RU2780672C1 - Method for determining the meteorological range of visibility in difficult weather conditions - Google Patents

Method for determining the meteorological range of visibility in difficult weather conditions Download PDF

Info

Publication number
RU2780672C1
RU2780672C1 RU2021134489A RU2021134489A RU2780672C1 RU 2780672 C1 RU2780672 C1 RU 2780672C1 RU 2021134489 A RU2021134489 A RU 2021134489A RU 2021134489 A RU2021134489 A RU 2021134489A RU 2780672 C1 RU2780672 C1 RU 2780672C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photodetector
receiving unit
meteorological
intensity
radiation
Prior art date
Application number
RU2021134489A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Владимирович Базарский
Игорь Олегович Бакланов
Илья Евгеньевич Кузнецов
Дмитрий Анатольевич Минаков
Иван Мстиславович Семилетов
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Application granted granted Critical
Publication of RU2780672C1 publication Critical patent/RU2780672C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: meteorology.
SUBSTANCE: invention relates to the field of meteorology and can be used to determine the meteorological range of visibility in difficult weather conditions. Essence: to implement the method, a radiating unit, a receiving unit and a computing unit are used. Moreover, the radiating unit contains a collimating lens and an LED located in the focus of the collimating lens. The receiving unit contains a photodetector and a lens whose diameter is no less than the width of the collimated light beam, focusing the attenuated radiation on the photodetector. The intensity of the noise recorded by the photodetector is measured by the receiving unit when the LED radiation is turned off. The intensity of the unabated visible light beam generated by the LED is measured by the receiving unit near the radiating unit. The receiving unit is installed at a fixed distance from the radiating unit and the intensity of the radiation attenuated by the atmospheric layer recorded by the photodetector is measured. The meteorological visibility range is calculated taking into account the measured parameters.
EFFECT: improving the accuracy of measuring the meteorological visibility range in difficult meteorological conditions.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптики и служит для измерения метеорологической дальности видимости (МДВ) в атмосфере в сложных метеорологических условиях (СМУ).The invention relates to the field of optics and is used to measure the meteorological range of visibility (MDV) in the atmosphere in difficult meteorological conditions (SMU).

Аналогом предлагаемого технического решения является «Визуальный способ определения наклонной дальности движущимся наблюдателем», патент RU 2326348 С2, опубликовано 10.06.2008 Бюл. №16. Принципиальный недостаток этого способа - невозможность определения наклонной дальности видимости с борта летательного аппарата в сложных метеорологических условиях, т.к. пилот, визуально не видя полосы, не видит и расположенных на ней маркеров.An analogue of the proposed technical solution is "Visual method for determining the slant range by a moving observer", patent RU 2326348 C2, published 06/10/2008 Bull. No. 16. The fundamental disadvantage of this method is the impossibility of determining the slant range of visibility from the aircraft in difficult meteorological conditions, because the pilot, visually not seeing the lane, does not see the markers located on it.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению (прототип) является способ измерения метеорологической дальности видимости, основанный на измерении ослабления калиброванного светового пучка слоем атмосферы [см., например, И.Я. Рацимор. Наклонная видимость. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 6-8, 82-84; 67-71].The closest in technical essence to the claimed invention (prototype) is a method for measuring meteorological visibility based on measuring the attenuation of a calibrated light beam by the atmospheric layer [see, for example, I.Ya. Racimor. Oblique visibility. L.: Gidrometeoizdat, 1987, p. 6-8, 82-84; 67-71].

