«МОНОСТАТИЧЕСКИЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАЧНОСТИ ...»

Федеральное государственное бюджетное учреждение наук

и Институт

мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения

Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) и Федеральное государственное

автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный

исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ)

На правах рукописи

Зуев Сергей Викторович

МОНОСТАТИЧЕСКИЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОТЫ

НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАЧНОСТИ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.ф.-м.н., проф. Красненко Н. П.

Томск -

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список условных сокращений....................................... Определения....................................................... Введение.......................................................... Глава 1. Методы и средства определения высоты нижней границы облачности............................................................. 1.1. Классификация и физико-математические основы существующих методов определения высоты нижней границы облачности....................... 1.2. Сравнительный анализ методов определения высоты нижней границы облачности.......................................................... 1.3. Средства измерения высоты нижней границы облачности............. 1.4. Сравнительный анализ средств измерения высоты нижней границы облачности............................................................. Выводы к Главе 1.................................................. Глава 2. Моностатический метод определения высоты нижней границы облачности....................................................... 2.1. Физико-математические основы моностатического метода измерения высоты нижней границы облачности....................................... 2.2. Влияние кривизны Земли и оптических параметров атмосферы на точность измерений......................................................... 2.3. Методика и алгоритм определения высоты нижней границы облачности 2.4. Условия и критерии получения достоверных результатов измерений высоты нижней границы облачности....................................... Выводы к Главе 2................................................... Глава 3. Макет оптико-электронного измерителя................... 3.1. Обоснование выбора варианта исполнения макета оптико-электронного измерителя......................................................... 3.2. Технические характеристики макета оптико-электронного измерителя.. 3.3. Метрологические характеристики макета оптико-электронного измерителя............................................................. Выводы к Главе 3.................................................. Глава 4. Экспериментальное исследование макета оптико-электронного измерителя и анализ полученных данных........................... 4.1. Условия проведения экспериментального исследования макета оптикоэлектронного измерителя........................................... 4.2. Анализ результатов измерений высоты нижней границы облачности... Выводы к Главе 4.................................................. Заключение...................................................... Список использованных источников................................ Приложение 1.................................................... Приложение 2.................................................... Приложение 3.................................................... Приложение 4.................................................... Список условных сокращений ИК – инфракрасный ИФО – измеряемый фрагмент облачности МУК – минимальный уровень конденсации НГО – нижняя граница облачности ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ОКГ – оптический квантовый генератор ОС – оптическая система ПЗС – прибор с зарядовой связью ПК – персональный компьютер ПО – программное обеспечение СВЧ – сверхвысокая частота СИ – средство измерения ОЭИ – оптико-электронный измеритель УКВ ультракороткие волны ФПМ функция передачи модуляции ФРТ функция рассеяния точки ФЭУ фотоэлектронный умножитель Определения Водность облаков – масса капель воды и кристаллов льда, из которых состоят облака в единичном объеме (абсолютная водность, г/м3) или единичной массе (удельная водность, г/кг).

Дальность видимости – это то расстояние, на котором видимый контраст между объектом и фоном становится равным пороговому контрасту человеческого глаза.

Нижняя граница облаков (НГО) – уровень (поверхность) в атмосфере, на котором водность облака, если перемещаться внутри него по вертикали вниз, обращается в нуль. В реальных условиях НГО представляет собой переходной слой толщиной в несколько десятков метров, в котором происходит постепенное уменьшение (потеря) видимости: более быстрое – горизонтальной и более медленное – вертикальной.

Облака – системы взвешенных в атмосфере продуктов конденсации водяного пара – капель воды или кристаллов льда.

Облакомер – прибор для определения высоты нижней и верхней границы облаков, поднимаемый на шаре-зонде.

Облачность – совокупность облаков, наблюдаемых на небосводе в месте наблюдения и их количество в десятых долях покрытия неба.

Центрированная оптическая система – система из произвольного числа линз, оптические оси которых совпадают.

Эксплуатационный метеорологический минимум аэродрома – ограничения использования аэродрома для взлёта и посадки, выражаемые в величинах дальности видимости и параметров облачности.

Введение Актуальность темы. Облака являются важнейшим фактором, определяющим погоду и климат нашей планеты. Будучи одним из составных элементов кругооборота воды в природе, облака участвуют в энергетическом обмене системы планета – атмосфера и в перераспределении тепловой энергии на земном шаре, влияя на радиационный баланс земли. Облака нижнего и среднего ярусов, с высотой нижней границы до 2 км и от 2 до 6 км соответственно, составляют основную массу облачности планеты и оказывают определяющее влияние на динамику вертикальных профилей радиационных изменений температуры, участвуя тем самым в определении соотношения между получаемым теплом и собственным излучением планеты [1–4].

Земная атмосфера находится в непрерывном движении и ее физическое состояние непрерывно изменяется, что связано с участием атмосферы во вращательном движении Земли вокруг Солнца и своей оси и со сложными внутренними процессами. Для изучения физики атмосферы необходимо получение и анализ большого числа параметров ее состояния, таких как температура, давление, количество и высота облаков, плотность и влажность воздуха, скорость ветра, и др. [3].

Решение комплекса проблем, связанных с долговременными изменениями окружающей среды в глобальных, региональных и локальных масштабах под воздействием естественных и антропогенных факторов, является основной практически значимой целью программы климато-экологического мониторинга [5, 6]. Устойчивое развитие любой территории невозможно без проведения анализа информации о климато-экологических изменениях окружающей среды региона. При этом возникает необходимость получения и хранения различной информации, в том числе и метеорологической, которая может обрабатываться с применением геоинформационных систем [7]. Облачность относится к приоритетным объектам изучения в физике атмосферы и климатоэкологического мониторинга. Система мониторинга облачности включает в себя сеть как наземных, так и космических наблюдений, обеспечивающих получение непрерывных рядов наблюдения по основным объектам климатоэкологического мониторинга [4].

В сложном комплексе метеорологических элементов и явлений, участвующих в формировании погоды и климата, облакам принадлежит определяющая роль. Поэтому, большое значение имеет мониторинг параметров облаков, таких как их количество, форма, направление движения и повторяемость на всех ярусах, водность, горизонтальная и вертикальная протяженность и др. Нижняя и верхняя границы облачности относятся к важнейшим параметрам, описывающим состояние облачности в определенные моменты времени. Непрерывные ряды наблюдений высоты нижней и верхней границ облачности, наравне с другими параметрами, характеризующими состояние облачности, используются в синоптико-климатических моделях облачности. Например, в [8] используются осредненные по многолетним данным особенности облачности региона в разное время суток и года.

В настоящее время большое внимание уделяется статистическому анализу состояния облачности в глобальном масштабе по данным наземных и спутниковых измерений, что позволяет более точно оценивать состояние облачности [9, 10]. Кроме того, наряду с глобальными явлениями, облака оказывают существенное влияние на техногенную деятельность человека, связанную с использованием воздушного пространства земли. Так, например, в метеорологическом обеспечении авиации, высота нижней границы облачности, наряду с дальностью видимости, является одним из важнейших параметров в эксплуатационном метеорологическом минимуме аэродромов, определяющем режим их работы [11, 12].

Среди наземных методов мониторинга облачности успешно развивается метод лазерного зондирования атмосферы, обеспечивающий получение профилей или полей различных параметров атмосферы с высоким временным и пространственным разрешением. Тем не менее, только совместное использование активных и пассивных методов может обеспечить максимальный эффект в исследовании атмосферы [13], что связано с наличием известных для каждого метода преимуществ и недостатков.

Целью работы является разработка технических средств и методики получения, обработки и анализа информации о высоте нижней границы облачности по разномасштабным изображениям отдельных фрагментов облаков, направленных на решение задач, связанных с климато-экологическим мониторингом окружающей среды, и научное обоснование нового метода определения высоты нижней границы облачности с использованием оптико-электронных измерительных систем.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Проведения анализа известных методов определения высоты облачности, основанных на разных физических принципах.

2. Научного обоснования моностатического метода определения высоты нижней границы облачности по разномасштабным изображениям ее фрагментов.

3. Разработки методики и алгоритма измерения высоты нижней границы облачности моностатическим методом.

4. Исследования макета оптико-электронного измерителя, реализующего моностатический метод определения высоты нижней границы облачности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработаны теоретические и методологические основы моностатического метода определения высоты нижней границы облачности, направленного на решение задач, связанных со сбором метеорологических данных.

2. Разработаны методика и алгоритм определения высоты нижней границы облачности нижнего яруса моностатическим методом.

3. Обоснованы условия и критерии получения достоверных результатов измерений высоты нижней границы облачности предлагаемым методом.

4. Разработан и экспериментально исследован макет оптико-электронного измерителя, реализующий предложенный алгоритм определения высоты нижней границы облачности.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработанный моностатический метод определения высоты нижней границы облачности позволяет решать задачи климато-экологического мониторинга в части сбора данных о состоянии облачности для научноисследовательских целей, а также удовлетворять потребности народного хозяйства, обороны страны и населения в гидрометеорологической информации, в том числе для обеспечения авиационной безопасности, где данный метеопараметр является одним из важнейших в эксплуатационном метеорологическом минимуме аэродромов.

2. Результаты исследования моностатического метода подтверждают возможность его практического использования для определения высоты нижней границы облачности.

Апробация результатов исследования. Основные положения, научные и экспериментальные результаты работы докладывались на региональных и международных научно-технических конференциях с 2006 по 2011 гг., в том числе на XIII–XVII Международных симпозиумах "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", на V и VI Международных симпозиумах "Контроль и реабилитация окружающей среды", на VII-IX "Cибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу", на Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды "ENVIROMIS-2008", на международной конференции по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде “CITESна XVI и XVII Рабочих группах "Аэрозоли Сибири".

По теме диссертации сделано 11 публикаций, из них 2 статьи опубликованы в отечественных рецензируемых журналах из перечня ВАК, 5 в сборниках материалов международных конференций и 4 в сборниках материалов российских конференций, получено 4 патента на изобретение. Полученные научные и практические результаты были использованы при разработке и создании измерителя нижней границы облачности, входящего в состав Автоматизированной метеорологической информационно-измерительной системы (АМИИС) метеообсерватории ИМКЭС СО РАН (Приложение 4 "Акт о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Зуева Сергея Викторовича").

