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
Томск – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учрежде нии науки Институте мониторинга климатических и экологических систем Си бирского 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 со трудник, заведующий лабораторией раз мерного 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 универ ситете 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 «» _ 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 А.В.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.268.01 Филатов А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Атмосферные осадки являются одним из важней ших климатообразующих факторов, поэтому трудно переоценить важность по лучения 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 прогнозирова нии возможности возникновения опасных метеорологических явлений, таких как наводнения, сели, лавины, оползни. Территориальное распределение коли чества осадков определяет также условия изменения уровня рек, озер и водо хранилищ, 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 физи ки атмосферы, атмосферной оптики, при изучении распространения радиоволн в атмосфере (особенно, миллиметровых волн в приземных линиях связи), и др.
Параметры микроструктуры осадков применяются также для моделирова ния процессов эрозии почвы в агрометеорологии. Контроль микроструктуры осадков служит важной составляющей успешного решения некоторых при кладных задач. Например, организации стабильной наземной и спутниковой радиосвязи. Возможность получения сведений о текущем изменении парамет ров осадков важна для обеспечения безопасности движения воздушных и на земных 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 ра боте подразумеваются жидкие осадки, выпадающие в виде капель дождя в диа пазоне 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 со вершенные воплощения. Важно отметить, что в последнее время все более ши рокое распространение получили методы и приборы, основанные на оптиче ских принципах регистрации структурных параметров атмосферных осадков.
Начиная с 2004 г., Всемирная метеорологическая организация (ВМО) в своих отчетах отмечает эффективность применения оптических дисдрометров – опти ко-электронных приборов для измерения распределения частиц осадков по раз мерам 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 метеорологиче ских станций. Лидирующие позиции по созданию оптических приборов для из мерения 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 разви тию 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 долж ного развития. Следствием сложившейся ситуации является увеличение коли чества оборудования, приобретаемого за рубежом, что ставит целый ряд раз личных 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 дру гой стороны – проблемами, вызванными отсутствием соответствующих прибо ров 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 VII.66.1.2 (2010 2012 гг.): «Развитие физических методов и технических средств для монито ринга окружающей среды и обеспечения безопасности населения» и проекта VIII.80.2.2 (2012-2014 гг.): «Научные основы создания оптических, акустиче ских и электронных приборов, комплексов и систем для метеорологических из мерений и технологии их применения в задачах мониторинга окружающей сре ды» базовых программ СО РАН ведется работа по созданию и совершенствова нию приборов для измерения параметров окружающей среды, в том числе ос новных метеорологических величин и параметров атмосферных осадков.
Цель работы. Целью диссертационного исследования является разработка оптико-электронной схемы, алгоритмов работы и программных средств опти ческого двухканального измерителя осадков, работающего на основе метода получения и анализа теневых изображений частиц.
Задачи исследования:
1. Провести обзор существующих методов и приборов для измерения па раметров атмосферных осадков.
2. Разработать функциональную схему реализации метода получения и анализа изображений частиц осадков.
3. Создать экспериментальный образец оптико-электронного двухканаль ного измерителя осадков (ОДИО).
4. Разработать алгоритмы обработки результатов измерений и соответст вующих программных средств для ОДИО.
5. Провести теоретические и экспериментальные оценки технических ха рактеристик образца ОДИО.
6. Разработать средства интеграции ОДИО в состав автоматического ме теорологического 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 тене вых изображений частиц осадков, позволяющая проводить оценку интеграль ных параметров осадков на основе измерений размеров их отдельных частиц с минимизацией аэродинамической погрешности измерений, связанной с иска жением ветрового поля над осадкомером (получен патент РФ на полезную мо дель).
2. Разработаны и реализованы в виде программного обеспечения алгорит мы формирования и обработки измерительной информации ОДИО, обеспечи вающие 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 пере дачи измерительных данных ОДИО.
Практическая значимость работы. В результате проведенных исследо ваний создан экспериментальный образец ОДИО. Представлены результаты расчетов параметров его компонентов, алгоритмы формирования измеритель ной информации и расчета измеряемых параметров осадков. Разработано соот ветствующее программное обеспечение. Показано, что созданный прибор мо жет быть интегрирован в состав современного автоматического метеорологиче ского комплекса и информационно измерительной системы для сбора метеоро логической информации.