Недостатком способа является низкая точность измерения в сложных метеоусловиях, обусловленная дополнительной засветкой приемника за счет рассеянного солнечного излучения.The disadvantage of this method is the low measurement accuracy in adverse weather conditions, due to the additional illumination of the receiver due to scattered solar radiation.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения МДВ в сложных метеорологических условиях.The technical result of the invention is to improve the accuracy of measuring MWP in difficult meteorological conditions.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе измерения метеорологической дальности видимости, основанный на измерении ослабления калиброванного светового пучка слоем атмосферы, согласно изобретению, дополнительно измеряют интенсивность шума атмосферы.This technical result is achieved by the fact that in the known method for measuring the meteorological visibility range, based on measuring the attenuation of a calibrated light beam by the atmospheric layer, according to the invention, the atmospheric noise intensity is additionally measured.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет измерения интенсивности шума атмосферы определяется метеорологическая дальность видимости в сложных метеоусловиях по формуле:The essence of the invention lies in the fact that by measuring the intensity of atmospheric noise, the meteorological visibility range in adverse weather conditions is determined by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Ф0 - интенсивность неослабленного видимого светового пучка, лм, Фпр -интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником, Фш - интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником, r - величина расстояния между излучательным блоком и блоком приемника, м.where Ф 0 is the intensity of the unattenuated visible light beam, lm, Ф pr is the radiation intensity recorded by the photodetector, Ф w is the noise intensity recorded by the photodetector, r is the distance between the emitting unit and the receiver unit, m.

Известный способ измерения метеорологической дальности видимости (МДВ) основан на измерении ослабления калиброванного светового пучка слоем атмосферы [Л.Т. Матвеев. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, с. 165-175; 472-474. И.Я. Рацимор. Наклонная видимость. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 6-8, 82-84; 67-71]. Ослабление светового пучка определяется законом Бугера-Ламберта:A known method for measuring the meteorological visibility range (MDV) is based on measuring the attenuation of a calibrated light beam by the atmospheric layer [L.T. Matveev. Course of general meteorology. Physics of the atmosphere. L .: Gidrometeoizdat, 1976, p. 165-175; 472-474. AND I. Racimor. Oblique visibility. L.: Gidrometeoizdat, 1987, p. 6-8, 82-84; 67-71]. The attenuation of the light beam is determined by the Bouguer-Lambert law:

Figure 00000002
Figure 00000002

где Ф0 - интенсивность неослабленного видимого светового пучка, лм; r - величина расстояния между излучательным блоком и блоком приемника, м; μ - коэффициент ослабления видимого излучения, 1/м.where Ф 0 - the intensity of the unattenuated visible light beam, lm; r is the distance between the emitter unit and the receiver unit, m; μ - coefficient of attenuation of visible radiation, 1/m.

Коэффициент пропуская излучения атмосферой определяется по формуле:The coefficient of transmitting radiation by the atmosphere is determined by the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

МДВ вычисляется по формуле Кошмидера [см., например, И.Я. Рацимор. Наклонная видимость. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 6-8, 82-84; 67-71]:MDV is calculated by the Koshmieder formula [see, for example, I.Ya. Racimor. Oblique visibility. L.: Gidrometeoizdat, 1987, p. 6-8, 82-84; 67-71]:

Figure 00000004
Figure 00000004

где ε=0,05 - средняя контрастная чувствительность глаза человека.where ε=0.05 is the average contrast sensitivity of the human eye.

Этот способ измерения МДВ используется во всех современных измерителях дальности видимости [Измеритель дальности видимости ФИ-3. Руководство по эксплуатации ИКШЮ.201112.002 РЭ (Ю-34.12209 РЭ)].This method of measuring MDR is used in all modern visibility range meters [Visibility range meter FI-3. Operation manual IKSHYU.201112.002 RE (Yu-34.12209 RE)].

Недостатком известного способа является низкая точность определения метеорологической дальности видимости в сложных метеоусловиях при низком отношении сигнал/шум в приемнике. То есть должна учитываться дополнительная шумовая засветка приемника атмосферой.The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the meteorological range of visibility in adverse weather conditions with a low signal-to-noise ratio in the receiver. That is, additional noise exposure of the receiver by the atmosphere should be taken into account.

Реально интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником, равна:In reality, the radiation intensity recorded by the photodetector is equal to:

Figure 00000005
Figure 00000005

В пределе минимальная интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником Фш, определяется тепловым шумом датчика фотоприемника.In the limit, the minimum noise intensity recorded by the photodetector Ф w is determined by the thermal noise of the photodetector sensor.

