Оптический способ измерения атмосферных осадков

Авторы патента:

Корольков Владимир Александрович (RU)

G01W1/14 - мерки для определения количества выпадающих осадков (измерение объема вообще G01F)

Владельцы патента RU 2575181:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Сибирский аналитический прибор" (ООО "Сибаналитприбор") (RU)

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения и может быть использовано для расширения области применения оптических осадкомеров. В заявленном оптическом способе измерения атмосферных осадков с помощью источника излучения, линейного сенсора и оптической системы формируют измерительную площадь, размеры которой адаптируют в зависимости от текущей интенсивности осадков, затем регистрируют горизонтальные размеры теней частиц осадков по количеству затененных светочувствительных элементов линейного сенсора, осуществляют передачу потока измерительной информации и вычисление искомых параметров атмосферных осадков. Технический результат - возможность регулирования потока данных, генерируемых оптическим осадкомером, для предотвращения превышения пропускной способности канала связи. 1 ил.

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения и может быть использовано для измерения выпадающих атмосферных осадков.

Известны оптические измерители параметров осадков, работающие на основе метода получения и анализа изображений теней частиц осадков: 2D Video Disdrometer [1]; Измеритель формы и скорости частиц осадков [2]; Оптико-электронный двухканальный измеритель осадков [3].

Метод получения и анализа изображений теней частиц осадков предполагает применение оптической системы, содержащей источник света, приемник на основе многоэлементного массива светочувствительных элементов (линейного сенсора) и другие оптические компоненты для формирования измерительной площади. Измерительная площадь оптических измерителей осадков определяется размерами горизонтальной проекции измерительного канала, через которую проходят все учитываемые частицы осадков. Измерительная площадь оптических измерителей параметров осадков, как правило, не превышает 100 см².

Известные оптические измерители параметров осадков обеспечивают измерение размеров горизонтальных сечений теней частиц осадков, измерение скорости падения частиц осадков, восстановление формы частиц осадков, определение агрегатного состояния частиц осадков, получение спектров распределения частиц осадков по размерам и скоростям, а также получение интегральных характеристик: интенсивностей, сумм и т.д.

Известные оптические измерители параметров осадков обладают недостатком, выраженным в отсутствии возможности регулировать поток измерительной информации, который может достигать 40 Мб/с [4] для одного измерительного канала. При необходимости передачи полной информации о микроструктуре осадков на расстояния и по каналу связи с ограниченной пропускной способностью, могут возникнуть затруднения, ограничивающие область применения оптических измерителей параметров осадков.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому техническому решению является способ автоматического измерения параметров дождя и снега [5], основанный на применении метода получения и анализа изображений теней частиц. Оптическое излучение от источника пропускают через оптическую систему и посылают на приемник, выполненный на основе линейного сенсора. Ширина и длина формируемого оптического канала определяет размер измерительной площади. Частицы осадков, проходят через измерительную площадь и производят изменение освещенности линейного сенсора. Аналоговый сигнал с выходов линейного сенсора оцифровывают и преобразуют в поток измерительной информации, на основании которой вычисляют искомые параметры атмосферных осадков: размеры, скорости и величины деформации частиц осадков, распределение частиц осадков по размерам, формам и скоростям, текущую интенсивность и сумму, агрегатное состояние и характер осадков. Особенностью известного способа является то, что при измерении дождя и при измерении снега применяют различную частоту сканирования измерительной площади: 25 кГц и 5 кГц соответственно.

Однако при использовании известного способа возникает проблема обработки и передачи большего потока измерительной информации, генерируемой при высокой интенсивности дождя. Особенно это актуально при необходимости передачи измерительной информации по каналам связи с ограниченной пропускной способностью.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в измерении параметров атмосферных осадков оптическим способом с применением адаптивной измерительной площади. Технический результат - возможность регулирования потока данных, генерируемых оптическим осадкомером, для предотвращения превышения пропускной способности канала связи.

Технический результат достигается тем, что оптический способ измерения параметров атмосферных осадков включает формирование измерительной площади с помощью источника излучения, линейного сенсора и оптической системы, регистрацию горизонтальных размеров теней частиц осадков по количеству затененных светочувствительных элементов линейного сенсора, аналого-цифровое преобразование сигнала, формирование и передачу потока измерительной информации, вычисление искомых параметров атмосферных осадков.

