Оптико-электронный двухканальный измеритель атмосферных осадков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Кобзев, Алексей Анатольевич

• Кобзев, Алексей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кобзев, Алексей Анатольевич

Содержание

Введение

1 Методы и приборы для измерения параметров атмосферных осадков

1.1 Развитие методов измерения осадков

1.2 Современное состояние приборного обеспечения задачи измерения осадков

1.3 Оптические методы и приборы для измерения параметров осадков

1.4 Выводы

2 Разработка макета оптико-электронного измерителя осадков

2.1 Обоснование выбора метода измерений

2.2 Основные принципы работы прибора

2.3 Измерительная площадка

2.4 Разработка конструкции прибора

2.5 Расчет оптических компонентов прибора

2.6 Выводы

3 Алгоритмы обработки измерений и программное обеспечение

3.1 Формирование измерительной информации

3.2 Алгоритм вычисления параметров частиц

3.3 Оценка интегральных характеристик осадков

3.4 Программа обработки измерительных данных

3.5 Адаптивная измерительная площадка

3.6 Выводы

4 Основные результаты работы

4.1 Предварительная оценка технических характеристик

4.2 Результаты проведения лабораторных испытаний

4.3 Результаты проведения натурных испытаний

4.4 Интегрирование измерителя осадков в состав автоматизированного метеорологического комплекса

4,5 Выводы

Заключение

Список литературы,

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронный двухканальный измеритель атмосферных осадков»

Введение

Актуальность тематики.

Атмосферные осадки являются одним из важнейших климатообразутощих факторов, поэтому трудно переоценить важность получения информации об их количестве, продолжительности и интенсивности, а также о средних количествах (суммах) осадков.

Знания о количестве осадков и их распределении по территориям являются важным элементом при изучении энергетического баланса, при прогнозировании возможности возникновения опасных метеорологических явлений, таких как наводнения, сели, лавины, оползни. Территориальное распределение количества осадков определяет также условия изменения уровня рек, озер и водохранилищ, режимы их замерзания и вскрытия.

Информация о микроструктуре осадков (распределении частиц осадков но размерам и скоростям) необходима для решения многих научных задач. Данная информация является актуальной для различных исследований в области физики атмосферы, атмосферной оптики, при изучении распространения радиоволн в атмосфере (особенно, миллиметровых волн в приземных линиях связи), и др.

Параметры микроструктуры осадков применяются также для моделирования процессов эрозии почвы в агрометеорологии. Контроль микроструктуры осадков служит важной составляющей успешного решения некоторых прикладных задач. Например, организации стабильной наземной и спутниковой радиосвязи. Возможность получения сведений о текущем изменении параметров осадков важна для обеспечения безопасности движения воздушных и наземных транспортных средств. Таким образом, с развитием технологий и новых научных направлений растет число задач, для решения которых необходима информация о параметрах частиц осадков (иод частицами осадков в данной работе подразумеваются жидкие осадки, выпадающие в виде капель дождя в диапазоне размеров частиц от 0,5 мм и более).

Проведенный анализ отечественных и зарубежных работ по созданию и применению приборов для измерения осадков, с учетом более ранних исследований [1-4], показал, что физические основы современных осадкомеров были разработаны еще в середине прошлого века. Однако, разработанные ранее методы, находят новые, более совершенные воплощения. К сожалению, в нашей стране на сегодняшний день не наблюдается тенденций к развитию данного направления. Как справедливо отмечено в [5], по причине слабой государственной поддержки и недостаточного финансирования, количество проектов, связанных с разработкой нового оборудования для измерения метеорологических величин, крайне мало. При этом наблюдается непрерывное повышение требовании к количественным и качественным показателям измерительной информации. Данная проблема частично решается приобретением дорогостоящего оборудования иностранного производства, что ставит наши службы в прямую зависимость от зарубежных фирм-производителей и поставщиков.

Таким образом, актуальность данной работы, с одной стороны, обоснована ростом числа задач, где используется информация о параметрах осадков, с другой стороны - проблемами, вызванными отсутствием соответствующих приборов отечественного производства.

В Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН развивается направление но разработке и производству приборов для контроля параметров приземного слоя атмосферы. В рамках проекта VII.66.1.2 (2010-2012 гг.): «Развитие физических методов и технических средств для мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности населения» и проекта ¥111.80.2.2 (2012-2014 гг.): «Научные основы создания оптических, акустических и электронных приборов, комплексов и систем для метеорологических измерений и технологии их применения в задачах мониторинга окружающей среды» базовых программ СО РАН ведется работа по созданию и совершенствованию приборов для измерения параметров

окружающей среды, в том числе основных метеорологических величин и параметров атмосферных осадков.

Цель работы:

Целью диссертационного исследования является разработка оптико-электронной схемы, алгоритмов работы и программных средств оптического двухканального измерителя осадков, работающего на основе метода получения и анализа теневых изображений частиц.

Задачи исследования:

1. Провести обзор существующих методов и приборов для измерения параметров атмосферных осадков.

2. Разработать функциональную схему реализации метода получения и анализа изображений частиц осадков.

3. Создать экспериментальный образец оптико-электронного двухканального измерителя осадков (ОДИО).

4. Разработать алгоритмы обработки результатов измерений и соответствующих программных средств для ОДИО.

5. Провесш теоретические и экспериментальные оценки технических характеристик образца ОДИО.

6. Разработать средства интарапии ОДИО в состав автоматического метеорологического комплекса АМК-03.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы анализа полученного результата. Для определения отдельных параметров ОДИО применялись методы теории вероятности, математической статистики, методы теории погрешностей, численные методы, методы и средства численного моделирования физических процессов.

Научная новизна работы:

1. Предложена новая схема реализации метода получения и анализа теневых изображений частиц осадков, позволяющая проводить оценку интегральных параметров осадков на основе измерений размеров их отдельных частиц с минимизацией аэродинамической погрешности измерений, связанной с искажением ветрового поля над осадкомером (получен патент РФ на полезную модель).

2. Разработаны и реализованы в виде программного обеспечения алгоритмы формирования и обработки измерительной информации ОДИО, обеспечивающие измерение параметров частиц и интегральных характеристик жидких осадков.

3. Показано, что измерительная площадка, размеры которой изменяются в зависимости от текущей интенсивности осадков, обеспечивает возможность применения каналов связи с ограниченной пропускной способностью для передачи измерительных данных ОДИО.

Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований создан экспериментальный образец ОДИО. Представлены результаты расчетов параметров его компонентов, алгоритмы формирования измерительной информации и расчета измеряемых параметров осадков. Разработано соответствующее программное обеспечение. Показано, что созданный прибор может быть интегрирован в состав современного автоматического метеорологического комплекса и информационно измерительной системы для сбора метеорологической информации.

Достоверность научных результатов работы обеспечивается систематическим характером исследований, сопоставлением полученных теоретических оценок с результатами различных экспериментов.

Внедрение. Результаты диссертационного исследования, созданные экспериментальные образцы ОДИО и коммутационного контроллера передачи метеорологических. данных (ОРИБ-контроллер) с соответствующей профаммой для ЭВМ используются:

- ИМ ЮС СО РАИ (г. Томск) для реализации проекта VIII. 80.2.2: «Научные основы создания оптических, акустических и электронных приборов, комплексов и систем для метеорологических измерений и технологии их применения в задачах мониторинга окружающей среды»;

- ООО «Сибаналитприбор» (г. Томск) для проведения измерений параметров приземного слоя атмосферы;

- ИЛ СО РАН, ИВМ СО РАН (г. Красноярск); ИКФИА СО РАН, ИБПК СО РАН (г. Якутск); БИ11 СО РАН (г. Улан-Удэ) для научных исследований в области экологии.

Апробация работы. Результаты работы, вошедшие в диссертацию, доложены и представлены на следующих конференциях и симпозиумах: VII-VIII Всероссийские симпозиумы «Контроль окружающей среды и климата» (Томск, 2010, 2012); Х1Х-ХХ1 Международные конференции «Лазсрно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии» (Новороссийск, 2011, 2012, 2013); Международная конференция "Инженерная зашита территорий и безопасность населения: роль и задачи геоэкологии, инженерной геологии и изысканий" (Москва, 201 Г); IX Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2011); XI Всероссийская конференция с участием иностранных ученых «Проблемы мониторинга окружающей среды» (Кемерово, 2011); XVIII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск. 2012); Всероссийская научная конференция с международным участием «Водные и экологические проблемы Сибири и центральной Азии» (Барнаул, 2012); IV Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск. 2012;; II Всероссийская научио-тсхничсская конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013); XIX Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Барнаул, 2013).

Результаты исследований, а также разработанный экспериментальный образец ОДИО представлены на следующих конкурсах и выставках: конкурс на лучшую презентацию своих научных результатов среди молодых ученых Томского научного центра СО РАИ (2012 - I место); конкурс докладов молодых ученых VII Всероссийского симпозиума «Конгроль окружающей среды и климата» (2010 - I место); конкурс докладов молодых ученых IX Сибирского совещания по климато-экологическому мониторингу (2011 - Ü место); конкурс докладов молодых ученых VIII Всероссийского симпозиума КОСК-2012 (2012 - III место); конкурс научных достижений молодых ученых Томской области (2013); Международная выставка «Оптические приборы и технологии - OPTICS-RXPO» (Москва, 2012); Всероссийская научно-производственная инновационная выставка-ярмарка «Интеграция - 2013». в рамках INNOVUS (Томск. 2013).

На защиту выносятся следующие научные результаты и положения:

1. Предложенная схема реализации метода получения и анализа теневых изображений частиц осадков на измерительной площадке, формируемой на расстоянии не менее 100 мм о г основных элеменюв конструкции в области пересечения двух плоских взаимно перпендикулярных оптических каналов, разнесенных по высоте на 5 мм, позволяет измерять интегральные параметры осадков с минимизацией ветрового недоучета, являющеюся основной составляющей систематической погрешности стандартных измерителей осадков.

2. Разработанные алгоритмы обработки результатов измерений оптико-электронного двухканального измерителя осадков, заключающиеся в формировании измерительной информации при считывании сигнала с фотоприемников и вычислении размеров осадков в диапазоне 0,5ч-8 мм, обеспечивают проведение расчетов интегральных характеристик жидких осадков.