Достоверность научных результатов работы обеспечивается системати ческим характером исследований, сопоставлением полученных теоретических оценок с результатами различных экспериментов.
Внедрение. Результаты диссертационного исследования, созданные экспе риментальные образцы ОДИО и коммутационного контроллера передачи ме теорологических данных (GPRS-контроллер) с соответствующей программой для ЭВМ используются:
– ИМКЭС СО РАН (г. Томск) для реализации проекта VIII.80.2.2: «Науч ные основы создания оптических, акустических и электронных приборов, ком плексов и систем для метеорологических измерений и технологии их примене ния в задачах мониторинга окружающей среды»;
– ООО «Сибаналитприбор» (г. Томск) для проведения измерений парамет ров 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 об ласти экологии.
Акты внедрения приведены в приложении к диссертации.
Апробация работы. Результаты работы, вошедшие в диссертацию, доло жены 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» (Новорос сийск, 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 «Вод ные и экологические проблемы Сибири и центральной Азии» (Барнаул, 2012);
IV Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2012);
II Всероссийская научно-техническая конферен ции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013);
XIХ Ме ждународный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Барнаул, 2013).
Результаты исследований, а также разработанный экспериментальный об разец 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 Всероссий ского 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);
кон курс научных достижений молодых ученых Томской области (2013);
Междуна родная выставка «Оптические приборы и технологии – OPTICS-EXPO» (Моск ва, 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 пе ресечения двух плоских взаимно перпендикулярных оптических каналов, раз несенных по высоте на 5 мм, позволяет измерять интегральные параметры осадков с минимизацией ветрового недоучета, являющегося основной состав ляющей систематической погрешности стандартных измерителей осадков.
2. Разработанные алгоритмы обработки результатов измерений оптико электронного двухканального измерителя осадков, заключающиеся в формиро вании измерительной информации при считывании сигнала с фотоприемников и вычислении размеров осадков в диапазоне 0,58 мм, обеспечивают проведе ние расчетов интегральных характеристик жидких осадков.
3. Применение адаптивной измерительной площадки, размеры которой мо гут изменяться в диапазоне 125 см2 в зависимости от текущей интенсивности осадков, регулируя поток измерительной информации, обеспечивает возмож ность 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 опублико вано 26 работ, включая 7 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 па тент РФ на полезную модель и 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад диссертанта заключается в постановке задач, поиске спо собов их решений, разработке оптической и электрической схем прибора, раз работки методики и проведение калибровки, участии в процессе макетирования отдельных элементов прибора для проверки эффективности применяемых ме тодов и комплектующих, участие в разработке программного обеспечения, проведение исследовательских испытаний, разработке методики калибровки.
Создание экспериментального образца ОДИО выполнено коллективом сотруд ников лаборатории экологического приборостроения ИМКЭС СО РАН при не посредственном участии автора. Участие в постанове задачи, разработке фор матов данных и протоколов сопряжения GPRS-контроллера. Проведение тести рования системы передачи метеорологических данных.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 131 страницу, включая 55 рисунков, 14 таблиц и список ли тературы 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 ме тодологического и приборного обеспечения измерения параметров атмосфер ных осадков. Представлен обзор существующих методов и приборов для изме рения параметров атмосферных осадков. Выделены основные достоинства и недостатки традиционных и новых средств измерений. Особое внимание уде лено 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 основа нии данных о микроструктуре – интегральные характеристики осадков. Сделан вывод о перспективности развития оптических осадкомеров, проведено сравне ние основных характеристик существующих приборов.
Во втором разделе приведено описание этапов разработки эксперимен тального 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 крите рий эффективности была принята возможность максимально точного измере ния размеров частиц с минимальным использованием эмпирических зависимо стей и приближенных подходов при получении измерительной информации.
Таким образом, предпочтение было отдано методу получения и анализа тене вых изображений частиц осадков (рис. 1). Данный метод позволяет проводить измерения скоростей, размеров и форм частиц осадков. Выбор метода обосно вывается путем сравнения возможных источников погрешностей, которыми ог раничивается точность измерения существующих оптических осадкомеров.
