Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О
..pdf
Передатчик
Генератор
развертки
Генератор меток
Схема
компенсации
Приемник
Фотоусилитель
Видеоусилитель
Схема АРУ
Приставка ДВ-1м
Рис.7.3. Блок-схемаИВО-1М
передатчик приемник
Рис.7.4. Схема прохождениясветовоголуча в установкеИВО-1М
На экране возникает всплеск - облачный импульс. Затем оператор вращает ручку схемы компенсации - потенциометра. Эта схема подаёт на горизонтальноотклоняющиепластины постоянноенапряжение. Всякартина на экранесдвигается влево. Вращением ручки можноменять напря-
191
жение, перемещая картинуна экране влевоили вправо. Задача оператора - подобрать такое положение ручки, чтобы середина переднего фронта облачногоимпульса находилась в центреэкрана, отмеченным вертикальной чертой. Ясно, что если облачность высокая и облачный импульс до регулировки находится далеко слева, то оператору придётся повернуть ручку на большой угол, чтобы переместить импульсв центр. Таким образом, каждому положению ручки может быть поставлена определенная высота облака. Шкала высот находится рядом с ручкой.
Амплитуда облачного импульса зависит от высоты и плотности облаков. Удобнее, однако, работать с импульсами одинаковой амплитуды. Это обеспечивается схемой АРУ - автоматическим регулятором усиления. В зависимости от амплитуды импульсов схема регулирует коэффициент усиления фотоусилителя, обеспечивая одинаковую амплитуду импульсов.
Если зондированиеведётсявовремядождя, тонаблюдается сильный ложный импульсза счет отражениясвета от капель дождя. Он располагается впереди облачного импульса. Схема АРУ срабатывает именно на ложный импульс. Поэтому во время дождя АРУ выключается и оператор вручную подбирает режим усиления.
Для калибровки прибора включен генератор меток. Это генератор импульсов, периодследования которых соответствует стометровому промежутку по высоте. Оператор при калибровке проверяет это, включая генератор и перемещая возникшие на экране импульсы один за другим в центрэкрана.Если100-метровыйинтервалнесоблюдаетсяиликалибровка не соответствует заводской, то корректируют параметры импульса развёртки специальными резисторами на боковой панели прибора.
Прибор обеспечивает зондирование облаков, находящихся только в зените. Если наблюдатель располагается далеко (до 10 км) от точки, над которой измеряется высота облаков, то используют приставку ДВ-1м. С её помощьювременной промежутокмежду импульсами запуска и отражённым импульсом преобразуетсяв напряжение. Этонапряжениетранслируется по кабелю к наблюдателю, где может быть измерено стрелочным илицифровымприбором.
7.2. Измерение содержания озона в атмосфере
Озонявляетсяоднимизважнейшихатмосферныхгазовблагодарясвойствупоглощать жесткуюультрафиолетовуюрадиацию(УФР)в диапазоне
192
КС Д1 СФ |
Д2 |
|
|
|
|
ФЭУ
Рис. 7.5.Оптическая схемаозонометра
220-330 нм. Губительное влияниеУФР и возможность разрушения озонного слоя обуславливают необходимость тщательных измерений его содержания.
Озон располагается на высоте 20-55 км. Его количество таково, что будучи приведенной к приземным условиям (температура 00 С, давление 760 мм рт. ст.), толщина озонного слоя составила бы 0,3 – 0,6 см. Эта величина - толщина приведенногослоя озонаявляетсяединицей измерения его количества. Количество озона измеряется единицами Добсона (Дн). 1 Дн = 0,001 см. Нормальное содержание озона - около 300 Дн.
Дистанционныйозонометр,сконструированныйГущиным,использует свойство озона поглощать УФР. В озонометреГущина измеряется интенсивность УФР от внеземного источника в полосепоглощения озона. В качестве источника света используетсяСолнце,в пасмурнуюпогодуозонометр направляют в зенит.
Рассмотрим оптическую схему озонометра (рис. 7.5).