Работа выполнена в рамках проекта 10 "Комплексный мониторинг современных климатических и экосистемных изменений в Сибири" Программы Президиума РАН № 16 "Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы".

На защиту выносятся:

1. Наземный моностатический метод измерения, позволяющий определять высоту нижней границы облачности в диапазоне от 500 до 1500 м по разномасштабным изображениям ее фрагментов.

2. Методика и алгоритм измерения, позволяющие по разномасштабным изображениям фрагментов облачности определять высоту их нижней границы в диапазоне от 500 до 1500 м с погрешностью, не превышающей 10 %.

3. Результаты экспериментального исследования макета оптикоэлектронного измерителя высоты нижней границы облачности, реализующего предлагаемую методику и алгоритм измерения, подтверждающие основные теоретические положения и выводы.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников из 134-х наименований и 4-х приложений. Работа изложена на 111-ти страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков и 10 таблиц.

Глава 1. Методы и средства определения высоты нижней границы Согласно [14], измерение есть нахождение значения величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Единицей длины является метр, который определяется как длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 с [15]. Высота нижней границы облачности измеряется в единицах длины, поэтому ее определение может производиться теми же методами и приборами, что и определение длины. В этой главе приведена классификация, физико-математические основы существующих методов определения высоты НГО и их сравнительный анализ. Представлены основные характеристики средств измерения высоты НГО.

Классификация и физико-математические основы существующих 1.1.

методов определения высоты нижней границы облачности Методы определения высоты НГО по способу измерения можно классифицировать на контактные и дистанционные [2, 16]. Контактные методы измерения высоты НГО заключаются в непосредственном измерении расстояния с помощью эталонов расстояния и связаны с трудностью доставки носителя мерной величины к НГО. По этой причине контактных измерений в таком понимании при реализации методов измерения параметров облачности практически нет [17]. Поэтому, основное применение находят дистанционные методы измерения, включающие в себя измерительный прибор, не вступающий в контакт с исследуемой средой, необходимую априорную информацию об измеряемом фрагменте облачности и алгоритм получения искомой величины. При этом значение высоты НГО определяется на основании результатов прямых измерений других величин, функционально связанных с искомой величиной.

В общем случае, дистанционные методы измерения основаны на регистрации характеристик различных полей – электромагнитных, магнитных, электрических, акустических, гравитационных, которые несут в себе информацию о параметрах исследуемого объекта. Однако, учитывая особенности взаимодействия различных типов полей с облачными элементами, наиболее оптимальными в применении и в практической реализации являются методы, регистрирующие характеристики электромагнитных полей. Данные методы измерения высоты НГО можно классифицировать по следующим признакам:

– по природе используемого излучения на пассивные и активные методы;

– по основным процессам взаимодействия излучения с исследуемой средой на методы ослабления (поглощения), часто называемые методами прозрачности, методы собственного излучения (путем анализа пространственного расположения яркостной температуры излучения) и методы рефракции (путем определения вертикального профиля влажности атмосферы при известном профиле температуры);

– по времени суток на дневные, круглосуточные и терминаторные методы;

– по используемым носителям на наземные, воздушные и космические.

Используя такую классификацию, предлагаемый метод определения высоты НГО можно определить как пассивный дневной наземный метод, использующий собственное излучение облаков.

На рис. 1.1 приведена классификация методов измерения высоты НГО согласно [2]. Ниже предоставлены краткие описания наиболее часто применяемых в настоящее время методов измерения высоты НГО.

Морфологический метод определения высоты НГО относится к пассивным методам и базируется на анализе формы и количества облаков. Первая морфологическая классификация была разработана в 1803 г. английским метеорологом Люком Ховардом (Luke Howard) и до настоящего времени лежит в основе современной международной классификации облаков. Морфологическая классификация включает в себя 10 основных форм (родов) облаков, которые в свою очередь разделяются на ряд видов и разновидностей. Основным отличиРис. 1.1. Классификация методов измерения высоты НГО тельным признаком при определении формы облаков является их внешний вид и структура. Облака могут располагаться в виде отдельных изолированных масс или сплошного покрова. Их строение может быть однородным, волокнистым, туманообразными и др., а нижняя поверхность — ровной, расчлененной или изорванной. Кроме того, облака могут быть плотными и непрозрачными или тонкими просвечивающими. Все эти признаки характеризуют форму и внешнее строение облаков. По высоте своей нижней границы облака делятся на 4 семейства:

– облака верхнего яруса, располагающиеся на высотах более 6 км;

– облака среднего яруса, располагающиеся на высотах от 2 до 6 км;

– облака нижнего яруса, располагающиеся на высотах до 2 км;

– облака вертикального развития, основания которых располагаются на высоте облаков нижнего яруса, а вершины - на высоте облаков среднего или верхнего ярусов. В таблице 1.1. приведена морфологическая классификация облаков согласно [3, 18–20].

Сущность морфологического метода заключается в определении диапазона высот нижней границы облачности, на которых может располагаться определяемый по приведенным в атласе [20] описаниям и фотографиям тип наблюдаемых облаков.

Также к пассивным относится метод оценки высоты НГО по минимальным уровням конденсации, использующий эмпирические формулы, полученные в разное время У. Феррелем, А.Н. Ипполитовым, Д. Л. Лайхтманом и др.

[3, 4, 21–23, 24].

Известна формула У. Ферреля где H(m)– высота НГО, м;

t – температура воздуха, °C;

Разность температуры воздуха и точки росы называется дефицитом точки росы, поэтому метод часто называется методом дефицита точки росы. Оба параметра Облака верхнего II. Перисто- 2. Кучевообразные (cumuliformis, Облака яруса 2. Кучевообразные (cumuli Образовавшиеся из кучевых облаков Облака нижнего яруса IX. Кучевые (Cu- 2. Средние (mediocris, Cu med.) – измеряются в градусах Цельсия на метеостанции в психрометрической будке на высоте 2 м над поверхностью земли.

Уровень конденсации, и, следовательно, минимальный уровень нижней границы облачности, также можно определить по эмпирической формуле А. Н.

Ипполитова где C и B – эмпирические коэффициенты, зависящие от типа облачности;

f – относительная влажность воздуха, %.

Также известна и применяется формула Д. Л. Лайхтмана где A = 3780 и B = 2,0 – эмпирические коэффициенты (для конвективной облачности);

f – относительная влажность воздуха, %.

Используя формулы (1.1) – (1.3) можно достаточно точно, с отклонением 10–20 % от фактического значения (как правило, в сторону занижения), определять минимально возможную высоту НГО для облаков вертикального развития.

Метод легко реализуется на ЭВМ, вследствие чего часто используется в математических моделях атмосферы [25].

Современное развитие оптико-электронной и вычислительной техники, а также методов обработки и распознавания изображений предопределило появление пассивного бистатического метода измерения высоты НГО [26, 27], в котором для определения высоты НГО используются два оптико-электронных приёмника со стандартными оптическими системами. Принцип работы данного метода заключается в том, что, наблюдая один и тот же фрагмент облачности с двух пространственно разнесенных оптико-электронных приёмников, вычисляют углы визирования (или отклонения от вертикали) и методом триангуляции вычисляют высоту наблюдаемого фрагмента облачности. В [28, 29] используются пары приборов кругового обзора неба Total Sky Imagers (TSI), имеющие в своем составе цифровые фотоприемники со стандартными оптическими системами и подвижные полусферические зеркала диаметром 400 мм с нанесенными на них солнечными блендами [30].

Шаропилотный метод измерения высоты НГО относится к пассивным методам определения высоты НГО и применяется при балле облачности от 5-ти до 10-ти (для максимального исключения вероятности попадания шар-пилота в просвет между облаками). Может применяться как визуальное определение момента исчезновения видимости шар-пилота с помощью теодолита, так и с помощью специальных облакомеров, закрепленных на шар-пилоте, и работающих на фотоэлектрическом или электротехническом принципах [18, 22, 31].

Для этого шар-пилот наполняют гелием или водородом, определяют его вертикальную скорость подъема (порядка 325-ти м/мин) и отпускают в свободный полёт. Замеряя с помощью секундомера время, которое требуется шар-пилоту для достижения облачности, определяют высоту НГО по формуле где v – вертикальная скорость шар-пилота, м/с;

В зависимости от силы ветра, высоты и вида облаков, могут применяться тёмные и светлые оболочки шаров-пилотов объёмом 10, 20 или 30 л. Для наблюдения в тёмное время суток к шар-пилоту прикрепляют небольшой источник света.

Одним из первых среди активных методов определения высоты НГО был прожекторный метод. В нем в качестве носителя информации используется световой луч, сформированный с помощью мощного источника света [18, 21, 32]. Луч прожектора направляют вертикально вверх и с расстояния 150-500 м, называемого базой, измеряют угол наблюдения светового пятна. Затем, методом триангуляции по формуле где s – расстояние от прожектора до угломерного устройства, м;

– угол, под которым виден центр светового пятна на облаке, град;

или по таблицам для определения высот облаков, определяют высоту НГО.

На смену прожекторному методу появился, и до сих пор имеет широкое применение, светолокационный метод [18, 22, 33], заключающийся в измерении временного промежутка, пропорционального удвоенной высоте НГО, между моментами излучения и приёма отражённого от облака светового импульса по формуле где c – скорость света, м/с;

Передатчик посылает световые импульсы с частотой от 1 до 20 Гц, создаваемые импульсной лампой, вертикально вверх. Приемник, расположенный на расстоянии 8-12 м от передатчика, принимает отражённый световой импульс. В качестве чувствительного элемента обычно используют ФЭУ.

Радиолокационный метод в настоящее время является наиболее эффективным для получения различной метеорологической информации, связанной с облачностью [2, 22]. Различают активную метеорологическую радиолокацию с использованием переизлучения и пассивную с использованием собственного излучения (теплолокация). Кроме информации о высоте НГО, радиолокационный метод позволяет определять пространственное распределение облаков, их водность, а также пространственное распределение осадков и их интенсивность. Принцип радиолокации заключается в регистрации излучаемой или переизлучаемой метеорологическим объектом электромагнитной энергии в диапазоне СВЧ. Например, метеорологический радиолокатор МРЛ-5 работает на двух каналах c частотами колебаний 9595 и 2950 МГц. Характеристики принятого сигнала зависит от расстояния до объекта и от его свойств. Применяя активную радиолокацию достаточно просто определить расстояние до объекта, т.к. скорость распространения электромагнитного излучения является известной величиной.

