EA035955B1 - Method for determination of meteorological optical visibility range - Google Patents

Method for determination of meteorological optical visibility range Download PDF

Info

Publication number
EA035955B1
EA035955B1 EA201900230A EA201900230A EA035955B1 EA 035955 B1 EA035955 B1 EA 035955B1 EA 201900230 A EA201900230 A EA 201900230A EA 201900230 A EA201900230 A EA 201900230A EA 035955 B1 EA035955 B1 EA 035955B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
scattering
angle
values
optical
wavelengths
Prior art date
Application number
EA201900230A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201900230A1 (en
Inventor
Михаил Михайлович Кугейко
Original Assignee
Белорусский Государственный Университет (Бгу)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Белорусский Государственный Университет (Бгу) filed Critical Белорусский Государственный Университет (Бгу)
Priority to EA201900230A priority Critical patent/EA035955B1/en
Publication of EA201900230A1 publication Critical patent/EA201900230A1/en
Publication of EA035955B1 publication Critical patent/EA035955B1/en

Links

Abstract

The invention relates to the field of meteorology, in particular, to meteorological support of aircraft takeoff and landing, road and port services, and to the field of analytical instrument engineering. The objective of the invention is to increase the precision of the optical radiation attenuation and optical visibility range measurement using forward-scatter visibility meters, and to increase service reliability of forward-scatter visibility meters. The purpose of the invention is achieved by the optical visibility range measurement method, wherein light radiation is transmitted to the scattering volume on at least three wavelengths , in two directions at angle between them, signal measurement is carried out at those wavelengths for signals passing through the common scattering volume P() and P() and scattered in it P() and P() by two receivers located opposite to the respective radiation sources; on the basis of the measured signals, spectral scattering factors at angle (,) are determined using the defined regression relationships; spectral attenuation values () are measured; and using attenuation values at wavelengthscorresponding to eye brightness-difference threshold, optical visibility range MOR is determined, which is equal to 3.9/().

Description

Предполагаемое изобретение относится к области метеорологии, в частности используется для метеорологического обеспечения взлета и посадки воздушных судов, а также может использоваться дорожными и портовыми службами.The alleged invention relates to the field of meteorology, in particular, it is used for meteorological support for takeoff and landing of aircraft, and can also be used by road and port services.

Метеорологическая оптическая дальность (MOR) признана Международной электротехнической комиссией (IEC, 1987), официально принята Всемирной метрологической организацией (ВМО, 1993) в качестве меры видимости в атмосфере и Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) в качестве основной метеорологической величины при определении дальности видимости на взлетнопосадочных полосах (ВПП) [1] (с. 3, 26).Meteorological optical range (MOR) is recognized by the International Electrotechnical Commission (IEC, 1987), officially adopted by the World Metrological Organization (WMO, 1993) as a measure of visibility in the atmosphere, and the International Civil Aviation Organization (ICAO) as the main meteorological quantity in determining the range of visibility at runways (runways) [1] (p. 3, 26).

Для обеспечения определения дальности видимости на ВПП, требуемой с точки зрения обеспечения безопасности взлета и посадки воздушных судов, используются методы и средства, обеспечивающие точное измерение в первую очередь (MOR) [1] (с. 26 - 37). Основой для определения MOR с учетом принятого значения порога контрастной чувствительности глаза, равного 0,05, является измерение коэффициента пропускания m=e-d. где σ - показатель ослабления светового луча, l - длина пути светового луча, связанного с MOR выражениемTo ensure the determination of the runway visual range required from the point of view of ensuring the safety of takeoff and landing of aircraft, methods and means are used that ensure accurate measurement in the first place (MOR) [1] (pp. 26 - 37). The basis for determining MOR, taking into account the accepted value of the eye contrast sensitivity threshold equal to 0.05, is the measurement of the transmittance m = e -d . where σ is the attenuation index of the light beam, l is the path length of the light beam associated with the MOR expression

или показателя ослабления σ, связанного с MOR выражениемor the attenuation coefficient σ associated with the MOR expression

MOR = σMOR = σ

Для измерения коэффициента пропускания (среднего значения коэффициента пропускания в горизонтальном цилиндре воздуха между передатчиком и приемником светового потока) используют трансмиссометры (фотометры) [1] (с. 35-36). Наиболее известные трансмиссометры - Mitras (фирма Yaisala; Финляндия), Flaminga (фирма Impuls -phusik, Германия), Пеленг СФ-01 (фирма Пеленг Республика Беларусь), фотометры ФИ-1, ФИ-2, ФИ-3 (Россия). Диапазон и точность измерения MOR данными приборами зависит как от длины измерительной базы, так и точности измерения коэффициентов пропускания, что требует использования таблиц перевода в оптическую дальность для баз разной длины [1] (с. 26-31).To measure the transmittance (the average value of the transmittance in a horizontal cylinder of air between the transmitter and the receiver of the luminous flux), transmissometers (photometers) [1] (p. 35-36) are used. The most famous transmissometers are Mitras (Yaisala; Finland), Flaminga (Impuls -phusik, Germany), Peleng SF-01 (Peleng Republic of Belarus), photometers FI-1, FI-2, FI-3 (Russia). The range and accuracy of MOR measurement with these devices depends on both the length of the measuring base and the accuracy of measuring the transmittances, which requires the use of conversion tables to optical range for bases of different lengths [1] (p. 26-31).

