RU175866U1

RU175866U1 - Облакомер

Info

Publication number: RU175866U1
Application number: RU2017126068U
Authority: RU
Inventors: Денис Владимирович Клочков; Александр Сергеевич Михайленко; Максим Юрьевич Ильин; Тимофей Михайлович Сухов; Максим Анатольевич Коняев; Валерий Сергеевич Ковалев; Ирина Максимовна Киселева; Антон Олегович Трухин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Лазерные системы"
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Облакомер включает в себя приемопередающую оптическую систему, содержащую лазерный излучатель, приемный канал, передающий канал, объектив, являющийся общим для обоих каналов, плоское зеркало с отверстием, установленное с возможностью разделения передающего и приемного каналов, и защитное стекло, а также фотоприемник. Дополнительно облакомер содержит пространственный фильтр, расположенный в фокальной плоскости объектива, и расположенную после него по ходу луча проекционную систему. Технический результат заключается в повышении чувствительности приемника к полезному сигналу, повышении отношения сигнал-шум облакомера. 6 з.п.п. ф-лы, 2 ил.

Description

2429-01731RU

ОБЛАКОМЕР

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к приборостроению, а именно к технике измерения оптических характеристик атмосферы с целью определения высоты обнаружения взлетно-посадочной полосы (ВПП) для метеорологического обеспечения полетов авиации, более точно к приборам для определения высоты нижней границы облаков (облакомерам).

Уровень техники

Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получили светолокационные измерители высоты облаков, использующие в качестве излучателя твердотельный лазер на эрбиевом стекле, обеспечивающий генерацию импульсов с высокой энергией в безопасной для глаз среде [Григорьев В. М. Лазерные измерители высоты нижней границы облаков - "Информационные материалы по гидрометеорологическим приборам и методам наблюдений", 1976, сб. 68]. Такие приборы имеют большую дальность обнаружения облачных слоев благодаря высокой мощности излучения.

Известны приборы для измерения высоты облаков [US4134677A, US4106872A, US4121889A] принципиально собраны по одной схеме. Такие приборы содержат приемо-передающую оптическую систему, лазерные излучатель которой представляет собой диод GaAs, усилитель сигнала, два задающих генератора и два интегратора. Один из интеграторов принимает обратно рассеянное излучение от облаков, второй имеет только шумовую дорожку. Данные с интеграторов сохраняются и каждые несколько импульсов сравниваются для более точного определения наличия облаков их высоты. Друг от друга приборы незначительно отличаются формой задающего сигнала для обработки данных. Недостатком таких приборов является сложность в исполнении схемы, в отличие от облакомера, не имеющего в своём составе интеграторов и генераторов для них. Для более точных показаний облакомер калибруется на чистой атмосфере.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбранным в качестве прототипа является облакомер фирмы «Vaisala», модель CL31 [http://www.iag.co.at/uploads/tx_iagproducts/pdf_handbuch/CL31.de.pdf].

Известный облакомер содержит приемо-передающую оптическую систему, содержащую лазерный излучатель, приемный канал, передающий канал, объектив, являющийся общим для обоих каналов, плоское зеркало с отверстием, установленное с возможностью разделения передающего и приемного канала, и защитное стекло, а также фотоприемник, модуль обработки, процессорный модуль, модуль термостабилизации, модуль передачи данных, модуль питания и систему очистки защитного стекла.

Недостатком ближайшего аналога является недостаточная эффективность детектирования вследствие низкого отношения сигнал-шум, которое проводится только на этапе математической обработки сигнала, однако не продолжающееся бесконечно вследствие изменения условий окружающей среды.

Задачей полезной модели является создание облакомера, обладающего повышенной чувствительностью приемника к полезному сигналу за счет повышения отношения сигнал-шум.

Раскрытие полезной модели

Для решения поставленной задачи предложен облакомер, включающий в себя приемо-передающую оптическую систему, содержащую лазерный излучатель, приемный канал, передающий канал, объектив, являющийся общим для обоих каналов, плоское зеркало с отверстием, установленное с возможностью разделения передающего и приемного канала, и защитное стекло, а также фотоприемник, фотодиод, модуль обработки, процессорный модуль, модуль термостабилизации, модуль передачи данных, модуль питания и систему очистки защитного стекла, отличающийся тем, что приемо-передающая система дополнительно содержит пространственный фильтр, расположенный в фокальной плоскости объектива, и расположенную после него по ходу луча проекционную систему.

В предпочтительном варианте объектив выполнен однолинзовым.

В предпочтительном варианте проекционная система содержит проекционный объектив, включающий в себя по меньшей мере две линзы и установленный между ними светофильтр.

