Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и средства определения высоты нижней границы облачности 11
1.1. Классификация и физико-математические основы существующих методов определения высоты нижней границы облачности 11
1.2. Сравнительный анализ методов определения высоты нижней границы облачности 22
1.3. Средства измерения высоты нижней границы облачности 28
1.4. Сравнительный анализ средств измерения высоты нижней границы облачности 30
Выводы к Главе 1 36
Глава 2. Моностатический метод определения высоты нижней границы облачности 39
2.1. Физико-математические основы моностатического метода измерения высоты нижней границы облачности 40
2.2. Влияние кривизны Земли и оптических параметров атмосферы на точность измерений 47
2.3. Методика и алгоритм определения высоты нижней границы облачности 52
2.4. Условия и критерии получения достоверных результатов измерений высоты нижней границы облачности 58
Выводы к Главе 2 60
Глава 3. Макет оптико-электронного измерителя 62
3.1. Обоснование выбора варианта исполнения макета оптико-электронного измерителя 62
3.2. Технические характеристики макета оптико-электронного измерителя 65
3.3. Метрологические характеристики макета оптико-электронного измерителя 77
Выводы к Главе 3 84
Глава 4. Экспериментальное исследование макета оптико-электронного измерителя и анализ полученных данных 86
4.1. Условия проведения экспериментального исследования макета оптико электронного измерителя 86
4.2. Анализ результатов измерений высоты нижней границы облачности 88
Выводы к Главе 4 92
Заключение 93
Список использованных источников
- Сравнительный анализ методов определения высоты нижней границы облачности
- Влияние кривизны Земли и оптических параметров атмосферы на точность измерений
- Технические характеристики макета оптико-электронного измерителя
- Анализ результатов измерений высоты нижней границы облачности
Сравнительный анализ методов определения высоты нижней границы облачности
Используя формулы (1.1) - (1.3) можно достаточно точно, с отклонением 10-20 % от фактического значения (как правило, в сторону занижения), определять минимально возможную высоту НГО для облаков вертикального развития. Метод легко реализуется на ЭВМ, вследствие чего часто используется в математических моделях атмосферы [25].
Современное развитие оптико-электронной и вычислительной техники, а также методов обработки и распознавания изображений предопределило появление пассивного бистатического метода измерения высоты НГО [26, 27], в котором для определения высоты НГО используются два оптико-электронных приёмника со стандартными оптическими системами. Принцип работы данного метода заключается в том, что, наблюдая один и тот же фрагмент облачности с двух пространственно разнесенных оптико-электронных приёмников, вычисляют углы визирования (или отклонения от вертикали) и методом триангуляции вычисляют высоту наблюдаемого фрагмента облачности. В [28, 29] используются пары приборов кругового обзора неба Total Sky Imagers (TSI), имеющие в своем составе цифровые фотоприемники со стандартными оптическими системами и подвижные полусферические зеркала диаметром 400 мм с нанесен ными на них солнечными блендами [30].
Шаропилотный метод измерения высоты НГО относится к пассивным методам определения высоты НГО и применяется при балле облачности от 5-ти до 10-ти (для максимального исключения вероятности попадания шар-пилота в просвет между облаками). Может применяться как визуальное определение момента исчезновения видимости шар-пилота с помощью теодолита, так и с помощью специальных облакомеров, закрепленных на шар-пилоте, и работающих на фотоэлектрическом или электротехническом принципах [18, 22, 31]. Для этого шар-пилот наполняют гелием или водородом, определяют его вертикальную скорость подъема (порядка 325-ти м/мин) и отпускают в свободный полёт. Замеряя с помощью секундомера время, которое требуется шар-пилоту для достижения облачности, определяют высоту НГО по формуле h = vr, (1.4) где v - вертикальная скорость шар-пилота, м/с; т - время, с. В зависимости от силы ветра, высоты и вида облаков, могут применяться тёмные и светлые оболочки шаров-пилотов объёмом 10, 20 или 30 л. Для наблюдения в тёмное время суток к шар-пилоту прикрепляют небольшой источник света.