Показатель ослабления σ определяется приборами прямого и обратного рассеяния, измеряющими рассеяние света в определенном исследуемом объеме воздуха, освещенном коллимированным источником света. До 2000 г. в рекомендациях ИКАО приборы прямого и обратного рассеяния не рассматривались в качестве альтернативы трансмиссометрам при определении дальности видимости на ВПП. В настоящее время они рекомендованы наряду с трансмиссометрами для измерения MOR и определения дальности видимости на ВПП на всех аэродромах [1] (с.35). Разработаны и используются несколько типов приборов прямого рассеяния, к которым относятся измерители дальности видимости PWD1/20/50, FD12 и FD12P (Финляндия), Fumesens (Германия), Belfort (Англия), Nandaki (США), Пеленг СЛ-3 (Республика Беларусь). К числу достоинств измерителей прямого рассеяния относятся небольшие размеры и масса передатчика и приемника, удобство и простота технического обслуживания, а главное - измерение MOR во всем диапазоне проводится с одинаковой погрешностью.The attenuation coefficient σ is determined by forward and backward scattering instruments that measure the scattering of light in a certain investigated volume of air illuminated by a collimated light source. Prior to 2000, ICAO recommendations did not consider forward and backscatter instruments as an alternative to transmissometers for determining the runway visual range. At present, they are recommended along with transmissometers for measuring MOR and determining the runway visual range at all aerodromes [1] (p.35). Several types of forward scatter devices have been developed and are used, which include PWD1 / 20/50, FD12 and FD12P (Finland), Fumesens (Germany), Belfort (England), Nandaki (USA), Peleng SL-3 (Republic of Belarus) ). The advantages of forward-scatter meters include the small size and weight of the transmitter and receiver, convenience and ease of maintenance, and most importantly, the MOR measurement in the entire range is carried out with the same error.

Как трансмиссометры, так и измерители прямого рассеяния требуют защиты оптических элементов источников, приемников от загрязнений их окон, появления влаги на них, требуется контроль старения фотоприемного устройства - например ФЭУ, фотодиода, что, в свою очередь, требует наличия системы самотестирования. Поскольку параметры фотоприемных устройств могут изменяться в зависимости от температуры, то необходимо использование нагревательных элементов [2, 3]. Требуется периодическая очистка объектов и колпаков приемников, калибровки. При появлении сигналов предупреждения и тревоги, замене элементов системы (источников, приемников) обязательно проведение калибровочных работ. Все это сильно осложняет эксплуатационные свойства систем.Both transmissometers and forward-scatter meters require protection of the optical elements of sources and receivers from contamination of their windows, the appearance of moisture on them; aging control of a photodetector is required - for example, a photomultiplier, a photodiode, which, in turn, requires a self-testing system. Since the parameters of photodetectors can vary depending on temperature, it is necessary to use heating elements [2, 3]. Requires periodic cleaning of objects and receiver caps, calibration. When warning and alarm signals appear, replacement of system elements (sources, receivers), calibration work is mandatory. All this greatly complicates the operational properties of the systems.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, реализованный в измерителях прямого рассеяния [2] (с. 17-18), включающий измерение рассеянных сигналов под углами 45°, определения по ним коэффициентов рассеяния под данными углами. Значения MOR по определяемыми коэффициентами рассеяния под углами σ(φ) в данном диапазоне устанавливается с использованием соотношения (σ(φ)/σ« 1,45 [1 (с.33),4 (с. 458-460)], где σ - показатель ослабления. Максимальное отклонение от значения 1,45 составляет ±13%. А поскольку на точность определения дальности видимости на ВВП наибольшее влияние оказывает точность определения оптической дальности (MOR=3,9/^, то очевидно, что для этого требуется повышение точности определения показателя ослабления σ, а значит и уменьшение погрешности коэффициента связи между σ и σ(φ). Кроме того, для более достоверной оценки MOR при использовании измерителей прямого рассеяния необходимо идентифицировать атмосферное явление, а также использовать соответствующую калибровку по трансмиссометру. Если в трансмиссометрах в качестве источника света используется белый свет, включающий длины волн наибольшей чувствительности глаза (длины волн λ=555-556 нм), то в [2] - инфракрасный, с λ= 875 нм, что, в свою очередь, также может сказываться на качестве осуществления посадки.Closest to the proposed invention is a method implemented in forward scattering meters [2] (pp. 17-18), including measuring scattered signals at angles of 45 °, determining the scattering coefficients at these angles. The MOR values for the determined scattering coefficients at angles σ (φ) in this range are set using the ratio (σ (φ) / σ «1.45 [1 (p. 33), 4 (p. 458-460)], where σ - attenuation index. The maximum deviation from the value of 1.45 is ± 13%. And since the accuracy of determining the optical range (MOR = 3.9 / ^) has the greatest influence on the accuracy of determining the visibility range on GDP, it is obvious that this requires an increase in accuracy determination of the attenuation coefficient σ, and hence a decrease in the error of the coupling coefficient between σ and σ (φ). In addition, for a more reliable assessment of MOR when using forward scatter meters, it is necessary to identify the atmospheric phenomenon, and also to use the appropriate calibration by the transmissometer. as a light source, white light is used, including the wavelengths of the highest sensitivity of the eye (wavelengths λ = 555-556 nm), then in [2] - infrared, with λ = 875 nm, which, in turn, can also affect the quality of the landing.

Задачей изобретения является разработка способа определения метеорологической оптической дальности видимости, позволяющего повысить точность определения показателя ослабления оптическоThe objective of the invention is to develop a method for determining the meteorological optical visibility range, which makes it possible to increase the accuracy of determining the optical attenuation index.

- 1 035955 го излучения и оптической дальности видимости в измерителях прямого рассеяния и их эксплуатационную надежность.- 1,035,955th radiation and optical visibility in forward scatter meters and their operational reliability.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения оптической дальности видимости путем посылки светового излучения в рассеивающий объем среды, измерения показателя рассеяния под заданным углом, определения показателя ослабления, излучение в рассеивающий объем среды посылают на не менее чем трех длинах волн λ по двум направлениям под углом φ между ними, на данных длинах волн измеряют сигналы, проходящие через общий рассеивающий объем P1^£) и P3(A) и рассеянные в нем P2(A) и P4(A) двумя приемниками, расположенными противоположно соответствующим им источникам излучения, по измеренным сигналам определяют спектральные значения коэффициентов рассеяния под углом σ(φ,λ;) из выраженияThe task is achieved by the fact that in the method for determining the optical visibility range by sending light radiation into the scattering volume of the medium, measuring the scattering index at a given angle, determining the attenuation index, radiation is sent to the scattering volume of the medium at at least three wavelengths λ in two directions under angle φ between them, at the given wavelengths signals are measured passing through the common scattering volume P1 ^ £ ) and P 3 (A) and scattered in it P 2 (A) and P4 (A) by two receivers located opposite to the corresponding radiation sources , the measured signals determine the spectral values of the scattering coefficients at the angle σ (φ, λ ; ) from the expression

