автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптико-электронный двухканальный измеритель атмосферных осадков

На правах рукописи

Кобзев Алексей Анатольевич

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 6 СЕН 2013

Томск-2013

005533534

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ФГБУН ИМКЭС СО РАН)

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Корольков Владимир Александрович

кандидат технических наук.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Евтушенко Геннадий Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, заведующий кафедрой промышленной и медицинской электроники

Патерикин Владимир Иванович,

кандидат технических наук, Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН (г. Новосибирск), ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией размерного контроля

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Национальный исследовательский Томский

государственный университет, г. Томск

Защита диссертации состоится «15» октября 2013 г. в 09.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТУСУР по адресу: г. Томск, ул. Вершинина, 74..

Автореферат разослан «¿>j~ » с^мтяАря 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные составителем и заверенные гербовой печатью организации, просим высылать по адресу: 634050, г. Томск, пр-т Ленина, 40, ТУСУР, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.268.01 Филатову A.B.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01

Филатов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Атмосферные осадки являются одним из важнейших климатообразующих 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 по 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 (под 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 показал, что физические основы современных осадкомеров были установлены еще в середине прошлого века. Однако, разработанные ранее методы, непрерывно находят новые, более совершенные воплощения. Важно отметить, что в последнее время все более широкое распространение получили методы и приборы, основанные на оптических принципах регистрации структурных параметров атмосферных осадков. Начиная с 2004 г., Всемирная метеорологическая организация (ВМО) в своих отчетах отмечает эффективность применения оптических дисдрометров - оптико-электронных приборов для измерения распределения частиц осадков по размерам и скоростям. Разработки подобных систем активно ведутся за рубежом. Основным направлением разработок является повышение точности измерений, получение возможности измерения интегральных характеристик осадков для включения оптических осадкомеров в состав автоматических метеорологических станций. Лидирующие позиции по созданию оптических приборов для измерения параметров атмосферных осадков занимают фирмы и научно-исследовательские учреждения Германии, США, Финляндии и Швейцарии. К

сожалению, в нашей стране долгое время не наблюдалось тенденции к развитию данного направления. Имеющиеся разработки, например, ИКДАН (СКБ НП «Оптика», г. Томск, 1986 г.) или оптический измеритель микроструктуры осадков (МГУПИ, г. Москва, 2004 г.), по разным причинам не получили должного развития. Следствием сложившейся ситуации является увеличение количества оборудования, приобретаемого за рубежом, что ставит целый ряд различных структур в прямую зависимость от иностранных 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 по разработке и производству приборов для контроля параметров приземного слоя атмосферы. В рамках проекта УП.66.1.2 (20102012 гг.): «Развитие физических методов и технических средств для мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности населения» и проекта УШ.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. Провести теоретические и экспериментальные оценки технических характеристик образца ОДИО.

6. Разработать средства интеграции 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, чис-

ленные 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 (GPRS-контроллер) с соответствующей программой для ЭВМ используются:

- ИМКЭС СО РАН (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); БИП СО РАН (г. Улан-Удэ) для научных исследований в области экологии.

Акты внедрения приведены в приложении к диссертации.

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); XIX-XXI Международные конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии» (Новороссийск, 2011, 2012, 2013); Международная конференция "Инженерная защита территорий и безопасность населения: роль и задачи геоэкологии, инженерной геологии и изысканий" (Москва, 2011); 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 научно-техническая 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 ТНЦ СО РАН (2012 - I место); конкурс докладов молодых ученых VII Всероссийского симпозиума «Контроль окружающей среды и климата» (2010 - I место); конкурс докладов молодых ученых IX Сибирского совещания по климато-экологическому мониторингу (2011 - II 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-EXPO» (Москва, 2012); Всероссийская научно-производственная инновационная выставка-ярмарка «Интеграция - 2013», в рамках INNOVUS (Томск, 2013).

На защиту выносятся следующие положения и научные результаты:

1. Предложенная схема реализации метода получения и анализа теневых изображений частиц осадков на измерительной площадке, формируемой на расстоянии не менее 100 мм от основных элементов 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, являющегося 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 0,5-Н? мм, обеспечивают проведение расчетов интегральных характеристик жидких осадков.

3. Применение адаптивной измерительной площадки, размеры которой могут изменяться в диапазоне 1^-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 диссертанта заключается в постановке задач, поиске способов их решений, разработке оптической и электрической схем прибора, разработки методики и проведение калибровки, участии в процессе макетирования отдельных элементов прибора для проверки эффективности применяемых методов и комплектующих, участие в разработке программного обеспечения, проведение исследовательских испытаний, разработке методики калибровки. Создание экспериментального образца ОДИО выполнено коллективом сотрудников лаборатории экологического приборостроения ИМКЭС СО РАН при непосредственном участии автора. Участие в постанове задачи, разработке форматов данных и протоколов сопряжения GPRS-контроллера. Проведение тестирования системы передачи метеорологических данных.