Тогда:Then:

Figure 00000006
Figure 00000006

Откуда получаемWhere do we get

Figure 00000007
Figure 00000007

Окончательно МДВ с учетом засветки фотоприемника атмосферой вычисляется по следующей формуле метеорологическая дальность видимости в сложных метеоусловиях (МДВсм):Finally, the MRV, taking into account the illumination of the photodetector by the atmosphere, is calculated by the following formula, the meteorological visibility range in adverse weather conditions (MVR cm ):

Figure 00000008
Figure 00000008

где

Figure 00000009
- отношение сигнал/шум приемника.where
Figure 00000009
- signal-to-noise ratio of the receiver.

Если Фш → 0, то предлагаемый способ измерения МДМВсм сводится к известному.If Ф w → 0, then the proposed method for measuring MDMW cm is reduced to the known one.

Покажем, что не учет шума приемника приводит к значительным ошибкам измерения МДВ, особенно при большом уровне шумовой засветки приемника и его низкой чувствительности.Let us show that not taking into account the noise of the receiver leads to significant errors in the measurement of the MDR, especially at a high level of noise exposure of the receiver and its low sensitivity.

Пусть измерения производятся измерителем дальности видимости ФИ-3 на базе r=35 м. Тогда согласно формуле Кошмидера при τ=0,91Let the measurements be made by the FI-3 visibility range meter based on r=35 m. Then, according to the Koschmieder formula, at τ=0.91

Figure 00000010
Figure 00000010

По предлагаемому способу вычисления МДВ с учетом атмосферной засветки в СМУ для того же значения 1/τ=1,1 и низком отношении сигнал/шум приемника m=5 имеем:According to the proposed method for calculating the MWP, taking into account atmospheric illumination in the SMU for the same value 1/τ=1.1 and a low signal-to-noise ratio of the receiver m=5, we have:

Figure 00000011
Figure 00000011

При существенном повышении чувствительности приемника, например до уровня m=20, получаем:With a significant increase in the sensitivity of the receiver, for example, to the level m=20, we get:

Figure 00000012
Figure 00000012

Но и здесь ошибка измерения МДВ составляет 391 м, что весьма критично при посадке на пределе минимума пилота.But here, too, the measurement error of the MRV is 391 m, which is very critical when landing at the limit of the pilot's minimum.

То есть, для достоверного измерения МДВ в СМУ известным способом отношение сигнал/шум приемника должно быть не менее m=100. Для этого в измерителе дальности видимости используется высокочувствительный фотоприемник, и технически до минимальных значений уменьшена засветка фотоприемника атмосферой.That is, for a reliable measurement of the MDL in the SMU by a known method, the signal-to-noise ratio of the receiver must be at least m=100. To do this, a highly sensitive photodetector is used in the visibility range meter, and technically the illumination of the photodetector by the atmosphere is reduced to the minimum values.

Реализация этих требований приводит к чрезвычайно сложным техническим решениям в конструкциях измерителей дальности видимости, основанных на формуле Кошмидера [Измеритель дальности видимости ФИ-3. Руководство по эксплуатации ИКШЮ.201112.002 РЭ (Ю-34.12209 РЭ)].The implementation of these requirements leads to extremely complex technical solutions in the design of visibility range meters based on the Koschmieder formula [Visibility meter FI-3. Operation manual IKSHYU.201112.002 RE (Yu-34.12209 RE)].

Способ, реализующий заявляемое техническое решение, основан на использовании блок-схемы, состоящей из трех блоков (фиг. 1):The method that implements the proposed technical solution is based on the use of a block diagram consisting of three blocks (Fig. 1):

1. Излучательный блок (1), состоящий из некогерентного источника видимого света, например светодиода, и коллимирующего объектива.1. Radiation unit (1), consisting of a non-coherent visible light source, such as an LED, and a collimating lens.

2. Приемный блок (2), состоящий из объектива, фокусирующего ослабленное атмосферой излучение на фотоприемнике.2. Receiving unit (2), consisting of a lens that focuses radiation attenuated by the atmosphere on the photodetector.

3. Вычислительный блок (3), определяющий МДВ в сложных метеоусловиях.3. Computing unit (3), which determines the MPE in adverse weather conditions.