В заявляемом способе предлагается проводить адаптацию размеров измерительной площади за счет изменения ее ширины в зависимости от текущей интенсивности осадков. Для этого осуществляют непрерывный контроль потока измерительной информации. При увеличении (уменьшении) потока измерительной информации производят исключение из рассмотрения (включение в рассмотрение) крайних светочувствительных элементов линейного сенсора. В начальный момент измерений значение размера измерительной площади определяют как S=L·B_s, где L - длина измерительной площади; B_s - максимальная ширина измерительной площади. С изменением количества светочувствительных элементов длина измерительной площади сохраняется неизменной, а ширина определяется количеством и размером рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора. Значение размера измерительной площади при изменении количества светочувствительных элементов определяют по следующему соотношению:

$S = L \cdot N \cdot l \cdot \frac{B_{L}}{B_{S}},$

где N - текущее значение количества рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора; l - размер одного светочувствительного элемента; B_L - суммарный размер всех светочувствительных элементов линейного сенсора. Рассчитанный размер измерительной площади используют для вычисления искомых параметров атмосферных осадков в текущий момент времени.

На рисунке приведена схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит: источник излучения 1, коллиматор 2, объектив приемника 3, адаптивную измерительную площадь 4, оптический линейный сенсор 5, блок первичной обработки 6 и блок вычисления 7.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от источника 1 пропускают через коллиматор 2, формируя в горизонтальной плоскости параллельный световой поток. Световой поток через объектив 3 направляют на линейный сенсор 5, суммарный размер светочувствительных элементов которого составляет B_L. При этом в пространстве формируется измерительная площадь 4. Частица осадков проходит через измерительную площадь 4 и производит изменение освещенности соответствующих светочувствительных элементов сенсора 5. Аналоговый сигнал с выходов сенсора 5 передают в блок 6 для оцифровки и преобразования в поток измерительной информации, который по каналу связи передают в блок 7, где происходит вычисление размеров, скоростей и величин деформации частиц осадков, проведение статистического анализа, получение распределений частиц осадков по размерам, формам и скоростям, вычисление интенсивности, определение агрегатного состояния и характера осадков.

Поток измерительной информации регулируется в блоке 6, который отслеживает объем генерируемой и передаваемой в единицу потока измерительной информации. Размер измерительной площади изменяется за счет изменения ее ширины в зависимости от текущей интенсивности осадков. Для этого осуществляется непрерывный контроль соотношения объема потока измерительной информации и пропускной способности канала передачи данных. Поток измерительной информации может изменяться в пределах от 20% (нижнее пороговое значение) до 80% (верхнее пороговое значение) от пропускной способности канала передачи данных. При увеличении интенсивности осадков и достижении верхнего порогового значения осуществляется уменьшение количества рассматриваемых светочувствительных элементов на краях линейного сенсора на 10% от их общего количества, при этом происходит уменьшение измерительной площади S. Эта процедура повторяется до тех пор, пока поток измерительной информации не станет ниже относительно верхнего порога. При последующем уменьшении интенсивности осадков происходит достижение нижнего порогового значения, осуществляется увеличение количества рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора на 10% от их общего количества, при этом происходит увеличение измерительной площади S. Эта процедура повторяется до тех пор, пока поток измерительной информации не превысит нижний порог. В случае дальнейшего уменьшения интенсивности данная процедура продолжается до достижения максимально возможного числа рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора.

Значение размера измерительной площади при изменении количества светочувствительных элементов определяют по следующему соотношению:

$S = L \cdot N \cdot l \cdot \frac{B_{L}}{B_{S}},$

где L - длина измерительной площади, N - текущее значение количества рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора; l - размер одного светочувствительного элемента; B_L - суммарный размер всех светочувствительных элементов линейного сенсора B_S - максимальная ширина измерительной площади.

Информация об изменении величины измерительной площади передается в блок 7 для введения поправок в процедуры расчета искомых параметров атмосферных осадков.

Литература

1. Kruger A., Krajewski W.F. Two-Dimensional Video Disdrometer: A Description // J. Atmos. Oceanic Technol. 2002. V. 19. P. 602-617.

2. Barthazy E., Goke S., Schefold R., Hogl D. An Optical Array Instrument for Shape and Fall Velocity Measurements of Hydrometeors // J. Atmos. Oceanic Technol. - 2004. - V. 21. - P. 1400-1416.

3. Пат. 119898, Российская Федерация. МПК G01W 1/14. Оптико-электронный двухканальный измеритель осадков / Азбукин А.А., Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А. №2012100082/28; заявл. 10.01.2012; опубл. 27.08.2012. Бюл. №24. - 1 с.