Физические принципы лидарного метода (LIDAR – LIght Detection And Ranging) аналогичны активному радиолокационному методу и отличаются от последнего длинами волн электромагнитного излучения (от видимого до ИК диапазона) и малым углом расходимости излучаемой энергии [2, 22, 33–35]. Отраженный от облака световой импульс, излучаемый ОКГ через объектив передатчика, принимается ФЭУ. Полученный интервал времени, необходимый световому импульсу для прохождения прямого и обратного расстояния между измерителем и НГО, переводится в информацию о высоте облачности.

Принцип работы спутникового метода измерения высоты НГО основан на измерении высоты верхней границы облачности (или отдельных облаков) с последующим вычитанием толщины облачности. Первый параметр получается путем сопоставления углов наблюдения верхней границы облачности с нескольких спутников. Для получения второго параметра используются различные приборы как наземного, так и спутникового базирования [36].

Сравнительный анализ методов измерения высоты нижней границы 1.2.

Представленные выше методы измерения высоты НГО имеют свои преимущества и недостатки. Выбор того или иного метода зависит от многих факторов, в числе которых требуемая точность получаемых данных о высоте НГО, непрерывность производства измерений, энергопотребление, допустимые габариты, стоимость используемого оборудования и др.

Активные дистанционные методы определения высоты НГО имеют более высокую, по сравнению с пассивными методами, точность измерений, и меньшую зависимость от погодных условий.

Пассивные методы, в свою очередь, имеют преимущества по таким параметрам, как простота технической реализации, меньшие массогабаритные показатели применяемых измерителей, низкое, по сравнению с активными методами, энергопотребление и, как следствие этого, более высокую надёжность.

В Таблице 1.2 показаны преимущества и недостатки пассивных методов измерения высоты НГО, в Таблице 1.3 – преимущества и недостатки активных методов.

Преимущества и недостатки пассивных методов измерения высоты НГО Метод определения 1. Простота технической реализации тод 4. Многоточечность измерений. 2. Субъективность определения точки измерения (в 1. Отсутствие излучателя. 1. Территориальный разброс фотоприёмников в заСтереоскопический 2. Простота технической реализации висимости от характеристик оптических систем и тод 2. Измерение многослойной облачно- 3. Малая поднимаемая масса приборов (не более Преимущества и недостатки активных методов измерения высоты НГО 1. Простота технической реализации 2. Субъективность определения точки измерения и 2. Достаточная точность измерений. 3. Значительный территориальный разброс передатчика и приёмника.

Светолокационный 1. Достаточная точность измерений.

Радиолокационный 3. Высокая точность измерений.

Спутниковый метод 2. Круглосуточность измерений. 2. Зависимость точности измерения высоты НГО Таким образом, можно сделать вывод о том, что идеального метода измерения высоты НГО не существует и в каждом конкретном случае требуется выбирать тот или иной исходя из поставленной цели. Актуальной остается задача разработки и создания недорогих пассивных измерителей высоты НГО, имеющих небольшие габариты и низкое энергопотребление и способных работать автономно в автоматическом режиме.

Средства измерения высоты нижней границы облачности 1.3.

Измерение расстояния издавна считалась одной из самых востребованных работ. Существующие в обычной человеческой практике средства измерения расстояний, такие как линейки, метры и рулетки, издавна позволяют проводить измерения длины и протяжённости – это одно из первых, что научился измерять человек. В геодезии проблема измерения расстояний, наряду с измерением азимутов и углов возвышения, является основополагающей.

Простейшим способом измерить расстояние до нижней границы облачности является прямое непосредственное измерение, заключающееся в непосредственном измерении с использованием мерных линейных приборов. Решение проблемы при таком способе измерения высоты НГО сводится к подсчёту количества единиц измерения длины (или её частей), нанесенных на какой-либо носитель, которое укладывается на измеряемом расстоянии от поверхности земли до нижней границы облачности. К таким приборам относятся линейки, рулетки, мерные стальные и инварные ленты и проволоки и тому подобные приспособления с нанесенными на них мерными делениями.

При косвенном непосредственном измерении высоты НГО определяется какая-либо промежуточная величина, функционально связанная с искомой величиной высоты НГО.

Величины измеряемых расстояний при прямых и косвенных непосредственных измерениях обычно не превышают 50–100 м, что не позволяет решать задачи определения высоты НГО, значения которой могут достигать нескольких тысяч метров. Кроме того, в связи со сложностью, а чаще всего невозможностью, доставки таких типов измерительных приборов к точке измерения, определение высоты НГО приборами непосредственного измерения не производится. С этой целью применяются приборы дистанционного измерения, использующие различные физические принцип работы.

Высоту НГО можно измерять, применяя дальномеры, использующие в своей работе различные физические принципы. Широкое применение для измерения расстояний (например, в геодезии) имеют дальномеры с постоянным углом, а также дальномеры двойного изображения. И в том и в другом случаях используются образцовые рейки различных конструкций с известными геометрическими размерами. К приборам такого типа относятся теодолиты, тахеометры и кипрегели [37–39]. При использовании оптических дальномеров диапазон измеряемых расстояний может составлять от 10-20 м до 300 м со среднеквадратической ошибкой от 1/1500 до 1/600.

Принцип измерения расстояний электронными дальномерами, использующими электромагнитные волны радио- и оптического диапазона, основан на определении прямым или косвенным способом времени распространения электромагнитной волны вдоль измеряемой дистанции.

В радиодальномерах в качестве несущих колебаний используются колебания диапазона СВЧ. Это, как правило, сантиметровые (3 или 10 см) или миллиметровые (8 мм) волны диапазона УКВ [39]. В светодальномерах используются электромагнитные колебания оптического диапазона волн, как видимого, так и ИК диапазона. В качестве источника света используются лампы накаливания, светодиоды, газовые и твердотельные лазеры. Диапазон измеряемых с помощью светодальномеров расстояний может лежать в пределах от 1 до 70 км с достаточно большой точностью. Например, лазерный дальномер "Zenit LRB 7x40 S имеет диапазон измеряемых расстояний от 40 до 1000 м с ошибкой от до 11 м, а лазерный целеуказатель-дальномер "1Д26" позволяет определять расстояния от 110 до 29995 м с предельной погрешностью измерения дальности не более 10 м [40]. Также, многорежимный лазерный дальномер-целеуказатель воздушной и наземной цели входит в состав оптико-локационных станций типа ОЛС самолета СУ-35 и 13СМ-1 самолета МиГ-35, имеющих дальность обнаружения воздушных и наземных целей до 70 км [41].

Радио- и светодальномеры могут работать на различных физических принципах работы – временном, интерференционном, частотном или фазовом [39]. Дальномеры, работающие на временном принципе, используют прямое измерение времени распространения импульса электромагнитной волны. При использовании интерференционного принципа, расстояние определяется при непосредственном наблюдении интерференционной картины, созданной опорной и отражённой волнами. При использовании частотного принципа, измеряется приращение частоты излучаемого и принимаемого сигнала.

Широкое распространение получили дальномеры с фазовым принципом измерения расстояний. В этом случае измеряется разность фаз излучаемого и принимаемого сигналов, а расстояние D определяется по формуле где N – целое число;

f – частота излучаемых колебаний.

Фазовые дальномеры позволяют измерять расстояния от десятков метров до десятков километров с точностью до 10 мм. Недостатками таких измерителей является необходимость разрешения неоднозначности в определении неизвестного целого числа N в уравнении (1.7), т. к. реальный фазометр может измерять сдвиг фаз только в пределах от 0 до 2 (т. е. только величину ). В современных фазовых дальномерах неоднозначность определения числа N разрешается путем работы на нескольких (как правило, 3-4-х) точно известных частотах модуляции, что значительно усложняет конструкцию измерителя.

Сравнительный анализ средств измерения высоты нижней границы 1.4.

В настоящее время в метеорологии в качестве средств измерения высоты НГО в большинстве случаев используются приборы, работающие по активному методу измерения. Этому способствовало несколько факторов, среди которых возможность круглосуточного использования активных измерителей высоты и достаточно высокая точность производимых измерений. Наибольшее распространение среди активных средств измерения имеют светолокационные измерители высоты. Так, по данным Росгидромета на апрель 2008 г., только сертифицированные светолокационные автономные измерители высоты НГО типа ДВО-2, без учета несертифицированного оборудования типа РВО-2М и ИВО, составляли около 30% облакомеров из 947 комплектов, установленных на аэродромах гражданской авиации [42, 43]. На замену этого морально и технически устаревшего оборудования приходят лидарные измерители высоты НГО, свободные от таких недостатков, присущих светолокационным измерителям, как зависимость от неблагоприятных для проведения измерений погодных условий в виде осадков, тумана, сильной дымки [22], большие габариты и значительная потребляемая энергия. Кроме этого, лидарные измерители высоты могут обеспечивать непрерывность и многоточечность измерений и позволяют определять количество и высоту нескольких облачных слоев.

Пассивные измерители высоты имеют свои преимущества. Например, в отличие от светолокационных и лидарных измерителей, они имеют возможность производить измерения высоты НГО при солнечной засветке. Однако, об известных опытных или серийных образцах измерителей высоты НГО, использующих пассивные методы измерения, доступной информации нет. В связи с этим, в Таблице 1.4 приведены сравнительные характеристики эксплуатируемых в настоящее время приборов для научно-исследовательских и практических целей, использующих только активные методы измерения высоты НГО [22, 34, 43–54].

Промiнь матика", Ук- ционный 11. S7499 mental Systems, * н.д. – нет данных.

Выводы к Главе Первая глава посвящена анализу существующих пассивных и активных методов определения высоты нижней границы облачности, приведена их классификация и даны физико-математические основы. Среди пассивных методов рассмотрены морфологический метод, метод минимальных уровней конденсации, бистатический и шаропилотный методы.

Морфологический метод базируется на анализе формы облаков и их количества. Морфологическая классификация включает в себя 10 основных форм облаков, которые в свою очередь разделяются на ряд видов и разновидностей по внешнему виду и структуре. По высоте своей нижней границы облака делятся на 4 семейства – облака верхнего яруса (более 6 км), облака среднего яруса (от 2 до 6 км), облака нижнего яруса (до 2 км), облака вертикального развития.

