Тема: ЛИДАРНЫЙ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАЧНОСТИ С БЕЗОПАСНОЙ ДЛЯ ГЛАЗ ИНТЕНСИВНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ

Высота нижней границы облачности является одним из факторов, влияющих на безопасности взлета и посадки воздушных судов, так как она определяет ту высоту, на которой пилот сможет осуществить визуальный контакт с землёй. Значения высоты нижней границы облачности входят в эксплуатационный минимум. Эксплуатационный минимум в авиации - минимальные значения высоты нижней границы облаков и горизонтальной видимости, при которых возможно выполнение взлётов, посадок и полётов по маршруту [1].
Высота расположения нижней границы облаков имеет большое практическое значение. Так, высоты менее 600 м, волнистая и изорванная граница облаков, затрудняют взлёт и особенно посадку самолётов и вертолётов. С низкой облачностью связано ухудшение видимости. В силу исключительной важности высоты нижней границы облаков нижнего яруса эта метеорологическая величина всегда привлекала к себе внимание исследователей и практиков. В настоящее время имеется целый ряд данных о нижней границе облаков нижнего яруса, причём в довольно большом диапазоне значений. Дело в том, что высота расположения низких облаков достаточно сильно зависит от притока тепла к подстилающей поверхности, поэтому эта величина проявляет отчётливую широтную, годовую и даже суточную изменчивость [2].
Полученные с помощью приборов значения высоты нижней границы облаков (высоты нижней границы облачности) позволяют судить о высоте обнаружения пилотом наземных ориентиров и возможности выполнения полетов при данных метеорологических минимумах.
В настоящее время в мировой практике ведется разработка и внедрение нового поколения приборов контроля высоты облаков, базирующихся на современной микроэлектронной технике, обработке больших массивов данных с помощью встроенных микропроцессоров, использовании сложных алгоритмов выделения и интерпретации эхо-сигналов от облачной атмосферы, использовании новых средств зондирования, в частности, полупроводниковых лазеров, а также твердотельных лазеров с использованием в качестве элемента накачки энергии полупроводниковых лазерных диодов.
Автоматическое получение информации о высоте облаков, сопоставимой с оценками пилота воздушного судна, совершающего посадку, является сложной задачей, не имеющей в полной мере удовлетворительного решения. Основными причинами этого являются сложная структура подоблачного слоя, большая временная и пространственная изменчивость высоты нижней границы облаков. Это крайне усложняет процедуру интерпретации эхо-сигнала, его связи с высотой визуального контакта пилота с наземными ориентирами [3].
Само понятие нижняя граница облаков в различных источниках трактуется по-разному.
Нижняя граница облаков - уровень (поверхность) в атмосфере, на котором водность облака, если перемещаться внутри него по вертикали вниз, обращается в нуль [4].
Например, в работе Шаманаева В. С. выделяется 6 характерных точек в лидарном сигнале, которые можно принять за высоту нижней границы облачности при определенных критериях [5].
Существуют и другие определения высоты нижней границы облачности. Нижняя граница облаков определяется как самая нижняя зона, в которой прозрачность от значений, соответствующих ясному небу или дымке, переходит к значениям, соответствующим совокупности водяных капель и кристаллов льда.
Высота нижней границы облаков (высоты нижней границы облачности) - расстояние по вертикали между поверхностью суши (воды) и нижней границей самого низкого слоя облаков. Разорванный и неустойчивый характер основания многих видов облаков не позволяет однозначно определить высоту нижней границы облаков. Невозможность четкого и однозначного определения нижней границы облаков создает трудности в контроле ее высоты. При диагностике высоты нижней границы облаков облакомерами (прожекторы, светолокаторы, лазеры) фактически определяется расстояние от излучателя до светового пятна, возникающего в основании облака от светового потока, посланного этим излучателем, яркость которого соответствует чувствительности приемного устройства облакомера. При тумане, снеге и других атмосферных явлениях расстояние от передатчика светового потока до светового пятна принимается за вертикальную видимость [6].
В связи с этим важной задачей является анализ, обоснование и разработка требований к приборам контроля высоты облаков с учетом принятой к использованию технологии метеорологического обеспечения взлета/посадки воздушных судов [3].
Также создание приборов контроля высоты облаков нового поколения требует не только разработки технических средств, но и проведения ряда экспериментальных исследований, связанных с разработкой алгоритмов работы прибора и его испытаниями в реальных метеорологических условиях.
Объектом исследования в работе являются аэрозольные образования в нижней тропосфере и взаимодействие с ними оптического излучения.
Предмет исследования: методы дистанционного контроля высоты нижней границы облачности, принципы работы приборов, реализующих эти методы.
Целью диссертации является разработка аппаратно-программного комплекса контроля высоты нижней границы облачности в диапазоне от 15 м до 2000 м в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн с безопасным для глаз уровнем излучения.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ ограничений, присущих существующим системам контроля высоты нижней границы облачности;
2. Разработать схемы прибора контроля высоты нижней границы облачности исходя из условий минимальных габаритов и исключения использования общих оптических поверхностей излучателя и приёмного тракта при регистрации высоты нижней границы облачности в диапазоне от 15 м до 2000 м;
3. Разработать модель лидара для обоснования размеров элементов оптической схемы и выбора оптимальной базы между приёмопередающими каналами.
