Измеритель метеорологической дальности видимости

 

Использование: оптико-электронное приборостроение, метеорологии и навигации . Сущность изобретения: устройство содержит лазер с блоком управления, приемо-передающую оптическую систему, датчик опорного импульса, оптически сопряженный с лазером, счетчик, генератор счетных импульсов, запускающий счетчик, три схемы сравнения кодов, три регистра памяти, фотоприемное устройство, оптически сопряженное с приемопередающей оптической системой, логарифмический усилитель и на выходе фотоприемного устройства , два управляемых интегратора, два блока памяти, запоминающие выходные сигналы управляемых интеграторов, схемувычитания, три цифроаналоговых преобразователя ЦАП на выходах соответствующих регистров памяти, три логарифмических усилителя, подключенных к выходу соответствующих ЦАП, квадратор, подключенный к выходу схемы вычитания, два сумматора, два интегратора, пять перемножителей, аналого-цифровой преобразователь и источник эталонного сигнала. 1 ил.

Вэемен ранее мэлэнного

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (si>s G01 J f 44

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф с

° ° О <

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

1 (21) 4867837/26 (22) 21.09,90 (46) 30.12.92, Бюл. hk 48 (71) Производственное объединение "Уральский оптико-механический завод" (72) А.С, Дунаев (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ ВИДИМОСТИ (57) Использование: оптико-электронное приборостроение, метеорологии и навигации. Сущность изобретения: устройство содержит лазер с блоком управления, приемо-передающую оптическую систекф; датчик опорного импульса, оптйческй со пряженный с лазером. счетчик, генератор счетных импульсов, запускающий счетчик, 2 три схемы сравнения кодов, три регистра памяти, фотоприемное устройство, оптически сопряженное с прйемо-передающей оптической системой, логарифмический усилитель и на выходе фотоприемного устройства, два управляемых интегратора, два блока памяти, запоминающие выходные сигналы управляемых интеграторов, схемувычитания, три цифроаналоговых преобразователя ЦАП на выходах соответствующих регистров памяти, три логарифмических усилителя, подключенйых It выходу сбответствующих ЦАП, квадрэтор, подключенный к вйходу схемы вычитания, два сумматора, два интегратора, пять перемножителей, аналого-цифровой преобразователь и источник эталонного сигнала. 1 ил.

1784843

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и.может быть использовэно в метеорологии и навигации.

Известен прибор для измерения оптической прозрачности по заявке ФРГ N.

3309838, G 01 N 21/59, 1984, содержащий . последовательно соединенные источник света и передающую оптическую систему, отражатель, оптически сопряженный с передающей оптической системой, последовательно соединенные приемную оптическую систему, сопряженную с отражателем, фотоприемник и блок электронной обработки. Недостатки известного устройства вытекают из необходимоСти использо- вания в нем отражателя. Такимй недостатками являются: громоздкость конструкции, ограниченный диапазон применения, продолжительйое время подготовительных работ, связанное с установкой отражателя и ориентацией приемо- передающего устройства в направлении на отражатель.

Известно устройство для определения .:прозрачности оптической среды, взятое в качестве прототипа, по авторскому свидетельству СССР М 1404837, 6 01 J 1/04, 1987, содержащее последовательно соединенйые задающий генератор, источник излучения, *ередающую оптическую систему и два угблковых отражателя, установленные на границах исследуемого участка оптической среды, последовательно соединенные приемную оптическую систему, оптически сопряженную с уголковыми отражателями, фотоприемник и коммутатор, к выходам которого подключены два интегратора, а также схему деления, подкл юченную входами к выходам интеграторов, и линию задержки, подключенную к управляющим входам обоих интеграторов.

Наличие уголковых отражателей î прототипе приводит к громоздкости конструкции, ограниченному диапазону высот применения, продолжительности подготовительных работ, связанной с установкой отражателей нэ заданные расстояния и ориентацией приемо-передающего устройства в направлении на отражатели.

Целью изобретения является упрощение конструкции, связанное с исключением из устройства уголковых отражателей.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные лазер с блоком управления и передающую оптическую систему, последовательно соединенные приемную оптическую систему и фотоприемник, введены соответствующие блоки и узлы, позволяющие по изменению мощности обратного рассеяния оценить метеорологическую дальность видимости. В основу работы устройства по данному изобретению положено уравнение лазерной локации рассеиваю5 щей среды, которое для горизонтальной трассы принимает вид:

Р(0)=РоА — дп gnp 0 уехр(— 2е О)/0, 10 (1) где P(D) — мощность принимаемого импульсного сигнала однократного рассеяния с расстояния О от лазера;

Ро — мощность зондирующего импульс15 ного излучения лазера, Авх — площадь входного зрачка приемного устройства;

- С вЂ” скорость света; ти — длительность импульса излучения;

20 п, фпр — коэффициенты пропускания оптических систем передатчика и приемника соответственно;

0 - показатель рассеяния; у- модуль вектора индикатрйсы рассе25 яния длй угла 180 ; я = 0 + а — показатель ослабления;

a — показатель поглощения лазерного излучения в атмосфере.

