Содержание к диссертации
Введение
1. Способы определения микроструктуры осадков и обзор существующих измерительных приборов
1.1 Контактные методы определения размеров частиц. Цифровой дисдрометр, электромагнитный дисдрометр ударного типа - .
1.2 Радиолокационные методы дистанционного измерения интенсивности осадков. Доплеровские метеорологические станции 20
1.3 Оптические методы дистанционного определения микроструктуры осадков. Оптические дисдрометры „,
1.4 Выводы
2. Расчет индикатрис рассеяния в переднюю полусферу наблюдения для дождевых капель. сферической и несферической формы .
2.1 Описание математической модели поведения осциллирующих дождевых капель при падении в атмосфере
2.2 Описание методики расчета индикатрисы рассеяния для несферических дождевых капель
2.3 Результаты расчетов индикатрис рассеяния с учетом статических и динамических деформаций. Расчет отклонений индикатрис деформированных капель от индикатрисы рассеяния сферической капли
2.4 Выводы
3. Разработка макета оптического измерителя микроструктуры осадков. особенности по строения и технической реализации отдель ных узлов прибора
3.1 Расчет оптической схемы измерения. Описание оптической части прибора „
3.2 Технические характеристики оптического измерителя микроструктуры осадков, особенности построения отдельных узлов прибора
3.3 Принцип работы и алгоритм определения микроструктуры осадков. Разработка программного обеспечения
3.4 Выводы
4. Экспериментальные испытания оптического измерителя микроструктуры осадков. анализ результатов лабораторных и натурных измерений
4.1 Лабораторные испытания макета измерителя микрострукту ры. Калибровка прибора
4.2 Результаты натурных измерений в дождях различной интенсивности, сравнение с результатами, полученными классическими методами
4.3 Предложения по модернизации макета измерителя микроструктуры осадков. Сравнительные характеристики аналогичных приборов данного класса
4.4 Выводы
5. Основные результаты работы
6. Список литературы
- Радиолокационные методы дистанционного измерения интенсивности осадков. Доплеровские метеорологические станции
- Описание методики расчета индикатрисы рассеяния для несферических дождевых капель
- Технические характеристики оптического измерителя микроструктуры осадков, особенности построения отдельных узлов прибора
- Результаты натурных измерений в дождях различной интенсивности, сравнение с результатами, полученными классическими методами
Введение к работе
Актуальность тематики. Определение интенсивности, типа и структуры осадков является важной задачей метеорологии. Сведения об осадках полезны в различных областях человеческой деятельности, начиная от прогнозирования и предупреждения природных катаклизмов, заканчивая обеспечением безопасности движения на дорогах. Своевременное и точное получение таких сведений важно для сельского хозяйства, при проведении климатического мониторинга регионов, а также при исследовании и изучении атмосферных явлений.
Настоящая диссертация посвящена разработке оптического измерителя микроструктуры дождя. Данное устройство предназначено для определения типа осадков, распределения по размерам частиц дождя, а также получения значения интегральной интенсивности их выпадения, показателя водности и радиолокационной отражательной способности. Основное практическое применение такой прибор находит в области прикладной метеорологии. На сегодняшний день из-за слабой государственной поддержки и финансирования, в нашей стране исследования и разработка нового оборудования ведутся очень медленными темпами. При этом требования к точности и своевременности получения метеорологических сведений возрастает. Таким образом, возникает задача, решение которой возможно двумя путями: первый - закупка специализированного оборудования за рубежом, стоимость которого, как правило, очень высока, при этом наши службы становятся потенциально зависимыми от иностранных фирм поставщиков, второй - разработка собственного оборудования. Данная диссертационная работа ориентирована на второй путь решения.