Сущность морфологического метода заключается в определении диапазона высот нижней границы облачности, на которых может располагаться определяемый по приведенным в атласе описаниям и фотографиям тип наблюдаемой облачности.

Определение высоты облачности по минимальным уровням конденсации производится по эмпирическим формулам с использованием данных о температуре и относительной влажности воздуха. Приведены и описаны формулы У.

Ферреля, А. Н. Ипполитова и Д. Л. Лайхтмана.

В пассивном бистатическом методе измерения используются два пространственно разнесенных оптико-электронных приёмника, с помощью которых определяют углы визирования одного и того же наблюдаемого фрагмента облачности и методом триангуляции вычисляют его высоту.

Шаропилотный метод измерения применяется при балле облачности от 5ти до 10-ти. Шар-пилот наполняют гелием или водородом, определяют его вертикальную скорость подъема (порядка 325-ти м/мин) и отпускают в свободный полёт. Замеряя с помощью секундомера время, которое требуется шар-пилоту для достижения облачности, определяют высоту основания облака. Момент исчезновения видимости шар-пилота может определяться как визуально, так и с помощью специальных фото– или электротехнических облакомеров, закрепленных на шар-пилоте.

Среди активных методов рассмотрены прожекторный, светолокационный, радиолокационный, лидарный и спутниковый методы.

В прожекторном методе в качестве носителя информации используется направленный вертикально вверх световой луч. С расстояния 150-500 м от прожектора измеряют угол наблюдения сформированного на основании облака светового пятна и методом триангуляции определяют его высоту.

Светолокационный метод заключается в измерении пропорционального удвоенной высоте временного промежутка между моментами излучения и прима отражённого от нижней границы облака световых импульсов. Импульсная лампа посылает световые импульсы с частотой от 1 до 20 Гц вертикально вверх. Фотоприемник отраженного светового импульса располагается на расстоянии 8-12 м от передатчика.

В радиолокационном методе разделяют активную метеорологическую радиолокацию с использованием переизлучения и пассивную с использованием собственного излучения (теплолокация). Кроме информации о высоте облачности, радиолокационный метод позволяет определять пространственное распределение облаков, их водность, а также пространственное распределение осадков и их интенсивность. Принцип радиолокации заключается в регистрации излучаемой или переизлучаемой метеорологическим объектом электромагнитной энергии в диапазоне СВЧ (как правило, на двух каналах c частотами колебаний 9595 и 2950 МГц). Применяя активную радиолокацию достаточно просто определять расстояние до объекта.

Физические принципы лидарного метода аналогичны активному радиолокационному методу и отличаются от последнего длинами волн электромагнитного излучения (от видимого до ИК диапазона) и малым углом расходимости излучаемой энергии. Получаемый интервал времени, необходимый сформированному лазером световому импульсу для прохождения прямого и обратного расстояния, переводится в информацию о расстоянии до облака.

Спутниковый метод измерения высоты облаков основан на измерении высоты верхней границы облачности с последующим вычитанием ее толщины.

Первый параметр получается путем сопоставления углов наблюдения верхней границы облачности с нескольких спутников. Для получения второго параметра требуется применение приборов наземного или спутникового базирования.

Сравнительный анализ методов определения высоты показал, что пассивные методы имеют более простую техническую реализацию, меньшие габариты и низкую стоимость. Важнейшим преимуществом пассивных измерителей является отсутствие активных излучателей, что позволяет производить измерения непрерывно в течение длительных промежутков времени с достаточно высокой точностью и с минимальными затратами энергоресурсов. Активные методы, в свою очередь, позволяют производить измерения круглосуточно с высокой точностью и с большим пространственным разрешением.

Для применяемых в настоящее время светолокационных, радиолокационных и лидарных измерителей высоты нижней границы облачности приведены технические характеристики. Сравнительный анализ показал, что данные приборы имеют ограничения по применению как технико-методического, так и экономического характера и не могут в полном объеме решать задачи мониторинга высоты облачности. Это позволяет сделать вывод, что разработка пассивного моностатического метода измерения высоты НГО и реализующей его оптико-электронной измерительной системы имеет перспективы в решении задач мониторинга как автономно, так и в комбинации с активными методами измерения.

Глава 2. Моностатический метод определения высоты нижней границы облачности В данной главе приведены результаты работ [26, 27, 55, 56] по описанию физико-математических основ моностатического метода определения высоты НГО, выполненные автором лично и совместно с Красненко Н.П.

Прямая задача получения информации о состоянии какого-либо параметра атмосферы (в данном случае высоты НГО) может быть представлена в следующем виде:

где u(x) – следственная функция, т.е., какая-либо регистрируемая в процессе измерений величина (в данном случае линейные размеры изображений фрагмента нижней облачности);

v(t) – причинная функция, т.е., действительная метеорологическая величина в атмосфере (в данном случае высота НГО);

A – оператор прямой задачи, описывающий причинно-следственную связь Под обратной задачей понимается задача определения функции v(t) по функции u(x), или задача определения причин некоторого атмосферного явления по результатам наблюдения следствия. Применительно к предлагаемому методу, определение высоты НГО как причинной функции возможно путем определения линейных размеров изображений фрагмента нижней облачности.

Данная задача относится к первому типу обратных задач [17], когда на основе измерения характеристик поля излучения, зная из предыдущих исследований параметры взаимодействия датчика со средой, требуется определить некоторую метеорологическую величину v(t).

Физико-математические основы моностатического метода измерения 2.1.

высоты нижней границы облачности Большое количество оптических явлений, в том числе действие оптических приборов, можно рассматривать исходя из законов геометрической оптики, которые можно вывести из законов волновой оптики при 0, т.е. в случае, когда волновой природой света можно пренебречь. При этом предполагается, что энергия распространяется вдоль световых лучей. Теория геометрической оптики базируется на четырёх физических законах [57-60]:

– на законе прямолинейного распространения света (как следствие принципа Ферма о распространении света между двумя точками по кратчайшему пути);

– на законе независимости распространения световых пучков;

– на законе отражения света;

– на законе преломления света (закон Снелиуса).

Применение законов геометрической оптики позволяет определять положение любой точки изображения предмета в параксиальной области идеальной оптической системы. Под идеальной оптической системой подразумевается такая ОС, которая любую точку пространства предмета отображает в пространстве изображения при сохранении заданного масштаба изображения.

Рассмотрим две идеальные центрированные репродукционные оптические системы, когда предмет и его изображение относятся к ближнему типу (т.е. расположены на конечном расстоянии) [61, 62]. Пусть в пространстве предметов расположен отрезок AB величиной y и имеются две оптические системы с совмещенными передними главными плоскостями H и с отличными друг от друга фокусными расстояниями f'1 и f'2 (рис. 2.1), причём f'1 > f'2 (здесь и далее обозначения согласно [63]).

В общем случае зависимости между величиной предмета y и величиной его изображений y'1 и y'2, получаемых посредством двух оптических систем с фокусными расстояниями f'1 и f'2 соответственно, могут быть описаны в слеРис. 2.1. Ход лучей в репродукционных оптических системах с f'1 и f' дующем виде Прировняв выражения (2.2) и (2.3) по y получаем Из (2.5) следует, что отрезок a, одинаково определяющий положение предмета относительно совмещенных передних главных плоскостей H обеих оптических систем, можно определять, зная значения фокусных расстояний f'1 и f'2 оптических систем и измеряя величины получаемых с их помощью изображений y'1 и y'2. Для этого требуется определить функцию u, связывающую между собой параметры f'1, f'2, y'1 и y'2.

Используя законы геометрической оптики в части зависимостей между положениями и размерами предмета и изображения [57–59, 64–68] можно записать где – линейное увеличение ОС;

y – размер изображаемой части плоскости предмета;

y' – размер изображения предмета y, формируемого ОС;

a – расстояние от передней главной точки Н, до осевой точки A предмета a' – расстояние от задней главной точки H' до осевой точки A' изображения предмета y'.

Кроме того, для любой ОС имеем следующее соотношение:

откуда получаем где f' – фокусное расстояние ОС.

Приравняв (2.6) и (2.7) по и учитывая (2.9) получаем Используя выражение (2.10) для двух ОС, имеющих отличные друг от друга фокусные расстояния, можно записать следующее отношение где f'1 и f'2 – фокусные расстояния первой и второй ОС соответственно;

y'1 и y'2 – размеры изображений предмета y, формируемые первой и второй ОС соответственно.

Из (2.11) получаем K 1 – коэффициент подобия изображений;

где Выражение (2.12) также справедливо, если величину предмета и величину его изображения оценивать в угловых мерах. В этом случае угловое увеличение ОС определяется выражением Рис. 2.2. Схема углового увеличения оптической системы где – угловое увеличение оптической системы;

и ' – углы, образованные сопряженными лучами с оптической осью.

Из рис. 2.2 также следует, что Учитывая, что приходим к выражению (2.7).

Для проверки того, что отношение 1 является единственным для разy' личных сочетаний a и y при заданных значениях f'1 и f'2, предположим, что предмет величиной y1 расположен на расстоянии a1, а предмет величиной y2 – на расстоянии a2. Используя выражение (2.11), запишем:

Приведем (2.16) к виду откуда получаем Следовательно, a1=a2.

На рис 2.3 приведены графики зависимости размеров изображений y'1 и y'2 от расстояния a в диапазоне от 0 до 100 м при f'1 = 16 мм (сплошная линия) и f'2 = 12 мм (пунктирная линия), полученных согласно (2.10) для значений y равных 1, 5 и 10 м. Как видно из таблицы Приложения 1, отношение размеров изоРис. 2.3. Графики зависимости размеров изображений y'1 (сплошная линия) и y'2 (пунктирная линия) от расстояния a 1 есть величина постоянная для каждого значения расстояния a бражений при заданных значениях f'1 и f'2 и при любых значениях размера предмета y.

Таким образом, задачу определения расстояния a от совмещенных передних главных плоскостей H двух ОС с известными и отличными друг от друга фокусными расстояниями f'1 и f'2 до осевой точки предмета размером y можно решить путём определения отношения размеров получаемых изображений y'1 и y'2. Достоинством предлагаемого метода является его независимость от размера измеряемого объекта y, т.к. в формуле (2.12) данный параметр отсутствует, что позволяет измерять расстояния до объектов с заранее неизвестными размерами, какими и являются облака (или фрагменты облачности) вследствие их непрерывного изменения во времени и пространстве.