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, указаны цели и задачи, сформулированы новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту диссертации.

В первом разделе проведен анализ литературных данных о развитии методологического и приборного обеспечения измерения параметров атмосферных осадков. Представлен обзор существующих методов и приборов для измерения параметров атмосферных осадков. Выделены основные достоинства и недостатки традиционных и новых средств измерений. Особое внимание уделено оптическим методам и приборам для измерения осадков. Отмечено, что оптические измерители параметров осадков позволяют определять параметры микроструктуры осадков: размеры, скорости и количество частиц, а на основании данных о микроструктуре - интегральные характеристики осадков. Сделан вывод о перспективности развития оптических осадкомеров, проведено сравнение основных характеристик существующих приборов.

Во втором разделе приведено описание этапов разработки экспериментального образца ОДИО.

На основании проведенного анализа существующих оптических приборов для измерения параметров атмосферных осадков выделен наиболее эффектив-

ный метод измерения размеров падающих частиц осадков. За основной критерий эффективности была принята возможность максимально точного измерения размеров частиц с минимальным использованием эмпирических зависимостей и приближенных подходов при получении измерительной информации. Таким образом, предпочтение было отдано методу получения и анализа теневых изображений частиц осадков (рис. 1). Данный метод позволяет проводить измерения скоростей, размеров и форм частиц осадков. Выбор метода обосновывается путем сравнения возможных источников погрешностей, которыми ограничивается точность измерения существующих оптических осадкомеров.

Предложена новая схема . реализации метода получения

и анализа теневых изображений частиц осадков. Приводятся принципы работы ОДИО. Основной задачей измерительной схемы является регистрация горизонтальных размеров тени частицы по мере ее прохождения сквозь тонкий луч света. В качестве фотоприемника применяется линейный массив светочувствительных элементов (линейный сенсор). Происходит действие, аналогичное сканированию объекта, но при этом источник света и приемник остаются неподвижными, а частица движется под действием силы тяжести. Для повышения точности измерений размеров и скоростей частиц осадков проводится сканирование двумя измерительными каналами. Таким образом, два горизонтальных плоскопараллельных пучка света от источников излучения попадают на два сенсора. Эти оптические каналы удалены друг от друга по вертикали на расстояние 5 мм. Их проекции образуют прямой угол в горизонтальной плоскости, формируя в

Рис. 1. Восстановление формы и размеров падающей частицы осадков

измерительная площадка

приемник 2

приемник 1

источник 2

Рис. 2. Схема оптико-электронного двухканального измерителя осадков

области пересечения виртуальную измерительную площадку (рис. 2). Размеры этой площадки, при реализации открытой конструкции, определяются шириной оптических каналов.

Функциональная схема прибора представлена на рис. 3. Каждый источник излучения состоит из излучающего модуля, коллимирующей линзы и щелевой диафрагмы. Плоскопараллельные лучи от источников попадают на линейные сенсоры, соединенные с блоком 5 или 6 соответственно. Блок формирования измерительной информации осуществляет следующие функции:

- снимает сигнал с фотоприемника;

- проводит первичную фильтрацию шумов;

-преобразует сигнал со светочувствительных элементов линейного сенсора 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; -осуществляет контроль непрерывности работы фотоприемника;

- осуществляет передачу измерительных данных на выходной интерфейс для передачи в ПК.

приємна

источник

Рис. 3. 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

Значение уровня сигнала срабатывания компаратора, определяющего границу свет-тень, регулируется вручную с помощью подстроечного резистора, смонтированного на плате каждого блока формирования измерительной информации.

Ведущий блок 5 передает сигнал о непрерывности своей работы и осуществляет выработку импульса синхронизации с ведомым блоком 6. Синхронизация работы каналов позволяет измерить время появления сигнала от частицы во втором канале после прохождения первого.

При отсутствии частицы во втором канале изображение, полученное в первом канале, игнорируется. В качестве блока вычисления и сбора данных применяется персональный компьютер (ПК).

