RU2126985C1

RU2126985C1 - Device determining temperature contrasts between hydrometeors and ambient air

Info

Publication number: RU2126985C1
Application number: RU94022695A
Authority: RU
Inventors: А.А. Синькевич
Original assignee: Главная геофизическая обсерватория им.А.И.Воейкова
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1999-02-27

Abstract

FIELD: meteorology, study of clouds. SUBSTANCE: device includes optical head with temperature of environment that has mobile mirror with turning mechanism and objectives optically coupled in sequence, main modulator, detector of radiant energy and black body at ambient temperature. Additional modulator which rotational speed is less than rotational speed of main modulator by factor of 10 as minimum, includes two optical filters shutting off in turn radiation flux coming to detector of radiant energy in spectral window of atmosphere 8-12 μ and on absorption line of carbon dioxide 4.255 μ. EFFECT: increased measurement accuracy. 1 dwg

Description

Предполагаемое изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано при изучении облаков. The alleged invention relates to the field of meteorology and can be used in the study of clouds.

Известно устройство измерения разницы между температурой облака и температурой окружающего воздуха, основанное на измерении температуры с помощью инфракрасного радиометра, работающего в полосе поглощения водяного пара с центром 6,3 мкм /1/. Устройство представляет собой оптико-электронный прибор и включает оптическую часть - входной объектив, фильтр, модулятор, приемник излучения и электрическую часть - усилители, фильтры, синхронный детектор. Излучение атмосферы фильтруется и радиометр измеряет интенсивность излучения в полосе поглощения водяного пара, которое зависит от температуры смеси гидрометеоров и водяного пара в облаке. A device for measuring the difference between the temperature of the cloud and the temperature of the ambient air, based on measuring the temperature using an infrared radiometer operating in the absorption band of water vapor with a center of 6.3 μm / 1 /. The device is an optical-electronic device and includes an optical part - an input lens, a filter, a modulator, a radiation receiver and an electric part - amplifiers, filters, a synchronous detector. Atmospheric radiation is filtered and the radiometer measures the radiation intensity in the absorption band of water vapor, which depends on the temperature of the mixture of hydrometeors and water vapor in the cloud.