5 В настоящее время для решения задач определения микроструктуры осадков используется широкий спектр устройств, начиная от простых контактных датчиков, заканчивая сложными доплеровскими радиолокационными станциями, и специализированными видеосистемами 2D-VIDEO. Одним из первых приборов контактного типа был зонд Стаббса (U.S. Pat. No 2,825,875, Stubbs), в данном устройстве размер капли определялся по величине заряда, снимаемого с заряженного наконечника в момент соприкосновения с частицей. Однако практическое использование прибора показало невозможность проведения многократных измерений, вследствие накопления паразитного заряда на чувствительном элементе, а также источником существенной погрешности определения размера частицы являлся собственный заряд капли. Использование в качестве чувствительного элемента струнного датчика позволило устранить недостатки, присущие зонду Стаббса. Струнный датчик представляет собой набор тонких проволочек натянутых параллельно друг другу, при этом четные и нечетные струны имеют противоположный потенциал. На основе такого датчика построен цифровой дисдрометр (U.S. Pat. No 4,477,917, Donnelly). Данный прибор регистрирует размер капли путем подсчета числа короткозамкнутых струн и заносит это число в выходной регистр. Основным достоинством такого устройства является простота конструкции датчика, однако именно конструкция приводит и к ряду существенных недостатков, основным из них является ограничение возможности регистрации частиц малого диаметра и невозможность учета деформаций капель. Наиболее совершенным из всех устройств контактного типа является ударный дисдрометр с электромагнитным преобразователем RD-80 (DISTROMET LTD, Basel Switzerland). В данном приборе определение размера падающих капель производится по величине ударного импульса, возникающего при ударе капли о горизонтальную чувствительную площадку. Кроме электромагнитного датчика имеется микропроцессорный блок, служащий для обра-
ботки информации и связи с персональным компьютером, что обеспечивает удобство в эксплуатации. В качестве недостатков отметим инерционность чувствительного элемента и трудность при измерении мелких капель, что приводит к возникновению времени нечувствительности системы после удара частицы, следствием чего является возможность пропуска отдельных капель. На ряду со всеми достоинствами ин недостатками контактных датчиков отметим, что все они позволяют измерять только размеры капель, измерение твердых осадков не предусматривается.
Отдельно отметим систему 2D-VJDEO, разработанную в JOANNEUM RESEARCH CENTER. Работа такой системы основана на скоростной фотосъемке капель. Для этого применяются две видеокамеры, позволяющие регистрировать две проекции падающих частиц, при их попадании в зону видимости, а также скорости падения. Как правило, данная система применялась для решения исследовательских задач, использование её в качестве доступного контрольно-измерительного прибора ограничивается высокой стоимостью, а также высокая чувствительность к влиянию внешних факторов при длительной работе в полевых условиях. Высокая стоимость и сложность аппаратуры ограничивает применение доплеровских радиолокационных станций.
В последнее время широкое распространение получили оптические методы определения микроструктуры осадков. Данные методы привлекательны возможностью реализации дистанционного неразру-шающего контроля осадков, возможностью оперативного получения и обработки данных результатов измерений, возможностью организации наблюдений в режиме реального времени. Приборы, созданные на основе оптических методов привлекают своей невысокой стоимостью, портативностью, широким диапазоном регистрируемых размеров частиц, высокой точностью получаемых результатов. На современном рынке метеорологического оборудования представлено большое количество
7 оптических измерителей микроструктуры осадков, выпускаемые зарубежными фирмами производителями, в основном это оптические дис-дрометры, основанные на принципе затенения. Особенностью данного метода является то, что на приемник излучения поступает практически весь световой поток от источника, это вызывает высокий уровень дробовых шумов, что является признаком неоптимального режима использования фотоприемника. Кроме того, известно, что капли при падении испытывают периодические деформации. При этом горизонтальный размер капли периодически изменяется, что приводит к возникновению дополнительной погрешности, особенно это, существенно для капель большого диаметра (Е»3мм).
Разработка нового оптического измерителя микроструктуры осадков направлена на устранение недостатков, присущих уже существующим измерителям, работающим по принципу затенения. Схема нового измерителя предполагает снижение влияния осцилляции на точность измерений и увеличение чувствительности системы.
Целью настоящей диссертации является разработка измерительного комплекса определения микроструктуры осадков на основе новой оптической схемы измерений, позволяющего производить регистрацию частиц с более высокой точностью, что обеспечит повышение достоверности измерения параметров микроструктуры и интенсивности осадков.
