EA003433B1 - Прибор для измерения метеорологической дальности видимости - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к приборам для измерения метеорологической дальности видимости, использующихся в аэропортах и метеорологических станциях. Прибор для измерения метеорологической дальности видимости, включающий излучатель и оптически сопряженные с ним приемник ближней базы и приемник дальней базы, причем излучатель включает в себя источник света, оптически сопряженные с ним первый объектив и светоделительное устройство, блок питания источника света, выход которого соединен с входом источника света, первый фотоприемник, оптически сопряженный со светоделительным устройством, первый усилитель фототока, вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, вычислитель, первый выход которого соединен с входом блока питания источника света, первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислителя, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразователя, приемник ближней базы включает в себя второй фотоприемник, оптически сопряженный с ним второй объектив, второй усилитель фототока, вход которого соединен с выходом второго фотоприемника, приемник дальней базы включает в себя третий фотоприемник, оптически сопряженный с ним третий объектив, третий усилитель фототока, вход которого соединен с выходом третьего фотоприемника. Новым является то, что в излучатель дополнительно введены генератор синхронизирующих импульсов, выход которого соединен со вторым входом первого аналого-цифрового преобразователя, третий вход первого аналого-цифрового преобразователя

Description

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к приборам для измерения метеорологической дальности видимости (далее - МДВ), использующихся в аэропортах и на метеорологических станциях.

Известен прибор для измерения МДВ [1], содержащий отражатель ближней базы, отражатель дальней базы и блок фотометрический, причем блок фотометрический содержит импульсный источник света, механический оптический коммутатор, измеритель светового потока и вычислитель. Измерение световых потоков по опорному и измерительным каналам производится поочередно посредством переключения этих потоков механическим оптическим коммутатором, что снижает точность измерения по причине временной нестабильности источника света. В данном приборе применен аналоговый вычислитель, что ухудшает точность измерения МДВ, а отсутствие цифрового выхода исключает возможность подключения в качестве внешнего устройства компьютера. Кроме того, наличие механического оптического коммутатора снижает надежность прибора, а дополнительные оптические поверхности уголковых отражателей снижают точность измерения из-за пыли, которая на них оседает.

Известен прибор для измерения МДВ [2], содержащий излучатель и оптически сопряженные с ним приемник ближней базы и приемник дальней базы, причем излучатель включает в себя источник света, оптически сопряженные с ним первый объектив, светоделительное устройство и первое защитное стекло, блок питания источника света, выход которого соединен со входом источника света, первый фотоприемник, оптически сопряженный со светоделительным устройством, первый усилитель фототока, вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, первый вычислитель, первый выход которого соединен со входом блока питания источника света, первый аналогоцифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом первого вычислителя, первый источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом первого ана-логоцифрового преобразователя, модем, вход которого соединен со вторым выходом первого вычислителя, первый пиковый детектор, вход которого соединен с выходом первого усилителя фототока, выход первого пикового детектора соединен со вторым входом первого аналогоцифрового преобразователя, первый детектор загрязнения защитного стекла, выход которого соединен со вторым входом первого вычислителя, первый вторичный источник питания, первый блок защиты, выход которого соединен со входом первого вторичного источника питания, первый блок управления обогревом, первый внутренний обогреватель, вход которого соединен с первым выходом первого блока управления обогревом, первый обогреватель защитного стекла, вход которого соединен со вторым выходом первого блока управления обогревом, приемник ближней базы включает в себя второй фотоприемник, оптически сопряженные с ним второй объектив и второе защитное стекло, второй усилитель фототока, вход которого соединен с выходом второго фотоприемника, второй пиковый детектор, вход которого соединен с выходом второго усилителя фототока, второй аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом второго пикового детектора, второй источник опорного напряжения, выход которого соединен со вторым входом второго аналого-цифрового преобразователя, второй вычислитель, первый вход которого соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, второй детектор загрязнения защитного стекла, выход которого соединен со вторым входом второго вычислителя, выход второго вычислителя соединен с третьим входом первого вычислителя, второй вторичный источник питания, второй блок защиты, выход которого соединен со входом второго вторичного источника питания, второй блок управления обогревом, второй внутренний обогреватель, вход которого соединен с первым выходом второго блока управления обогревом, второй обогреватель защитного стекла, вход которого соединен со вторым выходом второго блока управления обогревом, приемник дальней базы включает в себя третий фотоприемник, оптически сопряженные с ним третий объектив и третье защитное стекло, третий усилитель фототока, вход которого соединен с выходом третьего фотоприемника, третий пиковый детектор, вход которого соединен с выходом третьего усилителя фототока, третий аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом третьего пикового детектора, третий источник опорного напряжения, выход которого соединен со вторым входом третьего аналогоцифрового преобразователя, третий вычислитель, первый вход которого соединен с выходом третьего аналого-цифрового преобразователя, третий детектор загрязнения защитного стекла, выход которого соединен со вторым входом третьего вычислителя, выход третьего вычислителя соединен с четвертым входом первого вычислителя, третий вторичный источник питания, третий блок защиты, выход которого соединен со входом третьего вторичного источника питания, третий блок управления обогревом, третий внутренний обогреватель, вход которого соединен с первым выходом третьего блока управления обогревом, третий обогреватель защитного стекла, вход которого соединен со вторым выходом третьего блока управления обогревом.