Влияние кривизны Земли и оптических параметров атмосферы на 2.2.

точность измерений По условиям эксплуатации ОЭИ, наиболее сложными являются наблюдения через земную атмосферу, которая сильно искажает полезный оптический сигнал [16]. При этом значительную часть искажений вносятся кривизной Земли и рефракцией.

За форму Земли принимают геоид, т.е. такую фигуру, которая образована уровневой поверхностью (средним уровнем) океана. Вследствие неравномерного распределения массы внутри Земли, поверхность геоида образует эллипсоид вращения (сфероид) с малой полуосью вращения. Согласно исследованиям Ф. Н. Красовского и А. А. Изотова [3, 69], большая (экваториальная) полуось земного эллипсоида (эллипсоида Красовского) равна a = 6 378 245,000 м, а малая полуось b = 6 356 863,019 м. Ввиду малого полюсного сжатия эллипсоида для широкого спектра задач форму Земли принимают за шар с радиусом в 6 371 210 м [3, 38, 69].

В картографии, под влиянием кривизны Земли, точки местности на аэрофотоснимке смещаются по направлению к точке надира. Для компенсации такого смещения используется следующая формула [69]:

где r – расстояние от точки надира снимка до наблюдаемой точки;

H – высота фотографирования;

f – фокусное расстояние камеры.

Для оценки влияния кривизны Земли при определении высоты НГО, рассмотрим рис. 2.4. В случае определения высоты точки A, находящейся строго на вертикали от точки наблюдения C, её высота h будет равна измеренному расстоянию до точки A. Высота h точки B, имеющей некоторое смещение относительно вертикали от точки наблюдения C, уже не будет равна измеренному расстоянию a.

Рассмотрим треугольник OCB на рис. 2.4. По теореме косинусов имеем где R – радиус земного шара (6 371 210 м);

h – высота точки B над поверхностью земного шара;

l – высота точки наблюдения C над поверхностью земного шара;

a – расстояние от точки наблюдения C до точки B, определяемое выражением (2.12);

– угол отклонения линии наблюдения точки B от вертикали из точки С.

Из (2.20) получаем, что с учётом влияния кривизны Земли, высоту НГО можно определять по следующей формуле Так как описываемый метод измерения использует некоторые допущения, требуется проанализировать их влияние на точность оценки высоты НГО.

Первое допущение заключается в том, что определение горизонтальных размеров измеряемых фрагментов нижней облачности происходит в двумерной Рис. 2.4. Влияние кривизны Земли плоскости изображений, тогда как реальная облачность обладает трехмерной пространственной структурой и имеет сферичность в своем основании. То есть, фактически происходит измерение расстояния до середины хорды BD (рис.

2.4), являющейся проекцией дуги BD на изображениях фрагментов облачности, что вызывает абсолютную ошибку измерения высоты НГО a, равную высоте сегмента AA' Принимая во внимание, что радиус Земли много больше измеряемой высоты (R>>h), а зависимость между углами и имеет вид можно полностью пренебречь данным допущением. Так, для значений угла наблюдения =10 и высоты НГО h=1000 м, согласно (2.23), имеем =0,00154.

Тогда, из (2.22) следует, что значение ошибки a 0,023 м, что составляет менее 0,003 % от измеряемой высоты h.

Вторые допущение в предлагаемом методе заключается в использовании понятия плоскопараллельной атмосферы. Кроме кривизны Земли, на точность измеряемых значений высоты НГО оказывают влияние оптические параметры атмосферы. Рефракция оптического луча – это искривление траектории луча света в неоднородной атмосфере, в которой давление атмосферы изменяется нелинейно с увеличением высоты [3]. Атмосферной (или земной) рефракцией называется явление видимого изменения положения предмета в атмосфере при наблюдении его с поверхности Земли. Из-за сферичности атмосферы зенитный угол направления луча света относительно вертикали к поверхности Земли непрерывно меняется вдоль хода луча.

Применение оптико-электронных приборов в задачах оптического мониторинга атмосферы подразумевает перенос оптического сигнала в земной атмосфере от объекта наблюдения до приемника на достаточно большие расстояния.

При этом неизбежно взаимодействие оптического сигнала с различными компонентами атмосферы, такими как атмосферные газы, аэрозоли, регулярные и турбулентные неоднородности показателей преломления. К тому же, данные компоненты могут изменяться в широких пределах в зависимости от метеоусловий. Атмосферные оптические помехи могут быть мультипликативными, вызываемыми взаимодействием оптического сигнала с атмосферой, и аддитивными фоновыми, вызываемыми собственным излучением атмосферы и Земли или рассеянием оптического излучения от Солнца, Луны, подстилающей поверхности и т.д. [16]. Основными видами оптических помех являются энергетическое ослабление оптического излучения, временная и пространственная модуляция оптических сигналов, а также атмосферные фоновые помехи, существующие независимо от оптического сигнала. Для эффективного выделения полезного сигнала на фоне помех применяются корреляционные методы, например, метод линейной фильтрации сигналов, направленный на оптимизацию отношения сигнал-шум или на уменьшение среднеквадратической ошибки для полезного сигнала, и статистические методы обработки сигналов, основанные на статистическом описании сигналов в терминах вероятностных распределений. Кроме того, исключение или компенсация таких помех достигается применением разнообразных оптических моделей атмосферы, а также оперативным определением и учетом оптических параметров атмосферы.

В работе [71] показано, что линейность и инвариантность оптических систем позволяет рассматривать атмосферную среду как отдельный элемент всей системы наблюдения, характеризующийся своей ОПФ, которая является Фурьеобразом ФРТ среды. При этом, несмотря на монотонное ухудшение ОПФ среды, связанное как с увеличением расстояния до измеряемого объекта, так и с ухудшением метеорологической дальности видимости, качество передачи изображения может как монотонно ухудшаться, так и монотонно улучшаться или носить экстремальный характер.

Учитывая, что радиус Земли много больше толщины атмосферы и среднеквадратическая ошибка определения атмосферной поправки S в измеренную дальность на малых (до 5000 м) высотах для однородной атмосферы в зависимости от зенитного угла наблюдения составляет от 0,6 до 153 мм [72], влиянием земной рефракции и оптических атмосферных помех на точность измерений можно пренебречь [2, 3]. При этом атмосфера принимается плоскопараллельной, где излучение распространяется прямолинейно и зенитный угол любого луча имеет постоянную величину.

Методика и алгоритм определения высоты нижней границы 2.3.

Правильный выбор методики выполнения измерений позволяет избежать как необоснованного занижения точности измерений, так и избыточного ее завышения. При этом методики, включающие в себя автоматизированный анализ изображений, являются менее субъективными и более производительными по сравнению с ручными методами и методами экспертных оценок.

Методика определения высоты нижней границы облачности моностатическим методом заключается в следующем. С помощью двух идентичных оптико-электронных приемников, снабженных оптическими системами с отличными друг от друга в Kf раз фокусными расстояниями, получают разномасштабные изображения одного и того же фрагмента облачности, определяют их коэффициент подобия Ky и вычисляют расстояния a до измеряемого фрагмента облачности. При необходимости определяют угол отклонения линии визирования от вертикали и вычисляют высоту h.

На рис. 2.5 приведена блок-схема алгоритма определения высоты НГО.

На первом шаге производится начальная установка путем ввода параметров фотоприемников (фокусные расстояния, координаты оптических центров и др.), необходимых для коррекции получаемых изображений и определения их коэффициента подобия. Для минимизации влияния случайных процессов в атмосфере, запись изображений Y1 и Y2 производится синхронно двумя фотоприемниками, имеющими одинаковые характеристики матрицы ПЗС и электронного тракта. Далее производится отбраковка изображений с низким контрастом, что говорит об отсутствии на них различимых фрагментов облачности, пригодных Рис. 2.5. Блок-схема алгоритма определения высоты НГО Рис. 2.5. Блок-схема алгоритма определения высоты НГО (окончание) для последующей обработки, или о полном их отсутствии. Также отбраковываются изображения, имеющие значительные срезы гистограммы в областях высокой или низкой яркости, что свидетельствует об утраченных деталях изображения в этих областях.

Следующим шагом изображения подвергаются коррекции для устранения радиальных искажений, вносимых оптическими системами, и компенсации смещения оптических осей от центров фотоприемников. И, в заключение, определяется коэффициент подобия изображений Ky, и по выражениям (2.12) и (2.21) рассчитывается расстояние a и высоту НГО h.

Определить коэффициент подобия разномасштабных изображений Ky можно различными способами. Широкое распространение получили способы, использующие площадные (площадь, координаты центра тяжести, эксцентриситет) и контурные (длина контура, кривизна линии) признаки фигур, основанные на выделении контрастных перепадов [73-90]. В [91–93] представлено описание модели автоматического формирования зон внимания по контурным рисункам, основанной на методе анализа изображений по центрам тяжести локальных объектов, заимствованного у механизма функционирования живых зрительных систем. Такой подход обеспечивает естественную для оператора работу в полуавтоматическом режиме, а в автоматическом позволяет непосредственно распознавать как неискаженные изображения, так и подвергнутые аффинным преобразованиям в случае перспективной съемки.