Методика определения размеров частиц основана на измерении интенсивности рассеиваемого ими излучения в область острых углов наблюдения при горизонтальном направлении, падающего на них излучения, в видимом диапазоне длин волн. С целью подтверждения справедливости данной методики был произведен теоретический расчет индикатрис рассеяния для дождевых капель в переднюю полусферу наблюдения, результаты которого сравнивались с опубликованными результатами других авторов.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
путем математического моделирования и соответствующих расчетов индикатрис рассеяния, произведено теоретическое исследование влияния деформаций на оптические свойства капель для передней полусферы наблюдения;
путем анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований отечественных и зарубежных исследователей, а также наших расчетов, составлена новая аналитическая модель дождевой капли с учетом статических и динамических деформаций;
на основе проведенного теоретического исследования, обоснована оптическая схема взаимного расположения источника и приемника излучения для измерителя микроструктуры осадков, обеспечивающая высокую чувствительность при минимальном влиянии деформаций капель;
создан и испытан макет оптического измерителя микроструктуры осадков.
Практическая ценность диссертации, заключается в том, что был разработан и создан измерительный комплекс определения микроструктуры осадков на основе усовершенствованной оптической схемы измерений. Разработан алгоритм работы прибора и соответствующее программное обеспечение. Проведены экспериментальные испытания, показавшие высокие технические возможности измерительного комплекса. Показана возможность применения разработанного измерительного комплекса в рамках единой метеорологической лаборатории с возможностями круглосуточного дежурства.
Реализация результатов диссертации проведена в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики (МГАПИ).
Разработанный макет прибора прошел испытательный цикл в Центральной Аэрологической Обсерватории г. Долгопрудный.
Данные экспериментальных исследований внедрялись при выполнении НИОКР Росгидромета по теме 1.2.1.3. «Провести испытания усовершенствованного метода корректировки измеренных осадков за конкретные сроки на сети метеорологических станций по данным обработки режимной информации в системе ПЕРСОНА-МИС».
Основные результаты работы были доложены
на XXI Всероссийском симпозиуме "Радиолокационное зондирование природных сред", в Российском Государственном Гидрометеорологическом институте, Санкт-Петербург, 2003.
на семинаре Молодых Ученых специалистов МГАПИ, в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики, 2003.
на семинаре Центральной Аэрологической Обсерватории г. Долгопрудный, лаборатории «Дистанционного зондирования».
на семинаре Института Физики Атмосферы им. Обухова (ИФА РАН) г. Москва
Автором опубликовано по теме диссертации 6 научных работ: [20], [21], [22], [23], [24], [25], в том числе статья: Глущенко А.С., Стерлядкин В.В. Оптические свойства дождевых капель. Рассеяние в переднюю полусферу наблюдения при горизонтальном освещении, Оптика атмосферы и океана, Институт оптики атмосферы СО РАН, №3, 2005,
Личный вклад диссертанта в работы, выполненные в соавторстве, состоит в следующем:
предложена математическая модель, на основе которой произведен расчет индикатрис рассеяния для дождевых капель в переднюю полусферу наблюдения [23, 25];
разработан и создан макет измерительного комплекса микроструктуры осадков, проведены его лабораторные и натурные испытания, обработка полученных результатов [21, 22];
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы, двух приложений, списка цитируемой литературы (90 наименований) и содержит (без приложений) 130 страниц машинописного текста, 20 таблиц и 55 рисунков.
В первой главе дан обзор существующих на сегодняшний день методов измерения параметров осадков. На примере различных принципов показаны основные варианты определения размеров частиц, получившие наибольшее распространение в современной метеорологии. Все устройства разбиты на две основные группы - контактные и бесконтактные. Контактные методы были изобретены одними из первых. Построенные на основе их приборы не отличаются высокими эксплуатационными и точностными характеристиками. В основном это связано с давностью разработок и ограниченными физическими возможностями заложенных принципов измерений. Все контактные приборы предназначены только для измерения размеров капель. В настоящее время наиболее широко представлены на рынке оборудования бесконтактные установки дистанционного определения микроструктуры осадков. Они базируются на принципе активного воздействия на объект измерения электромагнитным излучением, размер частиц определяется по величине рассеянного обратного сигнала.