Недостатками данного прибора являются невысокая точность измерения МДВ и высокие трудоемкость изготовления и стоимость прибора. В указанном приборе преобразование аналоговых сигналов, получаемых с выходов пиковых детекторов, в цифровые производится отдельными аналого-цифровыми преобразователями, каждый из которых использует свой собственный источник опорного напряжения. При этом нестабильность источников опорного напряжения относительно друг друга вносит ошибку в результаты измерения. Кроме того, использование в качестве источника света импульсной газоразрядной лампы, световой импульс которой имеет очень короткую длительность, примерно 1,5 микросекунды, не позволяет достаточно точно измерить величину интенсивности светового импульса, поскольку, согласно теории измерений, точность измерения ухудшается при уменьшении времени измерения. Малая длительность светового импульса также вызывает необходимость применения дополнительных устройств - в данном случае трех пиковых детекторов, что также снижает точность измерения. В данном приборе для компенсации неточности измерения величины интенсивности светового импульса вводятся четыре поправочных коэффициента К1, К2, К3, и К4, которые подбираются при тарировке прибора и повышают трудоемкость изготовления прибора. Кроме того, в указанном приборе имеются три детектора загрязнения защитных стекол, наличие которых увеличивает стоимость прибора.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения метеорологической дальности видимости при одновременном снижении стоимости прибора и трудоемкости его изготовления.