Несмотря на достоинства перечисленных методов, такие как простота аналитических описаний изображений объектов, инвариантность к переносу, повороту и масштабированию изображений, а также сравнительно небольшое количество операций при обработке, их использование для работы с изображениями объектов, имеющих нечеткие границы, затруднительно. Основной причиной этому являются различия в передаточных характеристиках оптических и оптико-электронных трактов фотоприемников, что приводит к значительному разбросу координат контрастных перепадов на получаемых изображениях. Поэтому в предлагаемом алгоритме применяется способ определения коэффициента подобия путем нахождения сопряженных отрезков с максимальным коэффициентом подобия среди всевозможных комбинаций между сопряженными точками, выделяемыми каким-либо градиентным детектором, инвариантным к изменению яркости. Согласно [94], под особой точкой изображения подразумевается такая точка изображения, окрестность которой можно отличить от окрестности любой другой точки изображения в некоторой другой окрестности особой точки. Для выявления и сопоставления точечных особенностей можно использовать детектор Харриса [94-96] и его модификации, находящие на изображении структуры, похожие на уголки, алгоритм преобразования масштабноинвариантных характеристик SIFT (Scale Invariant Feature Transform) [97], использующий для нахождения особых точек на изображении разность гауссианов DoG (Difference of Gaussian) пирамиды разномасштабных изображений и векторный дескриптор для описания окрестностей, алгоритм ASIFT (Affine SIFT), представляющий собой модифицированный алгоритм SIFT [98], инвариантный ко всем параметрам аффинного преобразования, ускоренный алгоритм поиска надежных особенностей SURF (Speeded Up Robust Features) [99], использующий определитель матрицы Гессе и дескриптор на основе значений вейвлета Хаара, и другие методы. После сравнения различных методов поиска сопряженных точек, выбор был остановлен на уголковом детекторе Харриса с фильтрацией ложных соответствий методом RANSAC (RANdom SAmple Consensus) [100] с программной реализацией их средствами языка C++ и библиотеки OpenCV [101].

На рис. 2.6 приведен пример обработки разномасштабных изображений кучевой облачности Y1 и Y2, полученных 14.07.2010 г. в 15:00 (GMT+6). Были получены координаты 80-ти пар сопряженных точек. Максимальный коэффициент подобия составил Ky =1,281 для отрезков с координатами (273; 285), (505;

57) и (307; 323), (608; 36), что соответствует высоте h = 1315 м ± 10%. При этом, минимальный уровень конденсации, рассчитанный по формуле А. Н. Ипполитова (1.2) для конвективной облачности (C = 17, B = 100, f = 51 %), составил 833 м, а высота НГО, измеренная с помощью РВО-2, составила 1520 ± 91 м.

Рис. 2.6. Пример обработки разномасштабных изображений Y1 и Y2 фрагмента облачности Условия и критерии получения достоверных результатов измерений 2.4.

высоты нижней границы облачности Реальная облачность обладает нечеткими краями и случайной геометрией, что выражается в нерегулярных формах очертаний, количестве, размерах и в пространственном положении отдельных облаков и приводит к тому, что точечные особенности на изображениях облачности имеют случайное расположение. В связи с этим большое значение имеют условия получения и отбраковки получаемых изображений, а также критерии выбора пар сопряженных точек (сопряженных отрезков), соблюдение которых позволит отбраковывать непригодные для анализа изображения уже на стадии их предварительной обработки.

Одним из таких условий является получение разномасштабных изображений при минимальном угле отклонения линии визирования оптических систем от вертикали. По аналогии с фотографической съемкой, в зависимости от направления оптической оси ОЭИ по отношению к местной вертикали, получаемые изображения фрагментов нижней облачности могут быть плановыми и перспективными [39, 102]. В первом случае, линия визирования ОЭИ имеет угол отклонения от вертикали 3-5 (рис. 2.4). В таком случае плоскость предмета и плоскость изображения предмета считаются параллельными. Линейное увеличение при этом будет одинаковым для всего поля получаемого изображения. Во втором случае, угол > 5. При этом возникает необходимость учитывать различие коэффициентов линейного увеличения для переднего и заднего планов изображения, которые будут различными и могут быть определены по следующим формулам:

где x и y – текущие координаты искомой точки в ортогональной системе координат, связанной с изображением;

– угол между вертикалью и линией визирования;

h – высота измеряемого фрагмента НГО.

Другим условием получения достоверных данных о высоте облачности является получение изображений, имеющих достаточный контраст, под которым понимается такой контраст, который позволяет различать детали изображения как в темных, так и в светлых областях яркостного диапазона. При этом его пороговое значение может задаваться исходя из конкретных условий получения изображений и требований к их качеству.

Кроме того, необходимо установить критерии выбора набора сопряженных отрезков, соблюдение которых не позволит получать результаты с низкой точностью. К таким критериям относятся минимальное количество сопряженных отрезков, участвующих в определении коэффициента подобия изображений Ky и их минимальный размер.

Таким образом, оптимальными условиями получения изображений облачности и критериями их пригодности для последующей обработки представляются следующие:

где – угол отклонения линии визирования ОЭИ от вертикали;

K1, K2 – контраст изображений Y1 и Y2 соответственно;

KП – пороговый контраст;

nm – количество сопряженных отрезков;

sm – длина измеряемого сопряженного отрезка;

Выводы к Главе Во второй главе приводятся физико-математические основы моностатического метода измерения расстояния. На основе законов геометрической оптики, связывающих действительные размеры объекта, размеры его разномасштабных изображений и фокусные расстояния оптических систем, дается его обоснование и вывод аналитического выражения для определения расстояния a до объy' екта. Показано, что отношение размеров изображений 1 есть величина поy' стоянная для каждого значения расстояния a при заданных значениях f'1 и f'2 и при любых значениях размера предмета y, вследствие чего задача определения расстояния a от совмещенных передних главных плоскостей H двух ОС с отличными друг от друга фокусными расстояниями f'1 и f'2 до осевой точки предмета размером y может решаться путём определения отношения размеров его изображений y'1 и y'2. Предлагаемый метод измерения не зависит от размеров y наблюдаемого объекта, что позволяет определять расстояния до объектов с априорно неизвестными размерами, какими и являются облака вследствие их непрерывного изменения во времени и пространстве. Так же получено общее выражение, позволяющее учитывать кривизну Земли при отклонении линии визирования фотоприемника от вертикали.

В предлагаемом методе измерения расстояния принимаются некоторые допущения, требующие оценки их вклада в методическую погрешность. Определение высоты нижней границы облаков происходит в двумерной плоскости изображений, тогда как реальная облачность обладает трехмерной структурой и имеет сферичность в своем основании, что на высотах до 1000 м приводит к возникновению относительной ошибки измерения a 0,003%. Другим допущением является принятие атмосферы за плоскопараллельную, в которой излучение распространяется прямолинейно и зенитный угол любого луча имеет постоянную величину. Принимая во внимание, что измерения по предлагаемому методу производятся на малых высотах и при вертикальных углах наблюдения, вызываемые данными допущениями погрешности являются незначащими и в методической погрешности ими можно пренебречь.

Сравнительный анализ контурного и градиентного подхода к обработке цифровых изображений нечетких объектов показал преимущество последнего, что объясняется его нечувствительностью к изменению яркости на изображениях одного и того же объекта, получаемых с помощью двух разных фотоприемников.

Представленная методика и описанный алгоритм позволяют определять высоту НГО путем нахождения максимального коэффициента подобия разномасштабных изображений фрагментов облачности Ky по сопряженным отрезкам. Для минимизации влияния случайных процессов в атмосфере на точность измерений расстояния применяется синхронная запись изображений двумя идентичными фотоприемниками. Приведенные оптимальные условия получения изображений нижней облачности и критерии их пригодности для последующей обработки позволяют избежать получения недостоверных результатов измерения путем отбраковки изображений на стадии их предварительной обработки.

Глава 3. Макет оптико-электронного измерителя Для экспериментальной проверки моностатического метода измерения высоты НГО был разработан и изготовлен макет оптико-электронного измерителя на базе двух телевизионных камер всепогодного исполнения и ПК с многоканальной системой ввода изображений, позволяющий получать цифровые разномасштабные изображения ИФО в автоматическом режиме через заданные промежутки времени.

Предлагаемый метод измерения высоты основан на определении геометрических размеров изображений, формируемых оптическими системами на матричных ПЗС, имеющих жесткий растр, что позволяет проводить измерения и определять координаты точек на изображениях с точностью до долей элемента разложения [74].

Обоснование выбора варианта исполнения макета оптикоэлектронного измерителя Для реализации предложенного алгоритма определения высоты НГО моностатическим методом требуется макет измерительной системы, состоящий из оптико-электронных фотоприемников с характеристиками, обеспечивающими достаточную точность измерений, и имеющих оптические системы с необходимыми фокусными расстояниями. Система должна быть рассчитана на круглосуточную и круглогодичную эксплуатацию в различных климатических условиях в широком диапазоне температур, иметь защиту от внешних воздействий и обеспечивать запись разномасштабных изображений в цифровом виде.

При практической реализации макета ОЭИ возможны несколько вариантов исполнения ее оптико-электронной части. Это могут быть два одинаковых фотоприемника с фиксированными ОС, один фотоприемник с перестраиваемой ОС (трансфокатором) или один фотоприемник с двумя ОС, оборудованный оптическим коммутатором. В качестве фотоприемника наиболее приемлемым решением в настоящее время является применение аналого-цифровых матриц ПЗС, однако возможно использование и аналоговых фотоприемников, таких как видиконы и т.п. Выходной сигнал изображения может быть как цифровым, позволяющим непосредственно формировать цифровой файл изображения, так и аналоговым, требующим дополнительной обработки. В случае использования в качестве оптико-электронного приемника фотографической системы, полученные цифровые или аналоговые изображения имеют высокое разрешение, что способствует уменьшению погрешности результата измерения. В свою очередь, телевизионные системы более компактны и работают в более широком диапазоне освещенностей объекта, что также влияет на качество получаемых изображений. В таблице 3.1 приведены варианты реализации оптико-электронной части макета ОЭИ из числа доступных на момент изготовления по стоимости и составу оборудования. Рассматривались три варианта исполнения:

1. черно-белая аналоговая телевизионная камера уличного исполнения на матрице ПЗС, оборудованная оптическим коммутатором с двумя ОС, и система ввода телевизионного сигнала в ПК;

2. две однотипные черно-белые аналоговые телевизионные камеры уличного исполнения на матрицах ПЗС с фиксированными ОС и многовходовая система ввода телевизионного сигнала в ПК;

3. цифровой фотоаппарат с перестраиваемой оптической системой, помещаемый в защитный термокожух.

Основным недостатком варианта 1 является сложность и, как следствие этого, высокая стоимость изготовления двухвходового оптического коммутатора, что, в результате, и послужило решающим фактором для отказа в его выборе. Кроме того, для данного варианта, как и для варианта 2, требуется система ввода изображения для оцифровки аналогового телевизионного сигнала.

Вариант 3 имеет цифровой выход, что позволяет получать цифровые изображения без промежуточных преобразований цифрового сигнала в аналоговый и обратно в цифровой. Однако имеются и существенные недостатки, такие как сложность, а иногда и невозможность, получения стабильных краевых значений фокусных расстояний ОС при ее механической перестройке, невысокая чувствительность матрицы фотоприемника, а также необходимость изготовления защитного термокожуха.