Группа устройств бесконтактного типа, разбита их на две подгруппы, разделяемых по типу используемого излучения. В первую подгруппу входят доплеровские радиолокационные станции вертикального зондирования, работающие на длине волны X = 0.3-6см. Такие станции
используются для получения усредненных оценок при отсутствии априорной информации об осадках. Во вторую группу вошли оптические измерители микроструктуры осадков. Данные устройства также работают методом активного воздействия на объект измерения, но пара приемник-источник работает в оптическом диапазоне длин волн. На сегодня это самый многочисленный класс приборов. Они в свою очередь разделены по типу принимаемых для обработки сигналов. Рассмотрены оптические установки, основанные на принципе затенения, а также устройства комбинированного типа, представлены их достоинства и недостатки.
Вторая глава посвящена расчету индикатрис рассеяния для дождевых капель в переднюю полусферу наблюдения. В основу расчетов положена новая аналитическая модель дождевой капли. Данная модель отличается тем, что учитывает статические и динамические деформации. Результаты расчетов индикатрис, где это было возможно, сравнивались с результатами расчетов других авторов.
Представлено подробное описание алгоритма расчета, приведены основные формулы и соотношения. При расчете индикатрис использовались фундаментальные законы физики, оптики и математики. Также проведена оценка влияния статических и динамических деформаций на форму индикатрисы. Оценка проводилась по параметру максимального отклонения индикатрисы деформированной от индикатрисы капли сферической формы. Предложено наиболее оптимальное угловое положение приемника в оптической схеме измерителя микроструктуры осадков.
В третьей главе производится выбор и расчет отдельных элементов, разрабатываемого макета измерителя микроструктуры осадков. Представляется алгоритм обработки измерительной информации и программное обеспечение.
Для предложенной оптической схемы измерений производился оптический расчет, целью которого было установление возможности ре-
12 гистраций сигналов от капель, а также определения чувствительности
системы. Оптический расчет предполагал определение величины потерь излучения на отдельных элементах измерительного тракта: источник излучения, оптическая система источника, капля, оптическая система приемника, фотоприемник. В качестве излучающего элемента рассматривалась галогенная лампа и светодиод повышенной яркости. Результаты расчетов показали, что применение выбранного типа источников и оптической схемы позволит качественно регистрировать сигналы от капель только при использовании галогенной лампы.
Также в настоящей главе приводится функциональная схема измерителя микроструктуры, с описанием назначения отдельных элементов устройства. В качестве системы обработки информации предлагается использование персонального компьютера. Ввод измерительных данных в ПК, осуществлялся при помощи специализированной платы аналогово-цифрового преобразователя.
Предложен алгоритм определения микроструктуры дождя. Данный алгоритм предполагает осуществление сбора, и обработки информации в режиме реального времени. В качестве результатов обработки представляются графики микроструктуры и текущего сигнала. Методика расчета микроструктуры основывается на определении эффективного диаметра капли по амплитуде сигнального импульса отдельной капли.
В соответствии с предложенным алгоритмом разработано программное обеспечение, представляющее собой интегрированную среду, где пользователь имеет возможность наблюдения параметров осадков в режиме реального времени. В основном окне программы отображается вид сигнала, а также графики микроструктуры осадков для различных интервалов времени накопления. Пользователь может самостоятельно корректировать параметры сбора данных и отображения результатов измерений, в соответствии со своими пожеланиями.
Четвертая глава посвящена экспериментальной части исследовательских работ. В ней изложены результаты лабораторных и натурных измерений, а также выводы и предложения по усовершенствованию измерительного комплекса.
Основной целью лабораторных исследований было подтверждение предположения о пропорциональности сигнала от капель квадрату их диаметра, UCU3H.(D) = A-D2. Особое внимание при лабораторных исследованиях уделялось калибровке прибора. Эта процедура состояла из двух частей, калибровки чувствительной площадки и определения коэффициента чувствительности системы. При калибровке чувствительной площадки основной целью было минимизировать искажение амплитуды и формы импульса при попадании частицы в различные участки данной площадки. Были проведены эксперименты, заключавшиеся в тестировании сигналов от капли фиксированного диаметра, для различных зон падения. Определение величины коэффициента чувствительности производилось путем статистической обработки многократных измерений сигналов от капель различных (априорно известных) диаметров при их падении через центральную зону чувствительной области.