Проведены расчеты основных оптических и электронных компонентов прибора. Используемый в приборе линейный сенсор обеспечивает измерение характеристик частиц осадков в максимально широком диапазоне реально возможных размеров и скоростей падения с высоким разрешением. Это высокопроизводительные линейные сенсоры (линейные ПЗС матрицы), имеющие 768 чувствительных элементов с общей шириной порядка 50 мм и обеспечивающие частоту сканирования до 20 кГц. Количество светочувствительных элементов на единицу длины линейного сенсора определяет границу разрешающей способности прибора при определении горизонтальных размеров частиц, значение частоты сканирования - разрешающую способность при определении вертикальных размеров частиц и их скоростей падения.

Для того чтобы максимально использовать возможности, предоставляемые выбранным приемником, источник излучения должен, в первую очередь, иметь мощность, достаточную для обеспечения экспозиции насыщения (максимальной поверхностной плотности зарядового пакета светочувствительных элементов линейного сенсора) при максимальных частотах сканирования. Кроме того, источник света должен обеспечивать возможность создания плоскопараллельного пучка света с помощью простой для настройки оптической схемы. Перечисленным требованиям удовлетворяет генератор линии 1Х}-Н650-8-5 с мощностью непрерывного излучения 8 мВт и длиной волны 650 нм. Напряжение питания 5 В и низкий рабочий ток (< 50 мА) обеспечивают возможность длительной работы от автономных источников питания.

Размеры измерительной площадки ОДИО выбирались на основании ряда критериев, основными из которых являются: 1) вероятность одновременной регистрации нескольких частиц осадков; 2) объем передаваемых измерительных данных; 3) чувствительность прибора. Измерительная площадка ОДИО формируется пересечением двух горизонтальных плоскопараллельных лучей (измерительных каналов), каждый из которых имеет ширину 50 мм и длину 250 мм. Площадь горизонтального сечения области, в которой падающая частица может быть зарегистрирована фотоприемником (регистрационного объема), превышают размеры измерительной площадки. Измерительная площадь прибора равна 25 см2, тогда как площадь горизонтального сечения регистрационного объема каждого канала составляет 125 см2. Вертикальный размер луча приблизительно равен 1 мм, но его эффективная величина определяется высотой чувствительной области линейного фотоприемника. Она располагается в максимуме интенсивности лазерного луча и составляет 0,0635 мм, что позволяет без потери точности дальнейших оценок считать измерительные каналы бесконечно тонкими.

Проведены расчеты вероятностей одновременной регистрации нескольких частиц осадков. Вероятность Р одновременного нахождения к капель в регистрационном объеме и подчиняется распределению Пуассона:

Р(к) = п* -е-" т) = (Ы-У)"-е-"'Пк\). (1)

где ЛГ- концентрация частиц, п - среднее число капель в регистрационном объеме V, к - число капель, находящихся в регистрационном объеме с вероятностью Р.

Результаты вычислений представлены в табл. 1.

Таблица 1

Вероятности нахождения нескольких частиц в регистрационном объеме одного канала ОДИО и их соотношения в зависимости от концентрации дождевых капель, рассчитанной с использованием распределения Маршала-Пальмера

Интенсивность дождя, мм/час 1 10 100

Концентрация капель N, м"3 570 1482 3009

Вероятность Р(1) нахождения капли в регистрационном объеме, % 4,74 11,39 20,23

Доля одновременных измерений двух капель Р(2)/Р(\), % 2,49 6,48 13,16

Доля одновременных измерений трех капель Р(2)/Р(Х), % 0,04 0,28 1,16

Из таблицы видно, что измерительная система оптического осадкомера должна обеспечивать надежное одновременное измерение двух частиц. Разработанный экспериментальный образец ОДИО удовлетворяет данному требованию. Доля возможного одновременного присутствия трех частиц даже при дожде экстремально высокой интенсивности составляет около 1%, что, в принципе, позволяет вообще исключить такую ситуацию из рассмотрения.

Выполнены оценки передаваемых данных и расчет максимальной интенсивности дождя, регистрируемого ОДИО. Показано, что пропускная способность около 200 кб/с с запасом обеспечивает регистрацию максимально возможной интенсивности (2000 мм/ч) с учетом вероятностей одновременной регистрации нескольких капель.

Для расчета концентрации капель Ы, которая соответствует интенсивности Я = 2000 мм/час, необходимо проинтегрировать функцию распределения капель по диаметру р(£>). В качестве зависимости рф) применялась функция распределения Маршала-Пальмера:

= (2)

где ¿У0 = 0,08 см^1 при любой интенсивности, а Я = 41Д"°-' см4, где Я - интенсивность дождя в мм/час.

Расчет чувствительности ОДИО проводился при заданном размере измерительной площадки (25 см2). Согласно требованиям ВМО, осадкомер должен обеспечивать регистрацию наличия жидких осадков с минимальной интенсивностью 0,02 мм/час за время, не превышающее 30 секунд. Расчет показал, что требуемое количество капель гарантированно достигнет измерительной площади прибора, обеспечив регистрацию начала осадков, менее чем через 5 секунд после начала дождя, что полностью удовлетворяет требованиям ВМО.