Так как текущая дальность О связана со

g0 временем t соотношением:

0 ct/2, (2) то уравнение (1) можно преобразовать к виду:

Э5 С ги

P(t)2PoAp п 3/пр сг g ехр(— wt)/Р, (3)

Сигнал S(t) на выходе фотоприемника с интегральной чувствительностью описы40 вается выраЖением:

S(t) ехр(- e ct), (4) .

К, t где:М; 2Ро g .Авх — п gnp г g ° с

45 Логарифмическое преобразование выражения (4) дает

InS(t) - Ink - 2Int - act. (5)

Если отсчеты информационного сигнала (5) брать не в отдельные моменты време50 ни, э в отдельные интервалы (ti, 12) и (u, тз), то полученные отсчеты будут усреднены, что вызывает снижение флуктуационной составляющей и повышение точности. Отсчеты I> и Iz в интервалы (t>, u) и (сз, тз)

55 характеризуются соотношениями:

I<- pIns(c)dt =(ь -с1)ьк+

+ 2{t2 — t1 — t2 In + tt Int1) — (g — Я), 1784843

l - Р (пя(С)й = (Ь вЂ” t ) ЬК+

+ 2(тз - tz — тэ Ипэ + lntg) — (Я - Q), Если длительность интервалов ti - tt-тз-tz- Ьц, то разность сигналов:

11- Ь - е.c(ht) + 2tqlm>+ 2ulnu-4тгЬ6. (8)

Известно, что метеорологическая дальность видимости Ом определяется кэк расстояние, на котором стандартный наблюдатель в условиях достаточной освещенности может еще различить объект достаточных размеров, контраст которого относительно фона равен единице. Под стандартным нзблюдением подразумевается наблюдатель, способный воспринимать изображение с некоторым минимальным контрастом Ко, Значение Ом для горизонтальной трассы может быть найдено из уравнения:

Ом - Ь(1/Ко)/ е . (9)

Обычно контраст задают равным 0,02.

Таким образом, определив из (8) значение t, из выражения (9) можно найти метеорологическую дальность видимости DM, Описанный алгоритм реализован в пре оженном устройстве.

На чертеже приведена функциональная схема измерителя метеорологической дальности видимости.

Устройство содержит лазер 1 с блоком

2 управлемия, приемо-передающую оптическую систему 3, датчик 4 опорного импульса, оптически сопряженный с лазером, счетчик 5, обнуление которого осуществляется импульсами датчика 4, генератор счетных импульсов 6, запускающий счетчик S, три схемы 7, 8 и 9 сравнения кодов, три регистра 10, 11 и 12 памяти, фотоприемное устройство 13, оптически сопряженное с приемной оптической системой. логарифмический усилитель 14, преобразующий выходной сигнал фотоприемного устройства

13, двэ управляемых интегратора 15 и 16, два блока 17 и 18 памяти, запоминающие в заданные моменты времеми выходные сиг. налы управляемых интеграторов 15 и.16, схему вычитания 19, три цифроаналоговых преобразователя 20, 21 и 22, преобразующие выходные сигналы регистров памяти

10, 11 и 12 соответственно, три логарифмических усилителя 23, 24 и 25, подключенные к выходу соответствующих цифроаналоговых преобразователей 20. 21 и 22, квадрэтор 26, подключенный к выходу схемы вычитания 19, пять перемножителей 27, 28, 29, 30 и 31, двэ сумматора 32 и 33. двэ интегратора 3№ и 35, аналого-цифровой пре1 образователь 36 и источник 37 эталонного сигнала.

Устройство работает следующим образом. Лазер 1 под воздействием импульса

5 поджига, сформированного в блоке управления 2, вырабатывает оптический импульс, который через приемо-передающую оптическую систему 3 излучается в атмосферу по горизонтальной трассе. В момент иэлуче1р ния лазера 1 датчик 4 формирует опорный импульс, который обнуляет счетчик 5. Счетные импульсы; выработанные генератором

6, подаются ма счетный вход счетчика 5 и изменяют его состоямйе, Текущий цифро15 вой код, выработанный счетчиком 5 и несущий информацию о времени с момента излучения лазером оптического импульса, одновременно подается на три схемы сравнения кодов 7, 8 и 9 и на три регистра памяти

20 10, 11 и 12.