Одним из первых среди активных методов определения высоты НГО был прожекторный метод. В нем в качестве носителя информации используется световой луч, сформированный с помощью мощного источника света [18, 21, 32]. Луч прожектора направляют вертикально вверх и с расстояния 150-500 м, называемого базой, измеряют угол наблюдения светового пятна. Затем, методом триангуляции по формуле h = sga, (1.5) где s - расстояние от прожектора до угломерного устройства, м; а - угол, под которым виден центр светового пятна на облаке, град; или по таблицам для определения высот облаков, определяют высоту НГО.
На смену прожекторному методу появился, и до сих пор имеет широкое применение, светолокационный метод [18, 22, 33], заключающийся в измерении временного промежутка, пропорционального удвоенной высоте НГО, между моментами излучения и приёма отражённого от облака светового импульса по формуле т - время, с. Передатчик посылает световые импульсы с частотой от 1 до 20 Гц, создаваемые импульсной лампой, вертикально вверх. Приемник, расположенный на расстоянии 8-12 м от передатчика, принимает отражённый световой импульс. В качестве чувствительного элемента обычно используют ФЭУ.
Радиолокационный метод в настоящее время является наиболее эффективным для получения различной метеорологической информации, связанной с облачностью [2, 22]. Различают активную метеорологическую радиолокацию с использованием переизлучения и пассивную с использованием собственного излучения (теплолокация). Кроме информации о высоте НГО, радиолокационный метод позволяет определять пространственное распределение облаков, их водность, а также пространственное распределение осадков и их интенсивность. Принцип радиолокации заключается в регистрации излучаемой или переизлучаемой метеорологическим объектом электромагнитной энергии в диапазоне СВЧ. Например, метеорологический радиолокатор МРЛ-5 работает на двух каналах с частотами колебаний 9595 и 2950 МГц. Характеристики принятого сигнала зависит от расстояния до объекта и от его свойств. Применяя активную радиолокацию достаточно просто определить расстояние до объекта, т.к. скорость распространения электромагнитного излучения является известной величиной.
Физические принципы лидарного метода (LIDAR - Light Detection And Ranging) аналогичны активному радиолокационному методу и отличаются от последнего длинами волн электромагнитного излучения (от видимого до ИК диапазона) и малым углом расходимости излучаемой энергии [2, 22, 33-35]. Отраженный от облака световой импульс, излучаемый ОКГ через объектив передатчика, принимается ФЭУ. Полученный интервал времени, необходимый световому импульсу для прохождения прямого и обратного расстояния между измерителем и НГО, переводится в информацию о высоте облачности.
Принцип работы спутникового метода измерения высоты НГО основан на измерении высоты верхней границы облачности (или отдельных облаков) с последующим вычитанием толщины облачности. Первый параметр получается путем сопоставления углов наблюдения верхней границы облачности с нескольких спутников. Для получения второго параметра используются различные приборы как наземного, так и спутникового базирования [36].
Влияние кривизны Земли и оптических параметров атмосферы на точность измерений
По условиям эксплуатации ОЭИ, наиболее сложными являются наблюдения через земную атмосферу, которая сильно искажает полезный оптический сигнал [16]. При этом значительную часть искажений вносятся кривизной Земли и рефракцией.
За форму Земли принимают геоид, т.е. такую фигуру, которая образована уровневой поверхностью (средним уровнем) океана. Вследствие неравномерного распределения массы внутри Земли, поверхность геоида образует эллипсоид вращения (сфероид) с малой полуосью вращения. Согласно исследованиям Ф. Н. Красовского и А. А. Изотова [3, 69], большая (экваториальная) полуось земного эллипсоида (эллипсоида Красовского) равна а = 6 378 245,000 м, а малая полуось Ь = 6 356 863,019 м. Ввиду малого полюсного сжатия эллипсоида для широкого спектра задач форму Земли принимают за шар с радиусом в 6 371 210 м [3,38, 69].
