автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование оптических свойств дождевых капель и разработка измерительных средств дистанционного определения микроструктуры осадков

На правах рукописи

Глущенко Алексей Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДОЖДЕВЫХ КАПЕЛЬ И РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ОСАДКОВ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005 г.

Работа выполнена в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики

Научный руководитель:

профессор, доктор физико-математических наук Стерлядкин В.В.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Горчаков Г.И.

кандидат технических наук Титов А.А.

Ведущая организация: Государственное Учреждение Центральная Аэрологическая Обсерватория (ГУ"ЦАО", г. Долгопрудный)

Защита диссертации состоится 22 февраля 2005 года в 1200часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики по адресу: 107076, Москва, ул. Стромынка, д.20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Определение типа осадков, их интенсивности и структуры, является важной задачей метеорологии. Современная метеорологическая станция не обходится без приборов, обеспечивающих получение точной и оперативной информации об осадках. В международной практике такие устройства принято называть дисдрометрами - disdrometer. В настоящее время дисдрометры находят широкое применение во многих отраслях народного хозяйства, они являются неотъемлемой частью аппаратного обеспечения метеорологических служб аэродромов для обеспечения безопасности полетов, используются для контроля количества попадающей в почву влаги в сельском хозяйстве, применяются в современных системах безопасности движения на автомобильных дорогах. Все это активно внедряется и используется за рубежом. К сожалению, в России такого рода проблемам уделяется намного меньше внимания, техническое обеспечение метеорологических служб требует обновления, в то время как разработка новых устройств практически не ведется.

Состояние проблемы.

На сегодняшний день в метеорологической сети Росгидромет РФ основным способом получения информации об осадках является классический подход, связанный с использованием плювиометров, принцип измерения которых основан на определении количества собранных осадков в контрольной емкости прибора за определенный интервал времени. Наряду с относительной простотой конструкции и использования прямых измерений количества осадков, в таком решении можно выделить целый ряд существенных недостатков, таких как, невозможность идентификации типа осадков, низкий уровень автоматизации измерений, необходимость постоянного присутствия обслуживающего персонала. В качестве альтернативного решения в настоящее время на рынке метеорологического оборудования присутствует большое количество приборов, предназначенных для измерения параметров осадков с более высокими техническими и эксплуатационными характеристиками.

Разработкой систем определения микроструктуры и параметров осадков занимается целый ряд ведущих мировых фирм производителей, таких как: МЕТЕК, DISDROMET LTD, Scintec AG, THIES CLIMA, CIMEL Electronique, Scientific Technology. Как правило, в основе приборов, выпускаемых отдельной фирмой лежит оригинальный принцип измерения и оригинальное схемотехническое решение. По принципу измерения все дисдрометры удобно разделять на две группы - контактные и бесконтактные. В основе работы устройств контактного типа лежит принцип измерения размера капли при её физическом взаимодействии с чувствительной площадкой прибора. К ним относятся такие устройства, как зонд Стаббса (U.S. Pat No 2,825,875, Stubbs), цифровой дисдрометр на основе струнного датчика (U.S. Pat No 4,477,917, Donnelly), ударный дисдрометр с электромагнитным преобразователем RD-80 (DESTROMET LTD, Basel Switzerland).

К бесконтактным устройствам относятся доплеровские радиолокационные станции вертикального зондирования и оптические дисдрометры. Оптические дисдрометры получили наибольшее распространение (порядка 70-80% всего выпускаемого оборудования). Приборы, основанные на оптических методах регистрации частиц, привлекают своей невысокой стоимостью, портативностью, широким диапазоном регистрируемых размеров частиц, высокой точностью получаемых результатов. Поэтому наибольшее внимание было уделено дисдро-метрам данного типа. Результаты анализа показали, что практически 90% всех оптических измерителей микроструктуры основаны на методе затенения. Особенностью данного метода является то, что источник излучения формирует горизонтальный луч, направленный прямо на приемник, а определение размера частицы производится по величине отрицательного импульса затенения, возникающего при пролете капли через луч. Такому методу регистрации частиц свойственен высокий уровень дробовых шумов обусловленных тем, что на приемник

поступает практически весь световой поток от источника. Это приводит к снижению чувствительности метода. Также производителями не учитывается влияние осцилляций дождевых капель на результат измерения. Известно, что капли при падении испытывают периодические деформации. То есть горизонтальный размер капли нестабилен. Такая нестабильность приводит к возникновению дополнительной погрешности измерений, особенно существенной для капель большого диаметра (D>3MM), ДЛЯ которых нестабильность горизонтального размера, обусловленная осцилляциями, может привести к увеличению погрешности измерений на величину до 20%.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке и практической реализации нового оптического измерителя микроструктуры осадков, отличающегося от всех перечисленных выше оригинальной методикой и схемой измерения. Предложенная методика позволяет избавиться от постоянной засветки фотоприемника, снизить уровень дробовых шумов, повысить чувствительность метода к регистрации капель малого размера за счет регистрации капель в диапазоне углов близких к максимуму индикатрисы рассеяния и повысить точность измерений за счет снижения влияния деформации капель во время их падения.

Цель работы и задачи исследования.

Основная цель данной диссертационной работы - разработка измерительного комплекса определения микроструктуры осадков на основе новой оптической схемы измерений, повышение точности определения размеров частиц и достоверности результатов измерения параметров микроструктуры и интенсивности осадков.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ характеристик существующих на сегодняшний день оптических измерителей микроструктуры осадков. Оценить их достоинства и недостатки.

2. Обобщить известные данные о поведении частиц осадков при их падении и обосновать аналитическую модель дождевых капель во время гравитационного падения.

3. На основе полученной аналитической модели формы капли произвести теоретический расчет индикатрис рассеяния в переднюю полусферу наблюдения в видимом диапазоне длин волн.

4. Оценить влияние статических и динамических деформаций формы капли на интенсивность рассеиваемого ею излучения в переднюю полусферу наблюдения. На основе результатов проведенного анализа предложить схему взаимного расположения источника и приемника излучения, обеспечивающую минимальное влияние деформаций, обусловленных осцилляциями.

5. Обосновать технические требования к оптическому измерителю микроструктуры осадков, предложить алгоритм обработки сигнала и разработать соответствующее программное обеспечение.

6. Разработать и создать макет измерительного комплекса микроструктуры осадков. Произвести лабораторные и натурные испытания. На основании полученных результатов сделать заключение об эффективности и перспективе использования предлагаемого прибора.

Методы исследования

Для расчета индикатрис рассеяния реальных дождевых капель использованы классические законы геометрической оптики, физики и матричной алгебры, расчеты и моделирование производились в программной среде MathCad. В лабораторных измерениях использовались классические оптические методы измерения индикатрис рассеяния.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- путем анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований отечественных и зарубежных исследователей, составлена новая аналитическая модель дождевой капли с учетом статических и динамических деформаций;

- путем математического моделирования и соответствующих расчетов индикатрис рассеяния, произведено теоретическое исследование влияния деформаций на оптические свойства капель для передней полусферы наблюдения;

- на основе проведенного исследования, обоснована оптическая схема взаимного расположения источника и приемника излучения для измерителя микроструктуры осадков, обеспечивающая высокую чувствительность при минимальном влиянии деформаций капель.