3. Применение адаптивной измерительной площадки, размеры которой могут изменяться в диапазоне l-í-25 см2 в зависимости от текущей

интенсивности осадков, регулируя поток измерительной информации, обеспечивает возможность использования каналов связи с ограниченной пропускной способностью (например, RS-232 или GPRS) для соединения между блоками формирования измерительной информации и блоками обработки и вычисления ОДИО.

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 26 работ, включая 7 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на полезную модель и 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад диссерханга заключается в постановке задач, поиске способов их решений, разработке оптической и электрической схем прибора, разработке методики и проведении калибровки, участии в процессе макетирования отдельных элементов прибора для проверки эффективности применяемых методов и комплектующих, участии в разработке программного обеспечения, проведении исследовательских испытаний, разработке методики калибровки. Создание экспериментального образца ОДИО выполнено коллективом сотрудников лаборатории экологического приборостроения ИМКЭС СО РАН при непосредственном участии автора. Диссертант принимал участие в постановке задачи, разработке форматов данных и протоколов сопряжения GPRS-контроллера, а хакже в проведении тесшрованмя системы передачи метеорологических данных.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Общин объём работы составляет 131 страницу, включая 55 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 93 наименований.

1 Методы и приборы для измерения параметров атмосферных

осадков

1.1 Развитие методов измерения осадков

С самого начала развития цивилизации и но сегодняшний день даже в условиях мягкого климата человеческая деятельность чрезвычайно сильно зависит от погодных условий. Знания об осадках были и остаются важной информацией для безопасности жизнедеятельности и эффективного хозяйствования. Одним из первых упоминаний об их измерении, является описание применения показаний осадкомерного сосуда с известной площадью входного сечения для классификации земель с целью налогообложения в древней Индии [6].

В работе [3] сделаны попытки отследить эволюцию понимания сущности явления атмосферных осадков. В этой работе приведен исторический обзор: начиная с идей древних греков, продолжая описанием периода средних веков и исследований великих ушных XVI-XVII вв., завершая характеристиками подходов, методов и приборов, применяемых в паши дни. Интересно, что широко используемые сегодня традиционные измерители осадков, принципиально ничем не отличаются от простого сосуда с известной площадью входного отверстия, а значит и от самых первых осадкомсров. Таким образом, возможно, что измеритель осадков является наименее модернизированным прибором, применяемым сегодня в метеорологии.

Хотя изучение атмосферных осадков имеет многовековую историю, в течение длительного времени оно заключалось в основном в наблюдении и описании характеристик осадков, а также систематизации данных визуальных наблюдений [4]. В частности, активное развитие инструментальных средств наблюдения и изучения свойств частиц атмосферных осадков начались лишь в середине двадцатого века. Что же касается сумм осадков, то долгое время их измерение считалось достаточно простой задачей, для решения которой можно использовать любой сосуд с горизонтальным отверстием известной площади.

Это привело к появлению множества конструктивно отличающихся друг от друга осадкомсров и разных методик измерений, дающих значительные расхождения в значениях сумм осадков [1]. В работах [1, 2] был сделан обзор методов и приборов, применявшихся до конца 70-х гг. прошлого столетия для исследования и измерения структурных и интефальных параметров осадков. В последующие годы ряд идей получил более реальные перспективы практического применения благодаря технологическим достижениям (новые материалы и приборы на их основе) и расширившимся возможностям обработки результатов измерений (быстродействующие вычислительные устройства с низким энергопотреблением).

1.2 Современное состояние приборного обеспечения задачи измерения осадков

Для измерения сумм осадков, выпавших за определенный промежуток времени, применяются приборы, обычно называемые осадкомерами, которые иногда по виду измеряемых осадков условно подразделяются на дождемеры, снегомеры и градомеры.

Важной характеристикой любого измерителя осадков является площадь ссчсния, через которое проходят учитываемые частицы. В случае традиционного осадкомера это будет площадь приемного отверстия воронки или осадкомерного ведра. По площади приемного отверстия осадкомеры можно разделить на три группы [1]: осадкомеры с большой площадью приемного отверстия (8ВХ>103 см2), со средней площадью приемного отверстия (102 с\Г<5вх<1()" см") и с малой площадью (5ВХ<10~ см"). Для наблюдений на метеорологической сети в основном применяются традиционные измерители осадков с входными отверстиями площадью 102-1(Г см".

К осадкомерам с малой площадью входного отверстия относятся осадкомер Давитая (М-99) (5„х=30 см"), стандартный канадский осадком ер (8ВК=65 см"), бельгийские осадкомеры ШМ-1 и ШМ-2, американский дождемер (8ПХ=20 см2), прибор Понсоле (8ВХ=100 см2), американские приборы с $вх, равными 45; 6,7 и 3,25 см2 и др.

Осалкомерьт с большой и средней площадью приемных отверстий применяются для измерения как твердых, так и жидких осадков, тогда как приборы с малой площадью используются для измерения только жидких осадков. Это обусловлено тем фактом, что твердые осадки, как правило, менее интенсивны. Поэюму для уверенной регистрации их характеристик традиционными осадкомерами необходим сбор информации с достаточно большой площади.

Стандартные осадкомеры. Такие осадкомеры. применяемые для сетевых метеорологических наблюдений, имеют сходную конструкцию, основу которой составляют приемная воронка или отверстие и водосборник для хранения собранных осадков до момента измерения.

Примером осадкомера традиционной конструкции, выпускаемого до настоящего времени отечественными производителями, является осадкомер 0-1 17] с ветровой защитой Третьякова (рис. 1.1). За рубежом широкое распространение получили 5- и 8-дюймовые осадкомеры [8, 9] (рис. 1.2) и осадкомер Хеллмана с защитой Нифсра [2].

Рис. 1.1. Осадкомер 0-1 с ветровой защитой Третьякова

Данные конструкции позволяют производить измерения осадков за небольшие интервалы времени, так как имеют ограниченный объем водосборника. Они требуют регулярного обслуживания, заключающегося в сливе собранных осадков.

а а

Рис. 1.2 Осадкомсры: а) компании Casclla Measurement I.td (Великобритания);

б) компании Eijkelkamp Agnsearch Equipment ("Нидерланды)

Основным источником систематических погрешностей любого осадкомсра традиционной конструкции является ветровой недоучет (эффект Джевонса [10]), проявляющийся в том, что при ветре количество собранной прибором влаги оказывается заниженным. Помимо уменьшения числа частиц осадков, попадающих в осадкомср, ветровой поток вызывает образование завихрений воздуха внутри самого осадкомера, что вызывает «выдувание» некоторого числа частиц, уже попавших в осадкомер. Для уменьшения ветрового недоучета применяются ветровые защиты различных конструкций. Первый тип конструкции был предложен в 1878 году Ф. Нифером (США). Улучшенный вариант защиты был разработан в Советском Союзе В.Д. Третьяковым в 1942 г. В 1952 г. осадкомер этой системы введен на сети станций СССР [15] и продолжает применяться поныне.

По данным, приведенным в [2], составлена табл. 1, где представлены значения ветрового недоучета при ливневых осадках и осадках слабой интенсивности (морось) для различных значений скоростей ветра.

Данные были получены из сравнения показаний измерителя осадков, снабженного ветровой защитой Пифера, с осадкомером без какой-либо ветровой защиты. Из таблицы видно, что ветровой недоучет существенно выше

для осадков слабой интенсивности. Это связано с тем, что при мороси средний размер падающих частиц намного меньше размера ливневых капель, что позволяет ветровому потоку отклонять большее число частиц моросящего

дождя.

Таблица 1

Величина ветрового недоучета при различной скорости ветра

Скорость ветра, м/с Ливень Морось

Ветровой недоучет, %

2-3 13 18

3-5 14 46

6-8 17 52

Эксперименты в аэродинамической трубе и результаты моделирования течения потока воздуха над входным отверстием осадкомера подтверждают влияние ветра на количество собранных осадков. Однако, оценки влияния этого эффекта различаются у разных авторов [1] (рис. 1.3, а).

Некоторые эксперименты позволяют наглядно проиллюстрировать, каким образом конструкция влияет на поток воздуха, которой ее обтекает. Например, в работе [11] представлены результаты численного моделирования влияния ветра на траекторию частиц осадков вблизи осадкомера. В работе [12] показано, как изменяется иоле распределения скорости ветра при применении ветровой защиты и без нес. При этом тс же эксперименты показывают, что известные конструкции ветровой защиты не способны полностью устранить ветровой недоучет (рис. 1.3, б). Более того, с усложнением формы ветровой защиты падает точность определения искажения потока и, как следствие, количественных оценок эффективности данной ветровой защиты по сравнению с аналогами.

Для стандартного осадкомера Третьякова установлено, что наличие скорости ветра в 5 м/с даст недоучет жидких осадков до 10 % от их общей суммы, а для твердых - до 50 % [12]. По данным [14] количество жидких

осадков систематически занижается на 10-15% от измеренной суммы для дождемера с защитой Нифера и осадкомсра конструкции Третьякова, а количество твердых и смешанных осадков - на 30-60%, в зависимости от метеорологических условий.

• Направление

а б

Рис. 1.3. Ветровой недоучет: а - зависимость коэффициента ветрового недоучета жидких

осадков от скорости ветра [1]: 1 - осадкомер Третьякова (1970 г.): 2 - осадкомер Третьякова

(1962 г.), 3 - осадкомер Третьякова (1966 г ); 4 - осадкомер Третьякова (1966 г.;; 5 -

плювиограф Гельмана (1968 г.); 6 - тттведский осадкомер (1965 г.), б - поле распределения

потока воздуха вблизи осадкомера [121: сплошные изолинии скорости для ветровой защиты

Нифера. прерывистые - для ветровой защиты Третьякова

Однако, помимо ветрового учета выделяют и другие факторы, влияющие на точность измерения.