определяют спектральные значения показателей ослабления σ(λ;) с использованием соотношения 18σ(λ.) = ς0+Σς(18σ(φ,λ,), к=\ где коэффициенты Cik устанавливают с использованием метода наименьших квадратов из массива n=1, ..., S рассчитываемых значений σ(λ,) и σ^λ^φ), задаваемых в диапазоне разброса микрофизических параметров исследуемой рассеивающей среды, а угол φ соответствует средней по выборке значений ση(λ^ и ση(λ^φ) погрешности определения σ(λ;) из используемого соотношения связи между σ(λ;) и σ(λ^φ) при наложении на σ(λ^φ) случайного разброса в задаваемых пределах, и по значениям показателей ослабления на длинах волн λ;, соответствующих порогу контрастной чувствительности глаза, определяют оптическую дальность видимости MOR, равную 3,9σ/(λ;).determine the spectral values of the attenuation indices σ (λ ; ) using the relation 1 8 σ (λ.) = ς 0 + Σς ( 18σ (φ, λ,), k = \ where the coefficients C ik are set using the least squares method from the array n = 1, ..., S of the calculated values of σ (λ,) and σ ^ λ ^ φ), set in the range of scatter of the microphysical parameters of the investigated scattering medium, and the angle φ corresponds to the mean over the sample of values σ η (λ ^ and σ η ( λ ^ φ) errors in determining σ (λ ; ) from the used relationship between σ (λ ; ) and σ (λ ^ φ) when applying a random scatter on σ (λ ^ φ) within the specified limits, and from the values of the attenuation indices at lengths waves λ;, corresponding to the threshold of contrast sensitivity of the eye, determine the optical range of MOR, equal to 3.9σ / (λ ; ).

Сущность данного изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлена блок- схема устройства, реализующего данный способ (одна из возможных). На фиг. 2 приведена зависимость погрешности определения σ(λ;) от погрешности определения σ(λ;,φ).The essence of the invention is illustrated in FIG. 1 and 2. FIG. 1 shows a block diagram of a device that implements this method (one of the possible). FIG. 2 shows the determination error σ (λ;) from the error determining σ (λ;, φ).

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере использования трех длин волн широко используемого лазера Nd: YAC), включающего и длины волн в области наибольшей чувствительности глаза.Let us consider the implementation of the proposed method on the example of using three wavelengths of the widely used laser (Nd: YAC), including the wavelengths in the region of the highest sensitivity of the eye.

Блок-схема включает два источника оптического излучения 1 и 2 (рассматривается Nd: YAC - лазер, излучающий на длинах волн 0,355 мкм, 0,532 мкм, 1,064 мкм), два фотоприемных устройства 5 и 6 (например, фотодиоды), расположенные противоположно соответствующим им источникам, спектроанализаторы 3 и 4, а также блок управления, регистрации, обработки регистрируемых сигналов 7. По сигналам блока 7 поочередно запускается посылка излучения источниками 1 и 2, фотоприемниками 4 и 5 производится регистрация световых потоков, пропускаемых через спектроанализаторы 3 и 4, с выхода фотоприемных устройств сигналы поступают на вход блока 7, где производится их регистрация (преобразование в цифровые значения, обработка относительно определяемых характеристик, отображение в количественных значениях MOR). Блок 7 управляет также временем поступления проходящего и рассеянного сигналов на него. В другом варианте блок-схемы спектроанализаторы 3 и 4 могут помещаться и после источников, а в качестве источника излучения может быть, например, светодиод, лампа и т.п.The block diagram includes two sources of optical radiation 1 and 2 (Nd: YAC is considered - a laser emitting at wavelengths of 0.355 μm, 0.532 μm, 1.064 μm), two photodetectors 5 and 6 (for example, photodiodes), located opposite to the corresponding sources , spectrum analyzers 3 and 4, as well as a control unit, registration, processing of recorded signals 7. According to the signals of block 7, the sending of radiation by sources 1 and 2 is alternately triggered, photodetectors 4 and 5 register the light fluxes passed through spectrum analyzers 3 and 4, from the output of the photodetectors devices, the signals are fed to the input of block 7, where they are registered (conversion into digital values, processing with respect to the determined characteristics, display in quantitative MOR values). Block 7 also controls the time of arrival of the transmitted and scattered signals to it. In another variant of the block diagram, spectrum analyzers 3 and 4 can be placed after the sources, and the radiation source can be, for example, an LED, a lamp, etc.

При посылке излучения источником 1 для величины сигналов, регистрируемых на длинах волн λ;, i=1, 2, 3, где i=1 соответствует λ1=0,355 мкм, i=2, λ2=0,532 мкм, i=3, λ3=1,064 мкм, можно записать следующие соотношения /;(λί)=ρ„,(λί)4,ι(λί)7;(λ<)7’<(λί)βΟ4(λθ! (1) />(λί)=ροι(λί)4(λοη(λΟσ(φ)η(λΙ·)ΒΜΙ·)ι (2) где Ρ1(λί), Ρ2(λί) - регистрируемые сигналы, соответствующие спектральной составляющей посылаемого сигнала источником 1 на λ^When sending radiation by source 1 for the magnitude of signals recorded at wavelengths λ ; , i = 1, 2, 3, where i = 1 corresponds to λ1 = 0.355 μm, i = 2, λ 2 = 0.532 μm, i = 3, λ 3 = 1.064 μm, we can write the following ratios /; (λ =) = ρ „, (Λί) 4, ι (λί) 7; (λ <) 7 '< (λί) β Ο4 (λθ ! (1) /> (λί) = ρ οι (λί) 4 ) ι (λοη (λΟσ ( φ) η (λ Ι ) Β ΜΙ ) ι (2) where Ρ1 (λί), Ρ 2 (λί) are recorded signals corresponding to the spectral component of the signal sent by source 1 at λ ^

P01 - спектральная составляющая мощности посылаемого сигнала на длине волны Xi;P 01 - the spectral component of the power of the sent signal at the wavelength Xi;

Aoi - аппаратурная константа источника излучения 1, соответствующая ki,Aoi - instrumental constant of radiation source 1, corresponding to ki,