- создан и испытан макет оптического измерителя микроструктуры осадков.

Практическая ценность

Разработана и создана О-версия измерителя микроструктуры осадков. Разработаны алгоритм работы прибора и соответствующее программное обеспечение. Проведены экспериментальные испытания, показавшие высокие технические возможности измерительного комплекса. Показана возможность работы измерительного комплекса в круглосуточном и автоматическом режиме.

Реализация результатов работы

Разработанный и изготовленный макет измерительного комплекса микроструктуры осадков был использован при проведении комплексных совместных измерений в рамках исследовательских работ в ЦАО г. Долгопрудный, о чем имеется акт об использовании. Прибор прошел испытания в режиме круглосуточного дежурства в автоматическом режиме измерений.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XX Всероссийском симпозиуме "Радиолокационное зондирование природных сред" (Санкт Петербург, 2002г.), на семинаре сотрудников Центральной Аэрологической Обсерватории (ГУ"ЦАО", г. Долгопрудный, 2004), на семинаре Института Физики атмосферы РАН им. Обухова (Москва, 2004).

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений к главам. Объем основной части работы составляет 125 страниц машинописного текста, 49 рисунков и 17 таблиц. Библиографический список содержит 80 наименований.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносится:

- Новая аналитическая модель реальной дождевой капли, учитывающая среднюю форму и осцилляции капли во время гравитационного падения в атмосфере;

- Методика и результаты теоретического расчет индикатрис рассеяния несферических осциллирующих дождевых капель в переднюю полусферу наблюдения;

- Оптическая схема измерителя микроструктуры осадков, обоснованная результатами проведенных расчетов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, состояние вопроса, ставятся цель и задачи исследований, указаны наиболее важные результаты, формулируются положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор основных типов существующих на сегодняшний день приборов, предназначенных для измерения параметров осадков. Рассмотрены их основные характеристики, достоинства и недостатки. При рассмотрении все устройства были разделены на две группы - контактные и бесконтактные. К группе контактных устройств относились приборы, построенные на основе контактных методов измерения (зонд Стаббса, цифровой дисдрометр со струнным датчиком, дисдрометр ударного типа с электромагнитным преобразователем). Было показано, что приборы, относящиеся к данной группе устройств, не отличаются высокими эксплуатационными и точностными характеристиками, в основном это связано с давностью разработок и ограниченными возможностями самих принципов измерений. Следует заметить, что контактные измерители предназначены только для измерения размеров капель. Измерение твердых осадков и распознавание типа осадков при помощи контактных дисдрометров невозможно.

. Наиболее универсальны по своим функциональным возможностям измерители параметров осадков, относящиеся к группе устройств бесконтактного типа. Как правило, все они базируются на принципе активного воздействия на объект измерения электромагнитным излучением. По диапазону используемых длин волн электромагнитного излучения все бесконтактные устройства подразделяются на две подгруппы. В первую подгруппу входят допле-ровские радиолокационные станции вертикального зондирования, работающие на длине волны А, =§.3-бсм. Такие станции сканируют определенную зону пространства лучом с узкой диаграммой направленности (^З0) в пределах дальности 50 - 500 м, собирая на приемнике отраженный сигнал от всех частиц, находящихся в сканируемом объеме. Восстановление микроструктуры частиц производится путем анализа спектра мощности доплеровского сигнала, вклад в который от каждой отдельной частицы определяется её эффективной отражательной способностью.

где T)(D) - величина объемной отражающей способности;

- величина эффективной отражающей способности отдельного рассеивателя.

Такой способ восстановления микроструктуры осадков применим при получении усредненных оценок интенсивности дождя, при времени накопления сигнала мин. Однако следует учитывать, что метод радиолокационного зондирования чувствителен к таким явлениям, как вертикальные воздушные потоки и турбулентность, которые являются факторами возникновения дополнительных ошибок измерений. Также отметим существенные трудности, появляющиеся при оценке параметров твердых осадков, особенно снега. Ведь зависимость радиолокационной отражательной способности от размера частицы для таких частиц, как снег и мокрый снег, носит далеко неоднозначный характер. Этот фактор сильно осложняет использование радиолокационных станций для контроля параметров твердых осадков.

Ко второй подгруппе бесконтактных устройств дистанционного определения параметров осадков относятся оптические измерители микроструктуры. Рабочий диапазон используемых длин волн, лежит в пределах видимого и ИК диапазонов оптического спектра. На сегодня это самый многочисленный и интенсивно развивающийся, класс приборов, среди которых наибольшее распространение получили оптические дисдрометры, работающие по принципу затенения. В этих приборах размер частицы определяется количеством поглощенного и рассеянного ею света, или иными словами, по степени затенения луча. Во всех таких приборах пара источник-приемник работает так, что практически все излучение источника

поступает на приемник, это приводит к высокому уровню дробовых шумов и является нежелательным режимом измерений, при котором затруднено определение капель малых размеров на фоне шума.

В качестве альтернативы методам затенения были разработаны методы скоростной фотосъемки 2D-VIDEO (JOANNEUM RESEARCH) и комбинированный метод, реализованный в погодной станции (WEATHER IDENTIFIER AND VISIBILITY SENSOR, U.S. Pat. 5,444,530 Wang). Недостатками системы 2D-VIDEO являются использование дорогостоящего оборудования и низкие эксплуатационные характеристики. По этой причине основная область применения этих устройств - метеорологические исследования. Преимуществом такой системы является возможность накопления снимков реальных дождевых капель в двух проекциях наблюдения. Комбинированный метод основан на совместном использовании метода затенения и метода регистрации излучения рассеиваемого каплями в область острых углов наблюдения. Такой подход обеспечивает лучшие характеристики измерений, поскольку позволяет снять проблему неоптимального использования фотоприемника. Но следует отметить низкую степень доработки данных методов, при реализации их в приборных системах. Например, в представленной выше погодной станции производится лишь идентификация типа осадков - снег, дождь и определения дальности видимости, при этом сам метод комбинированных измерений обладает большими потенциальными возможностями и может быть использован для получения более обширной информации об осадках.

Для всех рассмотренных методов измерений параметров осадков остается открытым вопрос влияния осцилляций дождевых капель, на общую точность получаемых результатов измерений. Как известно, дождевые капли при падении не статичны и испытывают периодические деформации, которые, безусловно, влияют на их оптические свойства.

Вторая глава посвящена исследованию оптических свойств дождевых капель. Рассматривалось влияние деформаций, характерных для капель дождя, на рассеивающие свойства капель в пределах передней полусферы наблюдения при горизонтальном освещении. Методика исследования заключалась в расчете индикатрис рассеяния, для форм реальных дождевых капель. До настоящего времени наиболее распространенными моделями форм дождевых капель были эллипсоид вращения и статически деформированная модель Берда, показавшего, что капля в процессе падения статична и её форма определяется соотношением

Однако, анализ результатов исследований отечественных и зарубежных авторов, касающихся поведения дождевых капель при падении в атмосфере, показал некоторые расхождения уже существующих моделей с реальными формами капель. Результаты, полученные В.В. Стерлядкиным, а также экспериментальные данные зарубежных авторов В. Чанрасека-ра, М. Шонхабера, явно свидетельствуют об осцилляциях падающих капель. То есть капли при падении не статичны, а испытывают динамические деформации. Этот фактор, очевидно, влияет на рассеивающие свойства капель, однако в большинстве работ не принимается во внимание. Поэтому была предложена аналитическая модель (2), учитывающая как статические, так и динамические деформации.

