RU2758843C1 - Method for determining main parameters of structure of air and droplet formations of clouds and fogs - Google Patents

Method for determining main parameters of structure of air and droplet formations of clouds and fogs Download PDF

Info

Publication number
RU2758843C1
RU2758843C1 RU2020136789A RU2020136789A RU2758843C1 RU 2758843 C1 RU2758843 C1 RU 2758843C1 RU 2020136789 A RU2020136789 A RU 2020136789A RU 2020136789 A RU2020136789 A RU 2020136789A RU 2758843 C1 RU2758843 C1 RU 2758843C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
droplets
fogs
source
airborne
Prior art date
Application number
RU2020136789A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Владимирович Левин
Александр Юрьевич Окунев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук" (НИИСФ РААСН)
Евгений Владимирович Левин
Александр Юрьевич Окунев
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук" (НИИСФ РААСН), Евгений Владимирович Левин, Александр Юрьевич Окунев filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук" (НИИСФ РААСН)
Priority to RU2020136789A priority Critical patent/RU2758843C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2758843C1 publication Critical patent/RU2758843C1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01WMETEOROLOGY
    • G01W1/00Meteorology

Abstract

FIELD: meteorology.
SUBSTANCE: invention relates to the field of meteorology and can be used for determining the main parameters of the structure of air and droplet formations of clouds and fogs. Substance: the meteorological visibility range is calculated, the water content of the air and droplet formation is measured. Accounting for said parameters, the effective droplet radius is calculated.
EFFECT: simplification of the method.
3 cl

Description

Изобретение относится к метрологии и его использование предназначено для определения структуры естественных и искусственных капельных образований в виде облаков и туманов. Определяемая с помощью заявленного способа воздушно-капельная структура предназначена для получения исходных данных, необходимых при проведении расчетов пропускания в толще облаков и туманов оптического излучения (излучения с длинами волн от 1 нм до 1 мм и включающего диапазоны рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения) и может быть использована метеорологическими службами, при эксплуатации навигационных систем, в т.ч. на наземном и воздушном транспорте, службами контроля и наблюдения за объектами, использована для различных оптических методов измерений, в т.ч. при проведении тепловизионных обследований строительных и других объектов, при проведении научных исследований, а также в других отраслях, где необходимым является знание оптических характеристик атмосферного воздуха, содержащего капельные образования.The invention relates to metrology and its use is intended to determine the structure of natural and artificial droplet formations in the form of clouds and fogs. The airborne structure determined using the claimed method is intended to obtain the initial data necessary for calculating the transmission of optical radiation in the thickness of clouds and fogs (radiation with wavelengths from 1 nm to 1 mm and including the ranges of X-ray, ultraviolet, visible and infrared radiation) and can be used by meteorological services in the operation of navigation systems, incl. on land and air transport, control and observation services for objects, used for various optical measurement methods, incl. when conducting thermal imaging surveys of construction and other objects, when conducting scientific research, as well as in other industries where it is necessary to know the optical characteristics of atmospheric air containing droplet formations.

Изобретение служит для определения основных параметров структуры капельных образований в виде облаков и туманов, влияющих на пропускание оптического излучения: размер содержащихся в нем частиц (капель) и количество этих частиц в единице объема (концентрация). Содержащиеся в воздухе водяные капли рассеивают проходящее через капельное образование оптическое излучение и, в зависимости от размера частиц и их концентрации, в той или иной степени снижают его интенсивность. Например, при наличии тумана такая важная для практики характеристика туманов, как метеорологическая дальности видимости в видимом свете (МДВ), может иметь значения от нескольких километров до нескольких метров. При постоянной водности (содержании жидкой воды в единице объема воздуха) чем меньший размер имеют капли, тем менее прозрачным является туман и наоборот. С увеличением водности при постоянном размере капель прозрачность тумана уменьшается. При этом туманы почти всегда менее прозрачны, чем воздух, в котором идет дождь, несмотря на то, что водность воздуха при дожде на многие порядки выше водности туманов.The invention serves to determine the main parameters of the structure of droplet formations in the form of clouds and fogs that affect the transmission of optical radiation: the size of the particles (droplets) contained in it and the number of these particles per unit volume (concentration). The water droplets contained in the air scatter the optical radiation passing through the droplet formation and, depending on the particle size and concentration, reduce its intensity to one degree or another. For example, in the presence of fog, such an important for practice characteristic of fogs as meteorological visibility range in visible light (MPV) can range from several kilometers to several meters. At constant water content (the content of liquid water per unit volume of air), the smaller the droplets are, the less transparent the fog is, and vice versa. With an increase in water content at a constant droplet size, the transparency of the fog decreases. At the same time, fogs are almost always less transparent than the air in which it rains, despite the fact that the water content of the air during rain is many orders of magnitude higher than the water content of fogs.

Концентрация частиц воздушно-капельных образований типа облаков и туманов практически не поддается прямым измерениям и вместо нее при измерениях используют ее интегральную величину - водность капельных образований, т.е. содержание жидкой воды в единице объема воздуха. При этом, зная водность и функцию распределения капель по размерам, можно провести обратный пересчет и определить концентрации капель для каждого размера и, наоборот, по количеству капель и распределению капель по размерам можно определить водность.The concentration of particles of airborne formations such as clouds and fogs practically does not lend themselves to direct measurements and instead of it, its integral value is used in measurements - the water content of droplets, i.e. liquid water content per unit volume of air. At the same time, knowing the water content and the droplet size distribution function, it is possible to recalculate and determine the concentration of droplets for each size and, conversely, the water content can be determined by the number of droplets and the droplet size distribution.

Определение (измерение) водности тумана является самостоятельной важной задачей, например, для авиационного транспорта. От водности облаков и температурного режима воздуха зависят условия образования льда на корпусе и крыльях самолетов, причем как в процессе полетов, так и в предполетном состоянии.Determination (measurement) of fog water content is an independent important task, for example, for air transport. The conditions for ice formation on the hull and wings of aircraft, both during flights and in the pre-flight state, depend on the water content of the clouds and the temperature regime of the air.

Измерение водности может быть осуществлено несколькими различными способами. Наиболее распространенными среди них являются следующие:Water content measurement can be done in several different ways. The most common among them are the following:

Определение водности методом инерционного осаждения капель. Осаждение капель проводят, например, на гигроскопическую бумагу. По значению диаметра образующегося влажного пятна определяют массу осевшей воды и, зная расход воздуха, т.е. объем воздуха, из которого набирается эта масса воды, вычисляют водность капельного образования (см., например, [1]). Использование данного способа позволяет также одновременно определить и концентрацию химических примесей, для чего на бумагу заранее наносят химический реактив, который меняет цвет бумаги под действием химической примеси. По величине отношения диаметров окрашенных и неокрашенных пятен определяют концентрацию примеси в воде тумана или облака. Данный способ измерения водности является наиболее простым в реализации и достаточно точным в условиях приземных туманов.Determination of water content by inertial droplet sedimentation. The droplets are deposited, for example, on absorbent paper. By the value of the diameter of the resulting wet spot, the mass of settled water is determined and, knowing the air flow rate, i.e. the volume of air from which this mass of water is collected, the water content of the droplet formation is calculated (see, for example, [1]). The use of this method also makes it possible to simultaneously determine the concentration of chemical impurities, for which a chemical reagent is applied to the paper in advance, which changes the color of the paper under the influence of a chemical impurity. By the value of the ratio of the diameters of colored and uncolored spots, the concentration of impurities in fog or cloud water is determined. This method of measuring water content is the easiest to implement and quite accurate in the conditions of surface fogs.

Другим известным способом измерения водности является электротермический способ [2]. Способ основан на измерении мощности, потребляемой нагреваемым зондом, на котором происходит испарение капельной влаги в тумане или облаке. Для реализации способа необходимо обеспечить поток воздуха относительно зонда (или наоборот, движение зонда относительно воздуха, как это происходит на транспортных средствах). При определении водности учитывается величина относительной скорости воздушного потока и зонда. Данный способ часто применяют как средство обнаружения и диагностики условий возможного обледенения транспортных средств, например, крыльев и корпуса самолета.Another well-known method for measuring water content is the electrothermal method [2]. The method is based on measuring the power consumed by a heated probe, which evaporates droplet moisture in a fog or cloud. To implement the method, it is necessary to provide an air flow relative to the probe (or vice versa, the movement of the probe relative to the air, as it happens on vehicles). When determining the water content, the value of the relative velocity of the air flow and the probe is taken into account. This method is often used as a means of detecting and diagnosing possible icing conditions in vehicles, for example, wings and aircraft body.