Поставленная задача достигается тем, что в приборе для измерения метеорологической дальности видимости, включающем излучатель и оптически сопряженные с ним приемник ближней базы и приемник дальней базы, причем излучатель включает в себя источник света, оптически сопряженные с ним первый объектив и светоделительное устройство, блок питания источника света, выход которого соединен со входом источника света, первый фотоприемник, оптически сопряженный со светоделительным устройством, первый усилитель фототока, вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, вычислитель, первый выход которого соединен со входом блока питания источника света, первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислителя, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразователя, приемник ближней базы включает в себя второй фотоприемник, оптически сопряженные с ним второй объектив, второй усилитель фототока, вход которого соединен с выходом второго фотоприемника, приемник дальней базы включает в себя третий фотоприемник, оптически сопряженные с ним третий объектив, третий усилитель фототока, вход которого соединен с выходом третьего фотоприемника, в излучатель до полнительно введены генератор синхронизирующих импульсов, выход которого соединен со вторым входом первого аналого-цифрового преобразователя, третий вход первого аналогоцифрового преобразователя соединен со вторым выходом вычислителя, четвертый вход аналогоцифрового преобразователя соединен с выходом первого усилителя фототока, второй аналогоцифровой преобразователь, выход которого соединен со вторым входом вычислителя, первый вход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом источника опорного напряжения, второй вход второго аналогоцифрового преобразователя соединен с выходом генератора синхронизирующих импульсов, третий вход второго аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым выходом вычислителя, а четвертый вход второго аналогоцифрового преобразователя соединен с выходом второго усилителя фототока, третий аналогоцифровой преобразователь, выход которого соединен с третьим входом вычислителя, первый вход третьего аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом генератора синхронизирующих импульсов, второй вход третьего аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом источника опорной частоты, третий вход третьего аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым выходом вычислителя, а четвертый вход третьего аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом третьего усилителя фототока.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг. изображена функциональная схема прибора для измерения метеорологической дальности видимости, содержащая излучатель 1 и оптически сопряженные с ним приемник ближней базы 2 и приемник дальней базы 3, причем излучатель 1 включает в себя источник света 4, оптически сопряженные с ним объектив 5, светоделительное устройство 6 и защитное стекло 7, блок питания источника света 8, выход которого соединен со входом источника света 4, фотоприемник 9, оптически сопряженный со светоделительным устройством 6, усилитель фототока 10, вход которого соединен с выходом фотоприемника 9, вычислитель 11, первый выход которого соединен со входом блока питания источника света 8, источник опорного напряжения 12, генератор синхронизирующих импульсов 13, аналого-цифровой преобразователь 14, выход которого соединен с первым входом вычислителя 11, первый вход аналого-цифрового преобразователя 14 соединен с выходом источника опорного напряжения 12, второй вход аналого-цифрового преобразователя 14 соединен с выходом генератора синхронизирующих импульсов 13, третий вход аналого-цифрового преобразователя 14 соединен со вторым выходом вычислителя 11, а четвертый вход аналогоцифрового преобразователя 14 соединен с выходом усилителя фототока 10, аналого цифровой преобразователь 15, выход которого соединен со вторым входом вычислителя 11, первый вход аналого-цифрового преобразователя 15 соединен с выходом источника опорного напряжения 12, второй вход аналого-цифрового преобразователя 15 соединен с выходом генератора синхронизирующих импульсов 13, третий вход аналого-цифрового преобразователя 15 соединен со вторым выходом вычислителя 11, аналого-цифровой преобразователь 16, выход которого соединен с третьим входом вычислителя 11, первый вход аналого-цифрового преобразователя 16 соединен с выходом источника опорного напряжения 12, второй вход аналогоцифрового преобразователя 16 соединен с выходом генератора синхронизирующих импульсов 13, третий вход аналого-цифрового преобразователя 16 соединен со вторым выходом вычислителя 11, модем 17, вход которого соединен с третьим выходом вычислителя 11, устройство отображения информации 18, вход которого соединен с четвертым выходом вычислителя 11, вторичный источник питания 19, блок защиты 20, выход которого соединен со входом вторичного источника питания 19, блок управления обогревом 21, внутренний обогреватель 22, вход которого соединен с первым выходом блока управления обогревом 21, обогреватель защитного стекла 23, вход которого соединен со вторым выходом блока управления обогревом 21, выход обогревателя защитного стекла 23 соединен со входом источника света 4, приемник ближней базы 2 включает в себя фотоприемник 24, оптически сопряженные с ним объектив 25 и защитное стекло 26, усилитель фототока 27, вход которого соединен с выходом фотоприемника 24, выход усилителя фототока 27 соединен с четвертым входом аналого-цифрового преобразователя 15, блок управления обогревом 28, внутренний обогреватель 29, вход которого соединен с первым выходом блока управления обогревом 28, обогреватель защитного стекла

30, вход которого соединен со вторым выходом блока управления обогревом 28, приемник дальней базы 3 включает в себя фотоприемник

31, оптически сопряженные с ним объектив 32 и защитное стекло 33, усилитель фототока 34, вход которого соединен с выходом фотоприемника 31, выход усилителя фототока 34 соединен с четвертым входом аналого-цифрового преобразователя 16, блок управления обогревом 35, внутренний обогреватель 36, вход которого соединен с первым выходом блока управления обогревом 35, обогреватель защитного стекла 31, вход которого соединен со вторым выходом блока управления обогревом 35.

Прибор для измерения метеорологической дальности видимости работает следующим образом. Измерение МДВ основано на измерении коэффициента пропускания воздушной среды, находящейся между излучателем и приемником света, расположенных на заданном расстоянии, называемом измерительной базой, и последующим пересчетом его в МДВ. Поскольку измеритель с одной базой, не обеспечивает достаточный диапазон измерения МДВ, обычно приборы такого типа имеют две базы, и соответственно два приемника, приемник ближней базы и приемник дальней базы. Составляющие прибора для измерения МДВ пространственно расположены таким образом, чтобы световой поток от излучателя 1 попадал как на фотоприемник 24 приемника ближней базы 2, расположенного на более близком расстоянии, так и на фотоприемник 31 приемника дальней базы 3, расположенного на более дальнем расстоянии. Кроме того, часть светового потока попадает на фотоприемник 9 со светоделительного устройства 6. В качестве фотоприемника 9 предпочтительно использовать фотодиод, включенный в фотогальваническом режиме, что обеспечивает высокую линейность преобразования светового потока в фототок. Фототок, пропорциональный световому потоку, падающему на фотоприемник 9, усиливается усилителем фототока 10 и подается на четвертый вход аналого-цифрового преобразователя 14, в качестве которого предпочтительно использовать аналого-цифровой преобразователь с промежуточным синхронизируемым преобразованием входного сигнала в частоту методом интегрирования входного сигнала с импульсной компенсацией заряда интегрирующего конденсатора и последующим цифровым интегрированием компенсирующих импульсов за период измерения. Этот тип аналого-цифровых преобразователей обеспечивает высокую точность преобразования, но требует относительно большого времени измерения, а для его работы необходимы опорное напряжение, которое подается на его первый вход с выхода источника опорного напряжения 12, синхронизирующие импульсы, которые подаются на его второй вход с выхода генератора синхронизирующих импульсов 13, и импульсы управления, определяющие начало и окончание процесса цифрового интегрирования, которые подаются на его третий вход со второго выхода вычислителя 11. Фотоприемник 9, усилитель 10 и аналогоцифровой преобразователь 14 обеспечивают измерение величины светового потока, падающего на фотоприемник 9. Аналогично фотоприемник 24, усилитель фототока 27 и аналогоцифровой преобразователь 15 обеспечивают измерение величины светового потока, падающего на фотоприемник 24, а фотоприемник 31, усилитель фототока 34 и аналого-цифровой преобразователь 16 обеспечивают измерение величины светового потока, падающего на фотоприемник 31. Результаты этих измерений в цифровом виде считываются вычислителем 11 с выходов аналого-цифровых преобразователей 14, 15 и 16. Вычислитель 11 предпочтительно выполнять на основе процессора. В качестве источника света 4 предпочтительно использо