T1, T3, T4 - коэффициенты пропускания на λ^ соответствующие участкам между источником 1 и рассеивающим объемом, рассеивающим объемом и приемниками 3 и 4;T1, T 3 , T 4 - transmission coefficients at λ ^ corresponding to the sections between the source 1 and the scattering volume, the scattering volume and receivers 3 and 4;

где li - длина участков, соответствующих T1, T3; T4,where li is the length of the sections corresponding to T1, T 3 ; T4,

ВО3;), ВО4;) - аппаратурные константы соответственно спектроанализаторов 3, приемников 5 и спектроанализаторов 4, приемников 6 на длине волны λ^ σ(φ) - коэффициент рассеяния общего рассеивающего объема под углом φ при посылке излучения на длине волны Х;.В О3; ), В О4; ) are the instrumental constants, respectively, of spectrum analyzers 3, receivers 5 and spectrum analyzers 4, receivers 6 at a wavelength λ ^ σ (φ) is the scattering coefficient of the total scattering volume at an angle φ when radiation is sent to wavelength X ; ...

- 2 035955- 2 035955

Аналогичные выражения можно записать для регистрируемых сигналов на длине волны λ при посылке излучения источником 2Similar expressions can be written for recorded signals at a wavelength λ when radiation is sent by a source 2

Р3 (λζ) = Р02 (λζ)42 (λζ)Γ2 (λζ)Γ3 (λζ)Β03 (λζ), Ρ4 (λζ) = Ρ02 (λζ)42 (λζ)Γ2 (λζ)σ(φ)Γ4 (λζ)^ (λ0 >Р 3 (λζ) = Р 02 (λζ) 4 2 (λζ) Γ 2 (λζ) Γ 3 (λζ) Β 03 (λζ), Ρ 4 (λζ) = Ρ 02 (λζ) 4 2 (λζ) Γ 2 (λζ) σ (φ) Γ 4 (λζ) ^ ( λ 0>

(3) (4) где A02 - аппаратурная константа источника излучения 2, соответствующая Ai;(3) (4) where A 02 is the instrumental constant of the radiation source 2 corresponding to Ai;

P02(Ai) - спектральная составляющая мощности посылаемого сигнала на длине волны Ai;P 02 (Ai) - spectral component of the power of the sent signal at the wavelength Ai;

T2 - коэффициент пропускания на Ai, соответствующий участку между источником 2 и рассеивающим объемом.T 2 is the transmittance at Ai, corresponding to the section between the source 2 and the scattering volume.

Из (1)-(4) легко получится следующее соотношение σ-(φ,λ/)=^(λί)Λ(λ,) From (1) - (4) we easily obtain the following relation σ- (φ, λ /) = ^ (λί) Λ (λ,)

Ρ,(λ:)Ρ,(λί) (5)Ρ, (λ:) Ρ, (λί) (5)

Аналогичные выражения можно записать и для спектральных составляющих сигналов не только на длинах волн λι=0,355 мкм, λ2=0,532 мкм и λ3=1,064 мкм (гармоники Nd:AUG - лазера), но и для любого другого спектрального диапазона, соответствующего другим источникам излучения (в том числе и для белого света, включающего длины волн наибольшей чувствительности глаза).Similar expressions can be written for the spectral components of signals not only at wavelengths λι = 0.355 μm, λ 2 = 0.532 μm and λ 3 = 1.064 μm (harmonics of the Nd: AUG laser), but also for any other spectral range corresponding to other sources radiation (including for white light, including the wavelengths of the highest sensitivity of the eye).

Как видно из (5), регистрируемые сигналы не включают аппаратурные константы P0i, A0i, B0i, что говорит о том, что изменение данных констант не влияет на значения σ(φ), т.е. нестабильность аппаратурных констант источников, приемников не сказывается на результате измерений σ(φ), а значит исключаются и методические погрешности, обусловленные данными факторами. Поскольку аппаратурные константы включают и степень загрязнения оптических элементов источников и приемников, зависимость их от изменений температуры, то в данной схеме эти факторы не будут сказываться на результате измерения σ(φ), а, значит нет необходимости использовать защиту от загрязнений, Не влияет на результат измерений и окружающая среда, поскольку, как видно из (5), выражения для T, которые характеризуют пропускание участков, в нем отсутствуют.As can be seen from (5), the recorded signals do not include the hardware constants P 0i , A 0i , B 0i , which indicates that a change in these constants does not affect the values of σ (φ), i.e. the instability of the instrumental constants of sources and receivers does not affect the measurement result σ (φ), which means that methodological errors caused by these factors are excluded. Since the instrumental constants also include the degree of contamination of the optical elements of sources and receivers, their dependence on temperature changes, in this scheme these factors will not affect the measurement result σ (φ), which means there is no need to use protection against contamination. Does not affect the result measurements and the environment, since, as can be seen from (5), there are no expressions for T that characterize the transmission of sections.

Таким образом, поскольку с использованием предложенной схемы измерений исключаются методические погрешности, обусловленные нестабильностью аппаратурных констант источников, приемников, загрязнение оптических элементов, изменением в окружающей среде, то точность определения σ(φ) будет выше, чем в используемых схемах измерения σ(φ).Thus, since using the proposed measurement scheme excludes methodological errors caused by the instability of the instrumental constants of sources, receivers, contamination of optical elements, changes in the environment, the accuracy of determining σ (φ) will be higher than in the used measurement schemes σ (φ).