V. »»о }

где -радиус капли;

(1)

Сп - постоянные коэффициенты для капли фиксированного диаметра; у - угол азимута.

' a(y) sm(y) sin(<t>) ' 0(ф. V ,у) := г M' а(у ) ■ sin ) ■ cos (ф ) v -с (у) cos (у) ,

где <р - азимут, отсчитываемый от оси ОУ по часовой стрелке; - угол места, отсчитываемый от оси О2 снизу вверх; у - коэффициент формы, с - вертикальная полуось, а - горизонтальная полуось.

Графический вид модели представлен на рис. 1. Данная аналитическая модель формы капли была положена в основу расчета индикатрис рассеяния. В такой модели статическая деформация задавалась посредством задания соответствующих значений коэффициентов С„, а динамическая деформация задавалась амплитудой деформации значения которых выбирались в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1.

Диаметр, мм 1 2 3 4 5

У<*Ф) 0,97 0,942 0,89 0,78 0,72

ДуФ) 0 007 0.028 0.063 0.112 0.1758

Расчет индикатрис рассеяния проводился для горизонтальной и вертикальной плоскостей наблюдения с учетом первых двух производных лучей. Производные лучи более высоких порядков не учитывались, поскольку их вклад в суммарную индикатрису, для рассматриваемых углов рассеяния -

90° был пренебрежимо мал.

Методика расчета заключалась в последовательном вычислении значений суммарной индикатрисы рассеяния для дискретного набора углов наблюдения. При этом для каждого луча производился расчет траектории его прохождения через каплю, углов падения и преломления, направления нормали, коэффициентов Френеля в каждой точке взаимодействия луча с каплей, а также направлений рассеяния для каждого выходящего из капли луча. Для каждого иго производного луча рассчитывалось значение индикатрисы рассеяния 1„ как отношение потока излучения выходящего из капли <41Ук телесному углу рассеяния АО, (3).

Рис 1 Аналитическая модель формы капли (D = 5мм).

Формулы для промежуточных вычислений достаточно громоздки и поэтому здесь не приводятся. На рис. 2 представлены результаты расчетов индикатрис рассеяния.

Рис 2Индикатрисырассеяния капли воды диаметром 5мм: а) горизонтальная плоскость наблюдения, б) вертикальная плоскость наблюдения, верхняя полуплоскость, в) вертикальная плоскость наблюдения нижняя полуплоскост ь

Представленные на рис. 2 графики, отображают характер изменения индикатрисы рассеяния с увеличением угла наблюдения, а также иллюстрируют величину отклонения индикатрис деформированной от индикатрисы сферической капли, при этом четко просматривается неоднозначность изменения индикатрисы при коэффициентах формы уит, соответствующий форме максимально сплюснутой капле, для различных плоскостей наблюдения.

Для оценки влияния деформаций на индикатрису рассеяния был произведен расчет величины отклонения индикатрисы

деформированной капли от индикатрисы сферической капли для диапазона углов наблюдения - 50°, согласно выражению (4).

Ца)

где 1о сферической капли; -деформированной капли.

Результирующие зависимостей отклонений

Рис 3 Зависимости величины максимального отклонения индикатрисы деформированной от индикатрисы сферической капли дляразличн ых плоскостейнаблюдения.

100 , (4)

индикатриса индикатриса

графики максимальных индикатрис для вертикальной плоскости нижней полуплоскости II, для вертикальной плоскости верхней полуплоскости ^ и горизонтальной О плоскости наблюдения представлены на рис. 3. На основании полученных результатов можно заключить, что наименьшие отклонения индикатрисы будут соответствовать вертикальной плоскости верхней полуплоскости наблюдения в диапазоне углов й«оО = 10° — 35°. Это означает, что данные направления наблюдения наилучшим образом отвечают требованиям минимизации вклада деформаций в общую погрешность измерений для всего диапазона измеряемых диаметров капель. Полученный результат использовался для выбора оптимальных углов рассеяния при разработке оптического дисдрометра.

Третья глава посвящена разработке макета измерительного комплекса, определения микроструктуры осадков.

Рис 4Функциональная схема оптического измерителямикроструктуры осадков.

Источник излучения измерителя формирует ножевой луч подсветки, прямоугольного сечения, шириной 4см и толщиной 1см. Приемник оптического излучения расположен под углом 25° в вертикальной плоскости верхней полуплоскости. Как показали расчеты, проведенные в главе 2, такая оптическая схема измерений наилучшим образом обеспечивает минимизацию влияния деформаций капель на величину погрешности измерений.

Для качественной оценки возможностей предложенной оптической схемы измерителя был произведен энергетический расчет, в результате которого был получен набор относительных характеристик отражающих зависимость величины отношения сигнал/шум (S/N) на выходе оптического приемника от величины светового потока на входе оптической системы Фсс для капель различного диаметра. Данная характеристика позволяет получить качественную оценку возможности системы для регистрации капель малого диаметра На рис. 5 представлены три характеристики, соответствующие диаметрам капель Р=0.2мм, 0.5мм, 1мм. Критерием регистрации капли считалось значение показателя S/N>2. Согласно представленным характеристикам, галогенная лампа в качестве излучателя (Р=55Вт, Фос=220лм), позволит регистрировать капли в диапазоне диаметров D=0.3 -1мм, что в практическом применении охватывает весь диапазон размеров капель, характерных для дождя.

В соответствии с функциональной схемой прибора, был создан макет измерительной установки, источник на базе галогенной лампы (12В, 55Вт), приемник на базеp-i-n фотодиода BPW 21R, совместно с малошумящим инструментальным усилителем. Блок аналогово-цифрового преобразователя представлял собой универсальную плату сопряжения с персональным компьютером, 16 канального 12 разрядного АЦП, частота выборки до 13кГц.

Разработка алгоритма измерения проводилась исходя из базового положения геометрической оптики о том, что амплитуда сигнала пропорциональна квадрату диаметра капли D. Соответственно, диаметр капли определялся из соотношения (5).

(5)

где Um? - амплитуда сигнального импульса; - коэффициент чувствительности

системы.

Основным признаком распознавания сигнального импульса на фоне шумов, являлась стабильность формы импульса, на фоне высокочастотного шумового сигнала. При составлении алгоритма обработки учитывались конструктивные возможности системы, а также зависимость скорости падения дождевых капель от их размера. Для практической реализации алгоритма получения текущего распределения капель по размерам n(D) необходимо и достаточно было обеспечить частоту дискретизации АЦЦ/= 5кГц, при ширине луча 1см, что позволяло производить распознавание сигнальных импульсов капель для диапазона диаметров D=0.2 - 5мм, на уровне соотношения S/N=2.

Распределение капель дождя по размерам являлось базовой характеристикой осадков, на основе которой, производился расчет таких характеристик, как интенсивность Дмм/ч), ра-

Рис. 5 Зависимость отношения сигнал/шум (S/N) от светового потокана входе оптической системы источника излучения.