Озонометр направляется на Солнце. Диафрагмы Д1 и Д2 вырезают соответствующий телесный угол. Кварцевоестекло(КС)предохраняет прибор от пылии влаги,светофильтр(СФ)пропускаетУФРвполосепоглощенияозона, а фотоумножитель(ФЭУ)преобразуетУФР в электрическийсигнал.ДлятогочтобыизбежатьвлиянияпоглощенияУФРаэрозолями,используютсядва светофильтра, пропускающиеУФР на длинах волн 1=300 нм (в серединеполосы поглощения) и 2 =326 нм (на краюполосы). Измеря- ютсядвазначенияУФР-J1,надлиневолны 1 (ослабляетсяозономиаэрозолем) и J2, на длиневолны 2 (ослабляется, в основном, аэрозолем). Отношение J1/J2 зависит только от содержания озона. Однако следует преодолеть две трудности.
1. Отношение J1/J2 зависит от температуры светофильтров, так как температура влияет на их поглощательные свойства. Это учитывается коэффициентом kt , который даётсяспециальной таблицей, а температуру t измеряют отдельно.
193
l2
l1
Рис. 7.6. Прохождение солнечных лучей через озоносферу
2. ОтношениеJ1/J2 зависит от зенитного угла Солнца. При малых зенитных углах солнечный луч проходит больший путь в озоносфере, чем при больших (близких к 900), рис. 7.6. Видно, что l1 > l2.
Чтобы избежать влияниязенитногоугла Солнца (θ), пользуютсяспециальнойномограммой(рис.7.7)гденанесеныизолиниисодержанияозона. По измеренным значениям J1 ; J2 ; t , рассчитывают величину (J1/J2)·kt, находят точкуна номограмме,определяя содержаниеозонапоизолиниям.
J 1 |
350 Дн |
|
·kt |
||
J 2 |
||
300 Дн |
||
|
||
|
250 Дн |
Θ
Рис. 7.7. Номограмма дляопределения содержания озона в атмосфере
7.3. Измерение метеорологической дальности видимости. Понятие контраста. Уравнение Кошмидера.
Понятие“метеорологическаядальностьвидимости”(МДВ)тесносвязано с такими понятиями, каквидимый контраст, пороговая контрастная чувствительность глаза. Поэтому, прежде чем излагать способы измерения МДВ, введем ряд определений и установим связь между определённымивеличинами.
194
Предположим, чтонекий объект свидимой яркостью Jo наблюдается на однородном фоне, имеющем яркость Jф. Тогда понятие контраста (К) определяется из уравнения:
K |
Jф Jo |
. |
(7.3) |
|
|||
|
Jф |
|
|
Совершенноочевидно, чтоесли яркость фона большеяркости объекта, то 0 < К < 1. Действительно, при Jo= 0 (чёрный объект) К = 1, а если Jф = Jo, то К = 0. В последнем случае объект неотличим от фона. При малом контрастеобъект тожетрудноотличить от фона. Минимальный контраст, при котором объект можно различить, называется порогом кон-
трастной чувствительности глаза ε. Обычно 0,02 < ε < 0,05.
Метеорологическаядальность видимости (МДВ)-этотакоерасстоя- ние, на котором чёрный предмет с угловыми размерами 20' становится неразличимым (т.е. видимый контраст К = ) на фоне неба.
Для того чтобы связать введенные понятия, напишем уравнение Бугера-Ламберта:
J J0e kl , |
(7.4) |
где J - видимая яркость объекта; J0 - яркость объекта;
l - расстояние до объекта; k - показатель ослабления.
Если рассматривается чёрный объект в мутной атмосфере, то его видимая яркость JOB определяется яркостью дымки, находящейся между объектом и наблюдателем:
JOB J (1 e kl ).
где J - яркость фона (дымки).
Тогда перепишем уравнение контраста:
K J J 1 e kl e kl
J
На расстоянии МДВ = L видимый контраст равен :
е-kL
(7.5)
(7.6)
(7.7)
195
Отсюда выразим метеорологическую дальность видимости L:
L |
1 |
ln ε . |
(7.8) |
|
|||
|
k |
|
|
Выведенное уравнение (7.8) носит название уравнения Кошмидера. Оно связывает значение МДВ с показателем ослабления k при заданном значениипорогаконтрастнойчувствительностиε. Обычновсеприборыдля измерения МДВ калибруются с учётом уравнения Кошмидера, причём при калибровке задается значениеε, котороевписывается в паспорт прибора.
Для измерения МДВ применяются три группы методов.
1.Визуальные методы.
2.Инструментально-визуальные методы.
3.Инструментальные методы.