Известен также способ дистанционного бесконтактного измерения водности в туманах и облаках. Это оптический способ, положенный в основу работы устройства по патенту [3]. Способ основан на том, что в тумане или в облаке происходит рассеяние и уменьшение пропускания электромагнитного оптического излучения, в частности, света, которое можно измерить. Величина рассеяния зависит от количества капель, которые встречаются на пути прохождения излучения. В способе, применяемом в [3], в качестве источника излучения используют солнце, а перед фотоприемниками используют фильтры, поляризующие солнечный свет в различных направлениях. Фотоприемники принимают излучение на нескольких частотах и по разности мощности сигналов поляризованного и неполяризованного света с помощью расчетов определяют долю излучения, рассеянного каплями воды и, следовательно, измеряют содержание капельной воды. В различных вариантах данного способа вместо солнечного света используют искусственные источники излучения.There is also known a method for remote contactless measurement of water content in fogs and clouds. This is the optical method, which is the basis for the operation of the device under the patent [3]. The method is based on the fact that in a fog or in a cloud there is scattering and a decrease in the transmission of electromagnetic optical radiation, in particular, light that can be measured. The amount of scattering depends on the number of droplets that meet along the path of the radiation. In the method used in [3], the sun is used as a radiation source, and filters are used in front of the photodetectors that polarize sunlight in different directions. Photodetectors receive radiation at several frequencies and, based on the difference in the power of signals of polarized and unpolarized light, by means of calculations, they determine the fraction of radiation scattered by water droplets and, therefore, measure the content of droplet water. In various versions of this method, artificial radiation sources are used instead of sunlight.

Измерение размеров капель воздушно-капельных образований может быть осуществлено несколькими гранулометрическими способами, общим для которых является визуализация капель. Наиболее простыми и распространенными среди них являются следующие:Measurement of the droplet size of airborne formations can be carried out by several granulometric methods, common to which is the visualization of droplets. The most simple and common among them are the following:

Улавливание капель в объем вязкой жидкости, не смешивающейся с каплями и не растворяющей их (см. например [4]). После взаимодействия тумана или облака с такой жидкостью проводят наблюдение и измерение размера капель под микроскопом. Недостатком такого способа является ограниченная область применимости, невысокая точность измерений, а также малая оперативность, связанная с тем, что после улавливания капель необходима их визуализация с помощью дополнительных технических средств и измерение размеров. Кроме того, улавливание можно провести только в потоке, например, на выходе из устройства, генерирующего искусственный туман, или на транспортном средстве. Для неподвижных туманов способ неприменим. Невысокая точность измерений обусловлена коагуляцией капель в капли других размеров, как на поверхности, так и внутри поглощающей жидкости.Capturing droplets in a volume of a viscous liquid that does not mix with the droplets and does not dissolve them (see, for example, [4]). After the interaction of a fog or cloud with such a liquid, the droplet size is observed and measured under a microscope. The disadvantage of this method is the limited area of applicability, low measurement accuracy, as well as low efficiency due to the fact that after capturing the drops, it is necessary to visualize them with the help of additional technical means and measure their sizes. In addition, the collection can only be carried out in the stream, for example, at the outlet of a device that generates artificial fog, or on a vehicle. The method is not applicable for stationary fogs. The low measurement accuracy is due to the coagulation of droplets into droplets of other sizes, both on the surface and inside the absorbing liquid.

Улавливание капель на поверхности. В данном способе проводят осаждение капель на стеклянную поверхность, покрытую гидрофобной пленкой, например, масляной. Способ положен в основу работы устройства для измерения капель [5], которое может быть установлено на самолете или в движущемся автомобиле. Отборы проб производят в закрываемые камеры, в которых в течение времени экспозиции происходит осаждение, а далее проводят фотографирование с увеличением и измерение размеров. Данный способ прост и удобен в работе, но он также обладает недостатками. Для его реализации необходимо, чтобы улавливающая поверхность контактировала с туманом в условиях достаточно продолжительного времени, за которое поверхности достигнут капли не только из зоны взаимодействия стекла и тумана, но и из других зон, в которых размеры капель могут отличаться. При этом в процессе гравитационного осаждения капли в самом тумане могут контактировать между собой с изменением их размеров.Capturing drops on the surface. In this method, droplets are deposited onto a glass surface covered with a hydrophobic film, for example, an oil film. The method is the basis for the operation of a device for measuring droplets [5], which can be installed on an airplane or in a moving car. Sampling is carried out in closed chambers, in which sedimentation occurs during the exposure time, and then photographing is carried out with an increase and measurement of dimensions. This method is simple and easy to use, but it also has disadvantages. For its implementation, it is necessary that the capturing surface is in contact with the fog under conditions of a sufficiently long time, during which the droplets reach the surface not only from the zone of interaction of glass and fog, but also from other zones in which the droplet sizes may differ. In this case, in the process of gravitational sedimentation, droplets in the fog itself can contact each other with a change in their size.

Общим недостатком для указанных способов определения размеров капель является также то, что их реализация требует использования оборудования для улавливания и осаждения капель, которое может изменить измеряемые размеры и снизить точность измерений. Кроме того, оба приведенных способа требуют термостатирования как самой измерительной системы, так и воздуха, в котором проводят измерения.A common disadvantage for these methods for determining the size of drops is that their implementation requires the use of equipment for capturing and settling drops, which can change the measured dimensions and reduce the measurement accuracy. In addition, both of the above methods require thermostating both the measuring system itself and the air in which the measurements are carried out.

Недостатками перечисленных способов определения структуры капельных образований является следующие:The disadvantages of these methods for determining the structure of drip formations are as follows:

Способы для определения водности являются интегральными, без детализации размеров и не позволяют определить размеры капель, необходимые для расчетов пропускания оптического излучения. Способы для определения размеров капель не позволяют определить их количественное содержание, что также является необходимым для расчетов пропускания излучения.The methods for determining the water content are integral, without size detailing and do not allow determining the droplet sizes required for calculating the transmission of optical radiation. Methods for determining the size of droplets do not allow determining their quantitative content, which is also necessary for calculating radiation transmission.

Для устранения этих недостатков используют способы измерений, которые позволяют одновременно измерять и размеры капель в туманах и облаках и их концентрацию, по которой можно рассчитать водность, при этом без нарушений их структуры. Все эти способы основаны на оптическом диагностировании капельных образований и получении мгновенной информации об их структуре на основе установленных физических закономерностей о свойствах капельной составляющей воздуха взаимодействовать с проходящим через него излучением. Большинство известных способов оптического диагностирования основано на том, что в область капельного образования от источника посылают зондирующее оптическое излучение с известными свойствами (мощность, спектральный состав, поляризация), а приемниками регистрируют отраженное и(или) рассеянное излучение. По характеристикам принимаемого излучения и по известным закономерностям рассеяния излучения проводятся вычисления структуры капельных образований в воздухе. Преимуществом данных способов является то, что они являются бесконтактными и многие из них при определенных условиях позволяют получать необходимые данные о структуре облаков и туманов, включая содержание в них воды и распределение капель по размерам. Недостатком является сложность применения способа на практике, требующего использования специального оборудования и специальных методик измерения. Недостатком является также ограниченная достоверность, получаемых данных. Это связано с тем, что при математической обработке получаемых результатов необходимо решать обратную задачу - определение микроструктуры по полученным интегральным данным в виде характеристик принимаемого излучения. Прохождение и рассеяние света в дисперсных системах, к которым относятся капельно-воздушные образования, описывается теорией, в которой при расчете коэффициента рассеяния одновременно используются все параметры микроструктуры, а также спектральный состав проходящего излучения. Параметров много, их величины оказывают различное, часто противоположное влияние на прохождение излучения и однозначно восстановить величины всех параметров по значению коэффициента рассеяния удается не всегда. При этом обеспечить измерение необходимого количества характеристик излучения для детализации характеристик капельной структуры технически сложно.To eliminate these drawbacks, measurement methods are used that allow simultaneously measuring both the sizes of droplets in fogs and clouds and their concentration, which can be used to calculate the water content, while without disturbing their structure. All these methods are based on optical diagnostics of droplet formations and obtaining instant information about their structure based on the established physical laws about the properties of the droplet component of air to interact with radiation passing through it. Most of the known optical diagnostics methods are based on the fact that probing optical radiation with known properties (power, spectral composition, polarization) is sent to the region of droplet formation from the source, and the reflected and (or) scattered radiation is recorded by the receivers. According to the characteristics of the received radiation and the known patterns of radiation scattering, the structure of droplet formations in the air is calculated. The advantage of these methods is that they are non-contact and many of them, under certain conditions, make it possible to obtain the necessary data on the structure of clouds and fogs, including their water content and droplet size distribution. The disadvantage is the complexity of the application of the method in practice, requiring the use of special equipment and special measurement techniques. The disadvantage is also the limited reliability of the data obtained. This is due to the fact that in the mathematical processing of the results obtained, it is necessary to solve the inverse problem - the determination of the microstructure from the obtained integral data in the form of characteristics of the received radiation. The transmission and scattering of light in dispersed systems, which include droplet-air formations, is described by a theory in which all parameters of the microstructure, as well as the spectral composition of the transmitted radiation, are simultaneously used when calculating the scattering coefficient. There are many parameters, their values have different, often opposite effects on the transmission of radiation, and it is not always possible to unambiguously reconstruct the values of all parameters from the value of the scattering coefficient. At the same time, it is technically difficult to ensure the measurement of the required number of radiation characteristics to detail the characteristics of the droplet structure.