Данное устройство не позволяет получать информацию о различии температуры гидрометеоров от температуры окружающего их облачного воздуха. This device does not allow to obtain information about the difference in the temperature of hydrometeors from the temperature of the surrounding cloudy air.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения выбрано устройство для определения разницы между температурой гидрометеоров и воздуха, описанное в /2/. Оно предполагает измерение температуры безоблачного воздуха с летательного аппарата с помощью радиометра, работающего на линии поглощения углекислого газа 4,255 мкм. Радиометр устанавливается на самолете таким образом, чтобы излучение поступало с горизонтальной трассы, т.е. с изотермической поверхности. В момент пересечения облака измеряется температура смеси - углекислого газа и гидрометеоров. Разностный сигнал дает информацию о различии температуры облака от температуры воздуха вне облака. Устройство включает входной объектив, фильтр, приемник лучистой энергии, калибровочное черное тело, модулятор. Излучение, поступающее на вход прибора, модулируется и через интерференционный фильтр поступает на приемник. Величина сигнала пропорциональна температуре измеряемой среды. Выбор линии поглощения углекислого газа позволяет измерять температуру воздуха практически во всех облаках, за исключением наиболее плотных, в связи с тем, что поглощение (а следовательно, и излучение) на этой линии очень велико. Объем, формирующий излучение, не превосходит 10 м /2/. Однако такое устройство не позволяет получить информацию о разности температуры гидрометеоров и окружающего их воздуха. The closest analogue of the claimed invention is a device for determining the difference between the temperature of hydrometeors and air, described in / 2 /. It involves measuring the temperature of cloudless air from an aircraft using a radiometer operating on the absorption line of carbon dioxide 4.255 microns. The radiometer is installed on the plane so that the radiation comes from a horizontal path, i.e. from an isothermal surface. At the moment the cloud crosses, the temperature of the mixture is measured - carbon dioxide and hydrometeors. The difference signal gives information about the difference in cloud temperature from air temperature outside the cloud. The device includes an input lens, a filter, a radiant energy receiver, a calibration black body, and a modulator. The radiation supplied to the input of the device is modulated and fed through the interference filter to the receiver. The magnitude of the signal is proportional to the temperature of the measured medium. The choice of a carbon dioxide absorption line makes it possible to measure air temperature in practically all clouds, with the exception of the densest, due to the fact that the absorption (and, consequently, radiation) on this line is very large. The volume that forms the radiation does not exceed 10 m / 2 /. However, such a device does not allow to obtain information about the temperature difference of hydrometeors and the air surrounding them.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение точности измерения разности между температурой гидрометеоров и окружающего их облачного воздуха. The problem to which the invention is directed is to increase the accuracy of measuring the difference between the temperature of hydrometeors and the cloudy air surrounding them.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство, включающее существенные признаки, общие с прототипом: оптическую головку при температуре окружающей среды, включающую подвижное зеркало с механизмом поворота, и последовательно оптически связанные объектив, основной модулятор и приемник лучистой энергии, черное тело при температуре окружающей среды, соединенные последовательно предварительный усилитель, соединенный с приемником лучистой энергии, ключевую схему и узкополосный фильтр, пропускающий напряжение, имеющее частоту вращения основного модулятора, блок обработки, первый датчик опорного напряжения и соединенную с последним схему управления, управляющую ключевой схемой и механизмом поворота подвижного зеркала - содержит новые отличительные признаки: оно снабжено дополнительным модулятором, частота вращения которого меньше частоты вращения основного модулятора не менее, чем в 10 раз. На модуляторе установлено 2 фильтра, которые перекрывают попеременно поток излучения. Первый из них пропускает излучение в окне прозрачности 8-12 мкм, а второй - на линии поглощения углекислого газа 4,255 мкм. Таким образом, на приемнике формируется переменный электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна разности потоков, формируемых измеряемыми гидрометеорами и первым модулятором (при прохождении излучения через фильтр 8-12 мкм). В связи с тем, что частота вращения первого модулятора превышает частоту вращения второго в 10 раз, сигнал будет представлять собой последовательность из нескольких импульсов, в момент перекрытия потока вторым фильтром на выходе приемника будет формироваться последовательность импульсов, амплитуда которых пропорциональна разности потоков, формируемых измеряемым воздухом (углекислым газом) и модулятором. В формировании излучения некоторый вклад будут вносить гидрометеоры, однако он мал, т.к. выбрана очень сильная линия поглощения. The essence of the invention lies in the fact that the device includes essential features common with the prototype: an optical head at ambient temperature, including a movable mirror with a rotation mechanism, and sequentially optically coupled lens, a main modulator and a receiver of radiant energy, a black body at ambient temperature connected in series to a preamplifier connected to a radiant energy receiver, a key circuit and a narrow-band filter transmitting a voltage having a frequency rotated I of the main modulator, the processing unit, the first reference voltage sensor and the control circuit connected to the last that controls the key circuit and the mechanism of rotation of the movable mirror - contains new distinctive features: it is equipped with an additional modulator, the rotational speed of which is less than the rotational speed of the main modulator, not less than 10 times. 2 filters are installed on the modulator, which alternately block the radiation flux. The first of them transmits radiation in the transparency window of 8-12 microns, and the second on the absorption line of carbon dioxide 4.255 microns. Thus, an alternating electrical signal is formed at the receiver, the amplitude of which is proportional to the difference in the fluxes generated by the measured hydrometeors and the first modulator (when radiation passes through a filter of 8-12 microns). Due to the fact that the rotational speed of the first modulator exceeds the rotational speed of the second one by 10 times, the signal will be a sequence of several pulses, at the moment the second filter blocks the flow, a sequence of pulses will be formed at the receiver output, the amplitude of which is proportional to the difference in the flows generated by the measured air (carbon dioxide) and modulator. Hydrometeors will make some contribution to the formation of radiation, but it is small, because A very strong absorption line has been selected.