В данной главе представлены также результаты проведенных натурных измерений дождей различной интенсивности и снега. Данные натурные измерения подтвердили широкие возможности предлагаемой установки.
Радиолокационные методы дистанционного измерения интенсивности осадков. Доплеровские метеорологические станции
Задача восстановления микроструктуры осадков существует в области радиолокационной метеорологии уже достаточно давно. Для её решения ис 21 пользуются непрерывные доплеровские радиолокационные станции вертикального направления сканирования. Наиболее широко известным и применяемым на сегодняшний день можно считать микрорадар марки MRR-2 фирмы МЕТЕК, [5, 6]. Основные характеристики представлены в таблице 1.
Принцип измерения основан на соотношении между размером частиц осадков и эффективной площадью рассеяния, а также между размером частиц осадков и скоростью их падения, последняя зависимость была получена Атласом в 1973 г. Все вычисления основаны на анализе доплеровских спектров, в соответствии с методикой Строча, описанной в 1976 г. Значение объемной спектральной отражающей способности 170»как функции от доплеров-ской частоты/связано со спектральной мощностью 5(59, получаемой со всей диаграммы направленности с центральной осью г и глубиной 5г, соотноше нием: где С - конструктивная константа, связанная с особенностями используемой радиолокационной станции, мощностью передатчика, коэффициентом усиления антенны; t - коэффициент прохождения, учитывающий дополнитель ные потери при прохождении волны через слой г; при этом считается, что выполняется соотношение Ьг/г « 1.
Коэффициент t главным образом связан с рассеянием на каплях и вычисляется рекурсивным методом, посредством теории Ми, начиная с наименьших границ диапазона, при помощи уравнения (1), в приближении t(r) = 1. Другие эффекты прохождения не учитываются.
В соответствии с классической теорией погодной радиометеорологии величина «эквивалентной спектральной радиолокационной отражающей способности» определяется в соответствии с выражением (2). где величина К «0.92. В приближении Рэлея (D « X) значение интеграла Ze $edf полностью соответствует величине стандартной отражательной способности РЛС (радиолокационной станции), рассчитываемой в соответствии с выражением:
Данное соотношение прекрасно соблюдается для погодных радиолокаторов с длинной волны X = 5 см.
При этом распределение капель по размерам вычисляется как отношение между величиной объемной отражающей способности 17(D) к величине эффективной отражающей способности отдельного рассеивателя ff(D): где величина ff(D) вычисляется в соответствии с теорией Ми, а величина )/(D) вычисляется исходя из полученного значения спектральной отражающей способности 7j(f), посредством выражения (5): где f(v) - 2v/\— связь доплеровской частоты/со скоростью частицы v\ v(D) - зависимость скорости гравитационного падения от диаметра дождевой капли, аналитический вид которой был получен Ганном и Кинзером в 1949г, dv(D)/dD = -6.18 ехр(-0.6 [мм])(ро/р) 4. Отношение (ро/р)ол описывает влияние плотности воздуха на скорость падения. При этом влияние вертикальных воздушных потоков и турбулентности не учитывается, что может служить источником дополнительных ошибок при вычислениях в соответствии с данной методикой.
На основе величины распределения капель по размерам n(D) вычисляется распределение водности среды lwc(D): lwc(D) = pwD3n(D) , (6) где pw- плотность воды. Величина интенсивности осадков rr(D) рассчитывается по формуле rr(D) D\(D)n(D) (7)
В данном методе для определения микроструктуры осадков используется величина средней скорости гравитационного падения, которая оценивается из полученных доплеровских спектров. Её значение определяется в соответствии с выражением (8)
Описание методики расчета индикатрисы рассеяния для несферических дождевых капель
Аналитическая модель дождевой капли является ключевым элементом в расчете индикатрис рассеяния. От достоверности применяемой модели будет напрямую зависеть правильность конечных результатов вычислений. Поэтому данному вопросу было уделено особое внимание.