диолокационная отражаемость 2(мм6/м3) и водность осадков LWC(г/м3), в соответствии с формулами (6).

где Т- интервал времени накопления сигнала, (Ттш, = 5мин); 51 - площадь чувствительной площадки прибора, (15см2), р, - плотность воды; V(D) - скорость падения капли, n(D) - измеренное за время Г распределение капель по размерам.

В соответствии с алгоритмом обработки было разработано программное обеспечение. Основное интерфейсное окно программы представлено на рис. 6. Данная программа позволяла в режиме реального времени осуществлять автоматическую запись и обработку сигналов, а также расчет основных характеристик осадков. Вывод результатов осуществлялся в удобной для пользователя форме.

«лг -а.-'

Рис б Основное рабочее окно программы.

Четвертая глава посвящена лабораторным и натурным экспериментам. Приводятся основные результаты измерений, рассматриваются базовые технические характеристики системы и меры по модернизации оборудования. Проведенные лабораторные измерения были направлены на решение двух основных задач: 1) экспериментально подтвердить теоретическую статическую характеристику вида, исигн №)— Л 4)*; 2) установить потенциальные возможности оптической схемы измерений для регистрации капель малых диаметров D < 1 мм.

Для решения поставленных задач была создана лабораторная установка, согласно схеме измерений, представленной на рис. 4. В ходе эксперимента, производилась регистрация сигнальных импульсов от капель из капилляра для набора априорно известных диаметров. В результате таких измерений были накоплены данные сигналов от капель различного

размера, после чего проводилась их статистическая обработка, заключавшаяся в получении средней амплитуды сигнальных импульсов для каждого размера капли. В результате была получена экспериментальная статическая характеристика прибора, представленная на рис. 7. Как видно по рисунку, график экспериментальной характеристики неплохо коррелирует с теоретической.

Также данный эксперимент позволил определить коэффициент чувствительности системы 0.24В/ММ2. Данное значение свидетельствует о достаточной чувствительности системы, чтобы обеспечить регистрацию сигналов от капель диаметром 0.5мм на уровне искп1 = 60 мВ. Сравнительный анализ результатов лабораторных экспериментов с энергетическим расчетом показал некоторое снижение чувствительности лабораторной установки по сравнению с теоретическим значением

В период с августа по декабрь 2004 года макет измерительного комплекса микроструктуры осадков прошел ряд испытаний в натурных условиях. Были произведены измерения дождей и снега. На рис. 8 представлены сигнальные импульсы от дождевых капель и график типичной относительной микроструктуры дождя, соответствующий интенсивности / = 1.1 мм/ч, за интервал времени накопления 5мин, общее количество зарегистрированных капель Л^ = 160.

0. мм

Рис 8Сигналы от дождевыхкапель - а), распределение капель поразмерам - б).

Форма сигнальных импульсов, представленных на рис. 8,а, свидетельствует о хорошей согласованности частотной характеристики приемного тракта с параметрами измеряемого сигнала, как видно амплитуда импульса достигает максимального значения без существенных искажений. График микроструктуры на рис. 8,б иллюстрирует относительное количество крупных и мелких капель в дожде, уменьшение количества крупных капель происходит близко к степенной зависимости, что согласуется с классическими представлениями о распределении капель в дожде.

На рис. 9 представлены результирующие графики интенсивности, радиолокационной отражаемости и водности осадков для получасового дождя от 16.09.2004, 18:30.

Рис 9 Изменение метеорологических параметров дождя от 16.09.200418:30, а) интенсивность осадков11,б) водность ücadKüeLWCl, в)радиолокацион-ная отражаемость осадковЪ1, для интервала накопления Т=2м ин13, L WC3, Z3 - значения метеопараметров для полного интервала накопления Т=30мин.

Одновременно с оптическим измерителем микроструктуры проводились сравнительные измерения классическим способом, заключавшиеся в получении количества осадков в емкости известного сечения за определенный интервал времени. Итоговые данные таких измерений по нескольким дождям представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Параметр Дождь 1 время накопления Т=30мин Дождь 2 время накопления Т=30мин Дождь 3 время накопления Т=24мин

tint 1,622 1,235 0,974

Хпл 1,65 1,28 1,01

Д1,% 1,70 3,52 3,56

Как видно из данных таблицы 2, относительная погрешность измерений двумя методами довольно мала и не превышает величины 3.6%. Такая высокая точность связана в первую очередь с монотонным характером осадков и их относительно невысокой интенсивностью. Однако величина реальной точности измерения интенсивности осадков ожидается в 23 раза выше и составит около 10-15%.

1 I I I [

Н I г

Рис10Сигнальные импульсы

О 50 100 ISO 200 250 300 350 400 450 )

Испытания макета оптического измерителя микроструктуры осадков в режиме круглосуточного дежурства в ГУ ЦАО Росгидромет, позволили провести пробные измерения снега. Были проведены суточные измерения интенсивности снега с одновременной записью сигналов. Качественный анализ проведенных измерений позволил сделать вывод о пригодности предлагаемой установки и схемы измерений для измерения снега, а также для распознавания типа осадков в автоматическом режиме наблюдений. Типичный сигнал сигнальных импульсов от снега представлен на рис. 10. Характерной особенностью является отсутствие строгой формы импульса от отдельных снежинок, что связано с отличными от дождевых капель рассеивающими свойствами. Также следует заметить, что метрологические параметры системы по отношению к регистрации снежных осадков трудноопенимы и в данной области необходимо проведение дополнительных исследований.

На основе результатов серии измерений в полевых условиях были предложены меры по модернизации оборудования. В первую очередь они касаются приемной системы и системы осветителя Введение в состав прибора системы первичной обработки информации, на базе сигнального процессора, вместе со схемой модуляции, позволит улучшить характеристики системы по качеству принимаемого сигнала, расширить функциональные возможности оборудования, а также обеспечит меньшее энергопотребление, поскольку появиться возможность замены галогенной лампы на светодиод повышенной яркости. Для предотвращения запотевания оптических элементов представляется целесообразным их продув подогреваемым воздухом.

В таблице 3 представлены сравнительные технические характеристики разработанного прибора с уже существующими аналогами. Таблица 3.

Наименование характеристик Наименование и тип прибора

Дисдромегр КБ-80 РЛС М1Ж2 Лазерный дис-дрометр (М300, 8аеп1ес) Оптический измеритель осадков (МГАПИ)

Существующий макет Планируемый прибор

Измеряемая величина 0 3 мм - 5 мм спектр мощности (2048 точек) 0 25-25 мм 035-7мм 0.1 - 7 мм

Чувствительная площадка 50 см2 Высота слоя 35.. 200 м 48 6 см3 15 см2 15 см2

Регистрация снега - +/- + + +

Погрешность интенсивности +/- 5% - дождь 30% - дождь +/- 5% -дождь +/- 3.5% -дождь +/-15%-снег +/- 3,5% - дождь +/-15%-снега

Время выборки - 10 ...3600 с 10-999С 10-1800С 10-1800 с

Форматданных 232С Я8 232 ^ 232 Аналог. канал ^ 485

Питание 230В,50ГЦ 24 В/25 Вт 12 В, 600 мА 12В/60Вт 12В/24ВТ

Диапазон температур 0 -+400С -30-40'С -30 • +50'С -30 - +40"С -40 -+50°С

Размеры 10смх10смх17с м 0 6мхО 6мЮ 6м 0 6мх0 6мх1м 0 4мхО 3мхО 7м 0 4мх0 3мхО 7м

Вес 29кг 12 кг 15кг 5кг 10 кг

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ характеристик существующих на сегодняшний день измерителей микроструктуры осадков. Рассмотрены их достоинства и недостатки. На основе данного анализа выработаны требования к новому оптическому измерителю осадков.