Предложена новая схема реализации метода получения и анализа теневых изображе ний частиц осадков. Приво дятся принципы работы ОДИО. Основной задачей из мерительной схемы является регистрация горизонтальных размеров тени частицы по ме ре ее прохождения сквозь тонкий луч света. В качестве фотоприемника применяется линейный массив светочувст вительных элементов (линей ный сенсор). Происходит дей ствие, аналогичное сканиро Рис. 1. Восстановление формы и размеров ванию объекта, но при этом падающей частицы осадков источник света и приемник остаются неподвижными, а частица движется под действием силы тяжести. Для повышения точности измерений размеров и скоростей частиц осадков прово дится сканирование двумя из мерительными каналами. Та ким образом, два горизонтальных плоскопарал лельных пучка света от источ ников излучения попадают на два сенсора. Эти оптические каналы удалены друг от друга по вертикали на расстояние мм. Их проекции образуют Рис. 2. Схема оптико-электронного прямой угол в горизонтальной двухканального измерителя осадков плоскости, формируя в 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 затенен ных 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.
Значение уровня сигнала срабатывания компаратора, определя ющего границу свет тень, регулируется вручную с помощью подстроечного рези стора, смонтирован ного на плате каждого блока формирования измерительной инфор мации.
Ведущий блок передает сигнал о не прерывности своей ра боты и осуществляет выработку импульса синхронизации с ведо мым блоком 6. Син хронизация работы ка Рис. 3. Функциональная схема ОДИО: 1 – источник света;
налов позволяет изме 2 – линза;
3 – диафрагма;
4 – фотоприемник;
5 – блок форми рить время появления рования измерительной информации (ведущий);
6 – блок формирования измерительной информации (ведомый);
7 – ин- сигнала от частицы во втором канале после терфейсный модуль прохождения первого.
При отсутствии частицы во втором канале изображение, полученное в первом канале, игнорируется. В качестве блока вычисления и сбора данных приме няется 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 воз можных размеров и скоростей падения с высоким разрешением. Это высоко производительные линейные сенсоры (линейные ПЗС матрицы), имеющие 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 спо собности прибора при определении горизонтальных размеров частиц, значение частоты сканирования – разрешающую способность при определении верти кальных 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 (максималь ной поверхностной плотности зарядового пакета светочувствительных элемен тов линейного сенсора) при максимальных частотах сканирования. Кроме того, источник света должен обеспечивать возможность создания плоскопараллель ного пучка света с помощью простой для настройки оптической схемы. Пере численным требованиям удовлетворяет генератор линии LG-H650-8-5 с мощ ностью непрерывного излучения 8 мВт и длиной волны 650 нм. Напряжение питания 5 В и низкий рабочий ток ( 50 мА) обеспечивают возможность дли тельной работы от автономных источников питания.
Размеры измерительной площадки ОДИО выбирались на основании ряда критериев, основными из которых являются: 1) вероятность одновременной ре гистрации нескольких частиц осадков;
2) объем передаваемых измерительных данных;
3) чувствительность прибора. Измерительная площадка ОДИО форми руется пересечением двух горизонтальных плоскопараллельных лучей (измери тельных 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), превы шают размеры измерительной площадки. Измерительная площадь прибора рав на 25 см2, тогда как площадь горизонтального сечения регистрационного объе ма каждого канала составляет 125 см2. Вертикальный размер луча прибли зительно равен 1 мм, но его эффективная величина определяется высотой чув ствительной области линейного фотоприемника. Она располагается в макси муме интенсивности лазерного луча и составляет 0,0635 мм, что позволяет без потери точности дальнейших оценок считать измерительные каналы беско нечно тонкими.
Проведены расчеты вероятностей одновременной регистрации нескольких частиц осадков. Вероятность P одновременного нахождения k капель в регист рационном объеме подчиняется распределению Пуассона:
P(k ) = n k e n /(k!) = ( V ) k e V /(k!). (1) где – концентрация частиц, n – среднее число капель в регистрационном объ еме V, k – число капель, находящихся в регистрационном объеме с ве роятностью P.
Результаты вычислений представлены в табл. 1.
Таблица 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 Концентрация капель, м-3 570 1482 Вероятность P(1) нахождения капли в регистрационном объеме, % 4,74 11,39 20, Доля одновременных измерений двух капель P(2)/P(1), % 2,49 6,48 13, Доля одновременных измерений трех капель P(3)/P(1), % 0,04 0,28 1, Из таблицы видно, что измерительная система оптического осадкомера должна обеспечивать надежное одновременное измерение двух частиц. Разра ботанный экспериментальный образец ОДИО удовлетворяет данному требова нию. Доля возможного одновременного присутствия трех частиц даже при до жде экстремально высокой интенсивности составляет около 1%, что, в прин ципе, позволяет вообще исключить такую ситуацию из рассмотрения.