Вопросу поведения дождевых капель в атмосфере было посвящено много работ отечественных и зарубежных исследователей. Рассматривая их, можно однозначно заключить о том, что капли при падении подвержены деформациям, обусловленным влиянием внешних факторов, таких как аэродинамическое сопротивление воздуха, силы поверхностного натяжения, внутреннего гидростатического давления, а также поверхностных электростатических зарядов, причем деформация проявляется тем сильнее, чем больше объем капли. Особый интерес вызвала работа зарубежных исследователей Чандрасекара, Уильяма и Купера опубликованная в 1988 году, [13]. Этими авторами проводились натурные измерения, с применением аппаратуры системы 2D-Video, посредством которой было накоплено около 3500 снимков вертикальных сечений дождевых капель в двух проекциях. Все снимки анализировались, измерялся вертикальный радиус капли - с и горизонтальный радиус - а. Оценка степени деформации у проводилась исходя из соотношения у = с/а. Чем меньше значение у, тем больше сплюснутость формы зарегистрированной капли. После статистической обработки фотоснимков, ими были проведены сравнения полученных данных с результатами других исследователей. На рис, 2Л представлены сравнительные графики зависимостей коэффициента формы )(D) от эквивалентного диаметра, представленные Чандрасекаром.
Точечный график соответствует экспериментальным данным Чандрасекара, Уильяма, Купера, как видно они довольно хорошо согласуются с предсказаниями Грина (сплошная кривая). Нетрудно заметить, что среднестатистическая точечная кривая несколько смещена вверх. Это говорит о том, что средняя форма капли более сферична, чем по аппроксимации Грина. Данные, представленные на рис. 2 Л очень полезны для представления о среднестатистических формах капель. Для более полного представления рассмотрим график зависимости коэффициента формы y(D), полученные Стер-лядкиным В.В. [14], в результате обработки экспериментальных данных от дождей, посредством анализа фотоснимков треков осциллирующих дождевых капель. Данные графики представлены на рис, 2.2.
Заметим, что графики по данным Пруппахера (рис.2.2) соответствует кривой Джэймсона (рис.2Л). График зависимости Стерлядкина доходит до значений диаметра D = Ї мм. Наибольший интерес вызывает сравнение графиков экспериментальных данных Стерлядкина В.В. и Чандрасекара. Поскольку эти измерения проводились в натурных условиях, независимо друг от друга, по разным методикам, и являются результатом обработки большого количества статистического материала. В таблице 2 представлены усредненные величины ycp(D) и их среднеквадратичные отклонения (СКО), строка №1 - данные Стерлядкина, строка №2 — данные Чандрасекара, а также различия коэффициента формы Дуср. диаметров, что позволяет с большой степенью вероятности говорить о достоверности обоих методов измерений. Характер зависимости ycp(D) свидетельствует о сплющивании капель при увеличении их эффективного диаметра.
В работе Стерлядкина на ряду со средней деформацией уср отдельно учитывалась и измерялась амплитуда осцилляции капель, поэтому разброс (СКО) значений уср невелик.
Чандрасекар же регистрировал мгновенную форму капли, которая включает оба фактора: и среднюю деформацию и осцилляцию, амплитуда которой в данном методе неизвестна и не учитывается. В результате, зарегистрированная на фотографии форма капли считается «средней», соответственно разброс «средних» значений получается в 4-5 раз больше, чем в методе Стерлядкина.
В качестве основы для дальнейших расчетов воспользуемся зависимостью 7(D), полученной путем совмещения результатов Стерлядкина и Чанд-расекара, что позволит охватить весь диапазон рассматриваемых диаметров. В таблице 3 представлены данные по величине уср для различных значений эффективных диаметров капель. Значения yminr утах - соответствуют минимальному и максимальному значению у для сплюснутой (oblate) и вытянутой (prolate) форм соответственно.