Ί вать лампу накаливания, обеспечивающую большую длительность импульса света, в нашем случае примерно одну секунду. По команде вычислителя 11 блок питания источника света 8 обеспечивает плавное нарастание напряжения на источнике света 4, что продлевает срок службы лампы накаливания, и поддерживает стабильное напряжение на источнике света 4 на время измерения, которое в нашем случае равно 0,8 секунды. Измерение МДВ осуществляется следующим образом. Вычислитель 11 посылает команду начала первого измерения, которая поступает на третьи входы аналого-цифровых преобразователей 14, 15 и 16. По окончании времени измерения вычислитель 11 посылает команду окончания измерения и считывает результаты измерения с выходов аналогоцифровых преобразователей 14, 15 и 16, которые соответствуют: Ффо - величине светового потока фона, попадающего на фотоприемник 9, Ффб - величине светового потока фона, попадающего на фотоприемник 24, Ффд - величине светового потока фона, попадающего на фотоприемник 31. Вычислитель 11 запоминает эти результаты и посылает команду на включение источника света 8. Через некоторое время, необходимое для включения источника света, вычислитель 11 посылает команду начала второго измерения и, по его окончании, команду окончания измерения и считывает результаты второго измерения с выходов аналого-цифровых преобразователей 14, 15 и 16, которые соответствуют: Фсо - сумме световых потоков от фона и от источника света 4, попадающих на фотоприемник 9, Фсб - сумме световых потоков от фона и от источника света 4, попадающих на фотоприемник 24 и Фсд - сумме световых потоков от фона и от источника света 4, попадающих на фотоприемник 31. Затем вычислитель 11 вычисляет величины световых потоков от источника света 4, попавших на фотоприемники 9, 24 и 31 по формулам Фо=Фсо-Ффо, Фб=Фсб-Ффб, Фсд=Фсд-Ффд, где: Фо - световой поток от источника света 4, попавший на фотоприемник 9, Фб - световой поток от источника света 4, попавший на фотоприемник 24, Фд - световой поток от источника света 4, попавший на фотоприемник 31. Далее вычислитель 11 вычисляет коэффициент пропускания ближней базы и коэффициент пропускания дальней базы по формулам Кб=Фб : Фо и Кд=Фд : Фо, соответственно. По результатам измерения коэффициентов пропускания ближней и дальней базы и расстояниям от излучателя 1 до приемника ближней базы 2 и приемника дальней базы 3, значения которых вводятся в вычислитель 11 при установке прибора, вычислитель 11 по известным формулам [2] вычисляет значения МДВ для ближней и для дальней базы. В зависимости от значения МДВ на устройство отображения информации 18 выводится значение МДВ от той базы, которая обеспечивает более высокую точ ность в данном диапазоне. Это же значение МДВ подается на модем 17, который обеспечивает обмен информацией между прибором и внешними устройствами. При несоответствии результатов измерения МДВ по ближней базе и по дальней базе вычислитель 11 вырабатывает сигнал, который подается на устройство отображения информации 18 и на модем 17 и свидетельствует о загрязнении защитных стекол 7, 26 и 33 или о разъюстировке прибора. Кроме того, с целью повышения точности, вычислитель 11 обеспечивает режим скользящего усреднения результатов измерения МДВ и увеличение частоты измерений при ухудшении дальности видимости. Устройство отображения информации 18 также отображает информацию, используемую при юстировке и настройке прибора. Блок управления обогревом 21 обеспечивает поддержание постоянной температуры фотоприемника 9 и усилителя фототока 10 посредством включения и отключения внутреннего обогревателя 22, и подогрев защитного стекла 7 для предотвращения его запотевания посредством обогревателя защитного стекла 23. Ток обогревателя защитного стекла 23 протекает также через источник света 4 и подогревает нить лампы накаливания, что продлевает срок ее службы и уменьшает время ее включения. Блок управления обогревом 28 обеспечивает поддержание постоянной температуры фотоприемника 24 и усилителя фототока 27 посредством включения и отключения внутреннего обогревателя 29, и подогрев защитного стекла 26 для предотвращения его запотевания посредством обогревателя защитного стекла 30. Блок управления обогревом 35 обеспечивает поддержание постоянной температуры фотоприемника 31 и усилителя фототока 34 посредством включения и отключения внутреннего обогревателя 36, и подогрев защитного стекла 33 для предотвращения его запотевания посредством обогревателя защитного стекла 37. Вторичный источник питания 19 вырабатывает напряжения, которые используются для питания всех устройств прибора. Блок защиты 20 обеспечивает защиту прибора от перенапряжений в сети питания.