2. Представлена новая аналитическая модель реальной дождевой капли, учитывающая среднюю форму и осцилляции капли во время гравитационного падения в атмосфере.

3. Произведен теоретический расчет индикатрис рассеяния в переднюю полусферу наблюдения для несферических осциллирующих дождевых капель. Произведен анализ влияния статических и динамических деформаций на рассеивающие свойства капель.

4. Представлена оптическая схема взаимного расположения приемника и источника измерителя микроструктуры осадков, обеспечивающая минимальное влияние деформаций на величину регистрируемого сигнала.

5. Разработан алгоритм сбора и обработки измерительных данных, создано и отработано программное обеспечение для измерителя микроструктуры осадков.

6. Проведены натурные и сравнительные измерения дождей, в полевых условиях.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. V. Sterlyadkin and A. Gluschenko, Reconstruction of rain microstructure from spectrum of scattering light, Abstract EGS02-A-03831, Nice, France, 2002.

2. Глушенко А. С. Измерительный комплекс дистанционного определения микроструктуры дождя, Сборник трудов молодых ученых специалистов МГАПИ №4, Москва 2002.

3. А.С. Глущенко, В.В. Стерлядкин, Оптический измеритель микроструктуры осадков // XXI Всероссийский симпозиум "Радиолокационное зондирование природных сред", тез.докл. - Санкт-Петербург, 2003

4. А.С. Глущенко, Расчет индикатрис рассеяния дождевых капель для передней полусферы наблюдения при горизонтальном освещении, Сборник трудов молодых ученых специалистов МГАПИ №6, Москва 2004.

5. А.С. Глущенко, В.В. Стерлядкин, Оптический измеритель микроструктуры осадков, Сборник трудов молодых ученых специалистов МГАПИ №6, Москва 2004.

6. А.С. Глущенко Рассеивающие свойства дождевых капель в переднюю полусферу наблюдения, Приборостроение. Межвузовский сборник научных трудов, Москва МГАПИ, 2004.

05. 09 - 05. H

i ь он ja \ -' - 1371

Введение

1. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ОСАДКОВ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

1.1 Контактные методы определения размеров частиц. Цифровой дисдрометр, электромагнитный дисдрометр ударного типа ^

1.2 Радиолокационные методы дистанционного измерения интенсивности осадков. Доплеровские метеорологические станции

1.3 Оптические методы дистанционного определения микроструктуры осадков. Оптические дисдрометры

1.4 Выводы

2. РАСЧЕТ ИНДИКАТРИС РАССЕЯНИЯ В ПЕРЕДНЮЮ ПОЛУСФЕРУ НАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ ДОЖДЕВЫХ КАПЕЛЬ. СФЕРИЧЕСКОЙ И НЕСФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ.

2.1 Описание математической модели поведения осциллирующих дождевых капель при падении в атмосфере

2.2 Описание методики расчета индикатрисы рассеяния для несферических дождевых капель

2.3 Результаты расчетов индикатрис рассеяния с учетом статических и динамических деформаций. Расчет отклонений индикатрис деформированных капель от индикатрисы рассеяния сферической капли

2.4 Выводы

3. РАЗРАБОТКА МАКЕТА ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ОСАДКОВ. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ПРИБОРА

3.1 Расчет оптической схемы измерения. Описание оптической части прибора ^

3.2 Технические характеристики оптического измерителя микроструктуры осадков, особенности построения отдельных узлов прибора rjQ

3.3 Принцип работы и алгоритм определения микроструктуры осадков. Разработка программного обеспечения ^

3.4 Выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ОСАДКОВ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ И НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

4.1 Лабораторные испытания макета измерителя микроструктуры. Калибровка прибора

4.2 Результаты натурных измерений в дождях различной интенсивности, сравнение с результатами, полученными классическими методами

4.3 Предложения по модернизации макета измерителя микроструктуры осадков. Сравнительные характеристики аналогичных приборов данного класса

4.4 Выводы

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Актуальность тематики. Определение интенсивности, типа и структуры осадков является важной задачей метеорологии. Сведения об осадках полезны в различных областях человеческой деятельности, начиная от прогнозирования и предупреждения природных катаклизмов, заканчивая обеспечением безопасности движения на дорогах. Своевременное и точное получение таких сведений важно для сельского хозяйства, при проведении климатического мониторинга регионов, а также при исследовании и изучении атмосферных явлений.

Настоящая диссертация посвящена разработке оптического измерителя микроструктуры дождя. Данное устройство предназначено для определения типа осадков, распределения по размерам частиц дождя, а также получения значения интегральной интенсивности их выпадения, показателя водности и радиолокационной отражательной способности. Основное практическое применение такой прибор находит в области прикладной метеорологии. На сегодняшний день из-за слабой государственной под держки и финансирования, в нашей стране исследования и разработка нового оборудования ведутся очень медленными темпами. При этом требования к точности и своевременности получения метеорологических сведений возрастает. Таким образом, возникает задача, решение которой возможно двумя путями: первый - закупка специализированного оборудования за рубежом, стоимость которого, как правило, очень высока, при этом наши службы становятся потенциально зависимыми от иностранных фирм поставщиков, второй - разработка собственного оборудования. Данная диссертационная работа ориентирована на второй путь решения.

В настоящее время для решения задач определения микроструктуры осадков используется широкий спектр устройств, начиная от простых контактных датчиков, заканчивая сложными доплеровскими радиолокационными станциями, и специализированными видеосистемами 2D-VIDEO. Одним из первых приборов контактного типа был зонд Стаббса (U.S. Pat. No 2,825,875, Stubbs), в данном устройстве размер капли определялся по величине заряда, снимаемого с заряженного наконечника в момент соприкосновения с частицей. Однако практическое использование прибора показало невозможность проведения многократных измерений, вследствие накопления паразитного заряда на чувствительном элементе, а также источником существенной погрешности определения размера частицы являлся собственный заряд капли. Использование в качестве чувствительного элемента струнного датчика позволило устранить недостатки, присущие зонду Стаббса. Струнный датчик представляет собой набор тонких проволочек натянутых параллельно друг другу, при этом четные и нечетные струны имеют противоположный потенциал. На основе такого датчика построен цифровой дисдрометр (U.S. Pat. No 4,477,917, Donnelly). Данный прибор регистрирует размер капли путем подсчета числа короткозамкнутых струн и заносит это число в выходной регистр. Основным достоинством такого устройства является простота конструкции датчика, однако именно конструкция приводит и к ряду существенных недостатков, основным из них является ограничение возможности регистрации частиц малого диаметра и невозможность учета деформаций капель. Наиболее совершенным из всех устройств контактного типа является ударный дисдрометр с электромагнитным преобразователем RD-80 (DISTROMET LTD, Basel Switzerland). В данном приборе определение размера падающих капель производится по величине ударного импульса, возникающего при ударе капли о горизонтальную чувствительную площадку. Кроме электромагнитного датчика имеется микропроцессорный блок, служащий для обработки информации и связи с персональным компьютером, что обеспечивает удобство в эксплуатации. В качестве недостатков отметим инерционность чувствительного элемента и трудность при измерении мелких капель, что приводит к возникновению времени нечувствительности системы после удара частицы, следствием чего является возможность пропуска отдельных капель. На ряду со всеми достоинствами ин недостатками контактных датчиков отметим, что все они позволяют измерять только размеры капель, измерение твердых осадков не предусматривается.