Существует целый ряд причин, обуславливающих погрешности традиционных измерителей осадков. Одна из этих причин — раскалывание частиц о край входного отверстия, в результате чего они лишь частично попадают внутрь прибора. При этом, чем меньше входное отверстие, тем относительно большая доля частиц не попадает в прибор. Из-за кривизны края входного отверстия количество воды, попавшей внутрь прибора, оказывается несколько меньшим, чем вне прибора. Производимый данным фактором недоучет количества осадков может составлять 2-3 % (для 8ЬЧ=50 см2) [1].

Источником погрешности, обусловленной конструкцией осадкомеров, являются также выскакивание частиц твердых осадков, уже попавших в

прибор, и попадание в него частиц, отскочивших от окружающих предметов или поверхности земли (при низком расположении приемного отверстия).

Кроме перечисленных причин увеличения погрешности измерений, имеют место ошибки, вызванные потерями собранной влаги за счет испарения из прибора и смачивания его с ленок (в том числе, при переливании воды из осадкомера в мерный сосуд).

Погрешности за счет смачивания можно избежать, если вместо измерения объема собранной влаги измерять ее массу. Это возможно, поскольку плотность влаги атмосферных осадков постоянна из-за практического отсутствия примесей, способных ее изменить. Примером реализации такого метода измерения является весовой осадком ер МЖ-24, выпускаемый ГУ «НПО «Тайфун» [16] (рис. 1.4). Этот прибор также нуждается в обслуживании, заключающемся в сливе собранной жидкости.

Рис. 1.4. Осадкомер весовой МЖ-24 (Россия)

Полностью автоматизировать измерения традиционными осадкомерами -задача трудновыполнимая. Однако, частично автоматизировать измерения или обеспечить повышение их точности в определенных условиях можно, хотя это ведет к существенному усложнению конструкции прибора [17].

Плювиометры. Непрерывная регистрация сумм осадков традиционно производится с помощью приборов, называющихся плювиометрами. Так как узлы плювиометров принципиально и конструктивно не отличаются от аналогичных узлов осадкомеров, то для этих приборов характерны и соответствующие погрешности измерений. Как отмечается в [1], по механизмам измерения плювиометры можно подразделить на пять основных типов: поплавковые, весовые, челночные, камерные (клапанные) и резиеторные. Кроме того, существует большое количество конструкций, использующих различные комбинации указанных типов.

В настоящее время многие производители метеорологических приборов выпускают измерители параметров осадков, использующие челночный (lipping-bucket) механизм. Среди них — измеритель осадков компании Vaisala [18], прибор компании Casella Measurement Ltd [19] (рис. 1.5) и плювиометры других производителей.

а б

Рис. 1.5. Челночный автоматический измеритель осадков: а - Финляндия; б - Великобритания

Достоинством приборов, основанных на челночном принципе, является высокая надежность, обусловленная устойчивостью к засорению.

Измерители структурных параметров осадков, бесконтактные методы измерения осадков. Одним из перспективных направлений в

»

исследованиях атмосферных осадков является развитие методов и разработка приборов для измерения микрофизических характеристик частиц осадков -формы, скорости падения, внутренней структуры, распределения по массам и размерам. Приборы, анализирующие распределение капель по размерам и скоростям, называются дисдрометрами [20]. Наличие полной информации о структурных параметрах делает возможным расчет интегральных характеристик осадков, то есть выполнение задач, характерных для осадкомеров и плювиометров.

Как известно из работы [1], к дождевому диапазону относятся капли диаметром 0,5-8 мм, имеющие конечные скорости падения 2-9 м/с. Именно эти значения и определяют технические требования к измерителям микроструктуры осадков. Снежинки и снежиьте хлопья имеют конечные скорости падения 0,5-1,5 м/с, но при этом у них более сложная траектория падения и форма - от шестигранных пластипок до больших хлопьев из сцепившихся между собой снежинок.

Одним из первых методов измерения параметров капель, является микрофонный метод, который был предложен еще в 1925 г. [2]. Метод состоит в определении массы капель по величине импульса, образующегося при ударе капли о мембрану микрофона. Недостатком приборов, основанных на данном методе, является низкая точность измерений, обусловленная зависимостью импульса удара (а следовательно, и чувствительности) от места падения капли на мембрану, а также от того, покрыта мембрана слоем воды или нет. Несмотря на эти недостатки, микрофонный метод продолжает развиваться и реализован в современном акустическом сенсоре осадков компании Ушьа1а [211 (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Чувствительный элемент микрофонного измерителя осадков КЛШСЛР®

(Финляндия)

Другой распространенный метод измерения капель дождя - ударный -применяется в приборах, работающих на основе электромагнитного датчика. Измерение параметров капель дождя происходит в момент ее удара о чувствительную поверхность прибора. Стандартным измерителем частиц осадков ударного типа является дисдромегр Джоееа-Вальдфоге.ш (Joss-Waldvogel) RD-80, производимый фирмой Distrainer Ltd в Швейцарии [22]. Принцип работы основан на преобразовании импульса падающей капли в электрический сигнал. Амплитуда этого сигнала является функцией импульса падающих капель. Регистрация и анализ значений сигнала позволяет построить распределение капель по размерам.

Микрофонный и ударный метод регистрации относят- контактным методам определения характеристик частиц осадков. Измерение размера частицы этими методами происходит при непосредственном контакте с твердой чувствительной поверхностью сенсора. В зависимости от конструкции, сенсор регистрирует акустический шум, силу удара, изменение заряда или емкости. Все приборы, основанные на контактных методах, имеют недостатки, аналогичные недостаткам микрофонного измерителя.

Помимо контактных методов определения структуры осадков, существуют бесконтактные методы измерения и соответствующие приборы. Это измерители, работа которых основана на радиолокационных и трассовых мегодах измерений: доплеровские радиолокационные станции и оптические измерители осадков. Исследование эффективности радиолокационных и трассовых методов измерения осадков было проведено еще в 70-80-х гг. прошлого века [1]. Радиолокационные измерители - доплеровские PJTC вертикального сканирования с сантиметровой длиной волны. Измерение осадков проводится из анализа доплеровских спектров. Обработка данных позволяет проводить оценки интегральных параметров осадков с приемлемой точностью при слабо меняющейся интенсивности.

Одним из современных радиолокационных измерителей осадков является автоматический бесконтактный осадкомер АБО «Капля» [23]. Принцип

действия прибора основан на измерении вертикальных (гравитационных) скоростей падения частиц жидких осадков (капель дождя) с помощью микромощного доплеровского радиолокатора постоянного излучения, работающего в диапазоне 3 сантиметра (10-11 ГГц). Хотя радиолокационные методы и позволяют проводить интегральные оценки интенсивности и микроструктуры осадков, они имеют существенные ограничения по размерам измеряемых частиц и значительные ошибки измерений [24J, а стоимость установок исключает их широкое раепрос гранение [5|.

Перспективный метод мониторинга параметров атмосферных осадков на больших площадях, был предложен климатологами из университета Вагенингена, Нидерланды. Су гь меч ода заключается в том. чтобы оценивать интенсивность осадков при помощи регистрации изменения качества сигнала в сотовых сетях связи. Принцип работы измерительной схемы основан на регистрации величины поглощения излучения частицами осадков, изменяющейся в зависимости от интенсивности их выпадения и распределения по размерам. Измерительная трасса формируется расстоянием от источника излучения до приемника, при этом ее длина может варьироваться в достаточно широком диапазоне. Источником являехся излучатель, находящийся на мачте сотовой связи. Приемником излучения является приемная антенна соседней станции сотовой связи. Частота установленных сегодня станций сотовой связи позволяет отслеживать фронт осадков на обширной repp и ¡ори и практически в режиме реального времени [25]. Этот метод позволяет устранить основной недостаток измерений с помощью радиолокаторов - высокую стоимость измерительных установок, поскольку предполагается, что основная часть оборудования уже установлена, что актуально для стран Западной Европы. Юго-Восточной Азии и США.

1.3 Оптические методы и приборы для измерения параметров осадков

С улучшением характеристик оптических сенсоров измерительные оптико-электронньте приборы (ОЭП) получили широкое применение, захватив

лидирующие позиции в области измерительного научного и производственного приборостроения, а также создания систем военного назначения. Растущая доступность источников и приемников оптического излучения способствует широкому применению оптических систем для решения разного рода технических задач мониторинга атмосферы, в том числе и задачи измерения параметров атмосферных осадков.

Оптические измерители параметров осадков позволяют определять параметры отдельных частиц осадков (размеры, скорости, их общее количество) и на основании этих данных получать интегральные характеристики (тип осадков, интенсивность и суммы). Такие приборы относится к бескотактным измерителям и мо* ут бы п, разделены на несколько групп [26. 27], исходя из используемых в них оптических явлений и конструктивных особенностей.

Первая группа оптических осадкомеров основана на использовании явления прямого рассеяния оптического излучения. Основой таких приборов служат источник света и фотоприемник, регистрирующий рассеянное на частицах световое излучение.

Рассмотрим измерительную схему оптического измерителя микроструктуры осадков [5], основанного на регистрации величины рассеянного сигнала. Чувствительная площадка формируется на пересечении луча от источника и диа1раммы направленности приемника излучения (рис. 1.7). Приемник регистрирует интенсивность излучения, а затем из общего сигнала происходит выделение импульсов, создаваемых рассеянием на частицах осадков. В зависимости от амплитуды полученных импульсов II им ставится в соответствие то или иное значение эквивалентного объема жидкости. Результаты измерений поступают в систему обработки данных, в качестве которой чаще всего выступает персональный компьютер.

приемник

Рис. 1 .7. Схема оптического измерителя капель дождя методом светорассеяния [5]

Для опенки диаметров капель Г) используется теоретическая зависимость их размера от амплитуды электрического сигнала с фотоприемника II

ЩО) = А ■ О2, (1.1)

где А - коэффициент, определяемый параметрами прибора. Форма капли и ее объем рассчитываются на основе аналитической модели и эмпирических зависимостей. На основании этих данных проводятся оценки интегральных параметров осадков.

На рис. 1.8 показана форма импульсного сигнала для капель различного размера.