Наиболее близким к заявленному изобретению и использованным в качестве прототипа является способ, приведенный в патенте [6]. Данный способ также относится к оптическому определению микроструктуры воздушно-капельных образований облаков и туманов. При использовании способа одновременно определяют распределение капель по размерам и величину водности. Способ основан на том, что в воздушно-капельное образование последовательно посылают зондирующие импульсы излучения с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Приемники излучения принимают основную и ортогональную компоненты рассеянного излучения от этих сигналов. Дополнительно проводят прием излучения под углами, превышающими характерные углы однократного (первичного) рассеяния излучения каплями. При этом на приемник преимущественно поступают сигналы, сформированные многократным рассеянием на множестве частиц, в т.ч. на частицах различного размера. Далее проводят обработку сигналов и по мощности и степени поляризации принятого излучения проводят расчеты распределения капель по размерам, по которому рассчитывают водность облаков и туманов.Closest to the claimed invention and used as a prototype is the method described in the patent [6]. This method also relates to the optical determination of the microstructure of airborne cloud and fog formations. When using the method, the droplet size distribution and the water content are simultaneously determined. The method is based on the fact that probe radiation pulses with mutually perpendicular polarization planes are successively sent to the airborne formation. The radiation receivers receive the main and orthogonal components of the scattered radiation from these signals. Additionally, radiation is received at angles exceeding the characteristic angles of single (primary) scattering of radiation by drops. In this case, the receiver mainly receives signals formed by multiple scattering by a multitude of particles, incl. on particles of different sizes. Next, the signals are processed and, according to the power and degree of polarization of the received radiation, the droplet size distribution is calculated, according to which the water content of clouds and fogs is calculated.

Данный способ имеет преимущество перед другими аналогичными способами, поскольку позволяет получить информацию о размерах капель в капельных образованиях, о распределении капель по размерам, на основе которых возможно вычислить водность. Но способ имеет и недостатки, присущие всем оптическим способам, используемым при диагностировании воздушно-капельных образований, содержащих капли различных размеров. Для его реализации требуется сложное и дорогостоящее измерительное оборудование и математическая обработка получаемых результатов. Для получения необходимой информации требуется комплексная схема проведения измерений, например, зондирование облаков и туманов под разными углами, использование нескольких источников излучения и нескольких приемников. Большим недостатком является то, что полнота получаемой информации о структуре облаков и туманов является приблизительной, и ее не всегда хватает, чтобы на основе полученных при использовании такого способа данных о дисперсности и концентрациях капель различного размера можно было проводить точные расчеты требуемых свойств облаков и туманов. Например, получаемая при использовании способа-прототипа капельная структура может быть не полной для того, чтобы при ее применении в расчетах пропускания облаками и туманами оптического излучения различного спектрального состава были получены точные результаты. Типичным примером является получение исходных данных для обработки результатов инфракрасной температурной диагностика различных объектов в условиях замутненной атмосферы.This method has an advantage over other similar methods, since it allows one to obtain information about the size of droplets in droplet formations, about the size distribution of droplets, on the basis of which it is possible to calculate the water content. But the method also has disadvantages inherent in all optical methods used to diagnose airborne formations containing drops of various sizes. Its implementation requires complex and expensive measuring equipment and mathematical processing of the results. To obtain the necessary information, a complex measurement scheme is required, for example, the sounding of clouds and fogs at different angles, the use of multiple radiation sources and multiple receivers. A big drawback is that the completeness of the obtained information on the structure of clouds and fogs is approximate, and it is not always enough to make accurate calculations of the required properties of clouds and fogs based on the data obtained using this method on the dispersion and concentrations of droplets of various sizes. For example, the droplet structure obtained when using the prototype method may not be complete so that when it is applied in calculating the transmission of clouds and fogs of optical radiation of different spectral composition, accurate results are obtained. A typical example is obtaining initial data for processing the results of infrared temperature diagnostics of various objects in a cloudy atmosphere.

Использование данного способа, несмотря на его сложность, вполне оправдано, когда научный и практический интерес представляет именно каким то образом детализированная структура капельного образования, получить которую другими способами, кроме оптических, невозможно или нецелесообразно. Такие измерения наиболее востребованы, например, в тех случаях, когда проводится разработка и оптимизация оборудования, служащего для формирования искусственных туманов различного назначения. При разработке такого оборудования на стадиях проведения исследований и отработки конструктивных решений необходима как можно детальная диагностика образуемых капельных образований. Детализированная информация о структуре туманов и облаков необходима также при проведении многих научных исследований.The use of this method, despite its complexity, is quite justified when the detailed structure of the droplet formation is of scientific and practical interest in some way, which is impossible or impractical to obtain by other methods than optical. Such measurements are most in demand, for example, in those cases when the development and optimization of equipment used for the formation of artificial fogs for various purposes is being carried out. When developing such equipment at the stages of research and development of design solutions, it is necessary to diagnose the formed droplets as detailed as possible. Detailed information on the structure of fogs and clouds is also needed in many scientific studies.

Однако большинство практических задач, связанных с оптическими свойствами облаков и туманов, не требуют детализации структуры воздушно-капельных образований. При их решении искомая и трудноопределимая функция распределения водяных капель по размером может быть заменена на некоторый эффективный размер капель. При этом эффективный размер капель, а также эффективная концентрация капель при их использовании в расчетах должны дать результаты по рассеянию и пропусканию излучения, аналогичные реальной воздушно-капельной системе. Кроме этого эффективный размер капель является характеристикой, по которой можно оценить скорость гравитационного осаждения тумана, предсказать его динамику при изменении атмосферных температурных условий, а самое главное, применяя стандартную теорию рассеяния Ми [7], с его помощью достаточно просто и точно можно вычислить коэффициенты пропускания туманов, облаков и других воздушно-капельных образований для оптического излучения различного типа, в том числе, и для видимого света.However, most of the practical problems associated with the optical properties of clouds and fogs do not require detailed structure of airborne formations. When solving them, the sought-for and difficult-to-determine size distribution function of water droplets can be replaced by a certain effective droplet size. In this case, the effective size of droplets, as well as the effective concentration of droplets when used in calculations, should give results on the scattering and transmission of radiation, similar to a real airborne system. In addition, the effective droplet size is a characteristic by which one can estimate the rate of gravitational sedimentation of fog, predict its dynamics when atmospheric temperature conditions change, and most importantly, using the standard Mie scattering theory [7], it can be used to calculate the transmittances quite simply and accurately fogs, clouds and other airborne formations for optical radiation of various types, including visible light.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение простого и достоверного способа определения эффективного размера капель в воздушно-капельных образованиях.An object of the present invention is to provide a simple and reliable method for determining the effective droplet size in airborne formations.

Техническим результатом от использования изобретения является упрощение описания структуры воздушно-капельного образования за счет использования в качестве геометрического параметра только эффективного радиуса капель, общего для всего капельного образования. Кроме того, техническим результатом является упрощение проведения измерений по определению структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов.The technical result from the use of the invention is to simplify the description of the structure of airborne formation by using as a geometric parameter only the effective radius of the drops, which is common for the entire drip formation. In addition, the technical result is to simplify measurements to determine the structure of airborne formations of clouds and fogs.

В поставленном техническом результате упрощение проведения измерений означает не только упрощение и сокращение количества операций, необходимых для определения структуры, но также и упрощение используемой приборной базы и оборудования и максимально полное исключение сложных процедур обработки результатов.In the delivered technical result, simplification of measurements means not only simplification and reduction of the number of operations required to determine the structure, but also simplification of the used instrumentation and equipment and the most complete elimination of complex procedures for processing results.

Разработка настоящего изобретения выполнена на основе результатов комплекса вычислительных экспериментов по анализу рассеяния оптического излучения на воздушно-капельных образованиях различного состава по размерам капель, распределению капель по размерам и количеству капель в единице объема воздуха, эквивалентному водности воздушно-капельного образования (содержанию жидкой воды). В результате исследований была установлена количественная связь между эффективным размером капель, водностью и метеорологической дальностью видимости в туманах и облаках. Установленная количественная связь легла в основу заявленного изобретения.The development of the present invention is based on the results of a set of computational experiments on the analysis of optical radiation scattering on airborne formations of various compositions in terms of droplet size, droplet size distribution and the number of droplets per unit volume of air, equivalent to the water content of airborne droplets (liquid water content). As a result of the research, a quantitative relationship was established between the effective droplet size, water content and meteorological visibility in fogs and clouds. The established quantitative relationship formed the basis of the claimed invention.

Заявленный способ включает в себя следующие существенные признаки, каждый из которых необходим, а в общей совокупности достаточных для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата:The claimed method includes the following essential features, each of which is necessary, and in general, sufficient to solve the problem and achieve the claimed technical result:

1. Способ определения структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов включает измерение водности воздушно-капельного образования и размера капель.1. The method for determining the structure of airborne formations of clouds and fogs includes measuring the water content of airborne formations and the size of the droplets.