4. Schonhuber, М, Lammer, G., and Randeu, W.L. One decade of imaging precipitation measurement by 2D-video-distrometer [Электронный ресурс]: An Open Access Journal for Refereed Proceedings and Special Publications // Adv. Geosci. N 10. P. 89. URL: 10/85/2007/adgeo-10-85-2007.pdf (дата обращения: 12.05.2014).

5. Пат. №CN103033857 A, Китайская народная республика. МПК G01W 1/14. Rainfall and snowfall automatic observation method based on parallel light large visual field / Gao Taichang, Jiang Zhidong, Liu Lei, Liu Xichuan, Su Xiaoyong, Zhai Dongli, Zhao Shijun. №201210569814; заявл. 25.12.2012; опубл. 10.04.2013.

Оптический способ измерения атмосферных осадков, включающий формирование измерительной площади с помощью источника излучения, линейного сенсора и оптической системы, регистрацию горизонтальных размеров теней частиц осадков по количеству затененных светочувствительных элементов линейного сенсора, аналого-цифровое преобразование сигнала, формирование и передачу потока измерительной информации, вычисление искомых параметров атмосферных осадков, отличающийся тем, что проводят адаптацию размеров измерительной площади в зависимости от текущей интенсивности осадков, для чего осуществляют непрерывный контроль потока измерительной информации и при его увеличении (уменьшении) производят исключение из рассмотрения (включение в рассмотрение) крайних светочувствительных элементов линейного сенсора, при этом соответствующее значение размера измерительной площади определяют по следующему соотношению:

где L - длина измерительной площади, N - текущее значение количества рассматриваемых светочувствительных элементов линейного сенсора; l - размер одного светочувствительного элемента; B_L - суммарный размер всех светочувствительных элементов линейного сенсора; B_S - максимальная ширина измерительной площади.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для измерения нарастающих отложений сублимационного льда-инея на поверхности снежного покрова.

Способ определения толщины снежного покрова в лавинных очагах // 2547000

Изобретение относится к способам дистанционного определения толщины снежного покрова и может быть использовано с целью прогнозирования лавинной опасности. Сущность: последовательно проводят летние и зимние зондирования склона с использованием лазерного дальномера.

Датчик высоты снежного покрова // 2542598

Датчик высоты снежного покрова относится к метеорологическому приборостроению и предназначен для использования в автоматических и дистанционных метеорологических станциях для оперативного измерения высоты снежного покрова.

Способ определения абсолютных энергетических характеристик дождя и система контроля для его осуществления // 2525145

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для оценки качества полива и оценки работы поливной техники. Сущность: на участке дождевания устанавливают фотоэлектрический датчик системы контроля.

Способ определения прироста толщины снежного покрова на лавиноопасных склонах // 2476912

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для дистанционного контроля прироста толщины снежного покрова на лавиноопасных склонах. .

Способ радиационного мониторинга экосистем по измерению радиоактивности снежного покрова при проведении снегомерной съемки // 2188442

Изобретение относится к экологическому контролю. .

Способ измерения осадков // 2097798

Изобретение относится к области радиолокационной метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности и суммарного количества выпадающих осадков.

Индикатор атмосферных осадков // 2097797

Изобретение относится к метеорологическому приборостроению и может быть использовано в автоматических и дистанционных метеорологических станциях оперативного измерения интенсивности осадков.

Автоматический осадкомер // 2054703

Изобретение относится к гидрометеорологическому приборостроению и предназначено для измерения количества атмосферных осадков и интенсивности их выпадения. .

Плювиограф // 2034316

Способ определения интенсивности осадков в реальном времени в авиационных системах улучшенного видения // 2611696

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности осадков в реальном времени в авиационных системах улучшенного видения. Сущность: получают видеоизображение посредством телевизионной камеры видимого диапазона спектра. Производят цифровую обработку видеоизображения. Анализируя полученные в результате обработки видеоизображения данные, определяют наличие осадков. Причем на этапе цифровой обработки обрабатывают один кадр видеоизображения с помощью бортовой цифровой вычислительной машины, выполняя при этом следующие операции: поиск векторов градиента функции изображения в каждой точке изображения; построение ориентированной гистограммы двумерного поля градиентов функции изображения; определение преимущественного направления вектора градиента функции изображения; поиск границ, соответствующих преимущественному направлению вектора градиента функции изображения; свертку изображения с двумерным вейвлетом Хаара для детектирования линий; определение интенсивности осадков. Технический результат: повышение быстродействия и уменьшение требуемого объема оперативной памяти для осуществления обработки и анализа видеопотока, а также снижение массогабаритных характеристик бортовой аппаратуры. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ калибровки оптического измерителя осадков // 2617033