Оптическое излучение обратного рассеяния через приемо-передающую оптическую систему 3 поступает на фотоприемное устройство 13, в котором преобразуется в

25 электрический сигнал (4). Логарифмический усилитель 14 преобразует сигнал S(t) к виду (5)

Пусть t> — момент времени после излучения оптического импульса соответствует цифровому коду N>. 12 — момент времени после излучения оптического импульса соответствует цифровому коду N2. à ta — момент времени после излучения оптического импульса соответствует цифровому коду йэ.

Тогда в момент времени tt схема 7 сравнения кодов вырабатывает импульсы одновременно поступающий на управляющий вход регистра 10 памятй и на первый управляющий вход управляемого интегратора 15.

По этому сигналу в регистр 10 запишется

40 цифровой код. соответствующий моменгу времени t>, а управляемый интегратор 15 будет интегрировать выходной сигнал логарифмического усилителя 14. По истечении некоторого времени hi цифровой код, 45 сформированный счетчиком 5, будет совпадать с цифровым кодом Nz. В момент совпадения кодов схема 8 вырабатывает импульс сравнения, IlO которому в регистр 11 заносится цифровой код, соответствующий мо50 менту времени 1р после получения оптического импульса, а управляемый интегратор 15 закончит имтегрирование информационного сигнала. Поступление выходного сигнала на управляющий вход

Эз блока 17 памяти приведет к тому, что в нем будет содержаться сигнал li (формула 6), выработанный в интеграторе 15.

Поступление же этого сигнала на первый управляющий вход управляемого интегI

7 1784843 """" " 8 ратора 16 приведет к тому, что с"момента ратмой связи Uoc. Перемножйтель 30, сумвремени тз интегратор 16 будет-интегриро- мзтор 32 и интегратор 34 входят в состав вать выходной сигнал логарифмического контура автоматического регулирования. усилителя I4. Поэтому сигнал рассогласования, являюПо истечении времени 2 ht цифровой 5 щийся выходным сигмзлом сумматора 32, код, сформированный счетчиком 5, будет отрабатывается этим контуром. При знвчесовпадэтьсцифровымкодомN3,соответст- - ниисигналарассогласования,равномнулю, вующим моменту времени тз. В момент сон- напряжение Uoc на выходе интегратора 34 падения кодов схема 9 вырабатывает будет"иметь некоторое постоянное змачеимпульс, по которому интегратор 16 закон- 10 ние, после умножения которого в перемно- . чит интегрирование информационного сиг- жителе 30 íà (ht) получится сигнал, нала, а в регистр 12 будет занесен цифровой соответствующий значению U< Следовэкод, соответствующий моменту сз после из- тельно, после отработки сигнала расеогпалучения оптического импульса. Поступле- сования имеет место соотношение: ние выходного сигнала схемы сРавнениЯ 9 15. 0> - Uoc(Ëô),ма управляющий вход блока памяти 18 при--- . из которого следует; ведет к запоминанию в нем сигнала Iz (фор- 0О = О (Ж) . (11) мула 7), выработанного в управляемом Сопоставляя соотношении(11) и(10), заклюинтеграторе 16. В основу построения управ- - чаем, что ляемого интегратора положейо; например. 20 0ОС с. е, (12) использование операционного усилителя, Выработанное напряжение обратной во входной цепи которого включены рези- связи, пропорциональное показателю осстор и электронный ключ, а в цепи обратной лабления, в аналого-цифровом преобразосвязи — конденсатор, Управление электрон- вателе 36 преобразуется в цифровую форму ным ключом осуществляется выходными 25 ипоступаетна первыйвходперемножителя импульсами схемы сравнения кодов. В каче- 31, на другой вход которого подается сигнал стае блоков памяти 17 и 18 могут использо- ОЬ. Перемйожитель 31, сумматор 33 и интегвэться устройства выборки-хранения. ратор 35 входят в состав контура автоматиЦифровые коды, снимаемые с регист- ческого регулирования. Поэтому сигнал ров 10, 11 и 12 в цифроайалоговйх преобра- 30 рассогласования; являющийся выходным зователях преобразуются в аналоговые сигналом сумматора 33, где выходной сигсигналы, которые затем поступают в лога- нал перемножителя 31 сравнивается с этарифмические усилители 23, 24 и 25 соответ- лонным сигналом с In(1/Ko), выработанным стэем но. Коэффициентй усиленйя источником 37, отрабатывается этим контуусилителей 23 и 25 в два раза больше коэф- ром. При значении сигнала рэссоглас фициента усиления логарифмического уси- ния, равном нулю, напряжение Up на лителя 14, а коэффициент усиления выходе интегратора 35 будет иметь мекотологарифмического усилителя 24 — в четыре рое постоянное значение, после умножения раза. Сигналы, сформированные логариф- которого в перемможителе 31 на сигнал мическими усилителями 23, 24 и 25, посту- с е. получится сйгйал, соответствующ и пают на перемножители 27, 28 и 29 эталонномузначениюс In(1/Ko).