Технический результат изобретения достигается следующей последовательностью действий с использованием основных базовых блоков:The technical result of the invention is achieved by the following sequence of actions using the main basic blocks:

1. При выключенном излучении светодиода приемным блоком измеряется интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником Фш.1. With the LED radiation turned off, the receiving unit measures the noise intensity recorded by the photodetector Ф w .

2. Вблизи излучательного блока измеряется интенсивность неослабленного видимого светового пучка Ф0, создаваемого светодиодом, расположенным в фокусе коллимирующего пучок объектива.2. Near the emitting unit, the intensity of the unattenuated visible light beam Ф 0 produced by the LED located at the focus of the lens collimating the beam is measured.

3. На фиксированном расстоянии г от излучательного блока устанавливается приемный блок, содержащий объектив, диаметр которого не менее ширины коллимированного пучка света, который фокусирует ослабленное слоем атмосферы излучение на фотоприемнике, и измеряется интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником Фпр.3. At a fixed distance r from the emitting unit, a receiving unit is installed containing a lens whose diameter is not less than the width of the collimated light beam, which focuses the radiation attenuated by the atmosphere layer on the photodetector, and the intensity of the radiation recorded by the photodetector Ф pr is measured.

4. Сигналы Ф0, Фш, Фпр, а также величина расстояния г между излучательным блоком и блоком приемника подаются в вычислительный блок, вычисляющей истинное значение МДВсм по формуле (7) с учетом шума атмосферы.4. Signals Ф 0 , Ф w , Ф pr , as well as the value of the distance r between the radiating unit and the receiver unit are fed into the computing unit, which calculates the true value of the MW cm according to formula (7) taking into account atmospheric noise.

Отметим, что предлагаемый способ может быть реализован при определенной наклонной дальности видимости летчиком с борта летательного аппарата. При этом излучательный блок, обеспечивающий модулированное видимое излучение, размещается на аэродроме. Там же измеряется величина Ф0. На подходе к аэродрому, до того, как на земле включен излучатель, измеряется интенсивность шума, регистрируемая фотоприемником Фш. После включения излучателя измеряется интенсивность излучения, регистрируемая фотоприемником Фпр. В вычислительном блоке производятся вычисления величины наклонной дальности видимости МДВcм. В СМУ эта величина дает более точный результат, чем горизонтальная МДВ, измеренная на аэродроме, что обеспечивает более высокую надежность посадки в СМУ.Note that the proposed method can be implemented at a certain slant range of visibility by the pilot from the aircraft. In this case, the emitting unit, which provides modulated visible radiation, is located at the airfield. The value Ф 0 is also measured there. On the approach to the airfield, before the emitter is turned on on the ground, the noise intensity recorded by the photodetector Ф w is measured. After turning on the emitter, the intensity of the radiation recorded by the photodetector f pr is measured. In the computing unit, calculations are made of the magnitude of the slant visibility range of the MDL, cm. In SMU, this value gives a more accurate result than the horizontal MPE measured at the aerodrome, which provides a higher reliability of landing in SMU.

Claims (1)

Способ определения метеорологической дальности видимости в сложных метеоусловиях, заключающийся в использовании излучательного блока, содержащего коллимирующий объектив и светодиод, расположенный в фокусе коллимирующего объектива, приемного блока, содержащего фотоприемник и объектив, диаметр которого не менее ширины коллимированного пучка света, фокусирующий ослабленное излучение на фотоприемнике, и вычислительного блока, измерении приемным блоком при выключенном излучении светодиода интенсивности Фш шума, регистрируемого фотоприемником, измерении приемным блоком вблизи излучательного блока интенсивности Ф0 неослабленного видимого светового пучка, создаваемого светодиодом, установке приемного блока на фиксированное расстояние r (м) от излучательного блока и измерении интенсивности Фпр излучения, регистрируемого фотоприемником, вычислении метеорологической дальности видимости по формуле
Figure 00000013
A method for determining the meteorological visibility range in adverse weather conditions, which consists in using an emitting unit containing a collimating lens and an LED located at the focus of the collimating lens, a receiving unit containing a photodetector and a lens whose diameter is not less than the width of the collimated light beam, focusing the attenuated radiation on the photodetector, and the computing unit, measuring by the receiving unit with the radiation of the LED turned off the noise intensity Фw of the noise recorded by the photodetector, measuring by the receiving unit near the emitting unit the intensity Ф 0 of the unattenuated visible light beam created by the LED, setting the receiving unit at a fixed distance r (m) from the emitting unit and measuring the intensity Ф pr of the radiation recorded by the photodetector, calculating the meteorological visibility range according to the formula
Figure 00000013
RU2021134489A 2021-11-24 Method for determining the meteorological range of visibility in difficult weather conditions RU2780672C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2780672C1 true RU2780672C1 (en) 2022-09-28