Выполнены оценки передаваемых данных и расчет максимальной интен сивности дождя, регистрируемого ОДИО. Показано, что пропускная способ ность около 200 кб/с с запасом обеспечивает регистрацию максимально воз можной интенсивности (2000 мм/ч) с учетом вероятностей одновременной ре гистрации нескольких капель.
Для расчета концентрации капель, которая соответствует интенсивности R = 2000 мм/час, необходимо проинтегрировать функцию распределения ка пель по диаметру (D). В качестве зависимости (D) применялась функция рас пределения Маршала-Пальмера:
( D ) = 0 e D, (2) где 0 = 0,08 см4 при любой интенсивности, а = 41R 0,21 см1, где R – ин тенсивность дождя в мм/час.
Расчет чувствительности ОДИО проводился при заданном размере изме рительной площадки (25 см2). Согласно требованиям ВМО, осадкомер должен обеспечивать регистрацию наличия жидких осадков с минимальной интенсив ностью 0,02 мм/час за время, не превышающее 30 секунд. Расчет показал, что требуемое количество капель гарантированно достигнет измерительной пло щади прибора, обеспечив регистрацию начала осадков, менее чем через 5 се кунд после начала дождя, что полностью удовлетворяет требованиям ВМО.
Основным источником систематических погрешностей любого осадкомера традиционной конструкции является ветровой недоучет. В первом разделе ра боты 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 изме рений. Решение проблемы ветрового недоучета достигается за счет высокой ветровой прозрачности ОДИО (по сравнению с осадкомерным ведром) и уда ленности элементов конструкции от измерительной площадки. Для оценки эф фективности предложенной конструкции в рамках данной проблемы, были проведен ряд численных экспериментов, целью которых было получение каче ственной оценки влияния элементов конструкции ОДИО на воздушный поток над измерительной площадкой.
Моделирование осуществлялось на персональном компьютере с использо ванием программного обеспечения SALOME Code-Saturne – открытой интегри руемой платформы для численного моделирования течения жидкостей и газов.
Для проверки степени соответствия построенной модели целям исследования было проведено моделирование обтекания стандартного осадкомера челночно го 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 ра ботами 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 моде лирования обтекания корпуса челночного осадкомера. Трехмерная геометриче ская модель ОДИО размещалась в модели течения горизонтального воздушного потока таким образом, что он направлялся строго вдоль одного из измеритель ных 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 – наклон ные стойки;
3 – пластина жесткости;
4 – горизонтальная рама жесткости;
5 – защитные корпуса источников и приемников излучения. На рис. 4, б представ лен результат моделирования обтекания конструкции ОДИО. Корпуса второй пары излучатель-приемник обозначены пунктиром для повышения наглядно сти.
Скорость потока существенно падает в областях за защитными корпусами, однако достаточно быстро восстанавливается, не образуя при этом областей за вихрений вблизи измерительной площадки и областей повышения скорости по тока 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;
выбран ное расстояние (250 мм) от источника до приемника излучения, определяющего длину оптических каналов, обеспечивает приемлемые аэродинамические харак теристики потока в области измерительной площадки.
а б Рис.4: а – модель ОДИО;
б – моделирование обтекания потоком конструкции В третьем разделе работы представлены результаты исследований, на правленных 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 инфор мации (5 и 6 на рис. 3) сигнала, получаемого с фотоприемников. Блок находит ся под управлением микроконтроллера ATmega1280, выполняющего специаль но разработанную программу. Программа регистрирует получение аналогового видеосигнала с выходов фотоприемника, проводит фильтрацию шумов элемен тов линейного сенсора, осуществляет управление преобразованием аналогового сигнала в бинарный код. Программа микроконтроллера также управляет пере дачей данных, содержащих в себе номера пикселей с переходом свет-тень и тень-свет, в интерфейсные USB модули. Далее информация поступает в ком пьютерную программу обработки измерительных данных ОДИО. Программа работает под управлением операционной системы Windows и осуществляет вы числение размеров частиц, их объемов и сумм осадков на основе разработан ных 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 измери тельной площадки. В блоке 4 производится вычисление размеров, скоростей частиц и их объемов. По этим данным здесь же вычисляются интегральные ха рактеристики 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 огра ничение 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 огра ничения по пропускной способности. Например, применяемый в текущей реа лизации прибора интерфейс USB имеет ограничение по длине кабеля 5 м.