Основным источником систематических погрешностей любого осадкомера традиционной конструкции является ветровой недоучет. В первом разделе работы показано, что это происходит вследствие изменения поля скорости ветра вблизи осадкомера и увеличения скорости потока непосредственно над его приемным отверстием. Поэтому, при создании нового измерителя осадков была поставлена задача устранения критического влияния ветра на результаты измерений. Решение проблемы ветрового недоучета достигается за счет высокой ветровой прозрачности ОДИО (по сравнению с осадкомерным ведром) и удаленности элементов конструкции от измерительной площадки. Для оценки эффективности предложенной конструкции в рамках данной проблемы, были проведен ряд численных экспериментов, целью которых было получение качественной оценки влияния элементов конструкции ОДИО на воздушный поток над измерительной площадкой.

Моделирование осуществлялось на персональном компьютере с использованием программного обеспечения SALOME Code-Saturne - открытой интегрируемой платформы для численного моделирования течения жидкостей и газов. Для проверки степени соответствия построенной модели целям исследования было проведено моделирование обтекания стандартного осадкомера челночного типа. Его корпус представляет собой вертикальный цилиндр, в верхней части которого находится приемное отверстие, сужающееся к низу и формирующее внутри прибора воронку. Проведение сравнения полученных результатов с работами других авторов, содержащих решения аналогичных численных задач и результаты соответствующих натурных экспериментов, показало согласие на качественном уровне. Этот факт дает основание для рассмотрения результатов моделирования обтекания более сложной конструкции. Параметры и условия расчетов для конструкции ОДИО аналогичны тем, что были заданы для моделирования обтекания корпуса челночного осадкомера. Трехмерная геометрическая модель ОДИО размещалась в модели течения горизонтального воздушного потока таким образом, что он направлялся строго вдоль одного из измерительных каналов, в этом случае защитные корпуса создают наибольшее искажение потока в области измерительной площадки, находящейся межу ними.

На рис. 4, а показана модель ОДИО: 1 - центральная стойка; 2 - наклонные стойки; 3 - пластина жесткости; 4 - горизонтальная рама жесткости; 5 — защитные корпуса источников и приемников излучения. На рис. 4, б представлен результат моделирования обтекания конструкции ОДИО. Корпуса второй пары излучатель-приемник обозначены пунктиром для повышения наглядности.

Скорость потока существенно падает в областях за защитными корпусами, однако достаточно быстро восстанавливается, не образуя при этом областей завихрений вблизи измерительной площадки и областей повышения скорости потока непосредственно над ней.

Численные эксперименты по моделированию обтекания конструкции ОДИО потоком газа позволили сделать ряд выводов, основными из которых являются: поддерживающая конструкция ОДИО обладает приемлемой ветро-

вой прозрачностью; размеры защитных корпусов излучателей и приемников могут варьироваться в достаточном диапазоне без искажения распределения полей скорости ветра непосредственно над измерительной площадкой; выбранное расстояние (250 мм) от источника до приемника излучения, определяющего длину оптических каналов, обеспечивает приемлемые аэродинамические характеристики потока в области измерительной площадки.

115

. 10.35

а о

Рис.4: а - модель ОДИО; 6 - моделирование обтекания потоком конструкции

В третьем разделе работы представлены результаты исследований, направленных на разработку алгоритмов преобразования сигнала от линейных сенсоров для получения измерительной информации и создание программного обеспечения для обработки результатов измерений.

Приведено описание работы блока формирования измерительной информации (5 и 6 на рис. 3) сигнала, получаемого с фотоприемников. Блок находится под управлением микроконтроллера ATmegal280, выполняющего специально разработанную программу. Программа регистрирует получение аналогового видеосигнала с выходов фотоприемника, проводит фильтрацию шумов элементов линейного сенсора, осуществляет управление преобразованием аналогового сигнала в бинарный код. Программа микроконтроллера также управляет передачей данных, содержащих в себе номера пикселей с переходом свет-тень и тень-свет, в интерфейсные USB модули. Далее информация поступает в компьютерную программу обработки измерительных данных ОДИО. Программа работает под управлением операционной системы Windows и осуществляет вычисление размеров частиц, их объемов и сумм осадков на основе разработанных алгоритмов. Структурная схема программы показана на рис. 5.