В картографии, под влиянием кривизны Земли, точки местности на аэро фотоснимке смещаются по направлению к точке надира. Для компенсации такого смещения используется следующая формула [69]:
Для оценки влияния кривизны Земли при определении высоты НГО, рассмотрим рис. 2.4. В случае определения высоты точки А, находящейся строго на вертикали от точки наблюдения С, её высота h будет равна измеренному расстоянию до точки А. Высота h точки В, имеющей некоторое смещение относительно вертикали от точки наблюдения С, уже не будет равна измеренному расстоянию а.
Рассмотрим треугольник ОСВ на рис. 2.4. По теореме косинусов имеем (R + h)2 =(R +1)2 +а2 -2(R + l)-a- cos(180 - a), (2.20) где R - радиус земного шара (6 371 210 м); h - высота точки В над поверхностью земного шара; / - высота точки наблюдения С над поверхностью земного шара; а - расстояние от точки наблюдения С до точки В, определяемое выражением (2.12); а - угол отклонения линии наблюдения точки В от вертикали из точки С. Из (2.20) получаем, что с учётом влияния кривизны Земли, высоту НГО можно определять по следующей формуле h = -\а2 +(R +1)2 -2(R + l)-a-cos(180-a)-R. (2.21)
Так как описываемый метод измерения использует некоторые допущения, требуется проанализировать их влияние на точность оценки высоты НГО. Первое допущение заключается в том, что определение горизонтальных размеров измеряемых фрагментов нижней облачности происходит в двумерной о
Влияние кривизны Земли плоскости изображений, тогда как реальная облачность обладает трехмерной пространственной структурой и имеет сферичность в своем основании. То есть, фактически происходит измерение расстояния до середины хорды BD (рис. 2.4), являющейся проекцией дуги BD на изображениях фрагментов облачности, что вызывает абсолютную ошибку измерения высоты НГО Аа, равную высоте сегмента АА Aa = 2-(R + h)-sm2 -. (2.22)
Принимая во внимание, что радиус Земли много больше измеряемой высоты (R»h), а зависимость между углами /? и а имеет вид можно полностью пренебречь данным допущением. Так, для значений угла наблюдения а=10 и высоты НГО /2=1000 м, согласно (2.23), имеем /?=0,00154. Тогда, из (2.22) следует, что значение ошибки А з = 0,023- м, что составляет менее 0,003 % от измеряемой высоты h.
Вторые допущение в предлагаемом методе заключается в использовании понятия плоскопараллельной атмосферы. Кроме кривизны Земли, на точность измеряемых значений высоты НГО оказывают влияние оптические параметры атмосферы. Рефракция оптического луча - это искривление траектории луча света в неоднородной атмосфере, в которой давление атмосферы изменяется нелинейно с увеличением высоты [3]. Атмосферной (или земной) рефракцией называется явление видимого изменения положения предмета в атмосфере при наблюдении его с поверхности Земли. Из-за сферичности атмосферы зенитный угол направления луча света относительно вертикали к поверхности Земли непрерывно меняется вдоль хода луча.
Применение оптико-электронных приборов в задачах оптического мониторинга атмосферы подразумевает перенос оптического сигнала в земной атмосфере от объекта наблюдения до приемника на достаточно большие расстояния. При этом неизбежно взаимодействие оптического сигнала с различными компонентами атмосферы, такими как атмосферные газы, аэрозоли, регулярные и турбулентные неоднородности показателей преломления. К тому же, данные компоненты могут изменяться в широких пределах в зависимости от метеоусловий. Атмосферные оптические помехи могут быть мультипликативными, вызываемыми взаимодействием оптического сигнала с атмосферой, и аддитивными фоновыми, вызываемыми собственным излучением атмосферы и Земли или рассеянием оптического излучения от Солнца, Луны, подстилающей поверхности и т.д. [16]. Основными видами оптических помех являются энергетическое ослабление оптического излучения, временная и пространственная модуляция оптических сигналов, а также атмосферные фоновые помехи, существующие независимо от оптического сигнала. Для эффективного выделения полезного сигнала на фоне помех применяются корреляционные методы, например, метод линейной фильтрации сигналов, направленный на оптимизацию отношения сигнал-шум или на уменьшение среднеквадратической ошибки для полезного сигнала, и статистические методы обработки сигналов, основанные на статистическом описании сигналов в терминах вероятностных распределений. Кроме того, исключение или компенсация таких помех достигается применением разнообразных оптических моделей атмосферы, а также оперативным определением и учетом оптических параметров атмосферы.