Предложенная схема позволя ет за счет изменения ширины каналов непосредственно в процессе измерений адапти ровать величину измеритель ной 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 Рис. 6. Зависимость потока данных от размеров измерительной площадки для C ширины L каждого измери малой, средней, высокой и максимальной тельного канала для дождя интенсивности дождя интенсивностью 1 мм/ч, 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 эксперимен тального образца ОДИО и его интеграции в состав автоматического метеороло гического комплекса.
Поскольку оптические каналы прибора идентичны, а программная и аппа ратная обработка измерений происходит одинаково, основные характеристики прибора представлены циклом лабораторных и натурных измерений, проведен ных для одного измерительного канала.
Лабораторные испытания образца ОДИО заключались в получении разме ров сечений падающих сквозь измерительную плоскость калиброванных шари ков 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 раз меров не зависят от близости или удаления частиц от приемника или излучате ля в пределах измерительной площадки. Однако наблюдается явная зависи мость результатов от положения частиц относительно края измерительного ка нала. Для проверки и устранения влияния данного эффекта на результаты изме рений проведены дополнительные серии измерений. Измерительный канал был условно разбит на интервалы по 100 пикселей. В каждом из получившихся ин тервалов проведены измерения калиброванных шаров для подшипников сле дующих 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 отпуска лись в свободное падение над измерительной площадкой так, чтобы их центры проходили вблизи середины интервалов (±10 пикселей).
По оси абсцисс гра фика на рис. 7 отложены порядковые номера эле ментов линейного сен сора (пикселей), а по оси ординат – значения изме ряемых диаметров шаров.
Для каждого из 8 интер валов проведены измере ния 100 шаров всех ука занных выше диаметров.
Анализ результатов обработки измерений по казал, что основная по грешность определяется несовершенством опти Рис. 7. Зависимость размеров измеренных объектов ческой системы прибора от положения на измерительной площадке и оптимальным реше для измерительного канала нием этой проблемы на данном этапе является коррекция измерения размеров в зависимости от поло жения на измерительной площадке. Разработан предварительный вариант про цедуры проведения калибровки. Средние значения измеренных диаметров с учетом калибровочных коэффициентов составило соответственно: 1,10±0, 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, мм. Таким образом, относительная погрешность измерения частиц для отдель ных интервалов составляет порядка 5% для средних и крупных ( 2 мм) частиц и возрастает при уменьшении их размеров (1 мм и менее). Поскольку мелкие частицы осадков не вносят существенного вклада в интегральные характери стики жидких осадков, то влиянием на результат измерений можно пренебречь.
Следовательно, оценка погрешности измерения размеров частиц в 5% пред ставляется 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 па дающих частиц. Средняя погрешность определения размера по всем интерва лам линейного сенсора определялась по формуле:
nm D j Di, (3) D = n m i =1 j = где n – количество измерений (шаров различного диаметра) для данного интер вала, m – количество интервалов, D j – среднее значение измерений для ин тервала j, взятое по 100 измерениям, Di – 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 эф фективность применения разработанной процедуры калибровки ОДИО.
Для оценки точности измерения сумм осадков, были проведены измерения суммарных объемов серий капель, проходящих через измерительную площад ку. Погрешность измерения сумм осадков полученная в лаборатории рассчиты валась с учетом абсолютной погрешности измерений первоначального объема.
На основании анализа результатов обработки данных экспериментов, установ лено, 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 прово дились 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») представ лены 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, интен сивность 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 не которое количество крупных частиц (рис. 8, б). На рис. 8, в, г представлены из менения 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 ОДИО 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 мин (включая 5 минут измерений с помощью ОДИО), показали интенсивность около 13 мм/ч. Расхождение в показаниях измерителей объясняется изменени ем интенсивности осадков с течением времени.
а б в г Рис. 8. Результаты натурных испытаний ОДИО: а – распределение по размерам капель дождя малой интенсивности («дождь 1»);
б – распределение по размерам капель дождя средней интенсивности («дождь 2»);
в – изменение интенсивности для «дождя 1»;
г – из менение интенсивности для «дождя 2» При регистрации осадков с помощью ОДИО расчет интенсивности I за временя T и сумм осадков Q за время (T2-T1) проводился по формулам:
K V k k =, (4) I= ST T I, (5) Q= t T =T где K – количество капель, прошедшее за один временной интервал сквозь из мерительную площадь S, Vk – объем частицы.