Высокая точность измерения МДВ обеспечивается тем, что преобразование аналогового сигнала в цифровой производится аналогоцифровыми преобразователями 14, 15 и 16, которые используют один и тот же источник опорного напряжения 12, один и тот же генератор синхронизирующих импульсов 13 и один и тот же интервал измерения, который задается вычислителем 11. Поскольку результатами измерений являются не абсолютные величины, а их отношения, то нестабильность источника напряжения 12, генератора синхронизирующих импульсов 13 и интервала измерения, задаваемого вычислителем 11, не влияют на результаты измерения. Кроме того, точность измерения выше, поскольку время измерения примерно в

500 000 раз больше, чем в прототипе. Исключение пиковых детекторов из измерительных каналов, также повышает точность измерения, поскольку исключаются дополнительные преобразователи сигнала, вносящие свои ошибки в результаты измерений. Применение одного вычислителя вместо трех, исключение пиковых детекторов, детекторов загрязнения защитных стекол и необходимости подбора поправочных коэффициентов при тарировке обеспечивают снижение стоимости прибора и трудоемкости его изготовления.

Claims (1)

1. Прибор для измерения метеорологической дальности видимости, включающий излучатель и оптически сопряженные с ним приемник ближней базы и приемник дальней базы, причем излучатель включает в себя источник света, оптически сопряженные с ним первый объектив и светоделительное устройство, блок питания источника света, выход которого соединен с входом источника света, первый фотоприемник, оптически сопряженный со светоделительным устройством, первый усилитель фототока, вход которого соединен с выходом первого фотоприемника, вычислитель, первый выход которого соединен с входом блока питания источника света, первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислителя, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразователя, приемник ближней базы включает в себя второй фотоприемник, оптически сопряженный с ним второй объектив, второй усилитель фототока, вход которого соединен с выходом второго фотоприемника, приемник дальней базы включает в себя третий фотоприемник, оптически сопряженный с ним третий объектив, третий усилитель фототока, вход которого соединен с выходом третьего фотоприемника, отличающийся тем, что в излучатель дополнительно введены генератор синхронизирующих импульсов, выход которого соединен со вторым входом первого аналого-цифрового преобразователя, третий вход первого аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым выходом вычислителя, четвертый вход первого аналогоцифрового преобразователя соединен с выходом первого усилителя фототока, второй аналогоцифровой преобразователь, выход которого соединен со вторым входом вычислителя, первый вход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом источника опорного напряжения, второй вход второго аналогоцифрового преобразователя соединен с выходом генератора синхронизирующих импульсов, третий вход второго аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым выходом вычислителя, а четвертый вход второго аналогоцифрового преобразователя соединен с выходом второго усилителя фототока, третий аналогоцифровой преобразователь, выход которого соединен с третьим входом вычислителя, первый вход третьего аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом источника опорного напряжения, второй вход третьего аналогоцифрового преобразователя соединен с выходом генератора синхронизирующих импульсов, третий вход третьего аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым выходом вычислителя, четвертый вход третьего аналогоцифрового преобразователя соединен с выходом третьего усилителя фототока.