В работе [71] показано, что линейность и инвариантность оптических систем позволяет рассматривать атмосферную среду как отдельный элемент всей системы наблюдения, характеризующийся своей ОПФ, которая является Фурье-образом ФРТ среды. При этом, несмотря на монотонное ухудшение ОПФ среды, связанное как с увеличением расстояния до измеряемого объекта, так и с ухудшением метеорологической дальности видимости, качество передачи изображения может как монотонно ухудшаться, так и монотонно улучшаться или носить экстремальный характер.
Учитывая, что радиус Земли много больше толщины атмосферы и сред-неквадратическая ошибка определения атмосферной поправки AS в измеренную дальность на малых (до 5000 м) высотах для однородной атмосферы в зависимости от зенитного угла наблюдения составляет от 0,6 до 153 мм [72], влиянием земной рефракции и оптических атмосферных помех на точность измерений можно пренебречь [2, 3]. При этом атмосфера принимается плоскопараллельной, где излучение распространяется прямолинейно и зенитный угол любого луча имеет постоянную величину.
Технические характеристики макета оптико-электронного измерителя
В качестве системы ввода аналогового телевизионного сигнала в ПК использовалось многовходовое устройство ввода телевизионного изображения SG-P4 фирмы АМЕ Optimedia Technology Co., Ltd. (Taiwan, R.O.C.) [113]. Основные характеристики SG-P4 приведены в таблице 3.5. В таблице 3.6 даны характеристики используемого ПК.
Метрологические характеристики позволяют судить о пригодности сред ства измерения (СИ) для выполнения измерений в необходимом диапазоне и с требуемой точностью. К таким характеристикам СИ относятся [114]:
Положим, что измерения высоты НГО проводятся вертикально с поверхности Земли, т.е. для выражения (2.21) высота точки наблюдения / = 0 м и угол отклонения линии наблюдения а = 0. В таком случае выражение (2.12) является номинальной функцией передачи макета ОЭИ, т.е. приписанной средству измерения идеальной функцией, для которой коэффициент подобия разномасштабных изображений Ку есть входная величина, а расстояние а до ИФО - выходная величина. На практике применять такую идеальную функцию невозможно, т.к. в ней не учитываются реальные характеристики измерительной системы. Другой причиной является невозможность определения положения и, как следствие, точного совмещения передних главных плоскостей объективов в виду неразборной конструкции телевизионных камер для данного варианта реализации макета ОЭИ. Поэтому для практических измерений используется градуировочная характеристика, показывающая экспериментально полученную зависимость между входными и выходными значениями измерительной системы. Градуировка макета ОЭИ проводилась путем сопоставления коэффициентов подобия изображений облачности с известными значениями высот и минимальными уровнями конденсации, рассчитанными по формуле Ипполитова (1.2) (по данным об облачности и относительной влажности метеообсерватории ИМКЭС СО РАН за период с 1-го июня по 31 августа 2010 г), в диапазоне высот от 500 до 1500 м в соответствии с рекомендациями, изложенными в [115— 118].
Для оценки предельной систематической погрешности измерительной системы была получена гиперболическая регрессия ее градуировочной характеристики
Средняя ошибка аппроксимации и индекс детерминации составили Аср = 2,09 % и R = 99,46 % соответственно, что свидетельствует о хорошем подборе уравнения регрессии (3.1) к исходным данным. Графики градуировочной характеристики макета ОЭИ и ее гипреболической регрессии представлены на рис. 3.6.