Как уже отмечено выше, для установления величины MOR требуются знания не σ(φ), а показателя ослабления σ, связанного с MOR соотношением MOR=3,9^. Устойчивая связь между σ(φ)/σ®1,45 с погрешностью ±13% установлена для углов ~45°. Так, в [2], например, для измерений используется угол 45°, в [3] - угол 42°. Как отмечено в [4] (с. 458 - 460), данный коэффициент связи зависит от атмосферных ситуаций. Очевидно, что установление более устойчивой (с меньшей погрешностью) зависимости между σ(φ) и σ позволит повысить и точность определения MOR. Ниже показывается возможность повышения точности определения коэффициентов связи между σ(φ) и σ путем проведения дополнительных измерений (с использованием спектральных измерений σ(λ,φ)).As noted above, in order to establish the MOR value, knowledge is required not of σ (φ), but of the attenuation coefficient σ associated with MOR by the ratio MOR = 3.9 ^. A stable relationship between σ (φ) / σ®1.45 with an error of ± 13% was established for angles of ~ 45 °. So, in [2], for example, an angle of 45 ° is used for measurements, in [3] - an angle of 42 °. As noted in [4] (pp. 458 - 460), this coupling coefficient depends on atmospheric situations. It is obvious that the establishment of a more stable (with a smaller error) relationship between σ (φ) and σ will also improve the accuracy of the MOR determination. The possibility of increasing the accuracy of determining the coupling coefficients between σ (φ) and σ by making additional measurements (using spectral measurements σ (λ, φ)) is shown below.

В целях выбора оптимального угла приема рассеянного излучения (в плане точности получения значений σ(λ)) решается задача получения регрессивных соотношений между σ(λ) и σ(λ,φ). Величины σ(λ) и σ(λ,φ) рассчитывались по формулам Ми [5] (с. 107-138, 178-183, 602-616). Для отмеченных только что целей использовалась линейная регрессия в виде lga(X,) = C,0 + £c,,lgo(<pA,) (6) в которой используются логарифмы величин σ(λ) и σ(λ,φ), т.к. в этом случае мы имеем дело с числами одного порядка, а абсолютная ошибка логарифма дает оценку относительной ошибке самой величины. Численные значения коэффициентов Cik определяются с использованием массива рассчитанных значений σ(λ) и σ(λ,φ)) по методу наименьших квадратовIn order to select the optimal angle of reception of scattered radiation (in terms of the accuracy of obtaining the values of σ (λ)), the problem of obtaining regressive relations between σ (λ) and σ (λ, φ) is solved. The values of σ (λ) and σ (λ, φ) were calculated using Mie's formulas [5] (pp. 107-138, 178-183, 602-616). For the purposes just noted, linear regression was used in the form lga (X,) = C, 0 + £ c ,, lgo (<pA,) (6) in which the logarithms of the quantities σ (λ) and σ (λ, φ), since in this case we are dealing with numbers of the same order, and the absolute error of the logarithm gives an estimate of the relative error of the value itself. The numerical values of the coefficients C ik are determined using the array of calculated values σ (λ) and σ (λ, φ)) by the least squares method

Г ( I2 min£ 18σ(λ,)-ς0-£ς.,18σ(φ,λ,) , (7) где n=1, ..., S - номер реализации микрофизических параметров рассеивающей среды с соответствующими им оптическими характеристиками ап(А) и σ(λ,φ); S - объем выборки (массива рассчитанных значений σ(λ) и σ(λ,φ)); λι=0,355 мкм, λ2=0,532 мкм, λ3=1,064 мкм.Г (I 2 min £ 18σ (λ,) - ς 0 - £ ς., 18σ (φ, λ,), (7) where n = 1, ..., S is the number of realization of the microphysical parameters of the scattering medium with the corresponding optical characteristics a p (A) and σ (λ, φ); S is the sample size (array of calculated values of σ (λ) and σ (λ, φ)); λι = 0.355 μm, λ 2 = 0.532 μm, λ 3 = 1.064 μm.

Для получения ансамбля расчетных данных, состоящего из S=1500 рассчитанных реализаций σ(λ) и σ(λ,φ), использовались модели атмосферы [6 (с.24-76),7]. Модель [7] принята для использования Всемирной метеорологической организацией (WMO). Ансамбль расчетных данных σ(λ) и σ(λ,φ) получен путем независимых равномерно распределенных вариаций микрофизических характеристик, соответствующих аэрозольному показателю ослабления и рассеяния под углом,To obtain an ensemble of calculated data consisting of S = 1500 calculated realizations of σ (λ) and σ (λ, φ), we used atmospheric models [6 (pp. 24-76), 7]. Model [7] was adopted for use by the World Meteorological Organization (WMO). The ensemble of calculated data σ (λ) and σ (λ, φ) was obtained by independent uniformly distributed variations in the microphysical characteristics corresponding to the aerosol attenuation and scattering at an angle,

- 3 035955- 3 035955

О σ(φ,λ) = Ν ^KaJm,r,X)f(r)dr о и молекулярномуΣ (φ, λ) = Ν ^ K a Jm, r, X) f (r) dr о and molecular

8π(/κ2-!)2 σ(λ) = з8π (/ κ 2 -!) 2 σ(λ) = s

£(λ,φ) = -(1 +cos2 φ), 4 где N - концентрация аэрозольных и молекулярных частиц, m - показатель преломления, r - размер аэрозольных частиц, f(r) - функция распределения по размерам, φ - угол рассеяния, KQm,r,/J, K^ip (ιιι,ΐ',λ) факторы эффективности ослабления и рассеивания под углом, рассчитываемым по теории Ми [5]. По задаваемым случайным образом значениям микрофизических характеристик из диапазона, включающего как мелкодисперсные фракции - от 0,03 мкм, так и крупные - до размеров капли дождя, рассчитывались оптические характеристики σ(λ) и σ(λ,φ) для аэрозоля, а также молекулярного рассеяния, по ансамблю которых устанавливалась, по методу наименьших квадратов, коэффициенты Cik, входящие в уравнение множественной регрессии (6). Для учета вклада ошибок и разброса экспериментальных данных, на которых основана модель, помимо равномерного варьирования микрофизических параметров на рассчитываемые значения σ(λ,φ), используемые в (6), накладывался 10% случайный разброс.£ (λ, φ) = - (1 + cos 2 φ), 4 where N is the concentration of aerosol and molecular particles, m is the refractive index, r is the size of aerosol particles, f (r) is the size distribution function, φ is the angle scattering, KQm, r, / J, K ^ ip (ιιι, ΐ ', λ) factors of the efficiency of attenuation and scattering at an angle calculated by the Mie theory [5]. The optical characteristics σ (λ) and σ (λ, φ) for aerosol, as well as molecular size, were calculated using randomly set values of microphysical characteristics from the range including both finely dispersed fractions - from 0.03 μm, and large ones up to the size of a raindrop. scattering, over the ensemble of which, by the least squares method, the coefficients C ik included in the multiple regression equation (6) were established. To take into account the contribution of errors and the scatter of the experimental data on which the model is based, in addition to uniform variation of the microphysical parameters, a 10% random scatter was superimposed on the calculated values of σ (λ, φ) used in (6).