Данные признаки являются ограничительными и общими с прототипом [6], поскольку в нем также определяются составляющие структуры облаков и туманов в виде размера капель и водности воздуха. Определяемая в прототипе структура включает в себя измерение размеров капель (распределение количества капель по размерам). Водность (содержание жидкой воды в единице объема воздуха) также является определяемым параметром, рассчитываемом на основе измерения размеров.These signs are restrictive and common with the prototype [6], since it also defines the constituents of the structure of clouds and fogs in the form of droplet size and air water content. The structure determined in the prototype includes the measurement of droplet sizes (distribution of the number of droplets by size). Water content (the content of liquid water per unit volume of air) is also a definable parameter calculated on the basis of measurement of dimensions.

Измерение водности относится к ограничительному признаку, известному из прототипа. Более того, во всей совокупности признаков заявленного изобретения (отличительных и ограничительных) в нем не указывается, каким образом проводят измерение водности. Это означает, что водность может быть измерена или вычислена, причем любым способом, например, осаждением капель [1], или электротермическим способом [2], или другими известными способами. При этом важным является то, что в изобретении не указывается на то, что водность должна быть измерена именно оптическим способом [3], который является достаточно сложным в реализации.The measurement of water content refers to the limiting feature known from the prototype. Moreover, in the totality of the features of the claimed invention (distinctive and restrictive), it does not indicate how the water content is measured. This means that the water content can be measured or calculated using any method, for example, by droplet deposition [1], or by electrothermal method [2], or by other known methods. At the same time, it is important that the invention does not indicate that the water content should be measured precisely by the optical method [3], which is quite difficult to implement.

При этом все остальные существенные признаки прототипа в заявленном изобретении не используются и не включаются в перечень ограничительных признаков. В частности, в качестве ограничительных признаков не используется то, что для решения поставленной задачи необходимо посылать зондирующие импульсы линейно поляризованного излучения с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, принимать приемником излучения основную и ортогональную компоненты отраженного излучения, выделять и определять профили степени поляризации и величину коэффициента обратного рассеяния, дополнительно принимать отраженное излучения при повышенных углах поля зрения, обрабатывать результаты и по профилю степени поляризации получать данные о распределении капель по размерам, по которому рассчитывается водность. Все указанные признаки необходимы для получения именно детальной информации о структуре капельных образований и в заявленном изобретении не используются для решения поставленной задачи и достижения технического результата. Использование перечисленных признаков допустимо, но не является обязательным, поскольку значительно усложняет реализацию способа и служит возможным источником получения не полностью достоверной информации. В частности, в качестве признака не используется то, что в прототипе водность вычисляют как результат измерения количества и размеров капель. В данной постановке применительно к заявленному изобретению водность может быть определена любым известным способом.At the same time, all other essential features of the prototype in the claimed invention are not used and are not included in the list of restrictive features. In particular, the fact that in order to solve the problem it is necessary to send probing pulses of linearly polarized radiation with mutually perpendicular polarization planes, receive the main and orthogonal components of the reflected radiation by the radiation receiver, separate and determine the profiles of the degree of polarization and the value of the backscattering coefficient , additionally receive reflected radiation at elevated angles of the field of view, process the results and, from the polarization degree profile, obtain data on the size distribution of droplets, according to which the water content is calculated. All these features are necessary to obtain precisely detailed information about the structure of drip formations and are not used in the claimed invention to solve the problem and achieve a technical result. The use of the listed features is permissible, but not mandatory, since it significantly complicates the implementation of the method and serves as a possible source of obtaining incompletely reliable information. In particular, the fact that in the prototype the water content is calculated as a result of measuring the number and size of drops is not used as a feature. In this setting, in relation to the claimed invention, the water content can be determined by any known method.

2. В качестве размера капель определяют их эффективный радиус.2. As the size of the droplets, their effective radius is determined.

Данный признак является существенным и отличительным. Существенность признака обусловлена тем, что из всего многообразия капель, составляющих туман, определяются капли не с реальными множественными трудноопределимыми размерами, а капли с единственным, характеризующим данное образование, размером - эффективным радиусом. Эффективный радиус капель находится расчетным путем с учетом эквивалентности оптических свойств эффективного и реального воздушно-капельного образований. Его использование в качестве характеристики структуры воздушно-капельного образования позволяет с достаточной точностью рассчитать большинство его физических характеристик, необходимых для практики, включая степень прозрачности и дальность видимости для оптического излучения различного спектрального состава. С его помощью могут быть выполнены оценочные расчеты по предсказанию динамики воздушно-капельных образований (осаждение или рост туманов) и вероятность выпадения осадков. Существенным признаком также является то, что эффективный радиус не измеряют, а определяют с использованием расчетов и других измеренных величин.This feature is essential and distinctive. The significance of the feature is due to the fact that from the whole variety of droplets that make up the fog, droplets are determined not with real multiple, difficult-to-determine sizes, but droplets with a single size that characterizes this formation - the effective radius. The effective radius of the droplets is found by calculation taking into account the equivalence of the optical properties of the effective and real airborne formations. Its use as a characteristic of the structure of an airborne formation makes it possible with sufficient accuracy to calculate most of its physical characteristics necessary for practice, including the degree of transparency and visibility for optical radiation of various spectral composition. With its help, estimates can be performed to predict the dynamics of airborne formations (deposition or growth of fogs) and the probability of precipitation. It is also essential that the effective radius is not measured but determined using calculations and other measured values.

3. Проводят измерение метеорологической дальности видимости (МДВ).3. Measure the meteorological visibility range (MVR).

Данный признак является существенным и отличительным. То, что измерение МДВ проводят до или после измерения водности не является существенным. Важно то, что оба этих параметра должны быть определены и только после этого может быть рассчитан эффективный радиус капель. Под МДВ подразумевается используемая в метеорологии дистанция, на которой по общепринятому определению в тумане или облаке еще существует контраст яркости излучения между деталями на поверхности объекта на уровне 2%. Если перейти к коэффициенту пропускания атмосферы, то МДВ соответствует условию для воспринимаемого глазом человека диапазона длины волны излучения 0,38-0,78 мкм, в котором коэффициент пропускания составляет τ=0,02. В заявленной совокупности существенных признаков изобретения в общем случае МДВ может быть измерена любым доступным способом, например, исходя даже из личного опыта оператора или на основе измерения дистанции до плохо различимых каких либо реперных объектов в тумане или облаке. Все определяется требуемой точностью вычисления эффективного радиуса капель.This feature is essential and distinctive. The fact that the MPE measurement is carried out before or after the water content measurement is not essential. It is important that both of these parameters must be determined, and only then can the effective radius of the droplets be calculated. The MPE means the distance used in meteorology, at which, according to the generally accepted definition, in a fog or cloud, there is still a contrast of radiation brightness between features on the surface of an object at the level of 2%. If we go to the transmittance of the atmosphere, then the MPE corresponds to the condition for the radiation wavelength range of 0.38-0.78 μm perceived by the human eye, in which the transmittance is τ = 0.02. In the claimed set of essential features of the invention, in the general case, MPD can be measured by any available method, for example, based on the personal experience of the operator or on the basis of measuring the distance to any poorly distinguishable reference objects in fog or cloud. Everything is determined by the required accuracy of calculating the effective radius of the droplets.

4. Эффективный радиус капель рассчитывают по формуле4. The effective radius of the droplets is calculated by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где w - водность (г/м3), L - метеорологическая дальность видимости (м).where w - water content (g / m 3 ), L - meteorological visibility range (m).

Используемая в этом признаке расчетная формула для определения эффективного радиуса капель ранее не известна и является существенной по совокупности используемых в ней параметров и коэффициентов. Зависимость по формуле (1) получена с использованием теории Ми по рассеянию электромагнитного оптического излучения на взвешенных частицах. Зависимость (1) устанавливает связь между расчетной величиной эффективного радиуса водяных капель, который может быть использован для описания оптических свойств облаков и туманов, водностью воздушно-капельного образования, которая поддается сравнительно простым измерениям, и МДВ для воспринимаемого глазом человека света, которая также сравнительно просто может быть измерена. При получении зависимости (1) использованы воздушно капельные образования с различной дисперсией капель по размерам и различной их концентрацией в объеме воздуха. Дистанция МДВ рассчитывалась с учетом не только рассеяния излучения на каплях, но также и с учетом дополнительного поглощения светового излучения парами воды и углекислым газом. При этом учитывалось, что содержание углекислого газа в воздухе соответствует его среднему значению для северного полушария 400 ррm, относительная влажность воздуха составляет величину около 100% (полное равновесное насыщение воздуха водяным паром за счет наличия диспергированной в каплях жидкой влаги, или льдинок в зимних условиях).The calculation formula used in this feature for determining the effective radius of droplets is not previously known and is essential in terms of the set of parameters and coefficients used in it. The dependence according to formula (1) was obtained using the Mie theory for the scattering of electromagnetic optical radiation by suspended particles. Dependence (1) establishes a relationship between the calculated value of the effective radius of water droplets, which can be used to describe the optical properties of clouds and fogs, the water content of airborne formation, which lends itself to relatively simple measurements, and the MPE for the light perceived by the human eye, which is also relatively simple. can be measured. When obtaining dependence (1), air droplet formations with different droplet size dispersion and their different concentration in the air volume were used. The MWD distance was calculated taking into account not only the scattering of radiation by droplets, but also taking into account the additional absorption of light radiation by water vapor and carbon dioxide. At the same time, it was taken into account that the content of carbon dioxide in the air corresponds to its average value for the northern hemisphere of 400 ppm, the relative humidity of the air is about 100% (complete equilibrium saturation of air with water vapor due to the presence of liquid moisture dispersed in droplets, or ice floes in winter conditions) ...