В результате анализа представленных вариантов исполнения был выбран вариант 2. Наличие двух телевизионных камер несколько увеличивает габариты макета ОЭИ и обуславливает различия в получаемых разномасштабных изображениях в части рассогласования по уровням яркости, вносимых электронными трактами камер. Но наличие фиксированных объективов и герметичное всепогодное исполнение позволяет обеспечивать стабильную круглосуточную работу телевизионных камер и значительно упрощает и удешевляет оптикоэлектронную часть макета измерительной системы. Структурная схема макета ОЭИ по выбранному варианту исполнения приведена на рис. 3.1.

Технические характеристики макета оптико-электронного Важнейшей характеристикой, по которой можно судить о качестве оптико-электронной измерительной системы, является ее общая разрешающая способность. Данная характеристика зависит как от параметров оптических систем, так и от параметров используемых телевизионных камер.

Реальные оптические системы имеют два основных отличия от идеальных. Во-первых, в реальных оптических системах происходит ограничение пучков лучей, то есть не все существующие лучи проходят через ОС и достигают плоскости изображения, что приводит к неравномерному распределению освещенности внеосевых зон изображения. Во-вторых, ход лучей, проходящих через оптическую систему, не совпадает с ходом идеальных лучей, т.к. реальРис. 3.1. Структурная схема макета ОЭИ высоты НГО ные оптические системы обладают аберрациями и преломление происходит на реальных оптических поверхностях, а не на главных плоскостях Н и Н'.

Существует три основных вида аберраций центрированных оптических систем [57–60, 62, 65, 67, 73]:

1. Хроматические аберрации, возникающие при преломлении немонохроматического пучка на оптических поверхностях на спектральные составляющие (дисперсия), т.е. отклонения реального волнового фронта от идеального вдоль оптической оси, приводящие к размыванию краев объектов на изображении и затруднению определения точных границ объектов:

Хроматизм положения – изображения одной точки предмета расположены на разном расстоянии от ОС для разных длин волн (окрашенность изображения осевой точки предмета).

Хроматизм увеличения – увеличение ОС зависит от длины волны (окрашенность изображения внеосевой точки предмета).

2. Монохроматические аберрации – отклонения координат точки пересечения реального луча с плоскостью изображения от координат точки идеального изображения:

2.1.

2.1.1. Сферическая аберрация – лучи, выходящие из точки предмета, удаленной от оптической оси, не пересекаются в одной точке, образуя на плоскости изображения кружок рассеяния. Приводит к снижению контрастности и резкости изображения.

2.1.2. Меридиональная кома – асимметрия широкого наклонного пучка, вышедшего из точки предмета вне оси, по отношению к главному лучу. Ухудшает резкость изображения от центра к краю поля зрения и вызывает искажение пропорций объекта на изображении.

2.1.3. Волновая аберрация, обусловленная отклонением реального волнового фронта от идеального и измеряемая вдоль луча в количестве длин волн.

Полевые аберрации, снижающие резкость, что затрудняет определение границ объекта и вызывает искажение его пропорций на изображении:

2.2.1. Астигматизм – точки фокусов в меридиональной и в сагиттальной плоскостях изображения не совпадают.

2.2.2. Кривизна поля – наилучшее изображение получается не на плоскости изображения, а на некоторой искривленной поверхности.

Дисторсия – нарушение ортоскопии, т.е. подобия в геометрической форме между предметом и его изображением. Различают положительную (подушкообразность) и отрицательную (бочкообразность) дисторсии.

Вычислить аберрации в оптических системах можно с помощью специального ПО методом просчёта лучей по специальным формулам (например, по формулам Федера) [57, 58, 62]. Также, о качестве изображения, формируемого оптической системой, удобно судить по изображению предмета простейшей геометрической формы [68].

Для исключения влияния хроматических аберраций в качестве ОС применяются объективы ахроматы, в которых хроматизм исправлен для двух цветов, или апохроматы, в которых хроматизм исправлен для трёх и более цветов.

Исправление хроматизма в таких объективах обычно достигается комбинацией отрицательных и положительных линз, изготовленных из материалов с различной дисперсией. В таблице 3.2 приведены основные характеристики применяемых в макете ОЭИ объективов фирмы Daiwon Optical Co., Ltd (Республика Корея) [103, 104]. Данные объективы являются триплетами апохроматами, т.е. это трёхлинзовые объективы с исправленными сферическими и сферохроматическими аберрациями и с минимальной остаточной хроматической аберрацией.

Определение фактических фокусных расстояний выполнялось по новой гибкой технологии калибровки камер [105] с использованием плоского калибровочного объекта в виде шахматной доски с помощью ПО GML Camera Calibration Toolbox (v.0.4 2005) [106], позволяющей получать не только параметры внутренней и внешней калибровки камеры, но и производить коррекцию Главное фокусное расстояние f' (паспортное / фактическое), мм Горизонтальный угол обзора, град Задний фокальный отрезок, мм Ближний предел фокусировки, м Относительное отверстие D/f" Предельная разрешающая способность, мм- Оптическая дисторсия, % изображений путем исправления дисторсии. Тестовый объект представлял собой шахматное поле 8 х 5 клеток размерами 41,5 х 41,5 мм и располагался на расстоянии от 2 до 3 м от макета ОЭИ. В результате калибровки были получены следующие значения фокусных расстояний макета ОЭИ: f'1 = 16,403 ± 0, мм и f'2 = 12,805 ± 0,231 мм. Общая разрешающая способность телевизионной системы, как правило, оценивается в телевизионных линиях, т.е. в максимальном количестве различаемых в центральной части получаемого изображения переходов от черного к белому и обратно. Эту характеристику нельзя непосредственно использовать для оценки разрешающей способности ОЭИ, поэтому для более точной оценки использовалась функция передачи модуляции (ФПМ) [107], представляющая собой зависимость глубины модуляции от пространственной частоты и характеризующая возможность системы адекватно передавать в изображении любые по размеру детали, а не только самые мелкие.

Ранее эта характеристика называлась контрастно-частотной характеристикой (КЧХ) или пространственно-частотной характеристикой (ПЧХ) [108]. Уменьшение глубины модуляции сигнала с увеличением пространственной частоты обусловливается в основном дифракцией в оптических системах, конечными размерами светочувствительного элемента ПЗС матрицы, потерями фотоэлектронов при накоплении (диффузия носителей) и развёртке (неэффективность переноса зарядов) в ПЗС матрице.

В таблице 3.3 приведены электронно-оптические характеристики применяемых в макете ОЭИ черно-белых телевизионных камер герметичного исполнения МВК-16 производства ООО "Байт-Эрг" (г. Москва) [109]. Характеристики черно-белой ПЗС матрицы с межстрочным переносом зарядов Super HAD CCD ICX405AL [110] производства Sony Corporation (Япония), применяемой в используемых телевизионных камерах, представлены в таблице 3.4, а на рис.

3.2 показана ее спектральная чувствительность.

На рисунках 3.3 и 3.4 приведены ФПМ для камер МВК-16 с объективами 16 мм и 12 мм соответственно, полученные с помощью ПО RightMark™ Video Analyzer по предлагаемой методике с использованием тестовой таблицы EIA1956 [111]. Данная программа использует алгоритм нахождения контрастности, заключающийся в обнаружении минимума и максимума яркости на каждом срезе клиновой миры. При этом принимается, что модуляция, равная 100%, есть отношение яркости абсолютно белого изображения к яркости абсолютно черного изображения.

Внешний вид оптико-электронной части измерителя высоты НГО в составе макета оптико-электронного измерителя параметров облачности представлен на рис. 3.5. С целью упрощения конструкции измерителя в части совмещения оптических осей телевизионных камер, был выбран вариант с параллельно расположенными телевизионными камерами.

Электронно-оптические характеристики телевизионной камеры МВК- Количество точек ПЗС матрицы, Разрешающая способность, твл Диапазон рабочей освещенности, Отношение сигнал/шум, дБ Гамма коррекция Потребляемый ток, мА Степень защиты корпусом Диапазон рабочих температур, C Такая схема расположения оптико-электронных каналов часто применяется как в активных, так и в активно-пассивных оптико-электронных измерительных системах, например, в системах формирования фоноцелевой обстановки для авиации [112].

Характеристики ПЗС матрицы Super HAD CCD ICX405AL Размер изображения по диагонали, мм Количество эффективных пикселей, Размер светочувствительной области (H x Напряжение питания, В Потребляемый ток, мА Чувствительность, мВ 12.

Уровень растекания заряда, dB 14.

15.

16.

Рис. 3. 2. Спектральная чувствительность ПЗС матрицы ICX405AL Контраст, % Рис. 3.3. ФПМ телевизионной камеры с f'1=16 мм Контраст, % Рис. 3.4. ФПМ телевизионной камеры с f'2=12 м Рис. 3.5. Внешний вид оптико-электронной части измерителя высоты НГО в составе макета телевизионного измерителя параметров облачности.

1– МВК-16 (12 мм), 2– МВК-16 (16 мм), 3 – панорамный обозреватель МВКц (1,24 мм) Поддерживаемые форматы Тип разъемов In-Out Материнская плата В качестве системы ввода аналогового телевизионного сигнала в ПК использовалось многовходовое устройство ввода телевизионного изображения SG-P4 фирмы AME Optimedia Technology Co., Ltd. (Taiwan, R.O.C.) [113]. Основные характеристики SG-P4 приведены в таблице 3.5. В таблице 3.6 даны характеристики используемого ПК.

Метрологические характеристики макета оптико-электронного Метрологические характеристики позволяют судить о пригодности средства измерения (СИ) для выполнения измерений в необходимом диапазоне и с требуемой точностью. К таким характеристикам СИ относятся [114]:

– функция передачи (преобразования) измерительного преобразователя;

– значение систематической составляющей погрешности СИ;

– чувствительность (функция влияния);

– порог чувствительности;

– диапазон измерений;

– разрешающая способность (цена деления шкалы).