После усиления сигнала предварительным усилителем он поступает на ключевую схему, которая управляется схемой управления. Последняя пропускает сигналы лишь в те моменты времени, когда поток полностью перекрыт 1 или 2 фильтром. Далее сигнал проходит узкополосный фильтр с целью фильтрации шумов и поступает на регулируемый усилитель, коэффициент усиления которого меняется таким образом, чтобы обеспечивалось равенство сигналов при использовании 1 и 2 фильтров при работе прибора по модели черного тела, имеющей температуру, близкую к температуре измеряемой среды. Это обеспечивается периодическим перекрытием входного излучения подвижным зеркалом, которое во время калибровки подает излучение черного тела на вход прибора. Таким образом устанавливается "0" прибора. Установка "0" прибора осуществляется с помощью схемы управления, которая соединена со вторым датчиком опорного напряжения и регулируемым усилителем, включенным между узкополосным фильтром и блоком обработки, соединенным со схемой управления. Положение подвижного зеркала регулируется схемой управления. После установки "0" зеркало смещается, и на вход поступает измеряемое излучение. Сигнал с усилителя поступает на блок обработки, который по известному коэффициенту передачи устройства вычисляет разность между температурой гидрометеоров и температурой воздуха между ними. Эта разность пропорциональна разности амплитуд сигналов на выходе усилителя 14. After amplification of the signal by the pre-amplifier, it enters the key circuit, which is controlled by the control circuit. The latter transmits signals only at those times when the flow is completely blocked by a 1 or 2 filter. Then the signal passes through a narrow-band filter in order to filter noise and enters an adjustable amplifier, the gain of which changes so that the signals are equal when using 1 and 2 filters when the device is operated on a blackbody model having a temperature close to the temperature of the medium being measured. This is ensured by periodic overlapping of the input radiation with a movable mirror, which during calibration delivers blackbody radiation to the input of the device. This sets the device to “0”. Setting “0” of the device is carried out using a control circuit that is connected to a second reference voltage sensor and an adjustable amplifier connected between the narrow-band filter and the processing unit connected to the control circuit. The position of the movable mirror is controlled by a control circuit. After setting "0" the mirror is shifted, and the measured radiation enters the input. The signal from the amplifier enters the processing unit, which, using the known transmission coefficient of the device, calculates the difference between the temperature of the hydrometeors and the air temperature between them. This difference is proportional to the difference in the amplitudes of the signals at the output of the amplifier 14.

Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения достаточна для достижения технического результата - повышения точности измерения за счет того, что использование соответствующих фильтров и описанной процедуры обработки сигнала обеспечивает возможность измерения разности температур гидрометеоров и окружающего их воздуха. The set of essential features of the claimed invention is sufficient to achieve a technical result - to increase the measurement accuracy due to the fact that the use of appropriate filters and the described signal processing procedure provides the ability to measure the temperature difference of hydrometeors and their air.

На фиг. 1 приводится структурная схема устройства, где 1 - модель черного тела, 2 - подвижное зеркало, 3 - механизм поворота, 4 - входная оптика, 5 - основной модулятор, 6 - первый датчик опорного напряжения, 7 - дополнительный модулятор, 8 - второй датчик опорного напряжения, 9 - приемник лучистой энергии, 10 - схема управления, 11 - предварительный усилитель, 12 - ключевая схема, 13 - узкополосный фильтр, 14 - регулируемый усилитель, 15 - блок обработки. In FIG. 1 is a structural diagram of the device, where 1 is a blackbody model, 2 is a movable mirror, 3 is a rotation mechanism, 4 is an input optics, 5 is a main modulator, 6 is a first voltage reference sensor, 7 is an additional modulator, 8 is a second reference sensor voltage, 9 - radiant energy receiver, 10 - control circuit, 11 - pre-amplifier, 12 - key circuit, 13 - narrow-band filter, 14 - adjustable amplifier, 15 - processing unit.