Приведенная выше совокупность признаков заявленного изобретения относится к независимым признакам, необходимым и достаточным для его реализации. Каждый признак из представленной совокупности служит для обеспечения решаемой задачи и достижения технического результата, обеспечивая тем самым единство изобретения. Для решения поставленной задачи используются только измерения водности и измерения МДВ, которые не требуют сложного оборудования и, самое главное, сложной обработки результатов измерений, необходимой в оптических способах и приводящей к значительной погрешности и частичной недостоверности получаемых данных.The above set of features of the claimed invention refers to independent features necessary and sufficient for its implementation. Each feature from the presented set serves to ensure the problem to be solved and to achieve the technical result, thereby ensuring the unity of the invention. To solve this problem, only water content measurements and MPE measurements are used, which do not require sophisticated equipment and, most importantly, complex processing of measurement results, which is necessary in optical methods and leads to significant errors and partial unreliability of the data obtained.

Заявленное изобретение содержит четыре набора зависимых признаков, которые раскрывают варианты способов измерения МДВ, с помощью которых может быть получено ее достаточно точное значение.The claimed invention contains four sets of dependent features, which disclose variants of methods for measuring the MPE, with the help of which its sufficiently accurate value can be obtained.

5. В воздушно-капельном образовании на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм, измеряют коэффициент пропускания воздуха между источником оптического излучения и удаленным от него приемником, а метеорологическую дальность видимости рассчитывают по формуле5. In an airborne droplet formation at wavelengths not exceeding 1.2 μm, the transmittance of air between the source of optical radiation and a receiver remote from it is measured, and the meteorological range of visibility is calculated by the formula

Figure 00000002
Figure 00000002

где τ - коэффициент пропускания, а l - дистанция между источником и приемником излучения (м).where τ is the transmittance, and l is the distance between the source and the receiver of radiation (m).

Данная совокупность признаков показывает, каким образом может быть измерена МДВ, если отсутствуют другие более простые способы ее измерения или эти способы являются сложными или не дают требуемой точности.This set of indicators shows how the MPE can be measured if there are no other simpler ways to measure it or these methods are complex or do not give the required accuracy.

Измеряемый коэффициент пропускания рассчитывают по результатам измерения интенсивности излучения источника (Вт/м2), получаемой приемником на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм, отнесенной к интенсивности излучения, испускаемого источником. Интенсивность излучения, испускаемого источником, должна быть определена для того же диапазона длин волн и может быть либо заранее известной величиной, если источник является калиброванным и поверенным, либо она может быть определена непосредственно при измерениях МДВ на дистанции вблизи источника, много меньшей чем МДВ. Последний способ может быть более предпочтительным в случаях, когда проводят определение структуры воздушно-капельных образований на транспортных средствах, например, в самолете.The measured transmittance is calculated from the results of measuring the radiation intensity of the source (W / m 2 ), obtained by the receiver at wavelengths not exceeding 1.2 μm, referred to the intensity of the radiation emitted by the source. The intensity of the radiation emitted by the source must be determined for the same wavelength range and can be either a predetermined value if the source is calibrated and verified, or it can be determined directly by measuring the MPE at a distance close to the source much less than the MPE. The latter method may be more preferable in cases where the structure of airborne formations is determined on vehicles, for example, in an airplane.

Присутствующие в формулировке данной совокупности признаков материальные объекты (источник и приемник излучения), не определенные в независимом пункте изобретения, не нарушают единства признаков. Эти объекты лишь указывают, что коэффициент пропускания воздуха должен быть измерен на некоторой дистанции, а для его измерения может быть использовано излучение от источника, принимаемое приемником. Понятия источника и приемника использованы для того, чтобы конкретизировать дистанцию, используемую в формуле (2). Тип источника и приемника не является определяющими.Material objects (source and receiver of radiation) present in the formulation of this set of features, which are not defined in the independent claim of the invention, do not violate the unity of features. These objects only indicate that the air transmittance must be measured at a certain distance, and for its measurement, radiation from the source, received by the receiver, can be used. The concepts of source and receiver are used to specify the distance used in formula (2). The type of source and destination is not decisive.

В приведенной совокупности признаков существенным является то, что коэффициент пропускания рассчитывают по результатам измерений на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм. Обеспечить такое ограничение по диапазону измерения возможно, если, например, перед приемником излучения установить соответствующий фильтр, отсекающий большие длины волн, или использовать соответствующие диапазону волн селективные приемник или источник. Приемник может быть фотометрическим и в нем проводят интегрирование сигнала по задаваемому диапазону. Главное, чтобы измерения интенсивности излучения, испускаемого источником и получаемого приемником, были выполнены для одного и того же диапазона длин волн.In the given set of features, it is essential that the transmittance is calculated from the results of measurements at wavelengths not exceeding 1.2 μm. It is possible to provide such a limitation on the measurement range if, for example, an appropriate filter is installed in front of the radiation receiver, which cut off long wavelengths, or if a selective receiver or source corresponding to the wavelength range is used. The receiver can be photometric and the signal is integrated over the specified range. The main thing is that the measurements of the intensity of the radiation emitted by the source and received by the receiver are carried out for the same wavelength range.

Требование измерения коэффициента пропускания в диапазоне длин волн, не превышающем 1,2 мкм, связано с тем, что в этом случае для размера капель от 1 мкм и выше (именно такие капли являются составляющими туманов и облаков) коэффициент рассеяния, определяющий коэффициент пропускания воздуха, слабо зависит от длины волны излучения и для его измерения могут быть использованы источник и приемник, работающие не в жестких ограничениях по диапазону длин волн. В диапазон длин волн менее 1,2 мкм попадает и видимое излучение 0,38-0,78 мкм, при котором определена величина МДВ, используемая в формуле (1) расчета эффективного радиуса капель.The requirement to measure the transmittance in the wavelength range not exceeding 1.2 μm is due to the fact that in this case, for droplet sizes of 1 μm and above (these are the droplets that are the components of fogs and clouds), the scattering coefficient, which determines the air transmittance, is weakly depends on the wavelength of radiation and for its measurement can be used a source and a receiver that do not work in strict restrictions on the wavelength range. Visible radiation of 0.38-0.78 μm also falls into the wavelength range less than 1.2 μm, at which the value of the MPE used in formula (1) for calculating the effective radius of droplets is determined.

Использование приведенных в п. 5 признаков служит для решения поставленной в изобретении задачи и достижения поставленного технического результата и не нарушает единства изобретения. Проводят измерение МДВ, необходимое для определения эффективного радиуса капель. Измерение МДВ проводят простым оптическим способом с применением минимального набора оборудования (источник и приемник излучения, а также устройство для измерения дистанции, если это необходимо). Для расчета МДВ не требуется специальная математическая обработка спектральных характеристик принимаемого сигнала.The use of the features given in clause 5 serves to solve the problem posed in the invention and achieve the set technical result and does not violate the unity of the invention. Measurement of the MPE is carried out, which is necessary to determine the effective radius of the droplets. Measurement of MPE is carried out by a simple optical method using a minimum set of equipment (source and receiver of radiation, as well as a device for measuring the distance, if necessary). To calculate the MDI, no special mathematical processing of the spectral characteristics of the received signal is required.

Для расчета МДВ по данному способу достаточно всего одного измерения коэффициента пропускания на какой либо одной дистанции. Но такое измерение за счет различных случайных факторов может обладать не известной погрешностью. Источником погрешности может оказаться, например, то, что в выбранном направлении измерения существует температурная аномалия, изменение давление или конвективный поток, отличающиеся от средних величин в облаке или тумане. Для снижения погрешности в изобретении используются следующие дополнительные признаки:To calculate the MPE according to this method, only one measurement of the transmittance at any one distance is sufficient. But such a measurement due to various random factors may have an unknown error. The source of the error may be, for example, the fact that in the selected direction of measurement there is a temperature anomaly, a change in pressure or convective flow, which differ from the average values in a cloud or fog. To reduce the error in the invention, the following additional features are used:

6. Измерение коэффициента пропускания воздуха и расчет МДВ проводят для двух и более дистанций между источником и приемником, а для расчета эффективного радиуса капель используют величину МДВ, полученную обработкой результатов для всех дистанций.6. The measurement of the air transmission coefficient and the calculation of the MPE are carried out for two or more distances between the source and the receiver, and to calculate the effective radius of the droplets, the MPE value obtained by processing the results for all distances is used.