Программа получает информацию о затененных пикселях каждого кадра (блок 1). В блоке 2 проходит первичная обработка информации и фильтрация данных, образовавшихся вследствие регистрации шумов линейного сенсора. В блоке 3 осуществляется фильтрация измерений, произведенных вне измерительной площадки. В блоке 4 производится вычисление размеров, скоростей частиц и их объемов. По этим данным здесь же вычисляются интегральные характеристики осадков. В блоке 5 осуществляется сохранение данных на жест кий диск и вывод результатов измерений на монитор ПК.

Рис. 5. Структурная схема программы расчета параметров осадков

Применяемый в текущей реализации прибора интерфейс USB имеет ограничение по длине кабеля до 5 м. Для передачи измерительной информации на расстояния обычно применяется кабельное соединение (RS-232/485 до 1200 м) или беспроводной канал связи (GPRS). Однако такие каналы связи имеют ограничения по пропускной способности. Например, применяемый в текущей реализации прибора интерфейс USB имеет ограничение по длине кабеля 5 м.

Предложенная схема позволяет за счет изменения ширины каналов непосредственно в процессе измерений адаптировать величину измерительной площади в соответствии с текущей интенсивностью осадков, тем самым уменьшая объем данных до уровня, не превышающего способность используемого канала связи.

На рис. 6 приведены оценки соотношения потоков генерируемых ОДИО данных С ширины L каждого измерительного канала для дождя интенсивностью 1 мм/ч, 10 мм/ч, 100 мм/ч и 2000 мм/ч. Пунктиром показаны оценочные значения средней пропускной способности некоторых из часто применяемых каналов передачи данных.

Четвертый раздел диссертации посвящен описанию исследовательских испытаний, оценке технических характеристик разработанного экспериментального образца ОДИО и его интеграции в состав автоматического метеорологического комплекса.

Поскольку оптические каналы прибора идентичны, а программная и аппаратная обработка измерений происходит одинаково, основные характеристики прибора представлены циклом лабораторных и натурных измерений, проведенных для одного измерительного канала.

USB (FTDIj

0 10 20 30 40

1-, ММ

Рис. 6. Зависимость потока данных от размеров измерительной площадки для малой, средней, высокой и максимальной интенсивности дождя

Лабораторные испытания образца ОДИО заключались в получении размеров сечений падающих сквозь измерительную плоскость калиброванных шариков и серий капель воды известного объема.

Определение зависимости измеряемого размера от положения частиц на измерительной площадке осуществляется посредствам регистрации диаметров калиброванных шаров. Эксперименты показали, что результаты измерения размеров не зависят от близости или удаления частиц от приемника или излучателя в пределах измерительной площадки. Однако наблюдается явная зависимость результатов от положения частиц относительно края измерительного канала. Для проверки и устранения влияния данного эффекта на результаты измерений проведены дополнительные серии измерений. Измерительный канал был условно разбит на интервалы по 100 пикселей. В каждом из получившихся интервалов проведены измерения калиброванных шаров для подшипников следующих диаметров: 0,990 мм; 1,990 мм; 2,990 мм; 3,990 мм;. 5,010 мм; 5,990 мм и 7,120 мм с заявленной погрешностью изготовления - 10 мкм. Шары отпускались в свободное падение над измерительной площадкой так, чтобы их центры проходили вблизи середины интервалов (±10 пикселей).

По оси абсцисс графика на рис. 7 отложены порядковые номера элементов линейного сенсора (пикселей), а по оси ординат - значения измеряемых диаметров шаров. Для каждого из 8 интервалов проведены измерения 100 шаров всех указанных выше диаметров.

Анализ результатов обработки измерений показал, что основная погрешность определяется несовершенством оптической системы прибора и оптимальным решением этой проблемы на данном этапе является коррекция измерения размеров в зависимости от положения на измерительной площадке. Разработан предварительный вариант процедуры проведения калибровки. Средние значения измеренных диаметров с учетом калибровочных коэффициентов составило соответственно: 1,10±0,15 мм; 2,00±0,11 мм; 3,00±0,08 мм; 3,92±0,02 мм; 5,01±0,01; 6,01±0,04; 7,24±0,11 мм. Таким образом, относительная погрешность измерения частиц для отдельных интервалов составляет порядка 5% для средних и крупных (> 2 мм) частиц и возрастает при уменьшении их размеров (1 мм и менее). Поскольку мелкие

2

о 4

—в—измер. о-калибр.

—О______О--^7^ 2,980 мм

■ ___^ 1,990 мм

0,990 мм

400 500

воо

700

800

Рис. 7. Зависимость размеров измеренных объектов от положения на измерительной площадке для измерительного канала 1

частицы осадков не вносят существенного вклада в интегральные характеристики жидких осадков, то влиянием на результат измерений можно пренебречь. Следовательно, оценка погрешности измерения размеров частиц в 5% представляется вполне обоснованной.