и» В

I ________—--г----,. , -

Аеник

о 1С» 300 ЗШ «0 500

Рис. 1.8. {"рафик зависимости формы сигнала от пролетающих капель [5]

К ОЭП, в основе которых лежит измерение прямого рассеяния, относится ряд приборов зарубежных фирм. Например, датчики текущей погоды Уагаа1а Р\УО 10, РТО20 и РИТШЖ Р\¥1)22 [28] (рис. 1.9, а), в основе которых лежит

Приборы Рагше! и La.seг РгеариаШт МипЫог разделяют все виды осадков на 20-30 классов, как по диаметру частиц, так и по скоростям. Таким образом, приборы способны различать несколько сотен классов осадков. Однако, поскольку диаметры частиц осадков и их скорости связаны, возможное количество классов существенно сокращается. Классы в свою очередь подразделяются по типам осадков.

Наконец, третья группа оптических приборов, измеряющих параметры осадков, базируется на непосредственном получении и анализе изображений частиц осадков. Примерами таких приборов являются голографическая система регистрации капель и частиц аэрозоля [36], плговиоспектрометр [37], 21) видеодисдрометр (2 ПУП) 1381, использующий для создания изображения две линейно-сканирующие видеокамеры.

Наиболее простым способом получения изображения падающей частицы осадков является получение формы ее тени при сканировании линейным сенсором. Форма и размер частицы восстанавливаются но изменению размеров се тени по мере прохождения сквозь плоский луч света (рис, 1.14).

линейный сенсор тень

частица осадное

*р*т у

Рис. !. 14. Восстановление формы и размеров падающей частицы осадков

В одном из первых подобных приборов [39], использовался массив светочувствительных элементов, составленный из оптических волокон.

024823222301000102010009

соединенных с фотоэлементами. Если в измерительной плоскости нет частиц, лучи беспрепятственно проходят до фотодетекторов. Когда в плоскости появляется частица, происходит изменение освещенности части светочувствительных элементов. Это приводит к изменению напряжения на выходах затененных фотодетекторов. Размер частицы определяется количеством затененных оптоволокон известного диаметра.

По такой же схеме был построен и разработанный в 80-х годах XX века в СКВ НП «Оптика» СО АН СССР (ныне ИМКЭС СО РАН) измеритель капель дождя ИКДАН [40] (рис. 1.14). По техническим характеристикам ИКДАН проводил измерения капель дождя во всех диапазонах их размеров и скоростей с пофешностью ±0,1 мм. В качестве фотоприемника использовались 4 независимые секции по 32 фотодиода. Размер фотодиодов - 40x40 мкм, шаг ячеек - 75 мкм. Время опроса всего массива фотодиодов составляло 32 мкс.

1

...................\

/ \

а о

Рис. 1.15. ИКДАН: а) схема, поясняющая работу измерителя капель дождя: 1 - источник света;

2 - частица; 3 - фотоприемник; 4 - электронный блок; б) внешний вид прибора

Более современный прибор, описанный в работе [41] одновременно измеряет форму и скорость частиц осадков путем построения образа падающей частицы с использованием двух массивов оптических элементов. На рис. 1.16 приведена его схема. Источник света состоит из лампы накаливания и оптической системы, производящей два тонких горизонтальных луча света, разнесенных по высоте на расстояние порядка 10 мм. Световые лучи проходят сквозь трубу прямоугольного сечения и достигают приемной камеры. Открытым остается относительно небольшой участок, формируемый разрывом в трубе. Длина разрыва и ширина луча определяет размеры измерительных

вычислений сохраняет данные и проводит их анализ в режиме реального времени согласно пользовательским настройкам.

Специальное программное обеспечение проводит восстановление формы частиц осадков, вычисление их размеров, коэффициентов деформации, эквивалентных диаметров. По времени прохождения между измерительными плоскостями вычисляется скорость частиц. Имеется возможность регистрации горизонтальной скорости частиц, визуализации распределения частиц по измерительной плоскости, визуализации гистограмм распределения по размерам и скоростям, индикации текущей интенсивности.

Измерительный блок в стандартной комплектации состоит из корпуса с приемным отверстием, содержащего систему отвода осадков и две одинаковые оптические системы, каждая из которых образована источником плоского луча света, системой зеркал и многоэлементным линейным фотоприемником в составе линейнс-скапирутощей видеокамеры. Каждый источник света направлен вертикально вверх на зеркало, которое отражает луч света, посылая его горизонтально на другое зеркало, в свою очередь отражающее луч света вертикально вниз на многоэлементный линейный фотоприемник линейно-сканирующей видеокамеры, ориентированной (так же как источник) вертикально вверх как показано на рис. 1.18, а. На рис. 1.18, б представлена схема модернизированного измерительного блока.

Прибор калибруется с помощью шариков известного размера, которые регистрируются по мерс свободного падения сквозь виртуальную измерительную площадку, формируемую в области пересечения лучей света. Подробная процедура калибровки прибора описана в [43].

Рис. 1.18. Измерительный блок 2DVD: а - схема измерительного блока в стандартной комплектации (для наглядности показан один оптический канал); б - схема измерительного

блока в компактной комплектации (вид сверху)

Данный прибор имеет свои недостатки. Объемный корпус (0,5x0,5x1,1 м в стандартной комплектации) не позволяет уйти от одной из основных ошибок, возникающих при измерении параметров осадков - ветрового недоучета. При измерениях, сопровождающихся ветром, корпус измерительного блока 2ПУО вызывает искажения ветрового поля, приводящие к изменению траектории и скорости частиц осадков не только вне корпуса прибора, ио и к возникновению турбулентных завихрений внутри корпуса. Последний фактор критично сказывается на результатах измерения параметров мелких капель и снежных частиц, полученные с помощью 21>\Ф [44]. Хотя в 2005 г. был реализован ряд новых решений и корпус измерительного блока (1.18, б) стал более компактным (0,85x0,85x0,2 м), проблема влияния ветра решена не была [46]. Данное техническое решение позволило уменьшить высоту блока за счет того.

что лучи света от источников распространяются только в горизонтальной плоскости. Однако, данная конструкция, как и стандартная, не препятствует регистрации капель дождя, разбивающихся о края корпуса и попадающих в виде брызг в приемное отверстие, становясь постоянным источником дополнительной погрешности измерений. Технические характеристики прибора не позволяют эксплуатировать его при температуре окружающего воздуха ниже 0° С. Таким образом, прибор не имеет возможности измерения параметров осадков, выпадающих в виде снега. Большое количество обрабатываемой измерительной информации (80 Мб/с) накладывает высокие требования на оборудование, ограничивая при этом возможности по передаче данных. Потребляемая мощность прибора составляет около 0.5 кВг, что сильно ограничивает возможности его автономной работы.

Идея восстановления формы частицы из последовательности поперечных сечений, измеренных с помощью двух взаимно перпендикулярных фотодиодных линеек, была применена для разработки высокоскоростного измерителя характеристик частиц облаков, предназначенного для установки на самолетах-лабораториях [47]. Если в наземных приборах плоскость луча располагают горизонтально, гак что капли при естественном падении пересекают се, то в самолетных приборах плоскость падения луча ориентируется перпендикулярно направлению полета самолета. Так как скорость самолета существенно (в 20-25 раз) больше, чем скорость падения капель, можно считать, что луч пересекает неподвижно повисшие в воздухе частицы.

Па сегодняшний день представляется возможным создание прибора, работающего на основе высокоскоростной видеокамеры с двумерным массивом оптических элементов. Такой прибор позволил бы контролировать значительный объем пространства, в котором падают осадки. В работе [48] были проведены измерения объемного распределения частиц осадков но размерам с помощью съемки на камеру, позволяющую получать серии кадров с интервалом между снимками 1,5 с. Измерительный объем ограничивался полем

видимости и глубиной резкости оптической системы. Однако из-за больших объемов измерительных данных и сложности их обработки данный метод не нашел дальнейшего развития.

В табл. 2 приведены основные характеристики известных на сегодняшний день оптических приборов для измерения параметров частиц осадков.

Таблица 2

Сравнительные характеристики оптических измерителен осадков

1 рун ira Наименование / год Измерительная Диапазон и точность измерения параметров частиц

разработки, источник плошадь см2 Измеряемый диапазон ТТофешность

Оптический спектроплювнометр OSP (Франция)/ 1977 [32] 100.0 0,31 мм размер частиц ± 0,3 мм

1 Оптический измеритель осадков (МГАГТИ) / 2004 [5] 15.0 0,3 5'-1 мм ± 3.59? интелс. дождя; ±15% интенс. снега

Оптический измеритель дождя ORG-815 (США)/ после 2004 {29] нет данных нет данных ±5% от суммы осадков

От ический дисдрометр (Германия)/1998 [34] 48,0 1,4-4-8 мм размер капель +10%

2 Лазерный дисдрометр Parsivel (Германия)/ 2004 [311 48,0 капли 0,2-г5 мм, снежинки 0.2-1-25 мм размер капель ±5% размер снежинок ±20%

Лазерный дисдрометр Thies Clima (Германия)/2005 135] 46,0 0,1 б-г8 мм размер частиц ±0,2 мм

I-ЖДАН (СССР)/ 1987 [40] 5,7 0,3-7,5 мм размер частиц ±0,1 мм

3 21) кидео дисдромеф 2DVT) (Германия)/1991 [38] 100.0 0,Зч-7,5 мм размер час гиц ±0,2 мм

Измеритель формы и скорости частиц осадков (Швейцария)/2003 [41] 83,7 капли > 1 мм снежинки > 2 мм размер капель ±6%; размер снежинок ±8%

В первой группе представлены приборы, основанные на принципе регистрации сигнала, рассеянного на частицах осадков. Вторая группа - это приборы, в основе которых лежит принцип регистрации ослабления светового потока но мере прохождения сквозь него частиц осадков. Третья группа содержит приборы, работающие по принципу измерения размеров и форм частиц. Из таблицы видно, что все рассматриваемые приборы обеспечивают достаточно широкие диапазоны измерения частиц осадков и вполне

Несмотря на применение новых материалов и дополнительных приспособлений, традиционные осадкомсры продолжают сохранять свои основные недостатки.

Традиционно применяемые осадкомеры являются достаточно надежными, доступными и простыми в эксплуатации приборами, тем не менее, они не удовлетворяют современным требованиям по чувствительности и точности измерений, возможностям автоматизации и автономности работы. Кроме юго, традиционные осадкомеры не способны проводить измерения микроструктуры осадков.