Для этого для каждой новой дистанции измеряют коэффициент пропускания и по формуле (2) рассчитывают свою величину МДВ. В идеальном случае однородного капельного образования и при условии одновременности проведения всех измерений величина МДВ для каждого положения должна оставаться неизменной. В случае отличий в величинах МДВ, полученные результаты должны быть обработаны и в результате обработки получено достоверное значение МДВ и ее погрешность.To do this, for each new distance, the transmittance is measured and, according to formula (2), its value of the MPE is calculated. In the ideal case of homogeneous droplet formation and provided that all measurements are carried out simultaneously, the MPE value for each position should remain unchanged. In case of differences in the values of the MPE, the results obtained should be processed and as a result of processing, a reliable value of the MPE and its error should be obtained.

Использование дополнительных дистанций между приемником и источником не требует того, чтобы все они были различными. Положение приемника относительно источника может быть на той же дистанции, но под другим пространственным углом относительно источника. В этом случае в тумане или облаке может быть измерено пространственное распределение МДВ.The use of additional distances between the receiver and the source does not require that they all be different. The position of the receiver relative to the source can be at the same distance, but at a different spatial angle relative to the source. In this case, the spatial distribution of the MPE can be measured in the fog or cloud.

Другим способом измерения МДВ является способ, описываемый следующей совокупностью признаков:Another way to measure MVI is a method described by the following set of features:

7. В воздушно-капельном образовании на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм, измеряют интенсивности излучения от расположенного в нем источника оптического излучения, измерения проводят на двух различных дистанциях от источника, а МДВ рассчитывают по формуле7. In the airborne droplet formation at wavelengths not exceeding 1.2 μm, the radiation intensity from the optical radiation source located in it is measured, the measurements are carried out at two different distances from the source, and the MPE is calculated by the formula

Figure 00000003
Figure 00000003

где J1 и J1 - интенсивности излучения (Вт/м2), измеренные на дистанциях l1 и l2 от источника оптического излучения (м), соответственно.where J 1 and J 1 are radiation intensities (W / m 2 ) measured at distances l 1 and l 2 from the optical radiation source (m), respectively.

Данный способ по своему принципу схож с предыдущим, но не требует знания или измерения интенсивности излучения, испускаемого источником. В измерениях просто сравниваются мощности двух сигналов, принятых приемником на различных дистанциях от одного источника. Этот способ также имеет ограничение для измеряемого сигнала по длине волны или диапазону длин волн до 1,2 мкм. Для того чтобы исключить погрешности, связанные с тем, что структура воздушно-капельного образования может претерпевать изменения во времени, измерения на двух различных дистанциях должны проводиться с как можно меньшим интервалом времени между ними. Для этого может понадобиться использование двух приемников.This method is similar in principle to the previous one, but does not require knowledge or measurement of the intensity of radiation emitted by the source. The measurements simply compare the powers of two signals received by the receiver at different distances from the same source. This method also has a wavelength or wavelength limit of up to 1.2 µm for the measured signal. In order to eliminate errors associated with the fact that the structure of airborne formation can undergo changes in time, measurements at two different distances should be carried out with the shortest possible time interval between them. This may require the use of two receivers.

Для снижения погрешностей способ по п. 7 может быть дополнен операциями увеличения количества дистанций измерения МДВ. Для этого в изобретении используются следующие дополнительные признаки:To reduce errors, the method according to claim 7 can be supplemented with the operations of increasing the number of measuring distances of the MPE. For this, the invention uses the following additional features:

8. Измерение интенсивности излучения и расчет МДВ проводят на более, чем двух дистанциях от источника, а для расчета эффективного размера капель используют величину метеорологической дальности видимости, полученную обработкой результатов для всех дистанций.8. Measurement of radiation intensity and calculation of MPE are carried out at more than two distances from the source, and to calculate the effective droplet size, the meteorological visibility range obtained by processing the results for all distances is used.

При этом отсутствует требование, чтобы обязательно все дистанции измерения интенсивности излучения должны быть различными. Главное, чтобы в пределах одного малого телесного угла относительно точки расположения излучателя различными были как минимум только две из них.At the same time, there is no requirement that all distances for measuring the radiation intensity must be different. The main thing is that within one small solid angle relative to the point where the emitter is located, at least only two of them are different.

В формулах (2) и (3) для расчета МДВ коэффициент 3,91 представляет собой |ln(0,02)|, где 0,02 - коэффициент пропускания излучения видимого света на дистанции МДВ.In formulas (2) and (3) for calculating the MDI, the coefficient 3.91 is | ln (0.02) |, where 0.02 is the transmittance of visible light at the MDI distance.

Способ определения структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов осуществляют следующим образом. В воздушно капельном образовании проводят измерение его водности и метеорологической дальности видимости (МДВ).The method for determining the structure of airborne formations of clouds and fogs is as follows. In an airborne droplet formation, its water content and meteorological visibility range (MVR) are measured.

Измерения водности и МДВ могут быть проведены параллельно или последовательно в любом порядке. Для достаточно точного определения текущего значения эффективного радиуса капель суммарный период времени на проведение обоих измерений не должен составлять более 20-30% от характерного времени стабильности воздушно-капельного образования, в течение которого оно примерно сохраняет свои физические свойства, к которым относятся водность и размеры капель. Скорость изменения физических свойств воздушно-капельного образования может быть оценена по изменению прозрачности воздуха. Для примера, характерное время стабильности в испытательных камерах, где используется искусственный туман, может составлять 1-2 часа, утреннего приземного и приводного тумана в условиях безоблачного неба - до 1 часа, утреннего приземного и приводного тумана в условиях облачного неба - 2-5 часов, облака, тучи - часы и десятки часов. Большое влияние на состояние капельного образования оказывают изменения погодных условий.Water content and MPE measurements can be carried out in parallel or sequentially in any order. For a sufficiently accurate determination of the current value of the effective radius of droplets, the total period of time for both measurements should not be more than 20-30% of the characteristic stability time of airborne formation, during which it approximately retains its physical properties, which include water content and droplet size ... The rate of change in the physical properties of airborne formation can be estimated by the change in air transparency. For example, the characteristic stability time in test chambers where artificial fog is used can be 1-2 hours, morning surface and drive fog under cloudless sky conditions - up to 1 hour, morning surface and drive fog under cloudy sky conditions - 2-5 hours. , clouds, clouds - hours and tens of hours. Changes in weather conditions have a great influence on the state of drip formation.

Измерение водности воздушно-капельного образования проводят любым доступным способом. Например, может быть использован метод инерционного осаждения капель на гигроскопическую бумагу [1] или электротермический метод [2]. Первый из этих методов применяется в приземных или приводных туманах. Второй метод используется при движении транспортного средства (в т.ч. самолета) в тумане или в облаке. Второй метод может быть использован в непрерывном режиме измерения с автоматической выдачей результатов измерений, а первый метод основан на периодическом прокачивании воздуха и дальнейшей ручной обработкой результатов измерения. Цикл измерения в первом методе может составить несколько минут.Measurement of the water content of airborne formation is carried out in any available way. For example, the method of inertial deposition of drops on hygroscopic paper [1] or electrothermal method [2] can be used. The first of these methods is used in surface or near-surface fogs. The second method is used when a vehicle (including an aircraft) is moving in fog or cloud. The second method can be used in continuous measurement mode with automatic output of measurement results, while the first method is based on periodic air pumping and further manual processing of the measurement results. The measurement cycle in the first method can be several minutes.

Определение МДВ может быть выполнено на основе оценок и измерения расстояния до нечетко видимых объектов. В этом случае дают субъективную оценку прозрачности воздуха в виде величины его коэффициента пропускания и по закону Ламберта-Бугера-Бэра измеренное расстояние пересчитывают на коэффициент пропускания τ=0,02, который должен соответствовать дистанции МДВ. Такой метод определения МДВ может оказаться не достаточно точным и может потребовать значительного времени, связанного с проведением экспертной оценки коэффициента пропускания, измерением дистанции и проведением непосредственно самого пересчета. Погрешности при определении МДВ и, следовательно, при расчетах эффективного радиуса капель в воздушно-капельном образовании, могут достигать 100% и более.Determination of MPE can be made on the basis of estimates and measurements of the distance to indistinctly visible objects. In this case, a subjective assessment of the transparency of the air is given in the form of its transmittance value and, according to the Lambert-Bouguer-Baer law, the measured distance is recalculated to the transmittance τ = 0.02, which must correspond to the MWD distance. Such a method for determining the MPE may not be sufficiently accurate and may require a significant amount of time associated with an expert assessment of the transmittance, measuring the distance and carrying out the conversion itself. Errors in determining the MPE and, consequently, in calculating the effective radius of droplets in an airborne formation, can reach 100% or more.

Для устранения этого недостатка в воздушно-капельном образовании проводят измерение МДВ.To eliminate this drawback in airborne droplet formation, the MVI is measured.