Погрешность изготовления калиброванных шаров (1-10 мкм) существенно превосходит размер пикселей линейного сенсора, поэтому составляющая этой погрешности не учитываться при оценке погрешности определения размера падающих частиц. Средняя погрешность определения размера по всем интервалам линейного сенсора определялась по формуле:

<*»>=—д (3)

п ■м м

где п - количество измерений (шаров различного диаметра) для данного интервала, т - количество интервалов, < Д£>, > - среднее значение измерений для интервала у, взятое по 100 измерениям, О, - значение диаметра калиброванного шара. Рассчитанное таким образом значение средней абсолютной погрешности составило порядка 0,06 мм, что близко к разрешающей способности линейной ПЗС матрицы (0,0635 мм). Приведенные оценки подтверждают высокую эффективность применения разработанной процедуры калибровки ОДНО.

Для оценки точности измерения сумм осадков, были проведены измерения суммарных объемов серий капель, проходящих через измерительную площадку. Погрешность измерения сумм осадков полученная в лаборатории рассчитывалась с учетом абсолютной погрешности измерений первоначального объема. На основании анализа результатов обработки данных экспериментов, установлено, что погрешность измерения объема жидкости в лабораторных условиях не превышает 5%.

Целью проведения натурных испытаний была проверка теоретических оценок характеристик ОДИО, проведенных для жидких осадков, возможности получения распределения частиц по размерам, интенсивностей, сумм осадков и сравнение с показаниями стандартного измерителя осадков. Измерения проводились в д. Аркашево Томской области (56°26' С, 85° 15' В, 15 км от г. Томска). Результаты двух событий (условно названых «дождь 1» и «дождь 2») представлены на рис. 8.

«Дождь 1» относится к слабым (интенсивность менее 1 мм/ч) «дождь 2» можно отнести к средним (интенсивность порядка 10 мм/ч). Кроме того, интенсивность определяется распределением капель по размерам: в первом случае преобладают капли размером близким к 1 мм (рис. 8, а), а во втором, максимум распределения сместился в сторону частиц 2 мм, и было зарегистрировано некоторое количество крупных частиц (рис. 8, б). На рис. 8, в, г представлены изменения интенсивности ДЛЯ этих двух событий.

Результаты измерений сравнивались с показаниями стандартного осадко-мера Давитая (М-99) с ценой деления шкалы 1 мм. В случае события «дождь 1» осадкомер М-99 не зарегистрировал факта выпадения осадков. За то же время

измерений ОДНО зарегистрировал около 0,05 мм осадков, выпадающих со средней интенсивностью около 0,1 мм/ч в течение 33 мин.

В случае события «дождь 2», измерения с помощью ОДИО проводились в течение около 4,5 мин, при этом было зарегистрировано 0,67 мм осадков, при средней интенсивности 9 мм/ч. Измерения М-99, производимые в течение 45 мин (включая 5 минут измерений с помощью ОДИО), показали интенсивность около 13 мм/ч. Расхождение в показаниях измерителей объясняется изменением интенсивности осадков с течением времени.

2013 08.03 18.35.07 - 19 08.14

18:02:39 - 18:07:05

0,25 0,20 Г 0,15 1о,10

0,05 0,00

2013.08.03

18:42 18:52

Т, время

в

18:04 18:05 7", время

Рис. 8. Результаты натурных испытаний ОДИО: а - распределение по размерам капель дождя малой интенсивности («дождь I»); б - распределение по размерам капель дождя средней интенсивности («дождь 2»); в - изменение интенсивности для «дождя I»; г - изменение интенсивности для «дождя 2»

При регистрации осадков с помощью ОДИО расчет интенсивности / за временя Ти сумм осадков <2 за время (Т2-Т,) проводился по формулам:

А"

/=-

5 7'

(4)

где К - количество капель, прошедшее за один временной интервал сквозь измерительную площадь5, Г*-объем частицы.