4. Разработать макет прибора контроля высоты нижней границы облачности;
5. Разработать методику юстировки макета прибора контроля высоты нижней границы облачности;
6. Разработать программу микропроцессора, которая занимается сбором, накоплением и первичной обработкой эхосигналов, по данным, полученным из аппаратных измерений с платы АЦП прибора контроля высоты нижней границы облачности;
7. Разработать программу обмена между прибором контроля высоты нижней границы облачности и компьютером, для передачи и быстрого сохранения полученных данных от прибора контроля высоты нижней границы облачности на ПК с целью дальнейшей обработки и расчета высоты нижней границы облачности;
8. Разработать программу определения высоты нижней границы облачности для обработки получаемых от прибора контроля высоты нижней границы облачности данных и выдачи обработанных результатов в текстовом и графическом виде;
9. Провести испытания разработанного макета прибора контроля высоты нижней границы облачности в условиях реальной атмосферы.
Научная новизна
1. Разработан лидарный программно-аппаратный комплекс контроля высоты нижней границы облачности, построенный по биаксиальной оптической схеме, с безопасным для глаз уровнем интенсивности инфракрасного лазерного диода с габаритными размерами 590x340x168 мм и массой 13,5 кг, позволяющий определять высоту нижней границы облачности с пространственным разрешением до 7,5 м в диапазоне от 15 м до 2000 м.
2. Экспериментально установлено, что предложенный метод снижения фона в сигнале лидарного программно-аппаратного комплекса контроля высоты нижней границы облачности, в котором на вход усилителя подается с противоположным знаком значение вычисленного ранее фона, обеспечивает
9 круглосуточное функционирование усилительного тракта без насыщения при
использовании широкополосного оптического фильтра.
3. Разработаны способ и устройство для калибровки созданного лидарного программно-аппаратного комплекса контроля высоты нижней границы облачности, содержащее нормализованную катушку оптоволокна и два коллиматора с юстировочными узлами, позволяющие производить калибровку и проверку функционирования лидарного программно-аппаратного комплекса контроля высоты нижней границы облачности в полевых условиях.
4. Показано, что метод определения высоты нижней границы облачности из лидарного сигнала, в котором за высоту нижней границы облачности принимается локальный максимум производной сигнала, позволяет восстанавливать информацию о высоте нижней границы облачности до 3 слоев облачности при соотношении сигнал-шум больше 10.
5. Разработан программный комплекс обработки лидарных сигналов, который позволяет получать, непрерывно накапливать и сохранять лидарные данные с частотой дискретизации 20 МГц, а также восстанавливать информацию о высоте нижней границы облачности из полученных данных, с учётом наклона прибора, высоты над уровнем земли.
Научная и практическая значимость работы
В рамках диссертации разработан и реализован в виде действующего макета лидарный программно-аппаратный комплекс контроля высоты нижней границы облачности с габаритными размерами не более 590x340x168 мм и массой изделия не более 13,5 кг, позволяющий определять высоту нижней границы облачности с пространственным разрешением до 7,5 м в диапазоне от 15 м до 2000 м.
Результаты исследования были использованы при выполнении проектов «Лазерные, оптические и акустические технологии дистанционного изучения атмосферы» № 121031500341, «Развитие фундаментальных основ новых
технологий обеспечения безопасности жизнедеятельности на основе интеграции мультимодальной радиоволновой и оптической дистанционной сенсорики, и искусственного интеллекта» № 075-15-2024-557, договора №331И/022-21.
Достоверность научных результатов
Результаты диссертации получены с использованием современного технического оборудования. Мощность излучения регистрировалась поверенным измерителем средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н. Спектры излучения регистрировались спектрометром Andor Shamrock 303 i (с разрешением 0,7 нм), с использованием световода Ocean Optics QP600-2-SR-BX. Изображения, полученные при юстировке, регистрировались видеокамерой HI-IPN200F10SW.
В работе использовались стандартные методы: анализ и синтез схемных решений, математическое моделирование геометрической функции прибора, измерение параметров геометрической функции в макете лидара, сопоставление результатов моделирования и эксперимента. Также о достоверности полученных результатов говорит их многократная воспроизводимость.
По результатам работы были сформулированы следующие защищаемые положения, выносимые на защиту:
1. Лидарный программно-аппаратный комплекс контроля высоты нижней границы облачности, построенный по биаксиальной оптической схеме, с лазерным диодом импульсной мощностью на уровне 70 Вт, длительностью импульса 35±5 нс, с центральной длиной волны близ 905 нм, позволяет определять высоты нижней границы облачности в диапазоне от 15-100 м с погрешностью ±10 м и в диапазоне 100-2000 м с погрешностью ±10 % при отношении сигнал/шум больше
10.