Визуальный метод измерения метеорологической дальности видимости в дневное время суток заключается в следующем. Величина МДВ определяется по наиболее далекому видимому и по наиболее близкому невидимому объектам. Объект будет считаться невидимым, если он полностью сливается с фоном. Для проведения измерений на метеоплощадке устанавливают девять щитов (возможно использование естественных объектов) на определенном расстоянии от наблюдателя (рис. 7.8). Наблюдатель оценивает, какиеобъекты видимы, а какие не видимы и по специальным таблицам определяет балл МДВ.
Щиты или естественные объекты, используемые при определении МДВ визуальным методом должны отвечать следующим требованиям:
1.Быть наиболее темными, лучше черными.
2.Иметь четкие контуры и угловые размеры не менее 15'.
3.Не возвышаться над пунктом наблюдения более чем на 5-60.
4.Сторона,обращеннаякнаблюдателюдолжнабыть наклоненавниз под углом 450.
15'
L = МДВ
Рис. 7.8. Система щитов дляопределенияМДВвизуальным методом
196
В ночное время суток для определения МДВ визуальным методом используютсяогни-одиночныенецветныеисточникисвета, установленные открыто (уличные фонари, осветительные лампы).
Определение дальности видимости визуальным методом является сложной задачей, так как её оценка зависит от многих факторов, основными из которых являются:
-психофизические свойства зрения;
-геометрические и фотометрические характеристики наблюдаемого объекта и условия его освещенности или светимости;
-оптические свойства слоя воздуха, расположенного между наблюдателем и объектом.
Визуальный метод является наименее точным.
Инструментально-визуальный метод включают в себя человечес-
кий глазкаксоставнуючастьинструмента,необходимогодляопределения МДВ. К ним относятся поляризационный измеритель дальности видимости М-53, измеритель дальности видимости ИДВ, сконструированный В.А. Гавриловым, и нефелометрическая установка М-71, применяемая
вночное время суток. В настоящеевремя установка М-71 снята с производства и не применяется, поскольку точность измерения весьма низкая. Прибор М-53 иногда применяется и по сей день, его устройство простое, он нетребует электропитанияи специальной установки.
Инструментальный метод измерения МДВ включают в себя большуюгруппуприборов.Преждевсего, этоприборы,основанныенаизмерении МДВ в проходящем свете. Их называют трансмиссометрами. Идея трансмиссометров заключается в том, что свет распространяется от специального источника (например, электрической лампочки) в атмосферу, затем отражается от отражателя, установленного на определенном фик- сированномрасстоянии–обычнооносоставляетоколо100м.Отражённый светвоспринимаетсяприёмником.Далееизмеряетсяяркость ослабленного мутной атмосферой пучка света. Чем меньшеМДВ, тем меньшеяркость.
Ктрансмиссометрам относятся выпускавшийся ранее прибор РДВ (регистратор дальности видимости), импульсныефотометры ФИ-1, ФИ-2,
ФИ-3.
Далее упомянем о приборах, измеряющих МДВ в отраженном и рассеянном свете. Их идея заключается в том, что измеряется световой пучок, рассеянный аэрозолями, содержащимисяв мутной атмосфере. Одним изпервых таких приборов была нефелометрическаяустановка М-71 (см. выше). Её основу составляла мощная лампа, направлявшая пучок
197
света в атмосферу, причём направление распространения света выбиралось так, чтобы на пути светового пучка не было бы никаких предметов. Таким образом, обратный пучок мог быть сформирован только аэрозолями,рассеивающимпучоксветаотлампы.Этотобратныйпучоксравнивался с опорным пучком, источником которого являлась та же лампа, но в атмосферуопорный пучокневыходил, он отражалсяот внутренних стенок специальной коробки. Сравнениепроизводилосьнаглаз,спомощьюполя- ризатораМ-53,почемуэтотприборотноситсякинструментально-визуаль- нойгруппе.
Вдальнейшем появились приборы, измеряющиеМДВ в рассеянном под углом световом пучке. Примерная оптическая схема такого прибора показана на рис. 7.9.