Отдельно отметим систему 2D-VIDEO, разработанную в JOANNEUM RESEARCH CENTER. Работа такой системы основана на скоростной фотосъемке капель. Для этого применяются две видеокамеры, позволяющие регистрировать две проекции падающих частиц, при их попадании в зону видимости, а также скорости падения. Как правило, данная система применялась для решения исследовательских задач, использование её в качестве доступного контрольно-измерительного прибора ограничивается высокой стоимостью, а также высокая чувствительность к влиянию внешних факторов при длительной работе в полевых условиях. Высокая стоимость и сложность аппаратуры ограничивает применение доплеровских радиолокационных станций.

В последнее время широкое распространение получили оптические методы определения микроструктуры осадков. Данные методы привлекательны возможностью реализации дистанционного неразру-шающего контроля осадков, возможностью оперативного получения и обработки данных результатов измерений, возможностью организации наблюдений в режиме реального времени. Приборы, созданные на основе оптических методов привлекают своей невысокой стоимостью, портативностью, широким диапазоном регистрируемых размеров частиц, высокой точностью получаемых результатов. На современном рынке метеорологического оборудования представлено большое количество оптических измерителей микроструктуры осадков, выпускаемые зарубежными фирмами производителями, в основном это оптические дис-дрометры, основанные на принципе затенения. Особенностью данного метода является то, что на приемник излучения поступает практически весь световой поток от источника, это вызывает высокий уровень дробовых шумов, что является признаком неоптимального режима использования фотоприемника. Кроме того, известно, что капли при падении испытывают периодические деформации. При этом горизонтальный размер капли периодически изменяется, что приводит к возникновению дополнительной погрешности, особенно это, существенно для капель большого диаметра (D>3mm).

Разработка нового оптического измерителя микроструктуры осадков направлена на устранение недостатков, присущих уже существующим измерителям, работающим по принципу затенения. Схема нового измерителя предполагает снижение влияния осцилляций на точность измерений и увеличение чувствительности системы.

Целью настоящей диссертации является разработка измерительного комплекса определения микроструктуры осадков на основе новой оптической схемы измерений, позволяющего производить регистрацию частиц с более высокой точностью, что обеспечит повышение достоверности измерения параметров микроструктуры и интенсивности осадков.

Методика определения размеров частиц основана на измерении интенсивности рассеиваемого ими излучения в область острых углов наблюдения при горизонтальном направлении, падающего на них излучения, в видимом диапазоне длин волн. С целью подтверждения справедливости данной методики был произведен теоретический расчет индикатрис рассеяния для дождевых капель в переднюю полусферу наблюдения, результаты которого сравнивались с опубликованными результатами других авторов.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

- путем математического моделирования и соответствующих расчетов индикатрис рассеяния, произведено теоретическое исследование влияния деформаций на оптические свойства капель для передней полусферы наблюдения;

- путем анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований отечественных и зарубежных исследователей, а также наших расчетов, составлена новая аналитическая модель дождевой капли с учетом статических и динамических деформаций;

- на основе проведенного теоретического исследования, обоснована оптическая схема взаимного расположения источника и приемника излучения для измерителя микроструктуры осадков, обеспечивающая высокую чувствительность при минимальном влиянии деформаций капель;

- создан и испытан макет оптического измерителя микроструктуры осадков.

Практическая ценность диссертации, заключается в том, что был разработан и создан измерительный комплекс определения микроструктуры осадков на основе усовершенствованной оптической схемы измерений. Разработан алгоритм работы прибора и соответствующее программное обеспечение. Проведены экспериментальные испытания, показавшие высокие технические возможности измерительного комплекса. Показана возможность применения разработанного измерительного комплекса в рамках единой метеорологической лаборатории с возможностями круглосуточного дежурства.

Реализация результатов диссертации проведена в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики (МГАПИ).

Разработанный макет прибора прошел испытательный цикл в Центральной Аэрологической Обсерватории г. Долгопрудный.

Данные экспериментальных исследований внедрялись при выполнении НИОКР Росгидромета по теме 1.2.1.3. «Провести испытания усовершенствованного метода корректировки измеренных осадков за конкретные сроки на сети метеорологических станций по данным обработки режимной информации в системе ПЕРСОНА-МИС».

Основные результаты работы были доложены

- на XXI Всероссийском симпозиуме "Радиолокационное зондирование природных сред", в Российском Государственном Гидрометеорологическом институте, Санкт-Петербург, 2003.

- на семинаре Молодых Ученых специалистов МГАПИ, в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики, 2003.

- на семинаре Центральной Аэрологической Обсерватории г. Долгопрудный, лаборатории «Дистанционного зондирования».

- на семинаре Института Физики Атмосферы им. Обухова (ИФА РАН) г. Москва

Автором опубликовано по теме диссертации 6 научных работ:

20], [21], [22], [23], [24], [25], в том числе статья: Глущенко А.С., Стерлядкин В.В. Оптические свойства дождевых капель. Рассеяние в переднюю полусферу наблюдения при горизонтальном освещении, Оптика атмосферы и океана, Институт оптики атмосферы СО РАН, №3, 2005.

Личный вклад диссертанта в работы, выполненные в соавторстве, состоит в следующем:

- предложена математическая модель, на основе которой произведен расчет индикатрис рассеяния для дождевых капель в переднюю полусферу наблюдения [23, 25];

- разработан и создан макет измерительного комплекса микроструктуры осадков, проведены его лабораторные и натурные испытания, обработка полученных результатов [21,22];

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы, двух приложений, списка цитируемой литературы (90 наименований) и содержит (без приложений) 130 страниц машинописного текста, 20 таблиц и 55 рисунков.

