Введение к работе
Актуальность работы. Атмосферные осадки являются одним из важнейших климатообразующих факторов, поэтому трудно переоценить важность получения информации об их количестве, продолжительности и интенсивности, а также о средних количествах (суммах) осадков.
Знания о количестве осадков и их распределении по территориям являются важным элементом при изучении энергетического баланса, при прогнозировании возможности возникновения опасных метеорологических явлений, таких как наводнения, сели, лавины, оползни. Территориальное распределение количества осадков определяет также условия изменения уровня рек, озер и водохранилищ, режимы их замерзания и вскрытия.
Информация о микроструктуре осадков (распределении частиц осадков по размерам и скоростям) необходима для решения многих научных задач. Данная информация является актуальной для различных исследований в области физики атмосферы, атмосферной оптики, при изучении распространения радиоволн в атмосфере (особенно, миллиметровых волн в приземных линиях связи), и др.
Параметры микроструктуры осадков применяются также для моделирования процессов эрозии почвы в агрометеорологии. Контроль микроструктуры осадков служит важной составляющей успешного решения некоторых прикладных задач. Например, организации стабильной наземной и спутниковой радиосвязи. Возможность получения сведений о текущем изменении параметров осадков важна для обеспечения безопасности движения воздушных и наземных транспортных средств. Таким образом, с развитием технологий и новых научных направлений растет число задач, для решения которых необходима информация о параметрах частиц осадков (под частицами осадков в данной работе подразумеваются жидкие осадки, выпадающие в виде капель дождя в диапазоне размеров частиц от 0,5 мм и более).
Проведенный анализ отечественных и зарубежных работ по созданию и применению приборов для измерения осадков показал, что физические основы современных осадкомеров были установлены еще в середине прошлого века. Однако, разработанные ранее методы, непрерывно находят новые, более совершенные воплощения. Важно отметить, что в последнее время все более широкое распространение получили методы и приборы, основанные на оптических принципах регистрации структурных параметров атмосферных осадков. Начиная с 2004 г., Всемирная метеорологическая организация (ВМО) в своих отчетах отмечает эффективность применения оптических дисдрометров - оптико-электронных приборов для измерения распределения частиц осадков по размерам и скоростям. Разработки подобных систем активно ведутся за рубежом. Основным направлением разработок является повышение точности измерений, получение возможности измерения интегральных характеристик осадков для включения оптических осадкомеров в состав автоматических метеорологических станций. Лидирующие позиции по созданию оптических приборов для измерения параметров атмосферных осадков занимают фирмы и научно-исследовательские учреждения Германии, США, Финляндии и Швейцарии. К
сожалению, в нашей стране долгое время не наблюдалось тенденции к развитию данного направления. Имеющиеся разработки, например, ИКДАН (СКВ НП «Оптика», г. Томск, 1986 г.) или оптический измеритель микроструктуры осадков (МГУПИ, г. Москва, 2004 г.), по разным причинам не получили должного развития. Следствием сложившейся ситуации является увеличение количества оборудования, приобретаемого за рубежом, что ставит целый ряд различных структур в прямую зависимость от иностранных фирм-производителей и поставщиков.
Таким образом, актуальность данной работы, с одной стороны, обоснована ростом числа задач, где используется информация о параметрах осадков, с другой стороны - проблемами, вызванными отсутствием соответствующих приборов отечественного производства.
В Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН развивается направление по разработке и производству приборов для контроля параметров приземного слоя атмосферы. В рамках проекта VII.66.1.2 (2010-2012 гг.): «Развитие физических методов и технических средств для мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности населения» и проекта VIII.80.2.2 (2012-2014 гг.): «Научные основы создания оптических, акустических и электронных приборов, комплексов и систем для метеорологических измерений и технологии их применения в задачах мониторинга окружающей среды» базовых программ СО РАН ведется работа по созданию и совершенствованию приборов для измерения параметров окружающей среды, в том числе основных метеорологических величин и параметров атмосферных осадков.
Цель работы. Целью диссертационного исследования является разработка оптико-электронной схемы, алгоритмов работы и программных средств оптического двухканального измерителя осадков, работающего на основе метода получения и анализа теневых изображений частиц.
Задачи исследования:
-
Провести обзор существующих методов и приборов для измерения параметров атмосферных осадков.
-
Разработать функциональную схему реализации метода получения и анализа изображений частиц осадков.
-
Создать экспериментальный образец оптико-электронного двухканального измерителя осадков (ОДИО).
-
Разработать алгоритмы обработки результатов измерений и соответствующих программных средств для ОДИО.
-
Провести теоретические и экспериментальные оценки технических характеристик образца ОДИО.
-
Разработать средства интеграции ОДИО в состав автоматического метеорологического комплекса АМК-03.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы анализа полученного результата. Для определения отдельных параметров ОДИО применялись методы теории вероятности, математической статистики, методы теории погрешностей, чис-
ленные методы, методы и средства численного моделирования физических процессов.
Научная новизна работы:
-
Предложена новая схема реализации метода получения и анализа теневых изображений частиц осадков, позволяющая проводить оценку интегральных параметров осадков на основе измерений размеров их отдельных частиц с минимизацией аэродинамической погрешности измерений, связанной с искажением ветрового поля над осадкомером (получен патент РФ на полезную модель).