Технические характеристики оптического измерителя микроструктуры осадков, особенности построения отдельных узлов прибора
В общем случае индикатриса рассеяния в переднюю полусферу наблюдения представляет собой функцию двух переменных До; /3). Если весь диапазон рассматриваемых углов наблюдения разбить на дискретные сектора, то для каждой формы капли потребуется вычисление двумерной матрицы индикатрисы, размерность которой будет определяться величиной шага по углу наблюдения. Реализация таких расчетов даже на достаточно мощном компьютере потребует очень много времени, что существенно затруднит отладку представленного алгоритма, а также полная матрица индикатрисы обладает некоторой избыточностью. Для получения представления о характере распределения интенсивности, рассеиваемого каплями излучения вполне достаточно произвести расчет для главных осесимметричных плоскостей наблю дения. Это позволит существенным образом сократить расчетное время, а также сделает более наглядными результаты вычислений. В соответствии с последними рекомендациями, расчет индикатрис рассеяния производился для двух плоскостей наблюдения - горизонтальной и вертикальной. Таким образом, вид зависимости индикатрисы рассеяния преобразовался в функцию одной переменной (от одного угла наблюдения). При расчете индикатрисы рассеяния для горизонтальной плоскости наблюдения угол а принимался равным нулю, а зависимость индикатрисы примела вид 1( Хна&д 1(Р) ПРИ -тг/2 8 7і/2. Для вертикальной плоскости значение угла /3 принималось (3=0, /(ои л)=Ла) при -7г/2 а ти/2.
Рассмотрим в качестве результата расчетов графики индикатрис рассеяния в переднюю полусферу наблюдения для форм сферической капли, статически деформированной капли, и формы, соответствующей фазе максимально сплюснутой капли, обусловленной вибрацией. На рис. 2.8 показаны три группы зависимостей, соответствующие горизонтальной и вертикальной плоскостям наблюдения, для вертикальной плоскости они разбиты на верхнюю и нижнюю полуплоскости, что обусловлено несимметричностью вертикального сечения капли.
На каждом из рисунков показано по три графика индикатрис, сплошная линия соответствует индикатрисе сферической капли усф, пунктирной линией показана индикатриса капли максимально сплюснутой формы %ит штрихом изображена индикатриса рассеяния статически деформированной капли 7 т-На графике рис. 2.8,6 в районе 10 наблюдается пересечение трех графиков, это означает, что на данном направлении наблюдения следует ожидать наименьшего влияния деформаций на рассеивающие свойства капли. рованной и максимально сплюснутой форм капель. Величина J(y, a, D) является нормированной на площадь сечения капли. Поток излучения, соответствующий направлению рассеяния cw» в телесный угол dQ, в соответствии с [14], рассчитывался по формуле: Л W » = 10(-к-Г?/4) J(% a, D)dQ (27)
В данном выражении IQ - это интенсивность, падающего на каплю излучения.
Как показали результаты расчетов индикатрис рассеяния, статические и динамические деформации приводят к существенному изменению рассеивающих свойств капель. Однако для разных направлений наблюдения это влияние различно и может отличаться на 100 - 200%. Эти искажения индикатрисы являются источником дополнительных ошибок. Следовательно, с целью минимизации ошибок связанных с деформацией капель необходимо определить такие направления рассеяния, при которых интенсивность рассеиваемого каплями излучения наиболее стабильна для всех рассматриваемых размеров частиц. Выполнение данного требования можно обеспечить, оценив значения величины максимального относительного отклонения Д1(о,/3), рассчитываемого согласно выражению (28). Л/(а,у?) = 7o(g )"J (g ) .100 , (28) где І0(о;/3) - нормированная индикатриса сферической капли; V (&,($) - нормированная индикатриса деформированной капли. Результаты расчетов величины Д1(а,3) для несферических дождевых капель представлены в виде таблицы 4, составленной с учетом статических и динамических деформаций для углов наблюдения в диапазоне 5 - 50. Данный диапазон углов наблюдения выбран потому, что направления наблюдения близкие к нулю наиболее выгодны для регистрации рассеиваемого каплями излучения. Одновременно направления близкие к 90 рассматривать нецелесообразно, поскольку, исходя из графика индикатрисы рассеяния сферической капли (рис. 2.7), значения индикатрисы для данных направлений уменьшаются практически на два порядка. В то время как снижение интенсивности рассеиваемого излучения, для значений углов меньших 50, будет не более чем в 8 раз. Также, необходимо учесть, что расчеты для малых углов наблюдения 0 - 5 производились без учета явления дифракции, влияние которого для данных углов довольно существенно.
Результаты расчетов представлены для двух плоскостей наблюдения, причем при расчете в вертикальной плоскости отдельно учитывались верхняя (ої 0) и нижняя ( х 0) полуплоскости.