2. Погрешности, связанные с ветровым недоучетом и разбрызгиванием капель о края корпуса прибора критически влияют на точность измерения интегральных характеристик осадков, применение ветровой защиты не решает данной проблемы полностью.

3. Перспективным направлением дальнейшего развития приборов для измерения параметров осадков (в том числе микроструктурных) являются ОЭП, позволяющие измерять размеры, скорость падения и количество частиц осадков (капель дождя, града, снежинок). Основными недостатками существующих оптико-электронных осадкомеров являются: ограничение точности измерений вследствие применения различных модельных приближений в оценке форм и размеров частиц, возникновение ошибок ветрового недоучета и др. Основной проблемой для этих приборов является их низкая коммерческая доступность.

4. Измерительная площадь оптико-электронных осадкомеров может быть существенно меньше площади входного сечения традиционных осадкомеров. При этом оптические приборы обеспечивают более точные измерения и более высокие показатели но чувствительности и автономности проведения измерений.

2 Разработка макета оптико-электронного измерителя осадков

В данном разделе представлены основные этапы разработки экспериментального образца оптико-электронного двухканального измерителя параметров атмосферных осадков. Основной упор при выборе метода измерения сделан па мировой опыт разработки, производства и эксплуатации подобных приборов. В разделе представлены основные принципы работы. Прототипом прибора является измеритель капель дождя ИКДАН [40]. созданный в СКБ «Оптика» еще в 1987 г. (ныне ИМКЭС СО РАН). Наиболее близкий зарубежный аналог - 2 О-видеодисдрометр [38] (Германия). Предложена новая схема, реализующая метол получения и анализа теневых изображений частиц осадков. Приведены расчеты параметров, связанных с размерами измерительной площадки, основными характеристиками компонентов прибора. С помощью математического моделирования показано, как разработанная конструкция препятствует возникновению ошибок, вызванных искажением воздушных потоков вблизи стандартного осадкомера.

2.1 Обоснование выбора метода измерений

Проведенный анализ состояния проблемы приборного обеспечения задачи измерения параметров атмосферных осадков [49] показал, что наиболее перспективным направлением развития этих средств измерения является разработка и создание оптико-электронных осадкомеров.

Как было показано в разделе 1.3, оптические осадкомеры можно разделить на три основные группы: 1) приборы, работающие на основе регистрации рассеянного на частицах излучения; 2) приборы, регистрирующие ослабление светового пучка при прохождении через него частиц осадков; 3) приборы, базирующиеся на получении и анализе изображений частиц осадков. Данные методы имеют свои технические характеристики, достоинства и недостатки. Простое сравнение основных характеристик рассмотренных измерителей структурных параметров (дисдрометров) делает очевидным принципиальные преимущества третьей труппы приборов (табл. 3).

Таблица 3

Сравнение основных характеристик трех групп оптических дисдрометров

Группа | Восстановление Одновременное | формы частиц измерение ( нескольких | частиц Измерение скорости падения частиц Формирование Доступность виртуальной шмершельной площадки

1 1 __ + +

1 "1™ +

3 I 4* 4" + +

В работе [5] отмечается, что приборы третьей группы не обеспечивают высокой точности измерения частиц малого размера. Однако, для измерителя осадков существенным является диапазон размеров частиц более 1 мм. поскольку более мелкие частицы осадков ие дают существенного вклада в интегральные характеристики осадков. Из рис. 2.1 видно, что для средней интенсивности выпадения (до 10 мм/ч) вклад капель размером менее 1 мм в суммарную интенсивность дождя составляет порядка 5%, а в значение радиолокационной отражаемости - 2% [4].

ц ------!---------.-,-----,--,

О 2 4 6 8 10

ММ/Ч

Рис.2.1. Вклад капель размером 1 мм в суммарные значения ишенсивносш и

радиолокационной отражаемости

Таким образом, основным недостатком приборов третьей группы является их низкая доступность. Эти приборы до сегодняшнего дня производятся за границей мелкими ссрями и имеют высокую стоимость.

Сравнительные полевые испытания различных моделей измерителей осадков, проведенные в 2007-2009 г. Всемирной метеорологической организацией [50], показали, что приборы второй группы превосходят приборы первой по своим измерительным характеристикам. По результатам более поздних сравнительных испытаний приборов второй и третьей групп, приведенным в [51], видно, что приборы, основанные на методе получения и анализа теневых изображений частиц осадков, имеют более высокие технические характеристики. В работе [52] проведены сравнения предложенной реализации метода получения и анализа изображений частиц [53] с другими оптическими дисдрометрами.

Основными недостатками второй группы приборов являются:

- как и приборы первой группы, данные измерители способны проводить измерение только максимального диаметра одной из проекций частицы;

- как и приборы первой группы, данные измерители не способны проводить измерения нескольких частиц, попавших в измерительный объем одновременно;

- занижение скоростей падения частиц среднего размера;

- занижение концентрации частиц диаметром менее 1 мм.

Следствием первого недостатка является высокая погрешность измерений

размеров частиц, связанная с тем что они имеют неправильную геометрическую форму. К тому же, во время падения капель дождя происходит осцилляция, при этом величина горизонтального сечения может изменяться в пределах 20% (при постоянном эквивалентном диаметре) что делает измерения еще менее точными [5].

Применение приближенных зависимостей вида ЩП) = А ■ В2, (где II -сигнал с фотоприемника, А - коэффициент, пропорциональности, В - диаметр частицы) также увеличивает погрешность. Реальные частицы осадков имеют неидеальную, изменяющуюся форму. Как уже было отмечено, предположение об идеальной и неизменной форме падающей частицы является

дополнительным источником ошибок (по оценкам [5| ошибка осцилляции может составлять порядка 10% для капель дождя 4-5 мм).

По сравнению с дисдрометрами [8-11], измеряющими ослабление освещенности при прохождении частицы через луч, в системах с анализом теневых изображения частиц нет жестких требований к равномерности освещения, так как размер тени измеряется непосредственно по числу затененных светочувствительных элементов. Это позволяет увеличивать размер измерительной плоскости, не заботясь об обеспечении равномерности освещения.

Даже на небольшой измерительной площадке (<100 см2) имеется вероятность того, что более одной частицы одновременно попадут в область измерения. В системах получения изображения частиц применяются массивы светочувствительных элементов, что позволяет легко распознать такую ситуацию и провести корректное измерение, тогда как схема, основанная на регистрации ослабления освещенности одноэлементным сенсором, даст ошибочный результат.

Следствием второго недостатка является возникновение дополнительного источника ошибок, приводящего к увеличению погрешности измерений на величину порядка 5% и более, в зависимости от текущей интенсивности осадков и размеров чувствительной площадки.

Наиболее привлекательным из выделенных отических методов измерения осадков, является метод, обеспечивающий максимально точное измерение параметров всех регистрируемых частиц. Точные измерения размеров частиц осадков уменьшают долю теоретических оценок (а значит и систематических ошибок) при расчете интегральных характеристик (типа осадков, интенсивности их выпадения, показателя водности, радиолокационной отражательной способности и т.д.).

Метод получения и анализа изображений частиц осадков позволяет проводить измерения скорости частиц (при реализации двухканальной схемы), размеров и форм частиц осадков.

Таким образом, приборы, работа которых основана на методе получения и анализа изображений частиц осадков, имеют несомненные преимущества перед другими оптическими измерителями частиц осадков. Приборы данной группы, как правило, сложны, массивны и дороги. Это ограничивает их применение решением чисто научных задач. Сложность реализации подобных приборов и высокие требования к линейному фотоприемнику долгое время были тормозом в разработках данного направления. Современный уровень технологий и методов обработки данных позволяет создать новый недорогой оптический измеритель параметров осадков, основанный на аналогичных принципах и обеспечивающий высокую точность результатов измерений.

2.2 Основные принципы работы прибора

В основе работы ОДНО лежит метод получения и анализа теневых изображений падающих части и атмосферных осадков, например, капель дождя. Основной задачей измерительной схемы является регистрация горизонтальных размеров тени капли по мере ее прохождения сквозь топкий луч света. В качестве сенсора применяется линейный массив светочувствительных элементов. Происходит действие, аналогичное сканированию объекта, но при этом источник света и приемник остаются неподвижными, а капля движется под действием силы тяжести. Известно, что капли дождя размером более 1,5 мм при установившейся (терминальной) скорости падения имеют в вертикальном ссчснии форму, близкую к эллиптической [42], что является существенным при применении оптических методов контроля осадков. Для повышения точности измерений целесообразно учитывать форму капель. Выбранный метод позволяет определять горизонтальный размер капли по количеству затененных элементов известного размера, а вертикальный размер - перемножением терминальной скорости падения частицы и и времени ее прохождения сквозь измерительную плоскость Дг (рис. 2.2, а). Имея достаточное количество сечений частицы можно с высокой точностью восстановить размер капель и их форму. Получение второй проекции для той же капли в ортогональной

плоскости дает возможность восстановления ее трехмерной формы (рис, 2.2, б). Измерение количества и объема капель, прошедших через известную площадь позволяет вычислять интегральные характеристики дождя.

<3

№ Ц_

гцэиготеюьныи размер

а б

Рис.2.2. Регистрация капли дождя: а - проекции тени; б - восстановленная форма капли

Основные принципы конструкции ОДНО [54, 55] можно определить следующим образом. Два горизонтальных плоскопараллельных пучка света от источников излучения попадают на два сенсора, представляющих собой линейные массивы светочувствительных элементов. Эти оптические каналы удалены друг от друга по вертикали на расстояние 5 мм. Их проекции образуют прямой угол в горизонтальной плоскости, формируя в области пересечения виртуальную измерительную площадку (рис. 2.3).

^^'»««Акитл ?ЧРЛ 4 у -"а ¿га

ил № вриГПвЛЬНа Я

площадка

приемник 2

приемник 1

источник 2

Рис.2.3. Схема оптико-электронного двухканального измерителя осадков

Размеры измерительной площадки при реализации открытой конструкции определяются шириной оптических каналов.

Функциональная схема прибора представлена на рис. 2.4.

