ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В АТМОСФЕРЕ. СПОСОБЫ И
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЯРКОСТИ 7
1.1. Распространение света в атмосфере 7
1.1.1. Поле излучения и поток излучения 7
1.1.3. Уравнение переноса излучения. Закон Бугера-Ламберта-Бера 9
1.1.4. Взаимодействие излучения со средой 9
1.2. Аэрозоль и его классификация 10
1.5. Понятия яркость, альмукантарат. Основные способы и методы измерения яркости 12
1.5.2. Способы и методы измерения светового потока 14
1.5.3. Метод измерения яркости с помощью силы света 16
1.5.5. Метод измерения яркости с помощью фотометрических приборов 18
1.6. Постановка задачи 18
ГЛАВА 2. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ЯРКОСТИ НЕБА И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ 20
2.1. Аналогичные устройства для измерения яркости неба 20
2.2. Разработка технического задания для устройства измерения яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца 25
2.3. Проектирование функциональной схемы фотометра 26
2.4. Выбор элементной базы для устройства измерения яркости неба в
альмукантарате и вертикале Солнца 27
2.4.2. Микроконтроллер 27
2.4.3. Обзор фотодатчика 29
2.4.5. Инфракрасный датчик температуры 32
2.4.6. Выбор внешнего носителя информации, датчика дождя и часов реального времени 33
ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИБОРА ДЛЯИЗМЕРЕНИЯ ЯРКОСТИ НЕБА В АЛЬМУКАНТАРАТЕ И ВЕРТИКАЛЕ СОЛНЦА 37
3.1. Разработка схемы электрической принципиальной для устройства
измерения яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца 37
3.1.1. Система питания для устройства измерения яркости неба в
альмукантарате и вертикале Солнца 37
3.1.2. Подключение анализаторов спектра AS7262 и AS7263 к плате
микроконтроллера 39
3.1.3. Подключение модуля часов реального времени, слота внешнего
носителя информации, ИК датчика температуры и датчика дождя 41
3.1.4. Подключение светодиодов к плате микроконтроллера 42
3.2. Принцип работы схемы электрической принципиальной 43
3.3. Алгоритм работы программы микроконтроллера фотометра 45
3.4. Проверка работоспособности прототипа фотометра 46
3.5. Технические характеристики прототипа устройства измерения яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 51
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 54
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 55
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 56
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 68
Изменение состояния атмосферы не перестает тревожить общественность и умы ученых-экологов. Взвешенные в атмосфере частицы, называемыми аэрозолями, являются существенным фактором, влияющим на метеорологические условия, изменение климата и множество других проблем атмосферы. Большое количество таких частиц образуется в ходе производственной деятельности человека, соответственно, за количеством и природой веществ, находящихся в атмосфере нужно вести наблюдение и контроль [1]. Если получить довольно точные данные о яркости неба в безоблачной атмосфере, можно судить о характере вещества, находящегося в атмосфере, о его количествах и свойствах. Помимо этого, благодаря собранным данным о яркости неба возможно определение таких немаловажных параметров атмосферы, как толща рассеяния, толща поглощения, индикатриса рассеяния т.д. Группа преподавателей Алтайского государственного университета в содружестве с учеными из Института водных и экологических проблем СО РАН занимаются разработкой различных методик по определению атмосферных параметров и характеристик с помощью данных о яркости неба в безоблачной атмосфере. Соответственно, существует потребность оперативного сбора данных о яркости неба. Измерения яркости неба в области альмукантарата производятся по причине того, что данные из этой области способствуют упрощению определения атмосферных параметров.
Для получения достоверных данных о пространственно-временном изменении атмосферных компонентов формируются глобальные и региональные измерительные сети [2]. Наиболее развитой сетью мониторинга атмосферного характеристик является сеть AERONET (AErosol RObotic NETwork). Проект представляет собой федерацию наземных аэрозольных сетей дистанционного зондирования, созданных NASA и PHOTONS [3]. Для получения данных о яркости неба они используют свои солнечные фотометры и предоставляют всю информацию в общедоступную сеть. Можно воспользоваться этой сетью для получения данных о яркости неба, однако, фотометры AERONET размещены в немногих местах земного шара и собранных ими данных о яркости неба может быть недостаточно. Также приобрести в собственное пользование фотометр сети AERONET задача довольно сложная [4].
Из вышесказанного можно сделать вывод, что существует необходимость и потребность в разработке устройства для оперативного сбора данных о яркости неба. Таким образом целью данной работы является разработка устройства для измерения яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца.
В ходе выпускного квалификационного проекта была рассмотрена теория прохождения света, поставлена задача и определен способ измерения яркости. Произведен обзор аналогичных устройств измерения яркости неба. В связи с поставленной задачей разработано техническое задание для устройства измерения яркости неба в альмукантарате и вертикале Солнца. Спроектирована функциональная схема и произведен выбор конечного списка используемых компонентов, удовлетворяющих требованиям технического задания. Также на основе всего вышеперечисленного была разработана схема электрическая принципиальная.
Реализована аппаратная часть, для которой разработана система питания фотометра и разработан согласовывающий интерфейс для связи с системой наведения на Солнце.
Для программной части был разработан алгоритм работы программы и написан код, зашитый в плату микроконтроллера. Программно реализован энергосберегающий режим для фотометра. Программно разработана обработка ошибочных данных.
В результате разработан прототип устройства для измерения яркости неба, обладающего характеристиками, которые удовлетворяют требованию технического задания:
• номинальные длины волн измерительных каналов видимой области спектра: 450, 500, 550, 570, 600, 610, 650, 680 нм;
• номинальные длины волн измерительных каналов ближней ИК области спектра: 730, 760, 810, 860 нм;
• ширина спектра чувствительности для видимой области спектра: 50 нм;
• ширина спектра чувствительности для ближней ИК области спектра: 20 нм;
• время беспрерывной работы: 20-25 дней;
• продолжительность серии измерений: 10-20 секунд;
• емкость носителя информации: 2 Гб;
• напряжение питания: 7 В;
• диапазон рабочих температур: -30 - +40 Со.
Спроектирован корпус для прототипа устройства измерения яркости неба. Проведена проверка работоспособности прибора, которая показала, что устройство соответствует поставленной задаче.
Поставленные задачи выпускной квалификационной работы достигнуты.