Результаты натурных измерений в дождях различной интенсивности, сравнение с результатами, полученными классическими методами
Принцип работы разрабатываемого оптического измерителя микроструктуры осадков основан на регистрации света, рассеянного в переднюю полусферу наблюдения. Использование данного метода накладывает повышенные требования к выбору схемы взаимного положения источника и приемника излучения. На основании выводов, полученных во второй главе настоящей диссертации, была предложена схема измерений, представленная на рис. 3.1.
В соответствии с данной схемой, источник и приемник излучения располагаются в вертикальной плоскости, источник формирует горизонтальный ножевой луч. Приемник расположен под острым углом наблюдения а относительно направления вектора излучения К. На пересечении диаграмм направленности источника и приемника формируется чувствительная площадка. При пролёте частиц через данную площадку приемником регистрируется сигнальный импульс, амплитуда которого пропорциональна мощности рас сеянного каплей излучения, пришедшей на приемную оптическую систему приемника в направлении К . В случае регистрации дождевых капель амплитуда сигнального импульса пропорциональна квадрату диаметра капли. Каковы потенциальные возможности данного метода регистрации сигналов от капель? Какова чувствительность применяемой схемы? Для ответа на эти вопросы был проведен ряд расчетов, позволивших дать теоретическое обоснование применения предложенной схемы.
В соответствии с методом измерений и характеристикой измеряемых физических величин, разрабатываемую измерительную систему можно отнести к оптико-электронным системам информационного типа! Структурная схема данной системы представлена на рис, 3.2. Источник оптического излучения, совместно с оптической передающей системой, формируют поток излучения видимой и ближней ИК частей спектра Фи(і). Этот поток, проходя через воздушную среду распространения излучения, поступает на исследуемый объект. Исследуемым объектом являются частицы осадков, на которых происходит рассеяние падающего на них излучения. Часть потока рассеянного излучения Фс(і) собирается оптической системой приемника и передается на чувствительную площадку приемника излучения. Приемник совместно с приемной оптической системой представляют собой систему первичной обработки информации, основная задача которой преобразование оптического сигнала к электрическому виду, доступному для дальнейшей обработки. Электронный тракт преобразует входное аналоговое напряжение U(t) к виду удобному для последующей оцифровки. Поступающий на вход АЦП аналоговый сигнал дискретизируется по уровню и по времени. С выхода АЦП сигнал в виде цифрового кода загружается в персональный компьютер ПК, где осуществляется его дальнейшая обработка, а также вывод и отображение данных в доступном для пользователя виде.
На основе, представленной на рис. 3.2, структурной схемы производился дальнейший расчет базовых характеристик прибора.
Одной из основополагающих характеристик прибора, обеспечивающей качественную работу, является энергетическое соотношение между полезным сигналом и шумом - энергетическая разрешающая способность. Иногда более удобно рассматривать величину порога чувствительности системы, то есть минимальное значение потока источника Фн, при котором обеспечивается заданное отношение сигнал/шум S/N на выходе приемника, необходимое для правильной работы прибора. Рассмотрим обобщенную структурную схему прибора, представленную на рис. 3.3.
Поток излучения с выхода источника поступает на исследуемый объект (частица осадков), часть этого потока регистрируется оптическим приемником, зависимость потока приходящего на приемник от общего потока излучения определялось согласно выражению Фс = Кі-Фи , где Ki - коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и размера частицы. В качестве приемника оптического излучения использовался фотодиод с линейной статической характеристикой. Таким образом электрическое напряжение на выходе приемника будет пропорционально потоку Фс, Ui = Кз Фс = Кі Кг Фи, где К2 - коэффициент чувствительности фотодиода. Одновременно в оптическом приемнике формируется собственный шум фотоэлемента со свойствами «белого шума». На схеме влияние шумов фотоприемника эта величина отображена в виде составляющей фп - это аддитивная шумовая составляющая фотоприемника. Таким образом, на входе электронного тракта мы получаем смесь полезного сигнала и шума U2 = Ui + щП, Аналогичным образом можно получить и напряжение на входе АЦП персонального компьютера TJ4, (29).