Для этого по первому варианту в области воздушно-капельного образования помещают источник оптического излучения. Данный источник может быть не ограничен по диапазону длин волн, но он должен включать в себя диапазон излучения с длинами волн, не превышающими 1,2 мкм. В качестве источника излучения может быть использован инфракрасный лазер с фиксированной длиной волны и сравнительно высокой интенсивностью. При этом инфракрасное излучение не видимо человеческому глазу, что в ряде случаев является предпочтительным.For this, according to the first option, an optical radiation source is placed in the area of airborne formation. This source may not be limited in terms of the wavelength range, but it must include a range of radiation with wavelengths not exceeding 1.2 µm. An infrared laser with a fixed wavelength and relatively high intensity can be used as a radiation source. In this case, infrared radiation is not visible to the human eye, which in some cases is preferable.

Источник, если речь идет о периодически повторяющихся или непрерывных измерениях, может быть установлен стационарно или его на период измерений помещают в область воздушно-капельного образования, а потом удаляют. Стационарный источник может быть установлен также и на транспортном средстве, например на крыше подвижного состава поезда, автомобиле, на корпусе самолета и пр. Главным условием является то, что источник должен быть в поле видимости приемником излучения, который также помещают в область воздушно капельного образования на требуемом расстоянии от источника. Приемник излучения также может быть установлен стационарно или периодически удаляться. После включения излучателя приемником измеряют интенсивность излучения от источника в виде электрического сигнала и, в случае необходимости, по калибровочным зависимостям переводят в мощность (Вт/м). Перед началом измерения по техническим характеристикам, если источник является поверенным, или с помощью измерения определяют интенсивность излучения, испускаемого источником в том же диапазоне длин волн, что измеряется приемником. Измерение интенсивности излучения, испускаемого источником, рекомендуется проводить тем же самым приемником на коротком расстоянии от источника. Рекомендуется, чтобы это расстояние составляло не более 2% от дистанции измерения коэффициента пропускания. По отношению величин измеренных интенсивностей излучения вычисляют коэффициент пропускания воздуха и по формуле (2) рассчитывают метеорологическую дальность видимости. Для увеличения точности расчета МДВ проводят несколько измерений коэффициента пропускания в различных точках относительно источника. Эти точки могут выбираться на различных дистанциях относительно источника и на одинаковой дистанции, но в различных направлениях. В последнем случае может быть проверена и определена пространственная структура капельно-воздушно образования. При нескольких измерениях МДВ определяют с помощью обработки результатов измерений.The source, if we are talking about periodically repeating or continuous measurements, can be installed permanently or it is placed in the area of airborne formation for the period of measurements, and then removed. A stationary source can also be installed on a vehicle, for example, on the roof of a rolling stock of a train, a car, on an airplane body, etc. required distance from the source. The radiation receiver can also be installed permanently or periodically removed. After turning on the emitter, the receiver measures the radiation intensity from the source in the form of an electrical signal and, if necessary, converts it into power (W / m) according to the calibration dependencies. Before starting the measurement according to the technical characteristics, if the source is verified, or by means of measurement, the intensity of radiation emitted by the source in the same wavelength range as measured by the receiver is determined. It is recommended to measure the intensity of radiation emitted by a source with the same receiver at a short distance from the source. It is recommended that this distance be no more than 2% of the transmittance measurement distance. In relation to the values of the measured radiation intensities, the air transmittance is calculated and the meteorological visibility range is calculated using the formula (2). To increase the accuracy of calculating the MPE, several measurements of the transmittance are carried out at various points relative to the source. These points can be selected at different distances relative to the source and at the same distance, but in different directions. In the latter case, the spatial structure of the droplet-air formation can be checked and determined. With several measurements, the MPE is determined by processing the measurement results.

По второму варианту измерение МДВ проводят без измерения коэффициента пропускания воздуха, а только измерением интенсивности источника в различных точках относительно источника. Дистанций между приемником и источником может быть две или более, если требуется увеличение точности измерения МДВ или определение пространственной структуры капельно-воздушного образования. Выбор дистанций между приемником и источником проводят таким образом, чтобы, для каждого пространственного направления, по крайней мере, две из них были различными. Для каждой пары измерений по формуле (3) проводят расчет МДВ.According to the second option, the MPE measurement is carried out without measuring the air transmittance, but only by measuring the intensity of the source at various points relative to the source. The distance between the receiver and the source can be two or more, if an increase in the accuracy of the MPE measurement or determination of the spatial structure of a droplet-air formation is required. The choice of distances between the receiver and the source is carried out in such a way that, for each spatial direction, at least two of them are different. For each pair of measurements according to the formula (3), the calculation of the MPE is carried out.

При измерениях МДВ в его простой реализации (без проведения дополнительных измерений для повышения точности определения МДВ) второй вариант требует использования большего количества приемников излучения, но не требует измерения интенсивности излучения, испускаемого источником, которое вносит дополнительные погрешности.When measuring the MPE in its simple implementation (without carrying out additional measurements to improve the accuracy of determining the MPE), the second option requires the use of a larger number of radiation detectors, but does not require measuring the intensity of the radiation emitted by the source, which introduces additional errors.

Измерения МДВ проводят с помощью источника и приемников на оптическом излучении в диапазоне длин волн, не превышающем 1,2 мкм. При этом верхнюю границу диапазона длин волн устанавливают исходя из следующих положений. Верхняя граница в 1,2 мкм, находящаяся в области инфракрасного излучения, соответствует условию, при котором достаточно точно может быть определен эффективный радиус капель, превышающий г>3 мкм. Причем, чем больше рассчитанный по формуле (1) эффективный радиус капель превышает величину 3 мкм, тем более точные результаты дает его применение для расчетов оптических свойств облаков и туманов. С уменьшением величины определяемого эффективного радиуса, при измерениях МДВ верхняя граница длин волн используемого излучения должна быть уменьшена. Например, при эффективном радиусе 2 мкм при измерении МДВ верхняя граница длин волн должна быть снижена до уровня, соответствующего фиолетовому спектру видимого света, а при эффективном радиусе 1 мкм и менее измерения МДВ должны проводиться в диапазонах ультрафиолетового излучения.The MPE measurements are carried out using a source and receivers using optical radiation in the wavelength range not exceeding 1.2 µm. In this case, the upper limit of the wavelength range is set based on the following provisions. The upper limit of 1.2 μm, located in the infrared region, corresponds to the condition under which the effective droplet radius exceeding r> 3 μm can be determined with sufficient accuracy. Moreover, the larger the effective radius of droplets calculated by formula (1) exceeds 3 μm, the more accurate the results are obtained by its application for calculating the optical properties of clouds and fogs. With a decrease in the value of the determined effective radius, the upper limit of the wavelengths of the radiation used should be reduced when measuring the MPE. For example, with an effective radius of 2 μm, when measuring the MPE, the upper limit of wavelengths should be reduced to a level corresponding to the violet spectrum of visible light, and with an effective radius of 1 μm or less, the MPE measurements should be carried out in the ultraviolet radiation ranges.

После измерения МДВ по формуле (1) проводят вычисление эффективного радиуса капель в воздушно-капельном образовании.After measuring the MPE according to the formula (1), the effective radius of the droplets in the airborne formation is calculated.

Пример использования изобретения.An example of using the invention.

Необходимо провести наружное тепловизионное обследование строительного объекта в условиях тумана. После термографирования будет проведена компьютерная обработка результатов, которая служит для коррекции температурного поля, полученного на термограмме. При компьютерной обработке будет использована возможность коррекции термограмм с учетом реальных величин коэффициента пропускания ИК излучения воздухом, формируемого поглощением излучения водяным паром, углекислым газом и рассеянием излучения. Термографирование будет проводиться в ИК диапазоне 8-14 мкм. Условия проведения измерений - температура воздуха 0°С, относительная влажность 100%.It is necessary to conduct an external thermal imaging survey of the construction site in foggy conditions. After thermography, computer processing of the results will be carried out, which serves to correct the temperature field obtained on the thermogram. During computer processing, the possibility of correcting thermograms will be used taking into account the real values of the transmittance of infrared radiation by air, formed by the absorption of radiation by water vapor, carbon dioxide and radiation scattering. Thermography will be carried out in the IR range of 8-14 microns. Measurement conditions - air temperature 0 ° С, relative humidity 100%.

Задача использования изобретения: определить две дистанции для термографирования, при которых коэффициент пропускания воздуха составит две различных известные величины τ=0,5 и τ=0,8. При компьютерной обработке термограмм эти две величины будут использованы как корректировочные параметры.The task of using the invention: to determine two distances for thermography, at which the air transmittance will be two different known values τ = 0.5 and τ = 0.8. During computer processing of thermograms, these two values will be used as correction parameters.

При использовании заявленного изобретения получены следующие результаты:When using the claimed invention, the following results were obtained:

- водность, измеренная методом инерционного осаждения - w=2,5⋅10-2 г/м3;- water content measured by inertial sedimentation - w = 2.5⋅10 -2 g / m 3 ;

- метеорологическая дальность видимости, измеренная по интенсивности излучения на двух расстояниях - L=500 м;- meteorological visibility range, measured by radiation intensity at two distances - L = 500 m;

- вычисленный по формуле (1) эффективный радиус капель в тумане - r=4,9 мкм.- calculated by the formula (1) the effective radius of droplets in fog - r = 4.9 μm.