Положим, что измерения высоты НГО проводятся вертикально с поверхности Земли, т.е. для выражения (2.21) высота точки наблюдения l = 0 м и угол отклонения линии наблюдения = 0. В таком случае выражение (2.12) является номинальной функцией передачи макета ОЭИ, т.е. приписанной средству измерения идеальной функцией, для которой коэффициент подобия разномасштабных изображений Ky есть входная величина, а расстояние a до ИФО – выходная величина. На практике применять такую идеальную функцию невозможно, т.к. в ней не учитываются реальные характеристики измерительной системы. Другой причиной является невозможность определения положения и, как следствие, точного совмещения передних главных плоскостей объективов в виду неразборной конструкции телевизионных камер для данного варианта реализации макета ОЭИ. Поэтому для практических измерений используется градуировочная характеристика, показывающая экспериментально полученную зависимость между входными и выходными значениями измерительной системы. Градуировка макета ОЭИ проводилась путем сопоставления коэффициентов подобия изображений облачности с известными значениями высот и минимальными уровнями конденсации, рассчитанными по формуле Ипполитова (1.2) (по данным об облачности и относительной влажности метеообсерватории ИМКЭС СО РАН за период с 1-го июня по 31 августа 2010 г), в диапазоне высот от 500 до 1500 м в соответствии с рекомендациями, изложенными в [115– 118].

Для оценки предельной систематической погрешности измерительной системы была получена гиперболическая регрессия ее градуировочной характеристики Средняя ошибка аппроксимации и индекс детерминации составили Aср = 2,09 % и R2 = 99,46 % соответственно, что свидетельствует о хорошем подборе уравнения регрессии (3.1) к исходным данным. Графики градуировочной характеристики макета ОЭИ и ее гипреболической регрессии представлены на рис. 3.6.

Зная аналитическое выражение градуировочной характеристики, абсолютную систематическую погрешность измерительной системы можно определить как где – производная функции (3.1);

Ky – абсолютная погрешность определения Ky.

Согласно полученным значениям регрессии градуировочной характеристики (3.1), приведенным в таблице Приложения 2, систематическая погрешность макета ОЭИ не превышает 5% в диапазоне высот от 500 до 1000 м и 10% в диапазоне высот от 1000 до 1500 м при абсолютной погрешности определения коэффициента подобия изображений Ky = 0,0005.

Чувствительность СИ представляет собой отношение приращения выходной величины к соответствующему приращению входной величины. Применительно к макету ОЭИ, чувствительность может быть найдена следующим образом:

где a – приращение выходной величины функции (3.1);

Ky – приращение входной величины Ky = 0,001.

Рис.3.6. Градуировочная характеристика макета ОЭИ (красная сплошная линия) и ее гиперболическая Величина, обратная чувствительности является разрешающей способностью макета ОЭИ и определяет цену деления его шкалы. Графики функции чувствительности и разрешающей способности макета ОЭИ приведены на рисунках 3.7 и 3.8, а их численные значения – в приложении 2.

Порогом чувствительности измерительной системы является такое минимальное значение измеряемой величины, которое может вызвать какое-либо изменение выходной величины. Т. к. гипербола (3.1) имеет асимптоты x = 1, и y = 85, то минимальное значение коэффициента подобия изображений Ky min = 1,195. Следовательно, пороговое значение коэффициента подобия изображений можно определить как K y = 1·10-3 – минимальный шаг изменения коэффициента подобия изобгде ражений.

Подставляя численные значения аргументов в выражение (3.5), находим = 1,196, что соответствует значению порога чувствительности макета ОЭИ a nop = 101644 м.

Рис. 3.7. Функция чувствительности макета ОЭИ Рис. 3.8. Разрешающая способность макета ОЭИ Выводы к Главе В третьей главе приведено обоснование выбора варианта исполнения макета измерительной системы, позволяющего реализовать предлагаемый моностатический метод измерения высоты нижней границы облачности. Из нескольких вариантов исполнения, доступных по стоимости и составу оборудования, выбор был остановлен на варианте с двумя черно-белыми телевизионными ПЗС камерами всепогодного исполнения с фиксированными объективами.

С целью минимизации ошибок при определении высоты НГО, в телевизионных камерах оптико-электронного измерителя применяются объективы типа триплет апохромат с исправленными сферическими и сферохроматическими аберрациями и с минимальной остаточной хроматической аберрацией. Фокусные расстояния объективов (16 мм и 12 мм при относительных отверстиях F2, и F2,2 соответственно) выбирались таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия для измерений в заданном диапазоне высот. Для оценки общей разрешающей способности макета оптико-электронного измерителя для обоих каналов приводятся функции передачи модуляции, представляющие собой зависимость глубины модуляции от пространственной частоты. Также приводятся электронно-оптические характеристики применяемых телевизионных камер и технические характеристики персонального компьютера с многовходовой системой ввода телевизионных изображений, позволяющей получать цифровые изображения измеряемых фрагментов облачности размерностью 704 х 576 пикселей круглосуточно в автоматическом режиме через заданные промежутки времени.

В виду того, что номинальная функция передачи описывает поведение идеальной оптико-электронной измерительной системы, то для фактических измерений используется ее градуировочная характеристика, показывающая реальную зависимость измеряемого расстояния a от коэффициента подобия разномасштабных изображений Ky с учетом аберраций оптических систем и конструктивных ограничений измерительных трактов макета ОЭИ. Оценка предельной систематической погрешности макета ОЭИ проводилась по гиперболической регрессии его градуировочной характеристики и составила не более 10% в диапазоне высот от 500 до 1500 м.

Глава 4. Экспериментальное исследование макета оптикоэлектронного измерителя и анализ полученных данных В данной главе приведены результаты экспериментального исследования макета ОЭИ высоты НГО, реализующего предложенный алгоритм измерения, выполненные автором совместно с Красненко Н.П., Левикиным В.А. и Смирновым С.В. [96, 119-128]. Приводится сравнение полученных результатов с минимальными уровнями конденсации, рассчитанными по формуле А. Н. Ипполитова (1.2) по данным об облачности и относительной влажности воздуха, и со значениями высот облаков, определенными визуально метеорологаминаблюдателями.

Условия проведения экспериментального исследования макета 4.1.

оптико-электронного измерителя Фактор условий проведения измерений высоты НГО представляет собой сочетание параметров окружающей среды, которые определяют освещенность измеряемого фрагмента нижней облачности и его пространственное положение, и зависят от времени года и суток и погодных условий в момент проведения измерений. Очевидно, что идеальным измеряемым фрагментом облачности может служить отдельно расположенное облако, равномерно освещенное по всему полю плоского основания и имеющее достаточный контраст по краям, с правильной геометрической формой, центр тяжести которой находится на вертикальной линии визирования ОЭИ. Кроме того, геометрические размеры и высота основания такого облака должны удовлетворять условиями получения разномасштабных изображений облачности и критериями их пригодности (2.29), а состояние атмосферы не должно вносить помехи и искажения. В действительности, одновременное сочетание таких условий практически невозможно, что накладывает определенные ограничения на использование предлагаемого способа измерения высоты НГО.

Запись разномасштабных изображений нижней облачности проводилась в ИМКЭС СО РАН (координаты N5648 E08505, высота над уровнем моря + м) в период с 1-го июня по 31-е августа 2013 г. Угол отклонения оптических осей телевизионных камер от местной вертикали составлял =0, высота расположения макета ОЭИ над поверхностью земли составляла l=10 м, в результате чего выражение (2.21) для определения высоты НГО приняло вид Измерения относительной влажности воздуха и определение типа облачности по ярусам на метеостанции ИМКЭС СО РАН проводились каждый час с 10.00 по 19.00 местного времени (GMT+7). В качестве визуальных значений высоты облаков были взяты данные метеостанции Томского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (WMO_ID = 29430, координаты N5647 E08497, высота над уровнем моря +126 м), проводящей измерения в основные метеорологические сроки каждые три часа [129].

В результате обработки 920-ти пар разномасштабных изображений фрагментов облачности было получено 69 результатов измерений высоты нижней границы кучевой Cu, кучево-дождевой Cb, слоистой St и слоисто-кучевой Sc облачности.

Коэффициенты подобия изображений Ky определялись путем нахождения сопряженных отрезков с максимальным коэффициентом подобия среди их всевозможных комбинаций, удовлетворяющих критериям (2.29). Полученные значения коэффициентов Ky и соответствующие им значения высот НГО приводятся в табл. Приложения 3. Там же приводятся значения минимальных уровней конденсации, рассчитанные по формуле Ипполитова (1.2) по данным об относительной влажности воздуха. Согласно [24], для кучевой Cu и кучево-дождевой Cb облачности коэффициенты имели значения C = 17, B = 100, а для слоистой St и слоисто-кучевой Sc облачности значения коэффициентов составляли C = 22, B = 107.

Анализ результатов измерений высоты нижней границы облачности 4.2.

На рисунке 4.1 приведены результаты измерений высоты нижней границы кучевой Cu, кучево-дождевой Cb, слоистой St и слоисто-кучевой Sc облачности, полученные с помощью макета ОЭИ, в сравнении с минимальными уровнями конденсации. Как видно из рисунка, измеренные значения высоты НГО в 90 % случаях превышает или совпадает с МУК (62 случая из 69), что хорошо согласуется с физикой образования конвективной и слоистой облачности нижнего яруса [24]. В 2-х случаях, когда измерения проводились в 7 часов утра, значение высоты облаков значительно (в 2-3 раза) превышало МУК. При этом относительная влажность воздуха составляла 85-90 %, что может говорить о наличии тумана в момент измерения. В 7-и случаях (10 % от общего количества измерений) измеренные значения высоты оказались ниже минимального уровня конденсации.

На рисунке 4.2 приведены результаты измерения высоты НГО, полученные с помощью макета ОЭИ, с визуальными данными, полученными морфологическим методом, когда высота облаков определяется по конкретному типу облачности, имеющему свой диапазон высот. Как видно, измеренные значения высот НГО в 54 % случаев (14 измерений из 26) попадают в определенный для данного типа облачности диапазон высот, либо находятся на его границе.

В обоих случаях, причинами расхождения в оценке высот могут быть как ошибки измерения с помощью макета ОЭИ по предложенному алгоритму, так и попадание в поле зрения телевизионных камер участков не превалирующего на данный момент типа облачности. Также, причиной расхождения в результатах могут быть субъективные ошибки метеорологов-наблюдателей при визуальном определении типа нижней облачности.