Зная аналитическое выражение градуировочной характеристики, абсолютную систематическую погрешность измерительной системы можно определить как
Согласно полученным значениям регрессии градуировочной характеристики (3.1), приведенным в таблице Приложения 2, систематическая погрешность макета ОЭИ не превышает 5% в диапазоне высот от 500 до 1000 м и 10% в диапазоне высот от 1000 до 1500 м при абсолютной погрешности определения коэффициента подобия изображений АКУ = 0,0005.
Чувствительность СИ представляет собой отношение приращения выходной величины к соответствующему приращению входной величины. Применительно к макету ОЭИ, чувствительность может быть найдена следующим образом:
Градуировочная характеристика макета ОЭИ (красная сплошная линия) и ее гиперболическая регрессия (синяя пунктирная линия) Величина, обратная чувствительности КУ является разрешающей способностью макета ОЭИ и определяет цену деления его шкалы. Графики функции чувствительности и разрешающей способности макета ОЭИ приведены на рисунках 3.7 и 3.8, а их численные значения - в приложении 2.
Порогом чувствительности измерительной системы является такое минимальное значение измеряемой величины, которое может вызвать какое-либо изменение выходной величины. Т. к. гипербола (3.1) имеет асимптоты х = 1,195 и у = 85, то минимальное значение коэффициента подобия изображений Kymin = 1,195.
В третьей главе приведено обоснование выбора варианта исполнения макета измерительной системы, позволяющего реализовать предлагаемый моностатический метод измерения высоты нижней границы облачности. Из нескольких вариантов исполнения, доступных по стоимости и составу оборудования, выбор был остановлен на варианте с двумя черно-белыми телевизионными ПЗС камерами всепогодного исполнения с фиксированными объективами.
С целью минимизации ошибок при определении высоты НГО, в телевизионных камерах оптико-электронного измерителя применяются объективы типа триплет апохромат с исправленными сферическими и сферохроматическими аберрациями и с минимальной остаточной хроматической аберрацией. Фокусные расстояния объективов (16 мм и 12 мм при относительных отверстиях F2,5 и F2,2 соответственно) выбирались таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия для измерений в заданном диапазоне высот. Для оценки общей разрешающей способности макета оптико-электронного измерителя для обоих каналов приводятся функции передачи модуляции, представляющие собой зависимость глубины модуляции от пространственной частоты. Также приводятся электронно-оптические характеристики применяемых телевизионных камер и технические характеристики персонального компьютера с многовходо-вой системой ввода телевизионных изображений, позволяющей получать цифровые изображения измеряемых фрагментов облачности размерностью 704 х 576 пикселей круглосуточно в автоматическом режиме через заданные промежутки времени.
Анализ результатов измерений высоты нижней границы облачности
Экспериментальная проверка предлагаемого моностатического метода проводилась путем измерения высот НГО с помощью макета ОЭИ с известной градуировочной характеристикой, учитывающей реальные характеристики его составных частей.
Предлагаемый оптико-электронный метод определения высоты нижней границы облачности при относительной простоте технической реализации показал свою работоспособность, что подтверждает экспериментальное исследования макета ОЭИ высоты НГО, проведенное на базе ИМКЭС СО РАН. Полученные значения высот сравнивались с минимальными уровнями конденсации для определенных типов облаков, определенных по эмпирической формуле А. Н. Ипполитова (1.2) и с визуальными данными по высоте облачности метеостанции Томского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Применение моностатического метода наиболее эффективно при оценке высоты НГО при низком (до 3-х) и среднем (от 4-х до 7-ми) общем балле облачности, что хорошо дополняет существующие методы, работающие в основном при среднем и высоком балле облачности. Выбранный диапазон измерения для макета ОЭИ от 500 до 1500 м обусловлен тем, что слоисто-кучевые Sc, слоистые St и слоисто-дождевые Ns облака нижнего яруса, а также кучевые Си и кучево-дождевые СЬ облака вертикального развития, оказывающие наибольшее влияние на формирование климата и погоды территорий, имеют высоту НГО не более 1500 м. При этом нижняя граница диапазона измерения при не обходимости может быть уменьшена путем изменения фокусных расстояний оптических систем.