-
Разработаны и реализованы в виде программного обеспечения алгоритмы формирования и обработки измерительной информации ОДИО, обеспечивающие измерение параметров частиц и интегральных характеристик жидких осадков.
-
Показано, что измерительная площадка, размеры которой изменяются в зависимости от текущей интенсивности осадков, обеспечивает возможность применения каналов связи с ограниченной пропускной способностью для передачи измерительных данных ОДИО.
Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований создан экспериментальный образец ОДИО. Представлены результаты расчетов параметров его компонентов, алгоритмы формирования измерительной информации и расчета измеряемых параметров осадков. Разработано соответствующее программное обеспечение. Показано, что созданный прибор может быть интегрирован в состав современного автоматического метеорологического комплекса и информационно измерительной системы для сбора метеорологической информации.
Достоверность научных результатов работы обеспечивается систематическим характером исследований, сопоставлением полученных теоретических оценок с результатами различных экспериментов.
Внедрение. Результаты диссертационного исследования, созданные экспериментальные образцы ОДИО и коммутационного контроллера передачи метеорологических данных (GPRS-контроллер) с соответствующей программой для ЭВМ используются:
ИМКЭС СО РАН (г. Томск) для реализации проекта VIII.80.2.2: «Научные основы создания оптических, акустических и электронных приборов, комплексов и систем для метеорологических измерений и технологии их применения в задачах мониторинга окружающей среды»;
ООО «Сибаналитприбор» (г. Томск) для проведения измерений параметров приземного слоя атмосферы;
ИЛ СО РАН, ИВМ СО РАН (г. Красноярск); ИКФИА СО РАН, ИБПК СО РАН (г. Якутск); БИП СО РАН (г. Улан-Удэ) для научных исследований в области экологии.
Акты внедрения приведены в приложении к диссертации. Апробация работы. Результаты работы, вошедшие в диссертацию, доложены и представлены на следующих конференциях и симпозиумах: VII-VIII
Всероссийские симпозиумы «Контроль окружающей среды и климата» (Томск, 2010, 2012); XIX-XXI Международные конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии» (Новороссийск, 2011, 2012, 2013); Международная конференция "Инженерная защита территорий и безопасность населения: роль и задачи геоэкологии, инженерной геологии и изысканий" (Москва, 2011); IX Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2011); XI Всероссийская конференция с участием иностранных ученых «Проблемы мониторинга окружающей среды» (Кемерово, 2011); XVIII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2012); Всероссийская научная конференция с международным участием «Водные и экологические проблемы Сибири и центральной Азии» (Барнаул, 2012); IV Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2012); II Всероссийская научно-техническая конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013); XIX Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Барнаул, 2013).
Результаты исследований, а также разработанный экспериментальный образец ОДИО представлены на следующих конкурсах и выставках: конкурс на лучшую презентацию своих научных результатов среди молодых ученых ТНЦ СО РАН (2012 - I место); конкурс докладов молодых ученых VII Всероссийского симпозиума «Контроль окружающей среды и климата» (2010 - I место); конкурс докладов молодых ученых IX Сибирского совещания по климато-экологическому мониторингу (2011 - II место); конкурс докладов молодых ученых VIII Всероссийского симпозиума КОСК-2012 (2012 - III место); конкурс научных достижений молодых ученых Томской области (2013); Международная выставка «Оптические приборы и технологии - OPTICS-EXPO» (Москва, 2012); Всероссийская научно-производственная инновационная выставка-ярмарка «Интеграция - 2013», в рамках INNOVUS (Томск, 2013).
На защиту выносятся следующие положения и научные результаты:
-
Предложенная схема реализации метода получения и анализа теневых изображений частиц осадков на измерительной площадке, формируемой на расстоянии не менее 100 мм от основных элементов конструкции в области пересечения двух плоских взаимно перпендикулярных оптических каналов, разнесенных по высоте на 5 мм, позволяет измерять интегральные параметры осадков с минимизацией ветрового недоучета, являющегося основной составляющей систематической погрешности стандартных измерителей осадков.
-
Разработанные алгоритмы обработки результатов измерений оптико-электронного двухканального измерителя осадков, заключающиеся в формировании измерительной информации при считывании сигнала с фотоприемников и вычислении размеров осадков в диапазоне 0,5н-8 мм, обеспечивают проведение расчетов интегральных характеристик жидких осадков.
3. Применение адаптивной измерительной площадки, размеры которой мо-гут изменяться в диапазоне 1 н-25 см в зависимости от текущей интенсивности осадков, регулируя поток измерительной информации, обеспечивает возможность использования каналов связи с ограниченной пропускной способностью (например, RS-232 или GPRS) для соединения между блоками формирования измерительной информации и блоками обработки и вычисления ОДИО.
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 26 работ, включая 7 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на полезную модель и 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад диссертанта заключается в постановке задач, поиске способов их решений, разработке оптической и электрической схем прибора, разработки методики и проведение калибровки, участии в процессе макетирования отдельных элементов прибора для проверки эффективности применяемых методов и комплектующих, участие в разработке программного обеспечения, проведение исследовательских испытаний, разработке методики калибровки. Создание экспериментального образца ОДИО выполнено коллективом сотрудников лаборатории экологического приборостроения ИМКЭС СО РАН при непосредственном участии автора. Участие в постанове задачи, разработке форматов данных и протоколов сопряжения GPRS-контроллера. Проведение тестирования системы передачи метеорологических данных.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 131 страница, включая 55 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 93 наименований.