В целях выбора оптимального угла измерения рассеянного излучения (в плане точности получения значений σ(λ^) приведен расчет средней по выборке значений σ''(/i) и σπ(%φ) погрешности определения σ(λ^ (i=1, 2, 3) из (6) для углов в диапазоне φ=1-180°, при наложении на σ(%φ) случайного разброса в пределах 2,5% (что учитывает чувствительность соответствующих регрессионных уравнений к погрешностям измерения σ(λ^φ))In order to select the optimal angle for measuring the scattered radiation (in terms of the accuracy of obtaining the values of σ (λ ^), the calculation of the average over the sample of values of σ '' (/ i) and σ π (% φ) is the error in determining σ (λ ^ (i = 1, 2, 3) from (6) for angles in the range φ = 1-180 °, when superimposed on σ (% φ) of a random spread within 2.5% (which takes into account the sensitivity of the corresponding regression equations to measurement errors σ (λ ^ φ ))

При каждом φ коэффициенты Cik определялись методом наименьших квадратов (7). Рассчитанные зависимости δσ(φ) изображены на фиг. 2. Как видно из рисунка, наименьшие погрешности определены δσ(φ) соответствуют диапазону 30-40°. Коэффициенты множественной регрессии (6) для σ(λ) и σ(λ,φ) под углом 35°, соответствующие отмеченному выше диапазону разброса микрофизических характеристик, приведены в таблице.For each φ, the coefficients C ik were determined by the least squares method (7). The calculated dependences δσ (φ) are shown in Fig. 2. As can be seen from the figure, the smallest errors are determined by δσ (φ) correspond to the range of 30-40 °. The multiple regression coefficients (6) for σ (λ) and σ (λ, φ) at an angle of 35 °, corresponding to the above range of scatter of microphysical characteristics, are given in the table.

Определяемые характеристики Determined characteristics Go Go ’ Си ’Si ci2 c i2 ci3 c i3 σ(λι), км-1 σ (λι), km -1 0,8053 0.8053 0,54 0.54 0,178 0.178 0,32 0.32 σ(λ2), км-1 σ (λ 2 ), km -1 0,79 0.79 0,03 0.03 0,53 0.53 0,467 0.467 σ(λ3), км1 σ (λ 3 ), km 1 0,76 0.76 0,14 0.14 -0,32 -0.32 1,213 1.213

Установленные значения Cik соответствуют всему диапазону разброса микрофизических параметров атмосферы, т.е. всем атмосферным ситуациям модели атмосферы Всемирной метеорологической организации (WMO).The established C ik values correspond to the entire range of scatter of the microphysical parameters of the atmosphere, i.e. all atmospheric situations of the World Meteorological Organization (WMO) Atmosphere Model.

О точности определения σ( λ,) из спектральных значений показателя ослабления под указанным углом можно судить из рассчитанных погрешностей |σ(λ,.)-σ (λ,)| δσ(λζ) = σ(λ,) где σ(λ^ и σ*(λ^ - соответственно точное и полученное с использованием регрессивного соотношения (6) показателя ослабления.The accuracy of determining σ (λ,) from the spectral values of the attenuation coefficient at the indicated angle can be judged from the calculated errors | σ (λ,.) - σ (λ,) | δσ (λ ζ ) = σ (λ,) where σ (λ ^ and σ * (λ ^ are, respectively, exact and obtained using regressive relation (6) for the attenuation coefficient.

Погрешность определения σ(λ^ составляет для σ(λ1)=2,2%, σ(λ2)=1,8%, σ(λ3)=2,9%. Данные значения погрешностей определения показателя ослабления σ(λ^ получены в рамках используемой модели [6, 7] с учетом 2,5% погрешностей измерения σ((φ,λ^. Такие погрешности, и даже меньшие, достигаются при использовании описанной выше схемы (фиг. 1) измерения σ(φ,λΐ), исключающей методические погрешности, обусловленные разбросом аппаратурных констант измерительной аппаратуры, загрязнением оптических элементов, влиянием окружающей среды.The error in determining σ (λ ^ is for σ (λ 1 ) = 2.2%, σ (λ 2 ) = 1.8%, σ (λ 3 ) = 2.9%. These values of the errors in determining the attenuation coefficient σ (λ ^ obtained within the framework of the used model [6, 7], taking into account 2.5% errors in the measurement of σ ((φ, λ ^. Such errors, and even smaller ones, are achieved when using the scheme described above (Fig. 1) measuring σ (φ, λΐ), excluding methodological errors caused by the spread of the instrumental constants of the measuring equipment, contamination of optical elements, and the influence of the environment.

Оценка погрешности определения σ(λ^ по измеряемым значениям σ(φΑ) на отмеченных выше длинах волн произведена в связи с тем, что существует источник излучения на этих длинах волн, и /2=0,532 мкм соответствует диапазону наибольшей чувствительности глаза человека.The estimation of the error in determining σ (λ ^ from the measured values of σ (φΑ) at the above wavelengths was made due to the fact that there is a radiation source at these wavelengths, and / 2 = 0.532 μm corresponds to the range of the highest sensitivity of the human eye.

Предлагаемая методика определения σ(λ) по значению σ(φ,λ0 может быть использована и при других длинах волн (например, и для длин волн, соответствующих трансмиссометрам), других углов, вклюThe proposed method for determining σ (λ) from the value of σ (φ, λ0 can be used at other wavelengths (for example, and for wavelengths corresponding to transmissometers), other angles, including

- 4 035955 чая обратное рассеяние, для других атмосферных ситуаций (путем задания соответствующего разброса микрофизических характеристик рассеивающих сред, как аэрозольных, так и молекулярных). Установление соответствующих им коэффициентов Cik с использованием предлагаемых алгоритмов не представляет существенных трудностей для специалистов.- 4 035955 tea backscattering, for other atmospheric situations (by setting the corresponding scatter of microphysical characteristics of scattering media, both aerosol and molecular). Establishing the corresponding coefficients C ik using the proposed algorithms does not present significant difficulties for specialists.