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке оптического измерителя микроструктуры осадков основанного на схеме регистрации излучения, рассеянного вперед. В процессе разработки были затронуты вопросы, касающиеся влияния деформаций реальных дождевых капель на интенсивность рассеиваемого ими излучения в переднюю полусферу наблюдения, при этом производился учет как статических, так и динамических деформаций возникающих при падении реальных капель через атмосферу, результаты вычислений представлены в удобной и доступной форме. Актуальность создания такого прибора очевидна, поскольку даже самый поверхностный взгляд на аппаратное обеспечение отечественных метеорологических и народно-хозяйственных служб оставляет желать лучшего, в то время как зарубежные фирмы ведут упорную конкуренцию между собой на рынке оборудования данного типа. Разрабатываемый оптический измеритель микроструктуры осадков может стать довольно недорогой альтернативой зарубежным аналогам. Основные результаты работы заключаются в следующем:

- проведен анализ уже существующих на сегодняшний день оптических измерителей микроструктуры осадков, рассмотрены их достоинства и недостатки;

- на основе имеющихся современных данных проведен теоретический расчет индикатрис рассеяния в переднюю полусферу наблюдения форм реальных дождевых капель, представленных в виде оригинальной аналитической модели, произведена оценка влияния статических и динамических деформаций на интенсивность рассеиваемого каплей излучения в переднюю полусферу наблюдения;

- предложен алгоритм сбора и обработки информации для измерителя микроструктуры осадков, обеспечивающий оперативное получение микроструктуры и интенсивности осадков;

- разработан макет портативного измерителя микроструктуры осадков в составе приемника и источника излучения, а также включающий в свой состав персональный компьютер с программным обеспечением,

- проведены лабораторные и натурные испытания установки, доказавшие справедливость предложенного метода измерения и конструкции прибора.

124

1. Denis P. Donnelly Digital disdrometer. U.S. Pat. No 4,477,917. Saratoga Springs N.Y., 1984.

2. Stubbs U.S. Pat. No 2,825,875.

3. E. A. Baltas, M. A. Mimikou The use of the Joss-type disdrometer for the derivation of Z-R relationships. Proceedings of ERAD, 2002, p. 291-294.

4. Marshall J.S., Palmer W. M., 1948. The distribution of raindrops with size. J. Meteor. 5, 165-166.

5. G. Peters, B. Fischer, T. Andersson Rain observations with a vertically looking Micro Rain Radar (MRR). Boreal Env. Res. 7:353-362. ISSN 1239-6095, 2002.

6. M. Loffler-Mang, M. Kunz, W. Schmid On the Performance of a Low-Cost It-Band Doppler Radar for Quantitative Rain Measurement, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. Vol. 16., March 1999. 379-387

7. M. Schonhuber, W.L. Randeu, H.E. Urban, J.P.V. Poiares Baptista Field measurements of raindrop orientation. JOANNEUM RESEARCH Institute of Applied Systems Technology, Graz, Austria

8. Optical precipitation sensor laser based disdrometer. Scintec AG, Germany, http:Wwww.scintec.com

9. Laser precipitation monitor (Disdrometer). Adolf Thies GmbH & Co. KG, Or-dercode: 5.4110.00.000, http://www.thiesclima.com

10. R. Gunn, G.D. Kinzer The terminal velocity of fall for water droplets in stagnant air. J. of Meteorology, Vol. 6, 1949, 243-248

11. B. Molle Characterising droplet distribution of an irrigation sprinkler water application. International commission on irrigation and drainage. Q.50, R. 3.02. Eighteenth Congress Montreal 2002.

12. Ting-I Wang, Weather identifier and visibility sensor, U.S. Patent 5.444.530, 1995

13. Chandrasekar V., William A. Cooper, Bringi V.N. Axis ratios and oscillations of raindrops // J. Atmos. Sci. 1988. V. 45. №8. P. 1323-1333.

14. B.B. Стерлядкин Рассеяние света дождевыми каплями // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. №5. С. 534-538.

15. В.В. Стерлядкин Индикатрисы рассеяния эллипсоидальных капель воды // Оптика и спектроскопия. 1990. т. 69. вып. 6. с. 1357-1392.

16. K.V. Beard, С. Chuang A numerical model for the equilibrium shape of electrified raindrops //J. Atmos. Sci. 1990. V. 47(11). P. 1374-1389.

17. K.V. Beard, C. Chuang A new model for the equilibrium shape of raindrops // J. Atmos. Sci. 1987. V. 44(11). P. 1509-1524.

18. M. Schonhuber About Interaction of Precipitation and Electromagnetic Waves // Doctoral Thesis, TechnicaUniversity Graz, Austria. 181 p. Nov. 1998.

19. K.C. Шифрин Рассеяние света в мутной среде. Л.: Гостехтеоретиздат, 1951.288 с.

20. V. Sterlyadkin and A. Gluschenko, Reconstruction of rain microstructure from spectrum of scattering light, Abstract EGS02-A-03831, Nice France, 2002.

21. Глущенко А. С. Измерительный комплекс дистанционного определения микроструктуры дождя, Сборник трудов молодых ученых специалистов МГАПИ №4, Москва 2002.

22. А.С. Глущенко, В.В. Стерлядкин, Оптический измеритель микроструктуры осадков // XXI Всероссийский симпозиум "Радиолокационное зондирование природных сред", тез.докл. Санкт-Петербург, 2003

23. А.С. Глущенко, Расчет индикатрис рассеяния дождевых капель для передней полусферы наблюдения при горизонтальном освещении, Сборник трудов молодых ученых специалистов МГАПИ №6, Москва 2004.

24. А.С. Глущенко, В.В. Стерлядкин, Оптический измеритель микроструктуры осадков, Сборник трудов молодых ученых специалистов МГАПИ №6, Москва 2004.

25. А.С. Глущенко Рассеивающие свойства дождевых капель в переднюю полусферу наблюдения, Приборостроение ./Межвузовский сборник научных трудов, Москва МГАПИ, 2004

26. М. I. Mishchenko and L. D. Travis, "Light scattering by polidispersions of randomly oriented spheroids with sizes comparable to wavelengths of observation," Appl. Opt. 33, 7206-7225, (1994).

27. M. I. Mishchenko, J. W. Hovenier, and L. D. Travis, Light Scattering by Non-spherical Particles (Academic, San Diego, Calif., 1999).

28. K. Andsager, К. V. Beard, and N. S. Laird, "A laboratory study of oscillations and axis ratios for large raindrops," J. Atmos. Sci. 56, 2673-2683 (1999).

29. R. J. Kubesh and К. V. Beard, "Laboratory measurements of spontaneous oscillations for moderate-size raindrops," J. Atmos. Sci. 50, 1089-1098, (1993).

30. G. Zhang, J. Vivekanandan, E. Brandes A Method for Estimating Rain Rate and Drop Size Distribution from Polarimetric Radar Measurements. IEEE Transactions on geoscience and remote sensing, vol. 39, №. 4, April 2001

31. N. J. Barrowman, R. A. Myers Raindrop Plots: A New Way to Display Collections of Likelihoods and Distributions. The American Statistician, July 11, 2003.

32. К. B. Earnshaw, Ting-I Wang, R. S. Lawrence, and R. G. Greunke A Feasibility Study of Identifying Weather by Laser Forward Scattering. J. of App. Meteor. Vol. 17, No. 10, pp. 1476-1481.

33. Ting-I Wang, R. Lataitis, R. S. Lawrence, and G. R. Ochs Laser Weather Identifier: Present and Future. J. of App. Meteor. Vol. 21, No. 11, pp. 17471753.

34. Ali Tokay and Kenneth V. Beard A Field Study of Raindrop oscillations. Part I: Observation of Size Spectra and Evaluation of Oscillation Causes. J. of App. Meteor. Vol. 35, No. 10, pp. 1671-1687.

35. Г. Корн и Т. Корн Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. Издательство «Наука», 1973.

36. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М. Издательство «Наука», 1974.

37. В.И. Каганов Компьютерные вычисления в средах Exell и Mathcad. Горячая линия Телеком, 2003.

