Лазерный измеритель параметров дождевых капель, работающий в проходящем свете
Дипломная работа - Разное
Другие дипломы по предмету Разное
довательских метеорологических задач и не входит в класс доступных устройств широкого применения.
К следующему типу оптических измерителей микроструктуры осадков относятся приборы, работающие по принципу затенения. В большинстве своем это устройства, работающие на основе применения лазерного источника света (например, лазерного диода ?=780 нм). Принцип измерения таких устройств заключается в следующем. Лазерный диод формирует луч, представляющий собой параллельный пучок света рис 6, поступающий напрямую на фотодиод.
Рисунок 6. Принцип измерения частиц лазерного дисдрометра
Частица, падающая через такой луч, вызывает его частичное затенение, при этом изменяется величина потока света, приходящего на приемник. Это изменение регистрируется фотодиодом и преобразуется в электрический импульс, амплитуда которого фиксируется, и переводится в цифровой код в схеме обработки сигнала. Особенностью лазерных дисдрометров является то, что толщина луча (в данном случае h = 0,75 мм) намного меньше диаметров частиц, поэтому значение выходного измеряемого сигнала будет пропорционально горизонтальному диаметру частицы в момент ее пролета через луч. Это свойство довольно невыгодно сказывается на общей погрешности измерений, поскольку при регистрации осциллирующих капель в момент их пролета через луч величина горизонтального сечения капель может изменяться на величину до 20%, при фиксированном эффективном диаметре, что является прямым вкладом в погрешность измерений. С технической точки зрения, применение тонкого лазерного луча влечет за собой повышение частоты модуляции сигнала (до 175 МГц), и использовать диод в режиме работы близком к пиковому. Это довольно невыгодно, увеличивается влияние температуры, и приводит к применению более дорогостоящих компонентов.
Лазерные дисдрометры позволяют определять и другие параметры осадков. Например, скорость падения частицы определяется исходя из длительности формируемого импульса. Определение типа осадков производится по известным пропорциям размера частицы к ее скорости падения. Данные пропорции получены и представлены в разработках исследователей Ганна и Кинзера.
Следующий оптический измеритель микроструктуры, основанный на принципе затенения - это оптический спектроплювеометр, разработанный во Франции (Optikal Spektro Pluviometr, CEPT, France). Схема измерения данного устройства показана на рис 7.
Рисунок 7. Схема измерения оптического спектроплювеометра.
Как и в лазерном дисдрометре, в спектроплювеометре производится измерение флуктуаций светового потока, вызываемых падением падающих частиц в луч света.
Датчик фиксирует импульс затенения, по максимальному значению которого определяет диаметр капли. В отличие от лазерного дисдрометра, скорость падения капли определяется по величине интервала времени между импульсами от двух лучей (?t1,?t2). Это позволяет более точно производить измерение скорости падения, при этом требуется хорошая синхронизация измерительной схемы приемника. Также данный метод более эффективен и не зависим от искажения формы сигнала от частицы. На рисунке 8 представлены типовые сигналы от капель.
Рисунок 8. График сигналов от одной капли
На рисунке 8 показана форма импульсов затенения от крупной капли, полученные с двух приемников.
Данный прибор позволяет определять размер частицы, скорость падения и получать спектр дождя. В качестве примера выходных данных такого прибора рассмотрим график распределения капель по размерам в зависимости от времени (рисунок 9).
По вертикальной оси графика, показанного на рисунок 9, отложено время (общее время сбора 100 сек), по оси абсцисс отложен диаметр капель. Количество капель определенного диаметра определяется степенью светлости изображения. Сглаженный график микроструктуры показан в виде ломаной линии.
Рисунок 9. График изменения структуры дождя.
По вертикальной оси графика, показанного на рисунок 9, отложено время (общее время сбора 100 сек), по оси абсцисс отложен диаметр капель. Количество капель определенного диаметра определяется степенью светлости изображения. Сглаженный график микроструктуры показан в виде ломаной линии.
Комбинированные измерители осадков, представляют собой класс устройств, сочетающих в себе несколько принципов измерения. В качестве примера, рассмотрим оптическую погодную станцию, разработанную в США. Данная система предназначена для достоверного измерения видимости и функционирует на принципе прямого рассеяния в комбинации с оптической системой, основанной на принципе затенения, с целью нейтрализации неоднозначностей, возникающие при измерении световой передачи несвязанные с видимостью (дождь, снег). Функциональная схема, данной установки представлена на рисунок 10.
Рисунок 10. Функциональная схема погодной станции (США).
В данной системе использован частично когерентный источник света - инфракрасный светоизлучающий диод. Вместо лазерного источника, который обычно используют стандартные оптические системы идентификации погоды, работающие по затенению. Геометрическая схема расположения двух приемников излучения такова, что первый приемник, установлен непосредственно в пучке света. Он регистрирует сигнал сцинтилляций, встречающихся в луче света, данный сигнал предназначен для реализации первой функции прибора - обработку сигналов от ?/p>