приемник

1

\

2 \

\ \ \ \ \ V ■ — т--\л

\ Лх

сигнал синхронизации

ях ££ ^а д^д^З

тт

источник

измерительная площадка

• V-\

V

Л.

приемный \

\ 5

.-«--.1— :

ГУ !

источит

Рис.2.4. Функциональная схема ОДИО: 1 - источник света; 2 - линза; 3 - диафрагма; 4 -фотоприемник; 5 - блок формирования измерительной информации (ведущий); 6 - блок формирования измерительной информации (ведомый); 7 - интерфейсный модуль

Каждый источник излучения состоит из излучающего модуля, коллимирующей линзы и щелевой диафрагмы. Плоскопараллельные лучи от источников попадают на фотоприемники, каждый из которых соединен с блоком формирования измерительной информации, который осуществляет следующие функции:

- снимает сигнал с фотоприемника;

- проводит первичную фильтрацию шумов;

- преобразует сигнал со светочувствительных элементов линейного фотоприемиика в бинарный с помощью компаратора, уровень срабатывания

которого задается в соответствии с требуемой степенью затененности элементов;

- формирует информационные пакеты с количеством и положением

затененных чувствительных элементов фотоприемника для каждого сечения;

- проводит фильтрацию кадров, не содержащих измерительной информации;

- формирует и передает контрольный сигнал непрерывности работы;

- осуществляет передачу измерительных данных на выходной ишерфейс для передачи в блок вычисления и сохранения данных (персональный компьютер - ПК).

2.3 Измерительная площадка

В традиционных осадкомерах площадь приемного отверстия воронки или осадкомерного ведра называется приемной площадью [56]. В оптических осадкомерах размер площади задается параметрами и взаимным расположением источников и приемников излучения [571. Следует отметить, что для измерения осадков оптическими методами не требуется накопления измеряемых частиц в приборе, поэтому данную характеристику оптических осадкомеров целесообразно называть не приемной площадью, а измерительной. Таким образом, под термином «измерительная площадка» понимается область, через которую проходят учитываемые частицы осадков, а «измерительная площадь» это ее количественная характеристика. Далее рассматриваются критерии, определяющие диапазон приемлемых размеров измерительной площадки оптического осадкомсра.

Как было отмечено в первом разделе работы, для современных оптико-электронньтх осадкомеров размер измерительной площадки может быть существенно уменьшен. Измерительная площадь оптического дисдрометра [34], имеющего модификацию для измерения параметров снеговых осадков,

о ъ

составляет 48 см". А в оптическом измерителе осадков [5] она равна 15 см'.

Следует отметить, что хотя схема разработанного прибора дает возможность корректно обрабатывать одновременное пересечение измерительной площадки двумя и более частицами, такая ситуация существенно усложняет процесс измерения и обработки полученных данных, что повышает вероятность ошибок. Для обычных осадков со средними параметрами (концентрация порядка 10 частиц в 1 м") вероятность одновременного появления более одной частицы в области измерений пренебрежимо мала [39]. Тем не менее, оценки, сделанные для проливного дождя высокой интенсивности (100 мм/час) и для моросящего дождя с максимальной концентрацией мелких капель, показали, что для измерительной площади 48 см2 вероятность таких ситуаций может доходить до 10% [341. Подобные результаты были получены и для снеговых осадков.

Кроме того, следует принять во внимание, что относительно небольшие размеры измерительной площадки позволяют производить измерения с более высоким разрешением, что положительно сказывается на точности измерения малых капель.

Критерии выбора размеров измерительной площади оптического

оеадкомера. Измерительная площадка ОДНО формируется пересечением двух взаимно перпендикулярных оптических каналов (рис. 2.3), то сеть является виртуальной. Виртуальная измерительная площадка может быть сформирована и иными способами: пересечением луча от источника и диафаммы направленности приемника при реализации метода регистрации рассеянного на частицах сигнала [5] (см. рис. 1.7) или формированием измерительного объема за счет глубины резкости оптической системы при регистрации сигнала от тени частицы [39].

Известно, что суммарное количество осадков, измеренных традиционными измерителями, не зависит от площади приемного сечения [2], однако, при малых значениях площади входного отверстия (менее 80 ем") наблюдается снижение точности и чувствительности в силу малого количества собираемых осадков. Оптические осадкомеры лишены подобного недостатка и

их измерительная площадь имеет размеры в пределах 10-100 см". В оптических измерителях осадков» помимо величины измерительной площади, на эффективность измерений влияют и другие факторы (выбранный метод, применяемые стандарты, аппаратные характеристики). Поэтому решающую роль в оценке приемлемости той или иной величины измерительной площади играют критерии эффективности измерений, индивидуальные для конкретного решения.

Исходя из общих принципов работы ОДИО, можно сформулировать ряд критериев, определяющих эффективность измерения частиц атмосферных осадков и зависящих от размеров измерительной площади. Рассмотрим основные из них.

1. Вероятность одновременной регистрации нескольких частиц осадков. С увеличением измерительной площади и повышением чувствительности осадкомера, повышается и вероятность одновременного нахождения в области измерений двух и более частиц. Хотя предложенная измерительная схема ОДИО и позволяет корректно распознать подобную ситуацию и произвести измерение, определенные аппаратные ограничения, связанные со скоростью обработки сигнала, получаемого с оптического сенсора, выдвигают задачу уменьшения вероятности одновременного измерения нескольких частиц за счет разумного ограничения величины измерительной площади. Однако, следствием этого может являться увеличение времени, необходимо! о как для простою детектирования наличия или отсутствия осадков, так и для надежного измерения ряда важных параметров, одним из которых, например, является текущая интенсивность осадков.

2. Объем передаваемых измерительных данных является важным критерием при проектировании прибора. Увеличение измерительной площади пропорционально увеличивает объем измерительных данных, что накладывает жесткие ограничения на характеристики пропускной способности канала связи между блоком формирования информации и блоком вычисления и сохранения данных прибора.

3. Чувствительность прибора. Чувствительность прибора определяется интервалом времени между началом регистрации частиц и моментом начала дождя [58]. При этом, решая задачу сокращения количества передаваемых и обрабатываемых данных, не следует упускать из виду тот факт, что уменьшение измерительной площади сопровождается общим снижением чувствительности прибора. Минимальный размер измерительной площади должен обеспечивать для каждого типа осадков время срабатывания (детектирования наличия даже слабых осадков данного шпа), как минимум, не превышающее время срабатывания стандартного измерителя осадков.

Таким образом, при оценке приемлемости выбранных параметров измерительной площади и определении их оптимальных значений следует учитывать степень влияния всех вышеперечисленных факторов на процесс измерения, осуществляемый с использованием ОДНО.

Расчет вероятности одновременною нахождения нескольких частиц в регистрационном объеме ОДНО. Измерительная площадка ОДНО формируется пересечением двух горизонтальных плоскопараллельных лучей (измерительных каналов), каждый из которых имеет ширину 50 мм и длину 250 мм (см. рис. 2.4).

Площадь горизонтального сечения области регистрационного объема, в котором падающая частица может быть зарегистрирована фотоприемником, существенно превышают размеры измерительной площадки. Измерительная площадь прибора равна 25 см2, тогда как площадь сечения регистрационного объема каждого капала составляет 125 см2. Высота луча приблизительно равна 1 мм, но ее эффективная величина определяется высотой чувствительной области линейного фогонриемника (10-100 мкм). Это позволяет без потери точности дальнейших оценок считать измерительные каналы бесконечно тонкими. Линейный фотоприемник располагается в максимуме интенсивности лазерного луча, при этом некоторое его смещение от области максимума не вызывает существенного нарушения работы оптической системы прибора, что существенно упрощает его настройку.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Кобзев, Алексей Анатольевич

Основные результаты диссертационной рабош заключаются в следующем:

1. На основе проведенного анализа современного состояния приборного обеспечения задачи измерения параметров атмосферных осадков сделан вывод, что наиболее перспективным направлением развития этих средств измерения является разработка и создание оптико-электронных осадкомеров на основе метода получения и анализа теневых изображений частиц осадков.

2. Разработана новая схема реализации метода получения и анализа теневых изображений частиц осадков для измерения их размеров на измерительной площадке, формируемой пересечением двух оптических каналов и удаленной от основных элементов конструкции.

3. Создан экспериментальный образец ОДНО, пригодный для проведения тестирования программного обеспечения, реализующего алгоритмы получения параметров осадков, а также проведения лабораторных и натурных испытаний.

4. На основании предложенной измерительной схемы разработаны алгоритмы преобразования оптического сигнала с выходов линейного сенсора в измерительную информацию, содержащую номера затененных пикселей для каждого акта сканирования линейного сенсора.

5. Реализованы в виде программного обеспечения алгоритмы обработки измерительной информации ОДНО для вычисления параметров жидких осадков: размеров капель, интснсивностсй и сумм.

6. На примере АМК-03 показана возможность интеграции ОДНО в состав автоматического метеорологического комплекса. представлены средства передачи метеорологической информации в режиме реального времени удаленному клиент)' по сети Интернет.

7. Проведенные в данный работе исследования, ориентированные на измерения жидких осадков, не исключают рассмотрения других видов атмосферных осадков (снег, град") в качестве объектов измерения ОДИО. Дальнейшие исследования будут направлены на совершенствования прибора с возможным изменением его технических и эксплуатационных характеристик при сохранении основных принципов работы на основе имеющейся конструкции.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кобзев, Алексей Анатольевич, 2013 год

Список литературы

1. Литвинов И.В. Осадки в атмосфере и на поверхности земли. - Л.:

Гидрометеоиздат, 1980. - 208 с.

2. Kurlyka J.C. Precipitation Measurement Study. State of Illinois. Illinois Stale Water Survey. Urbana. 1953. - Report of Investigation № 20. - 290 p.

3. Strangeways. Precipitation: Theory, Measurement and Distribution. -Cambridge, U.K. Cambridge Univ. Press, 2007. - 290 p.

4. Литвинов И.В. Структура атмосферных осадков. - Л. : Гидромстсоиздат, 1974.- 153 с.

5. Глушенко А.С. Исследование оптических свойств дождевых капель и разработка измерительных средств дистанционного определения микроструктуры осадков. Дис. канд. тех. наук. - М. : МГАПИ, 2005. -143 с.