По полученным результатам для данного воздушно-капельного образования концентрация капель с эффективным радиусом 4,9 мкм составляет N=51 см-3.According to the results obtained for this airborne formation, the concentration of droplets with an effective radius of 4.9 μm is N = 51 cm -3 .

С использованием этих параметров дистанция термографирования в ИК диапазоне 8-14 мкм, рассчитанная с использованием теории Ми рассеяния излучения и с учетом поглощения излучения парами воды и углекислым газом, будет составлять:Using these parameters, the thermal imaging distance in the IR range of 8-14 μm, calculated using the Mie theory of radiation scattering and taking into account the absorption of radiation by water vapor and carbon dioxide, will be:

- L'=115 м для коэффициента пропускания τ=0,5- L '= 115 m for the transmittance τ = 0.5

- L'=34 м для коэффициента пропускания τ=0,8- L '= 34 m for the transmittance τ = 0.8

Использованные источникиUsed sources

[1] Авторское свидетельство СССР №1580302. Способ определения водности в тумане. Опубликовано: 07.23.1990.[1] USSR author's certificate No. 1580302. Method for determining water content in fog. Published: 07.23.1990.

[2] Патент РФ №2562476. Электротермический способ определения водности воздушного потока. Опубликовано 10.09.2015.[2] RF Patent No. 2562476. Electrothermal method for determining the water content of an air stream. Published on September 10th, 2015.

[3] Патент РФ №2167439. Устройство для дистанционного определения водности облачной и безоблачной атмосферы. Опубликовано 20.05.2001.[3] RF patent №2167439. Device for remote determination of water content of cloudy and cloudless atmosphere. Published on May 20, 2001.

[4] Авторское свидетельство СССР №621990. Способ определения капель тумана. Опубликовано 08.30.1978.[4] USSR author's certificate No. 621990. Method for determining fog droplets. Published on 08.30.1978.

[5] Патент РФ №2630853. Устройство для измерения размеров капель в водовоздушных потоках. Опубликовано 13.09.2017.[5] RF Patent No. 2630853. Device for measuring droplet sizes in water-air streams. Published on September 13th, 2017.

[6] Патент РФ №1780599. Способ определения микроструктуры капельных облаков и туманов. Опубликовано 15.10.1994.[6] RF Patent No. 1780599. Method for determining the microstructure of droplet clouds and fogs. Published on 10/15/1994.

[7] Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. - М.: Мир, 1986. - С. 221-222. - 660 с.[7] Boren K., Huffman D. Absorption and scattering of light by small particles. - M .: Mir, 1986 .-- S. 221-222. - 660 p.

Claims (9)

1. Способ определения основных параметров структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов, включающий измерение водности воздушно-капельного образования и размера капель, отличающийся тем, что в качестве размера капель определяют их эффективный радиус, для чего проводят определение метеорологической дальности видимости, а эффективный радиус капель в мкм рассчитывают по формуле1. A method for determining the main parameters of the structure of airborne formations of clouds and fogs, including measuring the water content of airborne formations and the size of the droplets, characterized in that their effective radius is determined as the size of the droplets, for which the meteorological visibility is determined, and the effective radius drops in microns are calculated by the formula
Figure 00000004
,
Figure 00000004
,
где w - водность в г/м3, L - метеорологическая дальность видимости в м.where w is the water content in g / m 3 , L is the meteorological visibility range in m. 2. Способ определения основных параметров структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов по п. 1, отличающийся тем, что метеорологическую дальность видимости рассчитывают по формуле2. A method for determining the main parameters of the structure of airborne formations of clouds and fogs according to claim 1, characterized in that the meteorological visibility range is calculated by the formula
Figure 00000005
Figure 00000005
где τ - коэффициент пропускания воздуха между источником оптического излучения и удаленным от него приемником, измеренный в воздушно-капельном образовании на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм, а l - дистанция между источником и приемником оптического излучения (м).where τ is the transmittance of air between the source of optical radiation and a receiver remote from it, measured in an airborne formation at wavelengths not exceeding 1.2 μm, and l is the distance between the source and the receiver of optical radiation (m). 3. Способ определения основных параметров структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов по п. 1, отличающийся тем, что метеорологическую дальность видимости рассчитывают по формуле3. A method for determining the main parameters of the structure of airborne formations of clouds and fogs according to claim 1, characterized in that the meteorological visibility range is calculated by the formula
Figure 00000006
Figure 00000006
где J1 и J1 - интенсивности излучения (Вт/м2) от расположенного в воздушно-капельном образовании источника оптического излучения, измеренные на длинах волн, не превышающих 1,2 мкм, на дистанциях l2 и l2 от источника (м).where J 1 and J 1 are radiation intensities (W / m 2 ) from a source of optical radiation located in an airborne formation, measured at wavelengths not exceeding 1.2 μm, at distances l 2 and l 2 from the source (m) ...
RU2020136789A 2020-11-10 2020-11-10 Method for determining main parameters of structure of air and droplet formations of clouds and fogs RU2758843C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136789A RU2758843C1 (en) 2020-11-10 2020-11-10 Method for determining main parameters of structure of air and droplet formations of clouds and fogs

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136789A RU2758843C1 (en) 2020-11-10 2020-11-10 Method for determining main parameters of structure of air and droplet formations of clouds and fogs

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2758843C1 true RU2758843C1 (en) 2021-11-02

Family

ID=78466553

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020136789A RU2758843C1 (en) 2020-11-10 2020-11-10 Method for determining main parameters of structure of air and droplet formations of clouds and fogs

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2758843C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787316C1 (en) * 2022-04-20 2023-01-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук Method for laser probing of crystal clouds

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU915601A1 (en) * 1980-06-05 1991-06-07 Inst Fiz An Bssr Method of determining parameters of fog microstructure
SU1780599A3 (en) * 1989-03-22 1994-10-15 Центральная аэрологическая обсерватория Method of determination of microstructure of droplet clouds and fogs

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU915601A1 (en) * 1980-06-05 1991-06-07 Inst Fiz An Bssr Method of determining parameters of fog microstructure
SU1780599A3 (en) * 1989-03-22 1994-10-15 Центральная аэрологическая обсерватория Method of determination of microstructure of droplet clouds and fogs

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
М.М.Чумаков и др. Роль эволюции микрофизических свойств облаков в формировании осадков из облаков слоистых форм / Труды Гидрометцентра России, 2010, вып.344, стр.78-98. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2797041C1 (en) * 2022-01-18 2023-05-31 Владимир Александрович Полянский Method for remote assessment of the level of activity of radioactive cloud in the amtosphere
RU2787316C1 (en) * 2022-04-20 2023-01-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук Method for laser probing of crystal clouds

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Heintzenberg et al. Design and applications of the integrating nephelometer: A review
Weinzierl et al. Microphysical and optical properties of dust and tropical biomass burning aerosol layers in the Cape Verde region—an overview of the airborne in situ and lidar measurements during SAMUM-2
Vaughan et al. Humidity measurements in the free troposphere using Raman backscatter
Ruddick et al. Seaborne measurements of near infrared water‐leaving reflectance: The similarity spectrum for turbid waters
Cerni Determination of the size and concentration of cloud drops with an FSSP
Doran et al. The T1-T2 study: evolution of aerosol properties downwind of Mexico City
CA2715677A1 (en) Mapping concentrations of airborne matter
CN104792672A (en) Height distribution detection device and method for PM2.5 mass concentration
Zhao et al. Impact of aerosol hygroscopic growth on retrieving aerosol extinction coefficient profiles from elastic-backscatter lidar signals
JP2013092518A (en) Method of determining water content of cloud
Rosati et al. The white-light humidified optical particle spectrometer (WHOPS)–a novel airborne system to characterize aerosol hygroscopicity
RU2758843C1 (en) Method for determining main parameters of structure of air and droplet formations of clouds and fogs
Wendisch et al. Wind tunnel tests of the airborne PVM-100A response to large droplets
KR101613102B1 (en) Remote measurement system and method for liquid water cloud droplet effective size and its liquid water content
Takamura et al. Aerosol optical properties inferred from simultaneous lidar, aerosol-counter, and sunphotometer measurements
Gayet et al. Microphysical and optical properties of precipitating drizzle and ice particles obtained from alternated lidar and in situ measurements
Kompalli Inter-comparison of aerosol optical depth from the multi-wavelength solar radiometer with other radiometric measurements
Schwiesow et al. Aerosol Backscatter Coefficient Profiles Measured at 10.6 μ m
RU2692822C1 (en) Method of determining meteorological range of visibility
Philbrick et al. Optical remote sensing techniques characterize the properties of atmospheric aerosols
Behrendt et al. Combining water vapor DIAL and rotational Raman lidar for humidity, temperature, and particle measurements with high resolution and accuracy
RU2780672C1 (en) Method for determining the meteorological range of visibility in difficult weather conditions
Diebel-Langohr et al. Water depth resolved determination of hydrographic parameters from airborne lidar measurements
Graßl Properties of Arctic Aerosols based on Photometer Long-Term Measurements in Ny-Ålesund
RU2565805C2 (en) System of notice about blinding effect of low sun at aircraft crew during landing