На основании проведенных расчетов и результатов исследовательских испытаний экспериментального образца получены оценки основных характеристик ОДНО, которые представлены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристика Значение

Измерительная площадь Изменяемая - 25 см2 и менее

Ширина оптического канала Изменяемая - от 50 мм и менее

Вертикальное расстояние между каналами 5 мм

Частота сканирования измерительной площадки До 20 кГц

Погрешность измерения размеров частиц 5 % для частиц > 2 мм

Диапазон размеров измеряемых частиц От 0,5 до 8 мм (и более)

Относительная погрешность измерения скорости частиц Не более 5%

Погрешность измерения количества осадков Не более 5%

Чувствительность по количеству выпавших осадков Не менее 2' 10° мм

Рабочий диапазон температур От -20 °С до +60 °С

АМК-03

одио

В данном разделе также представлены рекомендации по интеграции разработанного измерителя осадков в состав автоматического метеорологического комплекса АМК-03. Представлены аппаратные и программные средства реализации совместных измерений основных метеорологических параметров: температуры окружающего воздуха, скорости и направления ветра, атмосферного давления, относительной влажности с помощью АМК-03 и параметров атмосферных осадков с помощью ОДИО. Данный комплекс способен функционировать в модификации мобильного (рис. 9) или стационарного поста сети удаленных измерительных станций с возможностью сбора и анализа метеорологической информации и передачей ее конечному пользователю. На примере созданной в ИМКЭС СО РАН информационно измерительной системы (ИИС), показана возможность создания сети измерительных постов с возможностью контроля параметров атмосферных осадков. Для передачи метеорологической информации разработаны алгоритмы работы и программное

Рис. 9. Мобильный пост измерения метеорологических параметров на основе АМК-03

обеспечение для GPRS-контроллера, который осуществляет связь измерительного комплекса в режиме реального времени через Интернет с помощью встроенных в него интерфейсов связи Ethernet и GSM-GPRS модема (беспроводная передача данных).

В заключении представлены основные результаты диссертационной работы:

1. На основе проведенного анализа современного состояния приборного обеспечения задачи измерения параметров атмосферных осадков сделан вывод, что наиболее перспективным развитием 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 ОДИО, 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 ОДИО для вычисления параметров жидких осадков: размеров капель, интенсивностей и сумм.

6. На примере АМК-03 показана возможность интеграции ОДИО в состав автоматического метеорологического комплекса, представлены средства передачи метеорологической информации в режиме реального времени удаленному клиенту 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.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИСЕРТАЦИИ

1. Коммутационный контроллер передачи метеорологических данных / A.A.

Азбукин, В.В. Кальчихин, A.A. Кобзев и др. // Приборы и техника эксперимента. - 2010-№ 4. - С. 166.

2. Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A.. Оптико-

электронный двухканальный измеритель осадков // Оптика атмосферы и

океана. - 2011. - Т. 24, №11. - С. 990-996.

3. Автоматические метеостанции АМК-03 и их модификации / A.A. Азбукин, А .Я. Богушевич, A.A. Кобзев др. // Датчики и системы. - 2012. - № 3. - С. 47-52.

4. 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. -№ 5. -С. 398^05.

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

6. Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A. К выбору размера измерительной площадки двухканапьного оптического осадкомера // Оптика атмосферы и океана. - 2013 - Т. 26, № 2. - С. 155-159.

7. Оптико-электронный блок измерения параметров осадков / A.A. Азбукин, В.В. Кальчихин, A.A. Кобзев и др. // Приборы и техника эксперимента. -

2013.-№ 4. -С. 140-141.

8. 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; заявл. 10.01.2012; опубл. 27.08.2012, Бюл. № 24. - 1 с.

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

10. АМК-СОФТ-4. / A.A. Азбукин, В.В. Кальчихин, A.A. Кобзев, и др. Роспатент. Свидетельство № 2010614244 от 30.10.2010.

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

12. Приборное обеспечение измерения параметров атмосферных осадков. Современное состояние / В.В. Кальчихин, Кобзев A.A. и др.; Изв. вузов. Физика. - Томск, 2009. - 11 с. - деп. в ВИНИТИ 16.12.09 , № 802-В2009.

13. Реализация передачи телеметрических данных в метеорологической информационно-измерительных системе / A.A. Азбукин, В.В. Кальчихин, A.A. Кобзев и др. // Докл. 7-го Всерос. симп. «КОСК-2010». - Томск: Аграф-Пресс, 2010.-С. 23-24.

14. 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. Conf. EngeoPro-2011 Environmental Geosciences and Engineering Survey for Territory Protection and Population SafetyDelegate Papers. -Moscow, 2011. - p. 432-436, электрон, опт. диск (CR-ROM).

15. Кальчихин B.B., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A. Лазерный дисдрометр // Тр. XIX Междунар. конфер. «Лазерно-информационные тех-

нологии в медицине, биологии и геоэкологии». - Новороссийск: Вариант, 2011.-С. 17-18.

16. Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A. Оптические измерители осадков // Материалы Рос. конф. IX Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. - Томск: Аграф-Пресс, 2011. -С. 305-307.

17. Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A. Новый оптико-электронный измеритель осадков // Материалы Рос. конф. IX Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. - Томск: Аграф-Пресс, 2011.-С. 307-309.