6. Kosambi, Damodar D. The culture and civilization of ancient India in historical outline. - London: Rurledge and K.Paul, 1965. - 187 p.

7. O-l - Осадкомер Третьякова [Электронный ресурс]: Электронный каталог ЗАО Промприбор. URL. http://www.pp66.ru/kataloa/meteoroloa/osadkomerv /osadkomer/ (дата обращения: 24.05.2013).

8. Rain Gauges [Электронный ресурс]: Case!la cell: Datasheet. URL: http://vvw\v.casellameasurernent.com/downloads/datasheets/R ecreational%20Rain%2QGaugcs.pdf (дата обращения: 24.05.2013).

9. Precipitation Meier [Электронный ресурс]: Operating Instructions 16.77. URL: http://www.eijkeikamp.com/files/ffledia/Gebruiksaanwii7ingen/E N/m4-1677eraingauge.pdf (дата обращения: 24.05.2013).

10.Российский гидрометеорологический энциклопедический словарь / Под. ред. А. И. Бедрицкого. - СПб.: Летний сад, 2009. - Т. 1 : А-И. - 336 с.

11.Nespor В.. Sevruk В. Estimation of wind-induced error of rainfall gauge measurements using a numerical simulation // J. Atmos. Oceanic Technol. -1999-V. 16.-P. 450-464.

12.Goodison В. E., Louie P. Y. Т., Yang D. WMO solid precipitation measurement intei-comparison. - Report N. 67. - 1998. - WMO/TD. - N. 872.

13.Литвинов И. В. Формирование и преобразование атмосферных осадков на подстилающей поверхности. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.- 232 с.

14.Гаврилова С. Ю. Устранение неоднородности временных рядов атмосферных осадков и их использование для анализа изменений режима увлажнения на территории России. Автореф. дис. канд. геогр. наук. -Санкт-Петербург. 2010. - 22 с.

15.Швср Ц.А. Исследование результатов наблюдений по дождемеру и осадкомеру. - Л.: Гидрометеоиздат. - 1965. - 170 с.

16.Богачев А. Д. Результаты опытной эксплуатации осадкомера МЖ-24. Научно-технический отчет. [Электронный ресурс]: Сайт ЦКБ ГМП: новости. URL: http://ckb.obninsk.org/news/news.php?nid=39 (дата обращения: 24.05.2013).

17.Белан БД., Давыдов Д.К., Ковалевский В.К.. Пирогов В,А.. Покровский Е.В., Толмачев Г.Н. Автоматический осадкосборник // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т. 15. - 07. - С. 623-625.

18.RG13/RG13H [Электронный ресурс]: Vaisala: Rain & precipitation sensors. URL: http://www.vaisala.eom/cii/products/rainandprccipitationscnsors/Pagcs/R G13RGl3H.aspx (дата обращения: 24.05.2013).

19.Automatic Rain Gauges [Электронный ресурс]: Casella cell: Automatic Rain Gauges. URL: http://www.casellameasurement.com/downloadb/datasheets/dbl 0 Tipping Bucket.pdf (дата обращения: 24.05.2013).

20.ГОСТ P 53696-2009 Контроль неразруитающий. Методы оптические. Термины и определения. - М.: Сгандартинформ, 2010.

21. Vaisala RAINCAP Sensor Technology [Электронный ресурс]: Vaisala, URL: http:/Avvvw.vai.sala.com/Vaisala%20DociimentsArechnologv%2() Descriptions/RAINCAP Technologv.pdf (дата обращения: 24.05.2013).

22.Baltas E. A., Mimikou M. A. The use of the Joss-typc disdromctcr for the derivation of Z-R relationships // Proceedings of ERAD. - 2002. - P. 291-294.

23.АБО «Капля» [Электронный ресурс]: AQUA NUBIS: Продукция. URL: http://raincell.ru/productb/kaplia (дата обращения 24.05.2012).

24. Автоматическая дорожная метеостанция (АДМС) [Электронный ресурс]: ОАО "Московские дороги": Продукция. Метеорологическое оборудование http://wWW.mroads.iu/adms.html (дата обращения 24.05.2013).

25.()nnela J.-P., Saramaki i., Hyvonen J., Szabo G, Lazer D., Kaski K., Kertész J. Barabâsi A.-L. // Country-wide rainfall maps from cellular communication networks Proc. - Nat. Acad. Sci. - 2007. - V. 109. - N. 19. - P. 7559-7564.

26.Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А., Тихомиров А.А. Оптические измерители осадков // Материалы российской конференции "IX Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу", -Томск: Аграф-Пресс, 2011. - С. 305-307.

27.Современный осадкомер: Практическая реализация и перспективы развития / А.А. Азбукин, В.В. Кальчихин. А.А. Кобзев и др. // Труды Всероссийской научной конференции с международным участием «Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии». -Барнаул: Пять плюс, 2012 г., - Т.З. - С.3-7.

28.PWD10 [Электронный ресурс]: Vaisala: Visibility sensors. URL: http://www\vaisala.com/en/products/visihintysensor^/Pages/PWDl020W .aspx (дата обращения: 24.05.2013).

29.0RG-815-DS FEATURES [Электронный ресурс]: Optical scientific. URL: http://vvww.opticalscientific.com/Optical%20Rain%20Gauge %2()Features.htm (дата обращения: 24.05.2013).

30.Nystuen N.A., Pro ni J.R., Black P.G., Wilkerson J.C. (). A comparison of automatic rain gauges // J. Atmos. Oceanic Technol. - 1996. - V. 13. - P. 6273.

31.0TT Parsivel2. Laser optical Di&drometer [Электронный ресурс]: OTT Hydromet: Produucts. URL: http://www.ott.com/web/ott de.nsf/id/pa parsivel 2 advantages e.html (дата обращения: 24.05.2013).

32,Hauser D„ Amayenc P., Nutter» В., Waldteufel P. A New Optical Instrument for Simultaneous Measurement of Raindrop Diameter and Fall Speed Distributions // J. Atmos. Oceanic Technol, - 1984. - V. 1. - P. 256-269.

33.МоПе В. Characterising droplet distribution of an irrigation sprinkler water application. International commission on irrigation and drainage // 18th International Congress on Irrigation and Drainag. - Montreal, Canada. - 2002. -V. 1A.-P. 1-19.

34.1 .offler-Mang M.. Joss J. An Optical Disdrometer for Measuring Size and Velocity of Hydromctcors // J. Atmos. Oceanic Technol. - 2000. - V. 17. - P. 130-139.

35.Laser precipitation monitor (Distro meter) (Элекфонный ресурс!: Thies Clima: Precipitation. URL: http://www.thiesciinia.coin/disdrometer.html (дата обращения: 24.05.2013).

36.Воттпшпп S., Jaenicke R. Application of micro holograph у for ground-based in situ measurements in stratus cloud layers: A case study // J. Atmos. Oceanic Technol. - 1993. - V. 10. - P. 277-293.

37.Frank G., Hartl Т., Tschiersch J. The pluviospectrometer: Classification of falling hydrometeors via digital image processing // Atmos. Res. - 1994. -N. 34. - P. 367-378.

38.Kruger A., Krajewski W.F. Two-Dimensional Video Disdrometer: A

Description // J. Atmos. Oceanic Technol. - 2002. - V. 19. - P. 602-617.

39.Knollenberg Robert G. The Optical Array: An Alternative to Scattering or Extinction for Airborne Particle Size Determination //J. Appl. Meteor. - 1970.

- V. 9.-P. 86-103.

40.Соддаткин Н.П. Оптические приборы и .методы контроля микрофизических параметров атмосферных осадков // Региональный мониторинг атмосферы. - Ч. 2. - Новые приборы и методики измерений.

- Томск: ИОА СО РАН, 1997.- С. 217-232.

41.Barthazy Е., Goke S.. Schcfold R., Hogl D. An Optical Array Instrument for Shape and Fall Velocity Measurements of Hydrometeors // J. Atmos. Oceanic

Teehnol. - 2004, - V. 21. - P, 1400-1416. 42,Шупяцкий А.Б. Форма и скорость падения водяных и дождевых капель //

Изв.АН СССР. - 1959. - Ss5. - С. 798-800. 43.Schonhuber ML About Interaction of Precipitation and Electromagnetic Waves. Doctoral thesis. Institute of Communications and Wave Propagation. Technical University Graz, Austria, 1998. - 181 p.

44.Neipor V., Krajewski W.F., Kruger A. Wind-Induced Error of Raindrop Size Distribution Measurement Using a Two-Dimensional Video Disdrometer. // J. Atmos. Oceanic Teehnol. - 2000. - V. 17. - P. 1483-1492.

45.Habib E., Krajewski W. F.. An example of computational approach used for aerodynamic design of a rain disdrometer // J. 11yd. Res. - 2001. - V. 39. -N. 4.-P. 425-438.

46.Schonhuber, M, Lammer, G, and Randeu, W. L, One decade of imaging

precipitation measurement by 2D-video-distrorneter [Электронный ресурс]: An Open Access Journal for Refereed Proceedings and Special Publications // Adv. Geosci. N 10. p. 85-90. URL: http://www.adv-aeosci.net/10/85/2007/adgeo-1 0-85-2007.ndf (дата обращения: 24.05.2013).

47.Lawson R.P.. О'Conner D.. Zmarzly P.. Weaver K., Baker B, Q. Mo. Jonsson H. The 2D-S (Stereo) Probe: Design And Preliminary Tests Of A New Airborne, High-Speed, High-Resolution Particle Imaging Probe // J. Atmos. Oceanic Teehnol. - 2006. - V. 23. - P. 1462-1477.

48.Jones D. M. A. Raindrop Spectra at the Ground // J. Appl. Meteor. - 1992. -V.31.-P. 1219-1225.

49.Приборное обеспечение измерения параметров атмосферных осадков. Современное состояние / В.В. Кальчихин. Кобзев А.А. и др.; Изв. вузов. Физика. - Томск, 2009. - И с. - деп. в ВИНИТИ 16.12.09, X» 802-В2009.