38. М. Семененко Математическое моделирование в MathCad. М. Альтекс-А 2003.

39. Н. П. Гвоздева, К. И. Коркина "Прикладная оптика и оптические измерения", Москва, "Машиностроение", 1976 г.

40. Н. Матвеев "Оптика", Москва, "Высшая школа", 1985.

41. М. И. Апенко, И. П. Араев и др. "Оптические приборы в машиностроении", Справочник, "Машиностроение", 1974.

42. Ю.Г. Якушенков Теория и расчет оптико-электронных приборов. М. «Машиностроение», 1989.

43. Р.Дж. Киес Фотоприемники видимого и ИК диапазонов. М. «Радио и связь», 1985.

44. Л.И. Фукс-Рабинович, М.В. Епифанов Оптико-электронные приборы. Л. «Машиностроение», 1979.

45. В. А. Панова Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л. «Машиностроение», 1980.

46. Н.И. Воробьев Проектирование электронных устройств. М. «Высшая школа», 1989.

47. В. Разевиг Система проектирования цифровых устройств OrCAD. М. Со-лон-Р 2000.

48. Р. Отнес, Л. Эноксон Прикладной анализ временных рядов. М. Издательство «Мир», 1982.

49. Бутиков Е. Оптика. Учебное пособие для студентов физических специальностей вкузов.2-е. изд. BHV-Санкт-Петербург, 2003.

50. А.К Гребнев Оптоэлектронные элементы и устройства. М. издательство Радио и связь, 1998.

51. Ю.Ф. Опадчий Аналоговая и цифровая электроника. Полный курс. Учебник для ВУЗов. М. Горячая линия-Телеком, 2003.

52. В. Никамин Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Справочник. М. КОРОНА принт, 2003.

53. Oliver N. Ross and Stuart G. Bradley Model for optical forward scattering by nonspherical raindrops. Applied Optics Vol. 41, No. 24 / 20. August 2002.

54. А. Хомоненко Delphi 7 BHV-Санкт-Петербург, 2003.

55. Дарахвелидз Программирование в Delphi 7. BHV-Санкт-Петербург, 2002.

56. В.H. Павлов Схемотехника аналоговых электронных устройств, 2-е изд. М. Горячая линия-Телеком, 2002.

57. Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем. М. Горячая линия Телеком, 2000.

58. A. Tokay Comparison of Drop Size Distribution Measurements by Impact and Optical Disdrometers. J. of App. Meteor. Vol. 40, No. 11, pp. 2083-2097.

59. H.R. Pruppacher Microstructure of Atmospheric Clouds and Precipitation in Clouds: Their Formation, Optical Properties and Effects, P. Hobbs and A. Deepak, eds., Academic Press, 1981.

60. A. Tokay Rain Gauge and Disdrometer Measurements during the Keys Area Microphysics Project (KAMP). Journal of Atmospheric and Oceanic Technology: Vol. 20, No. 11, pp. 1460-1477.

61. G. J. Ciach Local Random Errors in Tipping-Bucket Rain Gauge Measurements. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology: Vol. 20, No. 5, pp. 752-759.

62. M. Grossklaus, K. Uhlig, L. Hasse An Optical Disdrometer for Use in High Wind Speeds. J. of Atmos. and Oceanic Technology: Vol. 15, No. 4, pp. 10511059.

63. M. Loffler-Mang An Optical Disdrometer for Measuring Size and Velocity of Hydrometeors. J. of Atmos. and Oceanic Technology: Vol. 17, No. 2, pp. 130139.

64. A. Kruger and W. F. Krajewski Two-Dimensional Video Disdrometer: A Description. J. of Atmos. and Oceanic Technology: Vol. 19, No. 5, pp. 602-617.

65. T.A. Seliga, K. Aydin, and H. Direskeneli Disdrometer Measurements during an Intense Rainfall Event in Central Illinois: Implications for Differential Reflectivity Radar Observations. J. of App. Meteor.: Vol. 25, No. 6, pp. 835-846.

66. G. M. Mcfarquhar and R. List The Effect of Curve Fits for the Disdrometer Calibration on Raindrop Spectra, Rainfall Rate, and Radar Reflectivity. J. of App. Meteor.: Vol. 32, No. 4, pp. 774-782.

67. V. Chandrasekar Multiple Disdrometer Observations of Rainfall. Journal of Applied Meteorology: Vol. 30, No. 11, pp. 1514-1520.

68. Hauser D., Amayenc P., Nutten В., Waldtenfel P., 1984. A new optical instrument for simultaneous measurements of raindrop diameter and fall speed disdtributions. J. Atm. Oc. Tech. 1, 256-269.

69. Knollenberg R.G., 1970. The optical array: an alternative to scattering or extinction for airborne particle size determination. J. Appl. Met. 9, 86-103.

70. Salles C., Creutin J.D., Sempere Torres D., 1998. The optical spectropluvi-ometer revisited. J. Atm. Oc. Tech. 15, 1215-1222.

71. Sheppard B.E., 1990. The measurement of raindrop size distributions using a small Doppler radar. J. Atm. Oc. Tech., 7, 255-268.

72. Sempere Torres D., Porra J., Creutin J.D., 1994. A general formulation for rain drop size distribution. J. Appl. Met. 33, 1494-1502.

73. Sempere Torres D., Porra J., Creutin J.D., 1998. Experimental evidence of a general description for raindrop size distribution properties. J. Geoph. Res. 103, D2, 1785-1797

74. Ulbrich C., 1983. Natural Variations in the analytical form of the raindrop size distribution. J. Clim and Appl. Met. 22, 1764-1775.

75. JI. M. Левин, И. В. Литвинов Физика облаков, осадков и активных воздействий, М. Гидрометеоиздат, 1970.

76. Л. Ф. Порфирьев Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах, Л. 1989.

77. Л. Ф. Порфирьев Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем, Л. 1984.

78. С.П. Авдеев Анализ и синтез оптико-электронных приборов. Санкт-Петербург 2000.

79. Illingworth A.J., Stevens C.J., 1987. An optical disdrometer for the measurement of raindrop size spectra in windy conditions. J. Atm. Oc. Tech. 4,411421.

80. Г.В. Креопалова, Н.Л. Лазарева, Д.Т. Пуряев, Оптические измерения, Москва «Машиностроение» 1987.

81. К.С. Шифрин Таблицы по светорассеянию, Л. 1968г.

82. К.С. Шифрин Оптические методы исследования океанов и внутренних водоемов, Наука, М., 1979г.

83. В.Е. Зуев Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере, М., 1970г.

84. В.Е. Зуев Распространение лазерного излучения в атмосфере, М., 1981г.

85. В.Е. Зуев Проблемы оптики атмосферы, Новосибирск, 1983г.

86. В.Е. Зуев Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей, М., 1966г.

87. В.Е. Зуев Сигналы и помехи в лазерной локации, М., 1985г.

88. В.Е. Зуев Аппаратура и методики дистанционного зондирования параметров атмосферы, Новосибирск, 1980г.

89. В.Е. Зуев, М.В. Кабанов Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех), М., 1977г.

90. М. Е. Левинштейн Шум 1 /f в полупроводниках и полупроводниковых приборах, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, С.Петербург, стр. 78-84.