На основании проведенных расчетов и результатов исследовательских ис пытаний экспериментального образца получены оценки основных характери стик ОДИО, которые представлены в табл. 2.
Таблица Основные характеристики ОДИО Характеристика Значение Изменяемая – 25 см2 и менее Измерительная площадь 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% Не менее 2·10-5 мм Чувствительность по количеству выпавших осадков Рабочий диапазон температур От -20 °С до +60 °С 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 по мощью ОДИО. Данный комплекс способен функционировать в модификации мобиль ного (рис. 9) или стационарного поста сети удаленных измерительных станций с воз можностью сбора и анализа метеорологиче ской информации и передачей ее конечному пользователю. На примере созданной в Рис. 9. Мобильный пост измерения ИМКЭС СО РАН информационно измери метеорологических параметров на тельной системы (ИИС), показана возмож основе АМК- ность создания сети измерительных постов с возможностью контроля параметров атмосферных осадков. Для передачи ме теорологической информации разработаны алгоритмы работы и программное обеспечение для GPRS-контроллера, который осуществляет связь измеритель ного комплекса в режиме реального времени через Интернет с помощью встро енных в него интерфейсов связи Ethernet и GSM-GPRS модема (беспроводная передача данных).
В заключении представлены основные результаты диссертационной рабо ты:
1. На основе проведенного анализа современного состояния приборного обеспечения задачи измерения параметров атмосферных осадков сделан вывод, что наиболее перспективным развитием этих средств измерения является раз работка и создание оптико-электронных осадкомеров на основе метода получе ния 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 алгорит мы преобразования оптического сигнала с выходов линейного сенсора в изме рительную информацию, содержащую номера затененных пикселей для каждо го акта сканирования линейного сенсора.
5. Реализованы в виде программного обеспечения алгоритмы обработки из мерительной информации ОДИО для вычисления параметров жидких осадков:
размеров капель, интенсивностей и сумм.
6. На примере АМК-03 показана возможность интеграции ОДИО в состав ав томатического метеорологического комплекса, представлены средства переда чи метеорологической информации в режиме реального времени удаленному клиенту по сети Интернет.
7. Проведенные в данный работе исследования, ориентированные на измере ния жидких осадков, не исключают рассмотрения других видов атмосферных осадков (снег, град) в качестве объектов измерения ОДИО. Дальнейшие иссле дования будут направлены на совершенствования прибора с возможным изме нением 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 / А.А.
Азбукин, В.В. Кальчихин, А.А. Кобзев и др. // Приборы и техника экспери мента. – 2010 – № 4. – С. 166.
2. Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А., Тихомиров А.А.. Оптико электронный двухканальный измеритель осадков // Оптика атмосферы и океана. – 2011. – Т. 24, №11. – С. 990-996.
3. Автоматические метеостанции АМК-03 и их модификации / А.А. Азбукин, А.Я. Богушевич, А.А. Кобзев др. // Датчики и системы. – 2012. – № 3. – C.
47-52.
4. Богушевич А.Я., Корольков, Кобзев А.А., В.А., Тихомиров А.А. Региональ ная информационно-измерительная система для непрерывного мониторинга атмосферного приземного слоя и прогноза опасных метеорологических яв лений // Геоэкология. инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. – 2012. – № 5. – C. 398–405.
5. Кобзев А.А. Использование лазера в оптико-электронном осадкомере // Изв.
вузов. Физика. – 2012. – Т. 55, №9/2. – С. 130-131.
6. Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А., Тихомиров А.А. К выбору размера измерительной площадки двухканального оптического осадкомера // Оптика атмосферы и океана. – 2013 – Т. 26, № 2. – C. 155-159.
7. Оптико-электронный блок измерения параметров осадков / А.А. Азбукин, В.В. Кальчихин, А.А. 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 А.А., Кальчи хин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А. № 2012100082/28;
заявл. 10.01.2012;
опубл. 27.08.2012, Бюл. № 24. – 1 с.
9. Азбукин А.А., Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А. Программа для коммутационного контроллера передачи метеоданных. Роспатент. Свиде тельство № 2010617521 от 13.11.2010.