Система очистки защитного стекла предпочтительно включает в себя модуль обдува и обогрева и датчик загрязненности защитного стекла.

Модуль термостабилизации предпочтительно включает в себя модуль обогрева, по меньшей мере два датчика температуры, датчик влажности, и модуль охлаждения.

Модуль обогрева может содержать по меньшей мере два нагревателя с вентиляторами.

Модуль охлаждения может содержать по меньшей мере один вентилятор.

Модуль обработки и процессорный модуль могут быть связаны между собой через Ethernet коммутатор.

Процессорный модуль предпочтительно имеет выходы каналов Ethernet, RS-485 или модемной линии.

Техническим результатом, получаемым при реализации данной полезной модели, является повышение эффективности работы прибора за счет повышения чувствительности приемника к полезному сигналу (повышение отношения сигнал-шум), а именно повышение эффективности детектирования сигналов с малой амплитудой. При этом достижение технического результата обеспечивается за счет наличия в приемо-передающем канале облакомера проекционной системы, которая фокусирует весь принимаемый сигнал на площадке фотоприемника, имеющая в своем составе пространственный фильтр, пропускающий только полезный сигнал и устраняющий фоновое и паразитное излучение.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показана общая схема облакомера.

На Фиг. 2 представлена оптическая схема приемо-передающей системы облакомера.

Осуществление полезной модели

Облакомер, общая схема которого приведена на Фиг. 1, содержит приемо-передающую оптическую систему 1, фотодиод 2, модуль 3 обработки, процессорный модуль 4, модуль 5 термостабилизации, модуль 6 передачи данных, модуль 7 питания и систему 8 очистки защитного стекла.

Процессорный модуль 4 служит для математической обработки данных, реализации алгоритма определения нижней границы облачности, а также контроля бортового оборудования и выдачи данных о границы облачности и состоянии оборудования оператору по каналам Ethernet, RS-485 или модемной линии.

Модуль 5 термостабилизации служит для поддержания заданной температуры внутри корпуса, очистку и обогрев защитного стекла от осадков и обледенения, управления электропитанием внутреннего оборудования. Модуль 5 термостабилизации включает в себя модуль обогрева, включающий в себя по меньшей мере два нагревателя с вентиляторами, по меньшей мере два датчика температуры, датчик влажности и модуль охлаждения, включающий в себя по меньшей мере один вентилятор. Модуль 5 получает информацию о температуре и влажности от цифровых датчиков, а также информацию о состоянии защитного стекла и в соответствии с алгоритмом управляет модулями обогрева и системой очистки стекла.

Модуль 5 термостабилизации по последовательному каналу RS-485 управляет подачей питания на оборудование в соответствии с режимом работы, осуществляет аварийное отключение устройств, а также по запросу процессорного модуля 4 по каналу USB выдает информацию о состоянии электропитания, оборудования и параметров температуры и влажности внутри корпуса.

Модуль 6 передачи данных предназначен для обратной связи оператора с оборудованием облакомера и обратной связи между модулями облакомера по каналам Ethernet, RS-485 или модемной линии.

Модуль 7 питания обеспечивает преобразование входного переменного напряжения 220В 50Гц в постоянное напряжение 27В заданной мощности.

Система 8 очистки защитного стекла включает в себя модуль обдува и обогрева и датчик загрязненности защитного стекла (на схеме не показаны).

Блок аккумуляторов (АКБ) является источником резервного питания и обеспечивает автономную работу облакомера в течение заданного времени (на схеме не показан).

Оптическая схема приемо-передающей системы 1, представленная на Фиг. 2, содержит лазерный излучатель 9, приемный канал 10, передающий канал 11, объектив 12, являющийся общим для обоих каналов, плоское зеркало 13 с отверстием, установленное с возможностью разделения передающего 11 и приемного канала 10, и защитное стекло 14, а также фотоприемник 15. Приемо-передающая система 1 дополнительно содержит пространственный фильтр 16, расположенный в фокальной плоскости объектива 12, и расположенную после него по ходу луча проекционную систему 18. Проекционная система 18 содержит проекционный объектив, включающий в себя по меньшей мере две линзы и установленный между ними светофильтр 17.

Облакомер работает следующим образом: детектирует мощность P(r) обратно рассеянного сигнала из атмосферы, величина которой от дистанции описывается уравнением:

,

где:

– мощность зондируемого излучения, С – скорость света, r – дистанция измерения,

– коэффициент обратного рассеяния,

– коэффициент поглощения,

– фоновое излучение.