Работает устройство следующим образом. Выполняется установка "0" прибора. С этой целью на входной объектив (4) через подвижное зеркало (2) подается излучение модели черного тела (1). Поворот зеркала осуществляется механизмом поворота (3) по команде схемы управления (10). Излучение модулируется основным модулятором (5) и через один из фильтров, установленных на дополнительном модуляторе (7), поступает на приемник лучистой энергии (9). Сигнал с приемника (9) усиливается предварительным усилителем (11) и поступает на ключевую схему (12), которая пропускает его лишь в моменты полного перекрытия фильтром входного потока. Ключевая схема (12) управляется схемой управления (10), которая формирует управляющее напряжение, используя опорные сигналы, формируемые датчиками формирования опорного сигнала 6 и 8, контролирующими положение модуляторов, после фильтрации сигнала узкополосным фильтром (13) он поступает на регулируемый усилитель (14). Его усиление меняется таким образом, чтобы на выходе усилителя амплитуда сигнала при работе с фильтром 8 - 12 мкм равнялась амплитуде сигнала при работе с фильтром 4,255 мкм. Процесс измерения аналогичен процессу калибровки. В этом случае подвижное зеркало (2) устанавливается таким образом, чтобы на входной объектив поступало излучение, формируемое исследуемой средой. Коэффициенты усиления регулируемого усилителя (14) поддерживаются для каждого из фильтров такими, которые были определены во время градуировки. Сигнал после усиления поступает на блок обработки (15), куда одновременно поступает информация об используемом фильтре со схемы управления (10). Используя известный коэффициент передачи устройства в блоке обработки, вычисляются разности между температурой гидрометеоров и основного модулятора (5), а также между температурой воздуха между гидрометеорами и основным модулятором (5). Эта информация позволяет получить разность между температурой гидрометеоров и температурой воздуха между ними путем вычитания указанных выше сигналов. The device operates as follows. The device is set to “0”. To this end, radiation from a blackbody model (1) is supplied to the input lens (4) through a movable mirror (2). The rotation of the mirror is carried out by the rotation mechanism (3) by the command of the control circuit (10). The radiation is modulated by the main modulator (5) and through one of the filters installed on the additional modulator (7), is transmitted to the radiant energy receiver (9). The signal from the receiver (9) is amplified by a preliminary amplifier (11) and enters the key circuit (12), which passes it only when the filter completely blocks the input stream. The key circuit (12) is controlled by a control circuit (10), which generates a control voltage using the reference signals generated by the reference signal generation sensors 6 and 8, which control the position of the modulators, after filtering the signal with a narrow-band filter (13), it is fed to an adjustable amplifier (14) . Its gain is changed so that at the amplifier output the signal amplitude when working with a filter of 8 - 12 μm is equal to the signal amplitude when working with a 4.255 μm filter. The measurement process is similar to the calibration process. In this case, the movable mirror (2) is mounted in such a way that the radiation generated by the medium under study arrives at the input lens. The gain of the adjustable amplifier (14) is maintained for each of the filters as determined during calibration. After amplification, the signal enters the processing unit (15), where information about the filter used from the control circuit (10) is simultaneously received. Using the known transmission coefficient of the device in the processing unit, the differences between the temperature of the hydrometeors and the main modulator (5), as well as between the air temperature between the hydrometeors and the main modulator (5) are calculated. This information allows you to get the difference between the temperature of hydrometeors and the air temperature between them by subtracting the above signals.

Источники информации
1. Синькевич А.А. Применение радиометра ИК-диапазона для измерения термических характеристик облаков, Труды ГГО. - 1979, вып. 420, с. 105-112.Sources of information
1. Sinkevich A.A. The use of the infrared range radiometer for measuring the thermal characteristics of clouds, Proceedings of the State Civil Defense. - 1979, no. 420, p. 105-112.

2. Luwson R.P., Cooper W.A. Performance of some airborne thermometers in clouds, Journal of Atmospheric and. Oceanic Teohnoloqy. - 1990, vol. 7, N 3, p. 480-494. 2. Luwson R.P., Cooper W.A. Performance of some airborne thermometers in clouds, Journal of Atmospheric and. Oceanic Teohnoloqy. - 1990, vol. 7, N 3, p. 480-494.

Claims

A device for determining temperature contrasts between hydrometeors and the air surrounding them, containing an optical head at ambient temperature, including a movable mirror with a rotation mechanism, and a serially optically connected lens, a main modulator and a receiver of radiant energy, a black body at ambient temperature, connected in series an amplifier connected to a radiant energy receiver, a key circuit and a narrow-band filter that transmits voltage having a frequency rotation of the main modulator, the processing unit, the first reference voltage sensor and connected to the last control circuit that controls the key circuit and the rotation mechanism of the movable mirror, characterized in that an additional modulator is introduced into it, the rotational speed of which is less than the rotational speed of the main modulator at least 10 times, including two optical filters for alternately blocking the radiation flux arriving at the receiver of radiant energy, the first of which is for transmitting radiation in the transparency window an atmosphere of 8 - 12 μm, and the second on the absorption line of carbon dioxide 4.255 μm, a second voltage reference sensor connected to the control circuit, and an adjustable amplifier connected between the narrow-band filter and the processing unit connected to the control circuit.