40 соответственно. На другой вход этих пере- Следовательно, после отработки сигнамножителей подаются сигналы с соответст- ла рассогласования имеем: вующих регистров памяти 10, 11 и 12. с In(1/Ko)-UD е с, Выходные сигналы перемножителей 27, 28 из которого следует: и 29 вместе с сигналами, содержащимися в 45 Up - In(1/Ko)/е, то 32 г о блоках памяти 17 и 18, поступают нэ сумма- то есть совпадает с фо (9) то есть совпадает с формулой.(9) и означает, тор, где осуществляется их алгебраиче- что сигнал Up соответствует метеорологическое суммирование в соответствии С скойдальности видимости. формулой: Заметим, что перемножители 27, 28, 29, U> -Iq-lz-2t>Int>+4tzfna-2 зЬ з- 50 30 и 31 могут быть выполнены на основе:

- ес(Ж (1o) использования цифроаналогового преобрацифровые коды,. снимаемые с- легист- зователя. — . — . ров 11 и 12, поступают также мэ схему вычи- Из изложенного следует, что для работы тания 19, где вырабатывается их разность предложенного устройства не нужны уголЬ1 - 1з - Q - t2 - t1, найденное значение Ж 55 ковые отражатели. А это значит, что предлоподается нэ квадрзтор26,а затем поступает женное техническое решение будет иметь ой в ма первый вход перемножителя 30, йа вт6- более компактное комструктивн е ро вход которого подается напряженйе об- и содержать приемо-передающее устройст1784843

1О во с блоком электроники, выполняющей указанные выше функции. Вместе с тем предложенное устройство может измерять метеорологическую дальность видимости по горизонтальной трассе в широком диапа- 5 зоне высот и требует значительного сокращения подготовительных работ.

Формула изобретения

Измеритель метеорологической дальности видимости, содержащий лазер с бло- 10 ком управления, оптически сопряженный с приемо-передающей оптической системой и датчиком опорного импульса, фотоприемное устройство, оптически сопряженное с приемо-передающей оптической системой, идваинтегратора, отлича ю щийс я тем, что, с целью упрощения конструкции, в измеритель дополнительно введены два управляемых интегратора, два блока памяти, каждый из которых подключен к выходу со- gp ответствующего управляемого интегратора, два сумматора, источник эталонного сигнала, последовательно соединенные генератор счетных импульсов и счетчик, установочный вход которого соединен с вы- 25 ходом датчика опорного импульса, три параллельные цепи последовательно соединенных регистра памяти, цифроана- логового преобразователя, логарифмического усилителя и перемножителя, второй вход которого подключен к выходу соответствующего регистра памяти, а выход — к соответствующему входу первого сумматора, четвертый логарифмический усилитель, подключенный входом к выходу фотоприемного устройства, а выходом — к информационным входам управляемых интеграторов, три схемы сравнения кодов, каждая из которых подключена входом к выходу счетчика, а выходом — к управляющему входу соответствующего регистра памяти, каждый из которых подключен информационным входом к выходу счетчика, причем выход первой схемы сравнения подключен к первому управляющему входу первого управляемого интегратора. выход второй схемы сравнения подключен к второму управляющему входу первого управляемого интегратора, к первому управляющему входу второго управляемого интегратора и к управляющему входу первого блока памяти, выход третьей схемы сравнения подключен к второму входу второго управляемого интегратора и к управляющему входу второго блока памяти, последовательно соединенные схема вычитания, два входа которой подключены к выходам второго и третьего регистров памяти, квадратор и четвертый перемножитель, подключенный к четвертому входу первого сумматора, пятый и шестой входы которого соединены с выходами блоков памяти. э выход — с входом nepaoro интегратора, подключенного выходом к второму входу четвертого перемножителя, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, подключенный входом к выходу первого интегратора, и пятый перемножитель, выход которого соединен с входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом источника эталонного сигнала, а выход — с входом второго интегратора, выход которого является выходом измерителя и подключен к второму входу пятого перемножения.

1784843

Составитель А.Дунаев

Техред M.Ìîðãeíòàë Корректор М, Керецман

Редактор

П роизеодстеенно-издательский комбинат "Патент", г. Укггород, ул.Гагарина. 101

Заказ 301 Тйраж Подйисное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5