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для калибровки оптического измерителя осадков. Заявленный способ калибровки осуществляют с помощью непрозрачного стержня круглого поперечного сечения, который перемещают через оптический канал под прямым углом к направлению светового потока с сохранением ортогональности оси стержня относительно плоскости оптического канала на всем пути следования стержня, при этом значение поправки для каждого из выделенных участков рассчитываются по формуле: где ki - значение поправочного коэффициента для i-го участка оптического канала, Dc - диаметр стержня, - среднее измеренное значение диметра стержня, полученное при его перемещении в участке i. Технический результат - устранение погрешности определения размеров частиц осадков, вызванной неоднородностью светового потока в оптическом канале. 2 ил.

Датчик уровня высоты снежного покрова для оценки лавинной опасности // 2617146

Изобретение относится к устройствам для определения толщины снежного покрова и может быть использовано для оценки лавинной опасности и определения снегонакопления в горах. Сущность: датчик высоты снежного покрова состоит из жесткого пластикового корпуса (1) с крышкой (2) в верхней его части и острым нижним наконечником (11). В верхней части корпуса (1) закреплена антенна (3). Внутри корпуса (1) расположены GPS-приемник (4), компас (5), гироскоп (6), цепочка датчиков (7) температуры, радиомодем (8), контроллер (9), блок (10) автономного питания. Выходы GPS-приемника (4), компаса (5), гироскопа (6) и датчиков (7) температуры соединены с контроллером (9). Технический результат: обеспечение автономного функционирования, усиление прочности конструкции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для подсчета количества капель // 2620168

Изобретение относится к области лабораторного оборудования, используемого при изучении процессов капельно-дождевой эрозии почв, и может быть использовано при исследовании почвенных образцов в процессе изучения протекающих эрозионных процессов. Устройство для подсчета количества капель включает: кожух с отверстием, диэлектрическую панель, два соединенных между собой осью кронштейна, контактную пластину, коромысло, расположенное на оси, источник тока и регистратор. Один из кронштейнов выполнен с возможностью подключения к источнику тока. Кронштейны и контактная пластина закреплены на диэлектрической панели, которая размещена внутри кожуха, а коромысло свободно расположено на оси таким образом, что одно его плечо выступает из отверстия кожуха, а второе плечо расположено с возможностью соприкосновения с контактной пластиной, при этом регистратор соединен с контактной пластиной и источником тока. Изобретение обеспечивает высокую чувствительность устройства при отсутствии накопления упавших капель на поверхности контактного элемента, в результате чего исключается возможность получения ложного результата. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

Способ оценки интенсивности дождя по данным измерений спутникового микроволнового радиометра amsr2 // 2627568

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интенсивности дождя над территориями океана, свободными ото льда. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 6.9 ГГц горизонтальной поляризации и 6.9 ГГц вертикальной поляризации, 7.3 ГГц горизонтальной поляризации и 7.3 ГГц вертикальной поляризации, 10.65 ГГц горизонтальной поляризации и 10.65 ГГц вертикальной поляризации. Вычисляют интенсивность дождя с использованием зависимости, учитывающей разницу радиояркостных температур и коэффициенты настроенной Нейронной Сети. При этом численные значения упомянутых коэффициентов получают математическим моделированием уходящего излучения системы Океан - Атмосфера в условиях осадков и проведением численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи. Причем при моделировании излучения применяют уточненные модели ослабления микроволнового излучения молекулярными газами и жидкокапельной влагой в облаках и осадках, а также новую параметризацию излучения океана. Технический результат: повышение точности оценки, расширение диапазона условий применения.

Анализатор снегонакопления // 2640752

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения и может быть использовано для анализа снегонакопления на лавиноопасных участках. Сущность: анализатор снегонакопления включает в себя ряд опорных конструкций и принимающую плату (1) обработки и анализа данных, общую для всех опорных конструкций. Каждая опорная конструкция представляет собой стойку фиксации с передатчиком-приемником (2) и с открытой полимерной поверхностью (4), на которой закреплен датчик (3) потенциала электростатического поля. Указанный датчик (3) выполнен с возможностью непрерывной передачи через устройство “передатчик-приемник” (2) сигнала о величине потенциала электростатического поля, образуемого метелевым снегом, на принимающую плату (1) обработки и анализа данных. Принимающая плата (1) обработки и анализа данных выполнена с возможностью систематизации показателей потенциала электростатического поля снежных поверхностей. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.