50.Vuerich Е., Monesi С., Lanza I.. G, Stagi L„ and Lanzinger E. WMO Field Intercomparison of Rainfall Intensity Gauges. - Instruments and observing methods. - Report N. 99. - 2009, WMO/TD. - N. 1504.

51.Thurai M., Petersen W. A., Tokay, A., Schultz, C., Gatlin, P. Drop size

distribution comparisons between Parsivel and 2-D video disdrometers [Электронный ресурс] Advances in Geosciences. An Open Access Journal for Refereed Proceedings and Spccial Publications. N. 30. P. 3-9, URL: http.V/adv-geosci. net/30/3/2011/ (дата обращения: 24.05.2013).

52.Кальчихин В.В., Кобзсв A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A.. Опгико-электронный двухканальный измеритель осадков // Оптика атмосферы и океана.-2011.-Т. 24.-№11.-С. 990-996.

53.Кальчихин В.В., Кобзсв A.A., Корольков В.А.. Тихомиров A.A. Лазерный дисдрометр // Труды XIX Между нар. конфер. «Лазсрно-информационныс технологии в медицине, биологии и геоэкологии». - Новороссийск: Вариант, 2011.-С. 17-18.

54.Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А.. Тихомиров A.A. Новый оптико-электронный измеритель осадков // Материалы российской конференции «IX Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу». - Томск: Араф-Пресс, 2011. - С.307-309.

55.Пат. 119898 Российская Федерация. МПК G 01 W 1/14. Оптико-электронный двухканальный измеритель осадков / Азбукин A.A., Кальчихин В.В.. Кобзев A.A., Корольков В.А. № 2012100082/28; мявл. 10.01.2012; опубл. 27.08.2012. Бгол. X« 24. - 1 с.

56.Рейфер А.Б., Алексеепко М.И., Бурцев 11 П. и др. Справочник по гидроме!еороло1 ическим приборам и усиановкам. - Л.: Тидромегеоизда!, 1971.-372 с.

57.Кальчихии В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A. К выбору размера измерительной площадки двухканального оптического осадкомера // Оптика атмосферы и океана. - 2013. - Т. 26. - N« 2. - С. 155159.

58.Кобзев A.A. Оптимизация размера измерительной площадки оптико-электронного осадкомера [Электронный ресурс]: Сборник трудов XVIII международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». - Томск: ТПУ, 2012. - С. 209-210, электрон, опт.

диск ( CR-ROM).

59.Моргунов В.К. Основы метеорологии, климатологии. Метеорологические приборы и методы наблюдений. - Ростов/Д.: Феникс; Новосиб.: Сиб. соглашение, 2005. - С. 52.

6Q.Illingworth A.J., Stevens C.J. An Optical Disdromeler for (he Measurement of Raindrop Size Spectra in Windy Conditions // J. Atmos. and Ocean. Techno 1. -1987.-V. 4.-P. 411-421.

61.Marshall J.S. and Palmer W.M. The distribution of raindrops with size. // J. Meteor., - 1948. - V. 5. - N 2. - P. 165-166.

6 2. Руководство по автоматическим системам метеорологического наблюдения на аэродромах. - (Doc 9837). - Международная организация гражданской авиации (ICAO), Издание второе, 2011. - 111 с.

63.Paul F. Krause, Kathleen L. Flood. Weather and climate extremes. -Alexandria, Virginia. 1997. - P. 25.

64.WMO: Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. -WMO. - N. 8. - 2008. - P. 1.1-22.

65.Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Смирнов С.В. Концепция сетевого мониторинга природно-климатических процессов в Сибири // Оишка атмосферы и океана. - 2011. - Т.24. - №01. - С. 7-14.

66.Седов Ji.IL, Механика Сплошной среды - М.: Наука, 1970. - Т. 2. - 568 с.

67.Кальчихин В.В. Кобзев А.А., Тел ьм и нов A.F., Решение проблемы ветрового недоучета с помощью оптического осадкомера // Сборник научных трудов II Всероссийской научпо-техиической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике». - Томск: ТПУ, 2013. - Т.1. -С. 328-332.

68.SALOME: The Open Source Integration Platform for Numerical Simulation [Электронный ресурс]. URL: htip://www.salome-platform.ora/ (дата обращения 01.03.2012).

69.Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М. Наука, 1978 - 736 с.

70.Калугин В. Т., Мордвинпев Г. Г., Попов В. М. Моделирование процессов обтекания и управления аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 527 с.

71.Пат. 1793405 СССР. МПК G01W 1/14. Измеритель параметров капель дождя/ Меняйло В.П., Шекунов A.A. № 4945984/10, заявл. 12.04.1991., опубл. 07.02.1993, Бгол. № 5.

72.Gunn R., Kinzer GD. The terminal velocity of fall for water droplets in stagnant air // J. Atmos. Oceanic Technol. - 1949. - V. 6. - P. 243-248.

73.Atlas D., Srivastava R.C., and Sckhon R.S. Doppler characteristics of precipitation at vertical incidence // Rev. Geophys. Space Phys. - 1973. -Nil. -P. 1-35.

74.Salles С., Creulin J.-D. Sempere-Torres D. The Optical Spectropluviometer Revisited // J. Atmos. Oceanic Technol. - 1998. - V.15. - P. 1215-1222.

75.Кобзев A.A. Использование лазера в оптико-электронном осадкомере // Изв. вузов. Физика. - 2012. - Т 55. - №9/2. - С. 130-131.

76.Крутик М.И., Майоров В.П. // Специальная Техника.- 2002. - №5 - С. 1-8.

77.Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. -М.: Логос, 1999.-480 с.

78.Азбукин A.A., Кальчихин В.В., Кобзсв A.A., Корольков. Программа первичной обработки сигналов для блока измерений оптико-электронного осадкомера. Роспатент. Свидетельство № 2013614576 от 16.05.2013.

79.Кальчихин В.В., Кобзсв A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A. Лазерный дисдрометр. Лабораторные испытания // Труды XX Международной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии». - Новороссийск: Вариант, 2012 - С. 17-18.

80.Азбукин A.A., Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В .А., Тихомиров A.A. Оптико-электронный измеритель осадков. Экспериментальный образец // Материалы симпозиума Контроль окружающей среды и климата «КОСК-2012». - Томск: Аграф-Пресс, 2012. - С. 50-52.

81 .Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A. Результаты

натурных испытаний оптического осадкомера // Труды XXI Между нар. конфер. «Лазсрно-информационныс технологии в медицине, биологии и геоэкологии». - Новороссийск: Вариант, 2013. - С. 18-19.

82. Азбукин A.A., Богутевич А.Я., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A., Щелевой В.Д. Автоматические метеостанции АМК-03 и их модификации // Датчики и системы. - 2012. - № 3. - С. 47-52.

83.Богомолов В.Ю.. Богушевич А.Я., Гордов Е.П., Корольков В .А., Крупчатников В.Н., Тихомиров A.A. Информационно-измерительная система для регионального мониторинга и прогноза опасных метеорологических явлений // Оптика атмосферы и океана. - 2011. - Т. 24. -№ 1. - С. 52-59.

84.Тихомиров A.A. Ультразвуковые анемометры и термометры для измерения пульсаций скорости и температуры воздушных потоков. Обзор // Оптика атмосферы и океана. - 2010. - Т. 23. - К? 1. - С. 585-600.

85.Пат. 2319987 РФ. МПК G01W 1/02. Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений / A.A. Азбукин, А.Я. Богушевич, B.C. Ильичевский, В.А. Корольков, В.Д. Щелевой. № 2006119583/28, заявл. 05.06.2006., опубл. 20.03.2008. Бюл. N° 8.

86.Азбукин A.A., Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A. Коммутационный контроллер передачи метеорологических данных // ПТЭ. - 2010. - X« 4. - С. 166.

87.Азбукин A.A.. Кальчихин В.В., Кобзев A.A.. Корольков В.А. Программа для коммутационного контроллера передачи мстсоданных. Роспатент. Свидетельство № 2010617521 от 13.11.2010.

88.Богушевич А.Я., Корольков, Кобзев A.A., В.А., Тихомиров A.A. Региональная информационно-измерительная система для непрерывного мониторинга атмосферного приземного слоя и прогноза опасных метеорологических явлений // Геоэкология, инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2012. - Лг° 5. - С. 398-405.

89.Азбукин A.A., Кальчихин B.B,, Кобзев A.A.. Корольков В.А., Тихомиров A.A. Реализация передачи телеметрических данных в метеорологической информационно-измерительных системе // Доклады 7-го Всероссийского симпозиума "Контроль окружающей среды и климата: КОСК-2010". -Томск: Аграф-Пресс, 2010. - С. 23-24.

90.Bogushevich A.Ya., Kobzev A.A.. Korol'kov V.A., Tikhomirov A.A. Regional information-measurement system for continuous monitoring of atmospheric ground layer and forecasting of dangerous weather phenomena [Электронный ресурс]: Intern. Con f. BngeoPro-2011 Environmental Geosciences and Engineering Survey for Territory Protection and Population Safely Delegate Papers. Moscow, 2011. p. 432-436. электрон, опт. диск (CR-ROM).

91. Тихомиров A.A., Богушсвич А.Я., Кальчихин В.В., Кобзсв A.A., Корольков В. А. Реализация территориальпо-распределеиной информационно-измерительной системы на основе автоматических метеостанций АМК-03 для мониторинга и прогнозирования онасных метеорологических явлений // Сборник трудов XI Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Проблемы мониторинга окружающей среды (ЕМ-2011)». - Кемерово: КемТУ, 2011. - С. 377-381.

92.Богушевич А.Я., Корольков В.А., Кобзев A.A., Тихомиров A.A. Корреляционные свойства метеорологических полей в приземной атмосфере по данным пространственной сети ультразвуковых метеостанций // Материалы симпозиума Контроль окружающей среды и климата «КОСК-2012». - Томск: Аграф-Пресс, 2012. - С. 174-175.

93.Богутпевич А.Я., Корольков В.А., Кобзев A.A., Тихомиров A.A. Региональная пространственная сеть ультразвуковых метеостанций и корреляционные свойства данных се измерений // Международная конференция памяти академика А.М.Обухова «Турбулентность, динамика атмосферы и климата». - Сборник докладов. - М.: ГЕОС. 2013. - С. 175178.