1 |
2 |
Рис. 7.9. Оптическаясхема прибора, измеряющегоМДВ в отраженном свете под углом
Световой пучок от источника (1) распространяется в атмосферу, на некоторомрасстоянииотнего(порядка одногометра)находитсяприёмник света(2), воспринимающий светизнекоторой области, показаннойштриховымилиниями.Отраженныйпучок,попадающийнасветоприёмник,формируется в области (3) пересечения сектора распространения света и поля зрения приёмника. Объём этой области невелик, поэтому можно сказать, что такие приборы измеряют МДВ «в точке». Это необходимо, например, на аэродроме с длинной взлетно-посадочной полосой. МДВ в разных областях аэродрома может быть различной.
7.4. Поляризационный измеритель дальности видимости М-53а
Пусть чёрный объект, находящийся в 5 – 10 м от наблюдателя (рис. 7.10), проектируется на далекий фон (лес, темный берег и т.п.). При хо-
198
Рис. 7.10. Подготовка пункта наблюденияМДВс помощьюполяризационного измерителядальности видимостиМ-53а
рошей прозрачности атмосферы контраст объекта и фона значительный. При замутненнойатмосфереконтраст ухудшается,а вдостаточноплотном тумане может быть менее пороговой чувствительности глаза.
Теперь представим себе, что у нас имеется прибор, который даёт возможностьизменять видимыйконтраст,например,спомощьюповорота какой-либоручки.Тогда,посмотреввокуляртакогоприбора,будемповора- чивать ручкудо тех пор, пока видимый контраст между чёрным объектом и фоном не станет равным порогу контрастной чувствительности глаза . Очевидно, что, если истинный контраст был значительным (т.е. при высокой МДВ) ручкупридется повернуть на достаточно большой угол, а при малом контрасте (при низкой МДВ) – на малый. Таким образом, угол поворота ручки может служить мерой МДВ.
Рассмотрим теперь механизм изменениявидимогоконтраста. Преждечемрассматривать устройствоэтогоприбора, напомним,чтополяризованный свет предполагает ориентирование векторов Е (напряжённости электрической части электромагнитногополя)в одном направлении. Глаз человека, чувствительный толькоквеличиневектора Е (нонекнаправлению!)неможетотличитьполяризованныйсветот неполяризованного.Как известно,поляризатор,например,призмаНиколяориентируетпроходящий пучок в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Эти два пучка носятусловныеназвания:обыкновенныйинеобыкновенный.Направление поляризациизависитот положенияполяризатора.
Если жеза первым поляризатором поместить на пути любогоизпучков второй поляризатор, то амплитуда вектора Е изменится (рис. 7.11). Теперь наблюдатель воспринимает толькопроекциювектора Ена направление второго поляризатора. Яркость пучка будет зависеть от взаимной ориентации поляризаторов. Если ориентацияих совпадает, яркость пучка не изменится. Вращением одногоизполяризаторов можноизменять яркость вплоть дополного“гашения”привзаимноперпендикулярной ориентации осей поляризаторов.
Теперь рассмотрим оптическуюсхемуприбора М-53а (рис. 7.12).Главной его частьюявляютсядва поляризатора: неподвижный (2) и подвиж-
199
Необыкновенный
Енеоб. Е
α
Обыкновенный
Еоб.
Рис. 7.11. Разложениевекторов напряженностиЕ припоследовательном прохождениидвух поляризаторов
5
6
1 2 3
4
Рис.7.12.ОптическаясхемаМ-53а
ный (3). Стекло(1)предохраняетприбор от пыли и влаги. Переднаблюдением чёрный объект (коробка) устанавливается на расстоянии 5 - 10 м от точки наблюдения так, чтобы он проектировался бы на удаленном фоне (рис. 7.10). Наблюдатель выбирает изображенияфона и коробки, поляризованныевдвухвзаимноперпендикулярныхнаправлениях,например,“необыкновенный”лучот фона(Нф)и“обыкновенный”лучот коробки (Окор).
Поскольку изначально луч ужеполяризован первым поляризатором, товращением второгополяризатора спомощьюручки (4)можнодобиться одинаковойяркостиНф иОкор,т.е.нулевогоконтраста(рис.7.13).Очевидно, при замутненной атмосфере, когда видимый контраст сам по себе мал, для этого потребуется повернуть ручку (4) на небольшой угол и отсчёт по шкале(5)будет невелик. Далеевеличина МДВрассчитываетсяпоизвестнымвеличинам расстояниядофона и егоотражающей способности, кото-
200