаний з керуючим входом формувача імпульсів, що запускають. Суть винаходу пояснена принциповою схемою запропонованого пристрою на фіг. 1 і прикладом реалізації блоку статистичної обробки вимірювань на фіг. 2. Схема пропонованого светолокаціонного вимірювача висоти нижньої межі хмар містить лазерний джерело світлових імпульсів 1, приймач ехосигналів 2, оптичну систему 3, формувач імпульсів, що запускають 4 з керуючим входом, хронізатора 5, блок обробки ехо-сигналів 6, вимірювач часових інтервалів 7, блок статистичної обробки вимірювань 8, містить перші пристрій 9, пристрій зчитування та перезапису 10, друге пристрій 11, вихідний буферний пристрій 12, схему управління 13, і керуючий ін еобразователь 14. На фіг. 2 показаний приклад реалізації блоку статистичної обробки вимірювань 8. Блок 8 містить послідовно з'єднані перший оперативний пристрій (ОЗУ1) 15, схему порівняння 16. другого оперативного пристрій (ОЗУ2) 17, вихідний буферний пристрій 18, схему управління 19. Вихід блоку 8 пов'язаний з керуючим входом формувача імпульсів, що запускають 4 через керуючий перетворювач 14. Блок має інформаційний (вхід ОЗУ1 15) і керуючий (вхід схеми управління 19) входи. Блок 8 може бути реалізований, наприклад, на ОЗУ серії 537, 132a цифрових ІМС серії 1533, 1564. При використанні в складі приладу мікропроцесора або однокристальної ЕОМ алгоритм статистичної обробки може бути реалізований програмно з використанням в якості ОЗУ1 15 і ОЗУ2 17 певних областей ОЗУ процессорной системи. Керуючий перетворювач 14 може бути виконаний, наприклад, у вигляді перетворювача коду на ПЗУ серії 273, 556. Пристрій працює наступним чином. Джерело світла 1 випромінює короткі ( 30 нс) потужні ( 500 кВт) зондувальні імпульси світла в напрямку хмарного шару атмосфери. Період проходження імпульсів визначається формувачем імпульсів, що запускають 4. Розсіяні хмарою луна-сигнали повертаються в приймач 2. Оптична система 3 забезпечує необхідну геометрію діаграм спрямованості випромінювача і приймача [3]. У блоці обробки 6 луна-сигнали посилюються, фільтруються і порівнюється з пороговим рівнем. Сигнал, що перевищує пороговий рівень, надходить на вимірювач часових інтервалів 7, інший вхід якого підключений до хронізатора 5. хронізатора 5 містить фотодіод і формує синхроімпульсів в моменти випромінювання світлових імпульсів джерелом світла 1. За часом запізнювання луна-сигналу, який перевищив пороговий рівень, щодо зондуючого світлового імпульсу вимірювач часових інтервалів 7 формує результат вимірювання в цифровій формі. Вихід вимірювача часових інтервалів 7 є першим виходом пристрою. Результати вимірювань на першому виході пристрою піддаються додаткової статистичної обробки. Перше пристрій 9 реєструє результати вимірювань в хронологічному порядку за поточний інтервал спостереження T. За допомогою пристрою зчитування і перезапису 10 хронологічна послідовність перетворюється в упорядковану вибірку, яка надходить у другу пристрій 11 в порядку зростання (спадання) значень результатів вимірювань. Буферне пристрій 12 забезпечує зчитування результату вимірювання, що відповідає номеру порядкової статистики. Номер порядкової статистики визначає порогом спрацьовування блоку обробки 8. Результат вимірювання, що відповідає номеру порядкової статистики, формується в цифровому вигляді на виході буферного пристрою 12, який є другим виходом вимірювача. З кожним наступним зондирующим сигналом формуються нові вибірки результатів вимірювань, так, що забезпечується ковзний принцип обробки даних. Завдяки статистичної обробки вимірювальна інформація на другому виході носить стійкий характер, так як відображає просторові коливання хмарного шару. На першому виході пристрою відмінності між суміжними результатами вимірювання істотно більше, оскільки відображають коливання висоти хмарного шару в точці простору (над місцем установки приймально-радіаційного блоку). Використовуваний алгоритм обробки дозволяє знизити в кілька разів частоту зондування без зниження достовірності вимірювальної інформації на другому вході. У запропонованому пристрої для реалізації цих переваг передбачена ланцюг зворотного зв'язку з другого виходу пристрою на керуючий вхід формувача імпульсів, що запускають 4 через керуючий перетворювач 14. Керуючий перетворювач 14 забезпечує перетворення вимірювальної інформації на другому виході пристрою в сигнал управління для збільшення періоду проходження зондувальних імпульсів пропорційно висоті хмарного шару, наприклад, відповідно до формули t = tmin + dt (H), де t - період зондування при замкнутому ланцюзі братньою зв'язку, tmin - мінімальне значення періоду зондування - при розірваної ланцюга зворотного зв'язку, dt (H) - зміна (збільшення) періоду зондирующих імпульсів пропорційно різниці між поточним значенням H і деяким граничним значенням Hi, нижче якого частота зондирующих імпульсів залишається незмінною і відповідає періоду tmin. При зміні тривалості періоду зондування t і відповідно періоду спостереження T число зондирующих імпульсів залишається незмінним. Завдяки ланцюга зворотного зв'язку через блок обробки результатів вимірювань 8 вдається виключити різкі коливання в ланцюзі управління частотою зондирующих імпульсів, в кілька разів збільшити термін служби джерела світлових імпульсів за рахунок зниження середньої частоти зондування і забезпечити необхідний рівень достовірності виявлення хмарних шарів, що виникають нижче висоти, реєструється приладом в поточний момент часу. Ці переваги забезпечує використовуваний алгоритм статистичної обробки та вибір порогового рівня порядкової статистики менше 0,5. Наприклад, при пороговому рівні порядкової статистики 0,3 для виявлення нижчого хмарного шару досить трьох ехосигналів від 10 зондирующих світлових імпульсів для того, щоб інформація про це шарі впевнено відбивалася на другому виході пристрою. Якщо ж в хмарному шарі з'явилися розриви, то інформація про висоту цього шару продовжуватиме стійко відображатися на другому виході до тих пір, поки число зондирующих імпульсів, що потрапили в "вікно" (розрив хмари) не перевищує сім з десяти. Більш детально теоретичні обгрунтування цього алгоритму викладені в [4]. З огляду на те, що на першому виході пристрою в розглянутих ситуаціях інформація про висоту хмарного шару змінюється стрибкоподібно від імпульсу до імпульсу, цей вихід використовується як контрольний, для виконання перевірок і проведення досліджень. Представлений на фігурі 2 варіант реалізації блоку статистичної обробки вимірювань 8 працює таким чином. З виходу ИВИ 7 приладу сигнал надходить на вхід ОЗУ1 і записується в черговий осередок ОЗУ1. Використовуваний об'єм ОЗУ1 визначається аналізованих інтервалом спостереження, який більш ніж на порядок величини перевищує період зондирующих світлових імпульсів. Інформація про кожного результаті вимірювання висоти нижньої межі хмар Hi розташовується в ОЗУ1 в хронологічному порядку і черговий результат записується на місце самої останньої записи. В інтервалі між зондувальними імпульсами послідовним порівнянням на цифровий мікросхемі зчитування і перезапису проводиться сортування записаних в ОЗУ результатів вимірювання Hi і розміщення їх в ОЗУ2 у вигляді впорядкованої вибірки не в хронологічному порядку, а в порядку зростання (спадання) значень Hi. Після закінчення сортування з осередку, що відповідає прийнятому порогу порядкової статистики (п) значень Hп записується в вихідний буферний пристрій і надходить на вихід приладу. Схема управління 19 (СУ) забезпечує управління режимами запису інформації в ОЗУ1, алгоритм послідовного порівняння і запам'ятовування ОЗУ2. Збільшення періоду проходження зондувальних імпульсів забезпечується керуючим перетворювачем 14. Література 1. Григор'єв В. М. Лазерні вимірювачі висоти нижньої межі хмар - "Інформаційні матеріали по гідрометеорологічним приладів і методів спостережень", 1976, сб 68 2. Рекламний каталог фірми ASEA, Швеція, Pamphlet TF 54-102 Є. 1973 (прототип) 3. В.Е.Зуев. Лазер-метеоролог, "Гидрометеоиздат", Ленінград, 1974, стор. 37, рис.3 4. Круглов Р. А. Статистичний метод виявлення низької хмарності в системі автоматизованого метеозабезпечення аеродромів. Праці ГГО, випуск 413, 1980.