Достоинствами моностатического оптико-электронного метода измерения высоты НГО являются простота технической реализации, его достаточная точность измерений, возможность осуществления непрерывных многоточечных измерений. Кроме того, оптико-электронная часть измерителя имеет невысокую стоимость изготовления и низкое энергопотребление при небольших габаритах. Недостатками данного метода, как и других оптических методов измерения, является его зависимость от погодных условий (осадки, прямая солнечная засветка), необходимость защиты от загрязнения оптических поверхностей или их периодического обслуживания, а также сложность измерений при многослойной облачности.
К недостаткам предлагаемого метода измерения высоты НГО можно отнести повышенные требования к качеству получаемых изображений, что не всегда возможно обеспечить ввиду сложности защиты оптических поверхностей телевизионных камер, направленных вертикально вверх, от атмосферных осадков и пыли. Кроме того, область применимости моностатического метода ограничивается точностью определения коэффициентов подобия изображений, которая зависит не только от качества сравниваемых изображений, но и от используемых алгоритмов их обработки.
Существенное влияние на точность измерений в используемом варианте исполнения макета ОЭИ оказывает промежуточные преобразования оцифрованного сигнала изображения с матрицы ПЗС, имеющей формат 500 х 582 пикселей, в аналоговый и обратно в цифровой с форматом 704 х 576 пикселей. Т.е., в данном случае для представления оптического сигнала в цифровом виде выполняется последовательность его преобразований вида "объектив - матрица ПЗС - АЦП телекамеры - ЦАП телекамеры - АЦП системы ввода изображений - файл цифрового изображения". Преобразование вида "объектив - матрица ПЗС - АЦП телекамеры - файл цифрового изображения" может быть реализовано путем перехода к чисто цифровым способам получения изображений с ис пользованием цифровых или IP-телекам ер.
Другими возможными путями уменьшения погрешности измерений могут быть следующие технические улучшения макета ОЭИ: - использование телецентрических объективов, обеспечивающих попада ние лучей света перпендикулярно ко всей поверхности матрицы ПЗС, что по зволит получать изображения с однородным полем яркости; - определение допускаемых диапазонов углов главных лучей относи тельно оптических осей ОС с целью максимального уменьшения влияния абер раций (например, по методике, предложенной в [131]); - использование специализированных цифровых сигнальных процессоров обработки видеосигнала; - применение оборудования и ПО, позволяющего получать цифровые изображения большей размерности в несжатом формате. Так, только увеличе ние размерности получаемых изображений до 1024 х 768 пикселей (что воз можно при использовании цифровых или IP-телекамер), позволит уменьшить систематическую погрешность измерений на 25%. В данном случае, сдержи вающим фактором в использовании такого варианта макета ОЭИ является вы сокая стоимость цифровых телекамер всепогодного уличного исполнения. Полученные результаты научных исследований были использованы при разработке и создании макета оптико-электронного измерителя высоты НГО, входящего в состав Автоматизированной метеорологической информационно-измерительной системы (АМИИС) метеообсерватории ИМКЭС СО РАН (Приложение 4). На описываемый метод определения высоты НГО получены 4-е патента на изобретение [55, 56, 132-133].
Предлагаемый метод может применяться и в других областях науки и народного хозяйства, где требуются измерения расстояний и размеров тел. Например, в лесоведении это могут быть задачи мониторинга верхней границы леса в горной или сильно пересеченной местности [134]. В гидрологии такой метод может найти применение в дистанционном измерении площадей водной поверхности водоемов и их уровня воды, контроле береговых линий водотоков, а также для мониторинга ледовых явлений. В океанологии это могут быть задачи измерения характеристик волнения, таких как высота волн и расстояние между ними. В авиационной метеорологии непрерывные измерения высоты нижней границы облачности связаны с обеспечением безопасности полетов, т.к. данный параметр является одним из важнейших в эксплуатационных минимумах аэропортов.