Принцип работы облакомера основан на измерении времени, необходимого для прохождения импульса света в атмосфере от лазерного излучателя облакомера до рассеивающей нижней границы облака и его возврата на фотоприемник облакомера.

Приемо-передающая оптическая система 1 построена по однолинзовой оптической схеме с одним объективом 12, в фокусе которого находятся лазерный излучатель 9 и фотоприемник 15.

В качестве объектива 12 предпочтительно используется асферическая линза со световым диаметром 100 мм и фокусным расстоянием 200 мм.

Разделение в пространстве приемного 10 и передающего 11 каналов осуществляется при помощи плоского зеркала 13 с отверстием, расположенного под углом 45º к оптической оси объектива 12. В качестве лазерного излучателя 9 используется компактный микрочиповый лазер с безопасной для глаз длиной волны 1535 нм, генерирующий импульсы с частотой 2,6 кГц, длительностью 3 нс и энергией 7 мкДж. Излучение (с расходимостью 23 мрад), пройдя через отверстие в плоском зеркале 13, после объектива 12 на выходе коллимируется в пучок диаметром 4,5 мм и расходимостью 0,5 мрад. Излучение частично отражается от плоской поверхности оптического стекла и попадает на фотоприемник 15, размещенный под защитным стеклом 14. Фотоприемник 7 преобразует оптический сигнал в синхроимпульс.

Обратно рассеянное в атмосфере излучение объектив 12 проецирует в фокальную плоскость приемного канала 10 в виде пятна диаметром 280 мкм. Для ограничения поля зрения используется пространственный фильтр 16 (диафрагма) диаметром 300 мкм, расположенный в фокальной плоскости приемного канала 10. После пространственного фильтра 16 расположена двухкомпонентная проекционная система 18 с увеличением 0,5 крат, которая предназначена как для проецирования обратно рассеянного излучения на площадку фотоприемника 15 диаметром 200 мкм, так и минимизации воздействия на фотоприемник 15 солнечного излучения за счет установки пространственного фильтра 16 в параллельный ход лучей между ее компонентами.

В качестве фотоприемника 15 используется лавинный фотодиод (ЛФД). Сигнал с ЛФД поступает в модуль 3 обработки, где усиливается с заданным коэффициентом усиления, оцифровывается с частотой не менее 50МГц. Необходимые для функционирования ЛФД напряжения питания формируются в модуле 3 обработки. Для уменьшения влияния кондуктивных помех на измерительный тракт связка фотоприемник-модуль обработки имеет гальванически развязанную от корпуса и общих шин аналоговую схему и схему питания. В модуле 3 обработки происходит накопление заданного количества обратно рассеянных реализаций принимаемого сигнала и передача осредненных данных по каналу Ethernet в процессорный модуль 4.

Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение эффективности работы прибора за счет повышения чувствительности приемника к полезному сигналу, а именно повышение эффективности детектирования сигналов с малой амплитудой. Это обеспечивается за счет наличия в приемо-передающем канале облакомера проекционной системы, которая фокусирует весь принимаемый сигнал на площадке фотоприемника, имеющая в своем составе пространственный фильтр, пропускающий только полезный сигнал и устраняющий фоновое и паразитное излучение.

Claims

1. Облакомер, включающий в себя приемопередающую оптическую систему, содержащую лазерный излучатель, приемный канал, передающий канал, объектив, являющийся общим для обоих каналов, плоское зеркало с отверстием, установленное с возможностью разделения передающего и приемного каналов, и защитное стекло, а также фотоприемник, модуль термостабилизации, модуль передачи данных, модуль питания и систему очистки защитного стекла, отличающийся тем, что приемопередающая система дополнительно содержит пространственный фильтр, расположенный в фокальной плоскости объектива, и расположенную после него по ходу луча проекционную систему.

2. Облакомер по п. 1, отличающийся тем, что объектив является однолинзовым.

3. Облакомер по п. 1, отличающийся тем, что проекционная система содержит проекционный объектив, включающий в себя по меньшей мере две линзы и установленный между ними светофильтр.

4. Облакомер по п. 1, отличающийся тем, что система очистки защитного стекла включает в себя модуль обдува и обогрева и датчик загрязненности защитного стекла.

5. Облакомер по п. 1, отличающийся тем, что модуль термостабилизации включает в себя модуль обогрева, по меньшей мере два датчика температуры, датчик влажности и модуль охлаждения.

6. Облакомер по п. 5, отличающийся тем, что модуль обогрева содержит по меньшей мере два нагревателя с вентиляторами.

7. Облакомер по п. 5, отличающийся тем, что модуль охлаждения содержит по меньшей мере один вентилятор.