формула винаходу

Светолокаціонний вимірювач висоти нижньої межі хмар, що містить випромінювач і приймач світлових імпульсів, оптичну систему, формувач імпульсів, що запускають, хронізатора, блок обробки ехо-сигналів і вимірювач часових інтервалів, при цьому вихід формувача імпульсів, що запускають з'єднаний з випромінювачем, який через хронізатора пов'язаний з першим входом вимірювача часових інтервалів, приймач світлових імпульсів через блок обробки ехо-сигналів з'єднаний з другим входом вимірювача часових інтервалів, що відрізняється ті м, що в нього додатково введені керуючий перетворювач і блок статистичної обробки результатів вимірювань, що містить схему управління і з'єднані послідовність перших пристрій, пристрій зчитування та перезапису, друге пристрій і буферне пристрій, при цьому керуючі входи першого і другого запам'ятовуючих пристроїв, пристрої зчитування і перезапису, буферного пристрою з'єднані з виходом схеми управління, вхід якої є першим входом блоку статистичної обробки та зв ' зан з виходом хронізатора, вхід першого пристрою, що запам'ятовує є другим входом блоку статистичної обробки, пов'язаний з виходом вимірювача часових інтервалів і першим виходом светолокаціонного вимірювача висоти нижньої межі хмар, вихід буферного пристрою є виходом блоку статистичної обробки, пов'язаний з входом керуючого перетворювача і є другим виходом светолокаціонного вимірювача висоти нижньої межі хмар, а вихід керуючого перетворювача з'єднаний з керуючим входом формувача імпульсів, що запускають.

МАЛЮНКИ

, малюнок 2