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812498C1 (en) * 2023-06-06 2024-01-30 Алексей Владимирович Степанов Method for determining tilted flight visual range

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010018409A1 (en) * 2010-04-13 2012-06-14 Arkadij Gershman Method for measuring visual range and realizing warning around visual range, involves determining maximum distance from calculation, where full absorption of calibrated light ray occurs
CN108627812A (en) * 2018-05-28 2018-10-09 成都信息工程大学 A kind of laser radar atmospheric visibility measurement method and device
CN111458727A (en) * 2020-04-19 2020-07-28 青岛镭测创芯科技有限公司 Atmospheric visibility analysis method based on coherent laser radar spectral intensity data

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010018409A1 (en) * 2010-04-13 2012-06-14 Arkadij Gershman Method for measuring visual range and realizing warning around visual range, involves determining maximum distance from calculation, where full absorption of calibrated light ray occurs
CN108627812A (en) * 2018-05-28 2018-10-09 成都信息工程大学 A kind of laser radar atmospheric visibility measurement method and device
CN111458727A (en) * 2020-04-19 2020-07-28 青岛镭测创芯科技有限公司 Atmospheric visibility analysis method based on coherent laser radar spectral intensity data

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812498C1 (en) * 2023-06-06 2024-01-30 Алексей Владимирович Степанов Method for determining tilted flight visual range

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2313345T3 (en) LASER RADAR DEVICE AND METHOD.
US20210055180A1 (en) Apparatuses and methods for gas flux measurements
KR101751642B1 (en) Method for correction of extinction coefficient obtained from atmospheric Light Detection And Ranging(LIDAR)
CA2715677A1 (en) Mapping concentrations of airborne matter
CN108490451B (en) Method for inverting slope visibility by utilizing atmospheric extinction coefficient
CA2619095A1 (en) High-speed laser ranging system including a fiber laser
Fischer et al. Detection of cloud-top height from backscattered radiances within the oxygen A band. Part 2: Measurements
CN110006848B (en) Method and device for obtaining extinction coefficient of aerosol
JPH07234280A (en) Device and method for measuring visibility and present weather
JP2013092518A (en) Method of determining water content of cloud
CN106291590A (en) The method calculating whole atmosphere aerosol optical depth based on lidar measurement data
US20160154140A1 (en) System and Method for Aerial Surveying or Mapping of Radioactive Deposits
RU2780672C1 (en) Method for determining the meteorological range of visibility in difficult weather conditions
CN110160452A (en) The measurement method of water-surface oil film thickness based on LR laser raman and laser fluorescence
CN110006849B (en) Method and device for obtaining extinction coefficient of aerosol
Eberhard Cloud signals from lidar and rotating beam ceilometer compared with pilot ceiling
CN114578455A (en) Method and device for acquiring low-altitude turbulence intensity profile
RU2672188C1 (en) Method of measuring concentration of aerosol particles in the atmosphere
RU2758843C1 (en) Method for determining main parameters of structure of air and droplet formations of clouds and fogs
RU2810239C1 (en) Visibility recorder
RU2793904C1 (en) Optical method for determining the microstructure of rain
KR102480137B1 (en) Method for detecting aerozol distribution using lidar system
RU2790930C1 (en) Method for determining vertical intensity profile of optical turbulence in atmosphere
RU2769090C1 (en) Method and lidar system for operation control of turbulence intensity on the glide path
RU2547474C1 (en) Method for remote sounding of non-homogeneous atmosphere