18. Тихомиров A.A., Богушевич А.Я., Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А. Реализация территориально-распределенной информационно-измерительной системы на основе автоматических метеостанций АМК-03 для мониторинга и прогнозирования опасных метеорологических явлений // Сб. тр. XI Всерос. конф. с уч. иностр. ученых «Проблемы мониторинга окружающей среды». — Кемерово: КемГУ, 2011. — С. 377-381.

19. Кобзев A.A. Оптимизация размера измерительной площадки оптико-электронного осадкомера [Электронный ресурс]: Сб. тр. XVIII междунар. науч. пр. конф. «Современные техника и технологии». - Томск: ГПУ, 2012. - С. 209-210, электрон, опт. диск (CR-ROM).

20. Современный осадкомер: Практическая реализация и перспективы развития / A.A. Азбукин, В.В. Кальчихин, A.A. Кобзев и др. // Тр. Всерос. конф. с междунар. уч. «Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии». - Барнаул: Пять плюс, 2012 - Т.З. - С.3-7.

21. Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A. Лазерный дисдрометр. Лабораторные испытания // Тр. XX Междунар. конф. «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии». -Новороссийск: Вариант, 2012-С. 17-18.

22. Азбукин A.A., Кальчихин В.В., Кобзев A.A., Корольков В.А., Тихомиров A.A. Оптико-электронный измеритель осадков. Экспериментальный образец // Материалы симп. «КОСК-2012». -Томск: Аграф-Пресс, 2012. - С. 50-52.

23. 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 симп. «КОСК-2012». - Томск: Аграф-Пресс, 2012. - С. 174-175.

24. Кальчихин В.В. Кобзев A.A., Тельминов А.Е. Решение проблемы ветрового недоучета с помощью оптического осадкомера // Сб. науч. тр. II Всерос. науч. техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов с междунар. участием «Высокие технологии в современной науке и технике». — Томск: ТПУ, 2013. - Т. 1. - С. 328-332.

25. Богушевич А.Я., Корольков В.А., Кобзев A.A., Тихомиров A.A. Региональная пространственная сеть ультразвуковых метеостанций и корреляционные свойства данных ее измерений // Междунар. конф. памяти акад. А. М. Обу-

хова «Турбулентность, динамика атмосферы и климата»: сб. докл. - М.: ГЕОС, 2013. — С. 175-178.

26. Измерение количества, интенсивности и размеров дождевых капель оптическим осадкомером / A.A. Азбукин, В.В. Кальчихин, A.A. Кобзев и др.: сб. докл. XIX Междунар. симп. «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» [Электронный ресурс]. - Томск: ИОА СО РАН, 2013. 1 CD-ROM. С. 174-177.

Тираж 100 экз. Заказ 820. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН)

На правах рукописи

04201362674

Кобзев Алексей Анатольевич

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук Корольков Владимир Александрович

Томск 2013

Содержание

Введение.......................................................................................................4

1 Методы и приборы для измерения параметров атмосферных осадков.......................................................................................................11

1.1 Развитие методов измерения осадков...........................................................11

1.2 Современное состояние приборного обеспечения задачи измерения осадков........................................................................................................................12

1.3 Оптические методы и приборы для измерения параметров осадков .......21

1.4 Выводы.............................................................................................................34

2 Разработка макета оптико-электронного измерителя осадков.........36

2.1 Обоснование выбора метода измерений......................................................36

2.2 Основные принципы работы прибора..........................................................40

2.3 Измерительная площадка...............................................................................43

2.4 Разработка конструкции прибора..................................................................53

2.5 Расчет оптических компонентов прибора....................................................61

2.6 Выводы.............................................................................................................65

3 Алгоритмы обработки измерений и программное обеспечение......67

3.1 Формирование измерительной информации................................................67

3.2 Алгоритм вычисления параметров частиц...................................................76

3.3 Оценка интегральных характеристик осадков.............................................78

3.4 Программа обработки измерительных данных............................................80

3.5 Адаптивная измерительная площадка..........................................................83

3.6 Выводы.............................................................................................................86

4 Основные результаты работы......................................................................88

4.1 Предварительная оценка технических характеристик................................89

4.2 Результаты проведения лабораторных испытаний.....................................90

4.3 Результаты проведения натурных испытаний.............................................96

4.4 Интегрирование измерителя осадков в состав автоматизированного метеорологического комплекса.............................................................................100

4,5 Выводы...........................................................................................................] 11

Заключение...........................................................................................................113

Список литературы,............................................................................................115

Приложения..........................................................................................................125

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 систематизац