10. АМК-СОФТ-4. / А.А. Азбукин, В.В. Кальчихин, А.А. Кобзев, и др. Роспа тент. Свидетельство № 2010614244 от 30.10.2010.
11. Азбукин А.А., Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков. Программа пер вичной обработки сигналов для блока измерений оптико-электронного осадкомера. Роспатент. Свидетельство № 2013614576 от 16.05.2013.
12. Приборное обеспечение измерения параметров атмосферных осадков. Со временное состояние / В.В. Кальчихин, Кобзев А.А. и др.;
Изв. вузов. Физи ка. – Томск, 2009. – 11 с. – деп. в ВИНИТИ 16.12.09, № 802-В2009.
13. Реализация передачи телеметрических данных в метеорологической инфор мационно-измерительных системе / А.А. Азбукин, В.В. Кальчихин, А.А.
Кобзев и др. // Докл. 7-го Всерос. симп. «КОСК-2010». – Томск: Аграф Пресс, 2010. – C. 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 Engineer ing Survey for Territory Protection and Population SafetyDelegate Papers. – Moscow, 2011. – р. 432-436, электрон. опт. диск (CR-ROM).
15. Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А., Тихомиров А.А. Лазерный дисдрометр // Тр. XIX Междунар. конфер. «Лазерно-информационные тех нологии в медицине, биологии и геоэкологии». – Новороссийск: Вариант, 2011. – C. 17-18.
16. Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А., Тихомиров А.А. 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 А.А., Корольков В.А., Тихомиров А.А. Новый оп тико-электронный измеритель осадков // Материалы Рос. конф. IX Сибир ское совещание по климато-экологическому мониторингу. – Томск: Аграф Пресс, 2011. – C. 307-309.
18. Тихомиров А.А., Богушевич А.Я., Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А. Реализация территориально-распределенной информационно измерительной системы на основе автоматических метеостанций АМК- для мониторинга и прогнозирования опасных метеорологических явлений // Сб. тр. XI Всерос. конф. с уч. иностр. ученых «Проблемы мониторинга ок ружающей среды». – Кемерово: КемГУ, 2011. – C. 377-381.
19. Кобзев А.А. Оптимизация размера измерительной площадки оптико электронного осадкомера [Электронный ресурс]: Сб. тр. XVIII междунар.
науч. пр. конф. «Современные техника и технологии». – Томск: ТПУ, 2012.
– С. 209-210, электрон. опт. диск (CR-ROM).
20. Современный осадкомер: Практическая реализация и перспективы развития / А.А. Азбукин, В.В. Кальчихин, А.А. Кобзев и др. // Тр. Всерос. конф. с междунар. уч. «Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии». – Барнаул: Пять плюс, 2012 – Т.3. – С.3-7.
21. Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А., Тихомиров А.А. Лазерный дисдрометр. Лабораторные испытания // Тр. XX Междунар. конф. «Лазерно информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии». – Новороссийск: Вариант, 2012– C. 17-18.
22. Азбукин А.А., Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А., Тихомиров А.А. Оптико-электронный измеритель осадков. Экспериментальный образец // Материалы симп. «КОСК-2012». –Томск: Аграф-Пресс, 2012. – C. 50-52.
23. Богушевич А.Я., Корольков В.А., Кобзев А.А., Тихомиров А.А. Корреляци онные свойства метеорологических полей в приземной атмосфере по дан ным пространственной сети ультразвуковых метеостанций // Материалы симп. «КОСК-2012». – Томск: Аграф-Пресс, 2012. – C. 174-175.
24. Кальчихин В.В. Кобзев А.А., Тельминов А.Е. Решение проблемы ветрового недоучета с помощью оптического осадкомера // Сб. науч. тр. II Всерос. на уч. техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов с междунар. уча стием «Высокие технологии в современной науке и технике». – Томск:
ТПУ, 2013. – Т.1. – C. 328-332.
25. Богушевич А.Я., Корольков В.А., Кобзев А.А., Тихомиров А.А. Региональ ная 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 оптиче ским осадкомером / А.А. Азбукин, В.В. Кальчихин, А.А. Кобзев и др.: сб.
докл. XIX Междунар. симп. «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосфе ры» [Электронный ресурс]. – Томск: ИОА СО РАН, 2013. 1CD-ROM.
С. 174-177.