Таким образом, предлагаемый способ измерения оптической дальности видимости приборами прямого и обратного рассеяния позволяет повысить точность ее измерения как за счет повышения точности измерения показателя рассеяния под углом (за счет исключения методических погрешностей, обусловленных отмеченными выше составляющими), так и за счет исключения погрешности, обусловленной использованием коэффициента связи между показателем рассеяния под углом σ(φ) и показателем ослабления σ, установленным с погрешностью ±13%. В предлагаемом способе связь σ(φ) и σ устанавливается с погрешностью менее 3%, а для λ=0,532 мкм с погрешностью <2%. Суммарная погрешность определения MOR при этом будет -5% (меньше, чем в существующих в настоящее время измерителях). При этом предлагаемый способ значительно улучшает эксплуатационные свойства измерительной системы за счет устранения необходимости тотального контроля за загрязнением оптических элементов источников, приемников, слежения за температурой среды, проведения частых калибровочных измерений. Другими словами, система становится эксплуатационно более надежна. Это обуславливается появляющимися достоинствами измерения σ(φ), исключающими зависимость от измерения аппаратурных констант измерительной системы, от изменений в окружающей среде. Это, а также использование устанавливаемого коэффициента связи между σ(φ) и σ с погрешностью <3% позволяет не меньше чем в 2 раза повысить точность определения MOP измерителями прямого рассеяния. При этом следует отметить, что данными измерителями измерения проводятся с одинаковой погрешностью во всем диапазоне изменений MOP. Кроме того, важным достоинством является возможность исключения необходимости идентификации атмосферных явлений, если в получении коэффициентов Cik закладывается разброс их микрофизических характеристик, т.е. могут не использоваться датчики погоды.Thus, the proposed method for measuring the optical range of visibility with forward and backward scattering devices makes it possible to increase the accuracy of its measurement both by increasing the accuracy of measuring the scattering index at an angle (by eliminating the methodological errors caused by the above-mentioned components) and by eliminating the error caused by using the coupling coefficient between the scattering factor at an angle σ (φ) and the attenuation factor σ, set with an error of ± 13%. In the proposed method, the relationship between σ (φ) and σ is established with an error of less than 3%, and for λ = 0.532 μm with an error of <2%. In this case, the total error in determining the MOR will be -5% (less than in the currently existing meters). At the same time, the proposed method significantly improves the operational properties of the measuring system by eliminating the need for total control over the contamination of optical elements of sources, receivers, monitoring the temperature of the medium, and conducting frequent calibration measurements. In other words, the system becomes operationally more reliable. This is due to the emerging advantages of measuring σ (φ), which exclude dependence on the measurement of the instrumental constants of the measuring system, on changes in the environment. This, as well as the use of the established coupling coefficient between σ (φ) and σ with an error of <3%, allows at least 2 times to increase the accuracy of determining the MOP by forward scatter meters. It should be noted that these meters measure measurements with the same error over the entire range of MOP changes. In addition, an important advantage is the possibility of eliminating the need to identify atmospheric phenomena, if the scatter of their microphysical characteristics is included in obtaining the coefficients C ik , i.e. weather sensors may not be used.

Источники информации, принятые во вниманиеSources of information taken into account

1. Руководство по определению дальности видимости на ВВП (RVR). Издательский центр АНО Метеоагенство Росгидромет, 2006г. - С. 3, 26-37.1. Guide to the determination of the visual range at the GDP (RVR). Publishing center ANO Meteoagenstvo Roshydromet, 2006 - S. 3, 26-37.

2. Руководство пользователя. Датчик видимости Yaisala PWD10/20/50 - file_259.pdf-Adobe Reader.C.17-18.2. User manual. Yaisala Visibility Sensor PWD10 / 20/50 - file_259.pdf-Adobe Reader.C.17-18.

3. Руководство пользователя. Датчик видимости FS11- file_14.pdf-Adobe Reader. - С. 17-19.3. User manual. Visibility sensor FS11- file_14.pdf-Adobe Reader. - S. 17-19.

4. Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. Минск: Наука и техника, 1969. - С. 458-460.4. Ivanov A.P. Scattering media optics. Minsk: Science and Technology, 1969. - S. 458-460.

5. Борен К., Хоффман Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами: пер. с англ. М; Мир, 1986г. - С.107-138, 178 - 183, 602-616.5. Boren K., Hoffman D. Absorption and scattering of light by small particles: trans. from English. M; Mir, 1986 - S.107-138, 178-183, 602-616.

6. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы, т.2. Ленинград: Гидрометеоиздат. 1986г. С. 24 - 76.6. Zuev V.E., Krekov G.M. Optical models of the atmosphere, v.2. Leningrad: Gidrometeoizdat. 1986 S. 24 - 76.

7. World Meteorological Organization. World Climate Research Programme: A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation. Geneva: Switzerland, Report WCP-112, WMO/TD-24. 1986.-5-52.7. World Meteorological Organization. World Climate Research Program: A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation. Geneva: Switzerland, Report WCP-112, WMO / TD-24. 1986.-5-52.