2. Схемное решение АЦП-ЦАП с замкнутой цифровой обратной связью для вычитания фоновой составляющей из сигнала лавинного фотодиода при применении оптического фильтра с полосой пропускания 25 нм, соотношении сигнал/фон более 0.00001, обеспечивает функционирование усилительного тракта облакомера без насыщения при регистрации высоты нижней границы облачности от 15 до 2000 м.
3. Программный комплекс обработки лидарных сигналов позволяет восстанавливать информацию о высоты нижней границы облачности в диапазоне от 15 до 2000 м, до 3 слоев облачности при соотношении сигнал-шум больше 10.
Личный вклад автора
Результаты, представленные в диссертации, составившие основу защищаемых положений, получены автором самостоятельно или при непосредственном участии. Автор принимал участие в изготовлении, разработке экспериментальных стендов для проведения исследований. Кроме того, автором выполнялась подготовка и проведение экспериментов, и обработка полученных результатов.
Апробация работы
Основные результаты диссертации были представлены на следующих конференциях и симпозиумах: X Международная школа молодых ученых «Физика окружающей среды» им. А.Г. Колесника. Россия, Томск, 2012; III Всероссийская научная конференция «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды», Санкт-Петербург, 2014; XXII Рабочая группа Аэрозоли Сибири, Томск, 2015; XXII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2016; XXIII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2017; XXIV Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2018; XXV Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Новосибирск, 2019; XXVI Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Москва, 2020; Х[Х Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Москва, 2023.
Публикации
Результаты диссертационной работы представлены в научной печати в рецензируемых статьях и докладах на научных конференциях.
Список работ состоит из 18 публикаций, из них 3 статьи входят в базы данных Scopus и WoS, 2 статьи опубликовано в научных журналах, включенных в перечень ВАК. Материалы диссертации представлены на 7 международных и всероссийских конференциях. Оформлено 2 патента на полезную модель и 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Структура диссертации
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна и практическая значимость.
В первой главе изложено современное состояние проблемы контроля высоты нижней границы облачности, систематизированы знания об атмосфере Земли, типах облаков, приведен обзор лидарных систем и методов контроля высоты нижней границы облачности, а также основные сведения о современных системах контроля высоты нижней границы облачности.
Во второй главе приведен анализ и выбор оптической схемы приборов контроля высоты нижней границы облачности, показана математическая модель для геометрического расчёта биаксиальной оптической схемы прибора контроля высоты нижней границы облачности, описан выбор элементной базы, конструкция разработанного прибора контроля высоты нижней границы облачности, а также процедуры юстировки и калибровки прибора контроля высоты нижней границы облачности.
В третьей главе описаны трудности обработки и приёма сигнала, при использовании полупроводниковых лазерных диодов в оптоэлектронных приборах, связанные с избыточным поступлением фонового излучения на вход прибора контроля высоты нижней границы облачности, приведен разработанный способ уменьшения фона в сигнале прибора контроля высоты нижней границы облачности.
В четвёртой главе описан разработанный программный комплекс для обработки лидарных сигналов и восстановления информации о высоте нижней границы облачности, приведены алгоритмы и используемые методы в программах для микропроцессора, передачи и обработки данных, и программы визуализации результатов расчетов высоты нижней границы облачности.
В заключении сформулированы выводы и перечислены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Купить

Разработан прибор контроля высоты нижней границы облачности, построенный по биаксиальной оптической схеме, с безопасным для глаз инфракрасным лазерным диодом с импульсной мощностью на уровне 70 Вт, длительностью импульса 35±5 нс, с центральной длиной волны близ 905 нм, позволяющий определять высоту нижней границы облачности с пространственным разрешением до 7,5 м в диапазоне от 15 м до 2000 м.
Предложено и создано схемное решение АЦП-ЦАП с замкнутой цифровой обратной связью для вычитания фоновой составляющей из сигнала лавинного фотодиода при применении оптического фильтра с полосой пропускания 25 нм, соотношении сигнал/фон более 0.00001, которое обеспечивает круглосуточное функционирование усилительного тракта без насыщения при использовании широкополосного оптического фильтра.
Установлено, что при использовании оптического фильтра шириной 25 нм и схемного решения уменьшения фона в сигнале, прибор функционирует при изменении уровня фона на 5 порядков.
Разработан программный комплекс обработки лидарных сигналов, который позволяет получать, непрерывно накапливать и сохранять лидарные данные с частотой дискретизации 20 МГц, а также восстанавливать информацию о высоте нижней границы облачности из полученных данных, с учётом наклона прибора, высоты над уровнем земли.
Показано, что метод определения высоты нижней границы облачности из лидарных сигналов, в котором за высоту нижней границы облачности принимается локальный максимум производной сигнала, превышающий пороговое значение, позволяет восстанавливать информацию о высоте нижней границы облачности до 3 слоев облачности при соотношении сигнал-шум больше 10.
Разработан способ и оптоволоконное устройство для калибровки созданного прибора контроля высоты нижней границы облачности.
104

Купить