Claims (1)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM Способ определения метеорологической оптической дальности видимости путем посылки светового излучения в рассеивающий объем среды, измерения показателя рассеяния под заданным углом, определения показателя ослабления, отличающийся тем, что излучение в рассеивающий объем среды посылают на не менее чем трех длинах волн λ по двум направлениям под углом φ между ними, на данных длинах волн измеряют сигналы, проходящие через общий рассеивающий объем P^i) и P3^i) и рассеянные в нем P2^i) и P4^i) двумя приемниками, расположенными противоположно соответствующим им источникам излучения, по измеренным сигналам определяют спектральные значения коэффициентов рассеяния под углом σ(φ,λ) из выраженияA method for determining meteorological optical visibility range by sending light radiation into the scattering volume of the medium, measuring the scattering index at a given angle, determining the attenuation index, characterized in that the radiation is sent to the scattering volume of the medium at at least three wavelengths λ in two directions at an angle φ between them, at the given wavelengths, signals are measured passing through the common scattering volume P ^ i) and P 3 ^ i) and scattered in it by P 2 ^ i) and P 4 ^ i) by two receivers located opposite to the corresponding radiation sources, the measured signals determine the spectral values of the scattering coefficients at the angle σ (φ, λ) from the expression определяют спектральные значения показателей ослабления σ(λ^ с использованием соотношенияdetermine the spectral values of the attenuation indices σ (λ ^ using the relation 18σ(λ,) = ς0+Σς418σ(φ,λ,), к=\ где коэффициенты Cik устанавливают с использованием метода наименьших квадратов из массива n=1, ..., S рассчитываемых значений σ“(λ) и σ\λ^φ), задаваемых в диапазоне разброса микрофизических параметров исследуемой рассеивающей среды, а угол φ соответствует средней по выборке значений σ“(λί) и σ“(λ^φ) погрешности определения σ(λ^ из используемого соотношения связи между σ(λ^ и σ(λ^φ) при наложении на σ(λ^φ) случайного разброса в задаваемых пределах, и по значениям показателей ослабления на длинах волн λ-i, соответствующих порогу контрастной чувствительности глаза, определяют оптическую дальность видимости MOR, равную 3,9/ σ(λ^.1 8 σ (λ,) = ς 0 + Σς 4 1 8 σ (φ, λ,), к = \ where the coefficients C ik are set using the method of least squares from the array n = 1, ..., S of calculated values of σ “(Λ) and σ \ λ ^ φ), specified in the range of scatter of the microphysical parameters of the investigated scattering medium, and the angle φ corresponds to the average over the sample of values σ“ (λί) and σ “(λ ^ φ), the error in determining σ (λ ^ from the used relationship between σ (λ ^ and σ (λ ^ φ) when superimposed on σ (λ ^ φ) of a random spread within the specified limits, and the values of the attenuation indices at wavelengths λ-i corresponding to the threshold of the contrast sensitivity of the eye determine the optical MOR visibility range of 3.9 / σ (λ ^.
EA201900230A 2019-03-20 2019-03-20 Method for determination of meteorological optical visibility range EA035955B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201900230A EA035955B1 (en) 2019-03-20 2019-03-20 Method for determination of meteorological optical visibility range

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201900230A EA035955B1 (en) 2019-03-20 2019-03-20 Method for determination of meteorological optical visibility range

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201900230A1 EA201900230A1 (en) 2020-09-03
EA035955B1 true EA035955B1 (en) 2020-09-04

Family

ID=72615989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201900230A EA035955B1 (en) 2019-03-20 2019-03-20 Method for determination of meteorological optical visibility range

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA035955B1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3146293A (en) * 1960-02-22 1964-08-25 Compteurs Comp D Measuring the mean density of the atmosphere
WO1994009356A1 (en) * 1992-10-21 1994-04-28 Qualimetrics, Inc. Multiple angle and redundant visibility sensor
EP0664445A2 (en) * 1994-01-21 1995-07-26 HAGENUK GmbH Combined visual range and precipitation measuring device
EP1798541B1 (en) * 2005-12-13 2008-11-19 SICK MAIHAK GmbH Visibility measuring device using light scattering
CN103323424A (en) * 2013-05-20 2013-09-25 高云 Double-channel forward scattering visibility detection device and detection method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3146293A (en) * 1960-02-22 1964-08-25 Compteurs Comp D Measuring the mean density of the atmosphere
WO1994009356A1 (en) * 1992-10-21 1994-04-28 Qualimetrics, Inc. Multiple angle and redundant visibility sensor
EP0664445A2 (en) * 1994-01-21 1995-07-26 HAGENUK GmbH Combined visual range and precipitation measuring device
EP1798541B1 (en) * 2005-12-13 2008-11-19 SICK MAIHAK GmbH Visibility measuring device using light scattering
CN103323424A (en) * 2013-05-20 2013-09-25 高云 Double-channel forward scattering visibility detection device and detection method

Also Published As

Publication number Publication date
EA201900230A1 (en) 2020-09-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2430465B1 (en) Particulate detection and calibration of sensors
McCluney Radiometry of water turbidity measurements
CN106442428B (en) Optical fiber type measuring method for visibility based on multiple reflections
CN109444082A (en) diffuse reflection spectrum measuring device and measuring method
CN104122231B (en) On-line self-calibration water quality turbidity detection system
KR101731884B1 (en) Integrated multi-wavelength remote visibility monitor
US10962476B2 (en) Turbidity sensor and method for measuring turbidity
Hovi et al. Evaluating the performance of a double integrating sphere in measurement of reflectance, transmittance, and albedo of coniferous needles
EA035955B1 (en) Method for determination of meteorological optical visibility range
CN103674905A (en) Double-end single baseline transmission-type visibility meter
US10156474B2 (en) Determining a size of cell of a transmission spectroscopy device
Takamura et al. Aerosol optical properties inferred from simultaneous lidar, aerosol-counter, and sunphotometer measurements
CN105928905A (en) Particulate matter backscattering coefficient polarization sensitivity measurement device
Kompalli Inter-comparison of aerosol optical depth from the multi-wavelength solar radiometer with other radiometric measurements
US9976950B2 (en) Optical detector module, measurement system and method of detecting presence of a substance in a test material
Kugeiko Spectral nephelometric method for the determination of the meteorological optical range
KR20220064691A (en) Method for detecting aerozol distribution using lidar system
Eye et al. A measurement of time-averaged aerosol optical depth using air-showers observed in stereo by HiRes
CN109632651B (en) Multi-parameter spectrum measurement method and system for turbid medium
Lesnikov et al. Metrological support of liquid and aerosol particle counters
CN105738298B (en) A kind of aqueous solution turbidimetry method and device based on chromaticity coordinates value
RU159104U1 (en) DEVICE FOR CONTROL OF AEROSOL FLOWS PARAMETERS
RU2758843C1 (en) Method for determining main parameters of structure of air and droplet formations of clouds and fogs
Nowak et al. Fast optoelectronic sensor of water concentration
CN105301674B (en) Meteorological optical range detection means

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ KZ KG TJ TM RU