Диссертация Зуева С.В - Томский государственный университет

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт
мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения
Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) и Федеральное государственное
автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный
исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ)
На правах рукописи
Зуев Сергей Викторович
МОНОСТАТИЧЕСКИЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОТЫ
НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАЧНОСТИ
Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы
и комплексы
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель д.ф.-м.н., проф. Красненко Н. П.
Томск - 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список условных сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
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
2
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 оптикоэлектронного измерителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2. Анализ результатов измерений высоты нижней границы облачности . . . 88
Выводы к Главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Список использованных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Приложение 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Приложение 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Приложение 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Приложение 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3
Список условных сокращений
ИК
– инфракрасный
ИФО
– измеряемый фрагмент облачности
МУК
– минимальный уровень конденсации
НГО
– нижняя граница облачности
ОЗУ
– оперативное запоминающее устройство
ОКГ
– оптический квантовый генератор
ОС
– оптическая система
ПЗС
– прибор с зарядовой связью
ПК
– персональный компьютер
ПО
– программное обеспечение
СВЧ
– сверхвысокая частота
СИ
– средство измерения
ОЭИ
– оптико-электронный измеритель
УКВ
ультракороткие волны
ФПМ
функция передачи модуляции
ФРТ
функция рассеяния точки
ФЭУ
фотоэлектронный умножитель
4
Определения
Водность облаков – масса капель воды и кристаллов льда, из которых состоят
облака в единичном объеме (абсолютная водность, г/м3) или единичной массе
(удельная водность, г/кг).
Дальность видимости – это то расстояние, на котором видимый контраст между объектом и фоном становится равным пороговому контрасту человеческого глаза.
Нижняя граница облаков (НГО) – уровень (поверхность) в атмосфере, на котором водность облака, если перемещаться внутри него по вертикали вниз, обращается в нуль. В реальных условиях НГО представляет собой переходной
слой толщиной в несколько десятков метров, в котором происходит постепенное уменьшение (потеря) видимости: более быстрое – горизонтальной и более
медленное – вертикальной.
Облака – системы взвешенных в атмосфере продуктов конденсации водяного
пара – капель воды или кристаллов льда.
Облакомер – прибор для определения высоты нижней и верхней границы облаков, поднимаемый на шаре-зонде.
Облачность – совокупность облаков, наблюдаемых на небосводе в месте наблюдения и их количество в десятых долях покрытия неба.
Центрированная оптическая система – система из произвольного числа линз,
оптические оси которых совпадают.
Эксплуатационный метеорологический минимум аэродрома – ограничения
использования аэродрома для взлѐта и посадки, выражаемые в величинах дальности видимости и параметров облачности.
5
Введение
Актуальность темы. Облака являются важнейшим фактором, определяющим погоду и климат нашей планеты. Будучи одним из составных элементов кругооборота воды в природе, облака участвуют в энергетическом обмене
системы планета – атмосфера и в перераспределении тепловой энергии на земном шаре, влияя на радиационный баланс земли. Облака нижнего и среднего
ярусов, с высотой нижней границы до 2 км и от 2 до 6 км соответственно, составляют основную массу облачности планеты и оказывают определяющее
влияние на динамику вертикальных профилей радиационных изменений температуры, участвуя тем самым в определении соотношения между получаемым
теплом и собственным излучением планеты [1–4].
Земная атмосфера находится в непрерывном движении и ее физическое
состояние непрерывно изменяется, что связано с участием атмосферы во вращательном движении Земли вокруг Солнца и своей оси и со сложными внутренними процессами. Для изучения физики атмосферы необходимо получение
и анализ большого числа параметров ее состояния, таких как температура, давление, количество и высота облаков, плотность и влажность воздуха, скорость
ветра, и др. [3].
Решение комплекса проблем, связанных с долговременными изменениями окружающей среды в глобальных, региональных и локальных масштабах
под воздействием естественных и антропогенных факторов, является основной
практически значимой
целью программы климато-экологического монито-
ринга [5, 6]. Устойчивое развитие любой территории невозможно без проведения анализа информации о климато-экологических изменениях окружающей
среды региона. При этом возникает необходимость получения и хранения различной информации, в том числе и метеорологической, которая может обрабатываться с применением геоинформационных систем [7]. Облачность относится к приоритетным объектам изучения в физике атмосферы и климатоэкологического мониторинга. Система мониторинга облачности включает в се6
бя сеть как наземных, так и космических наблюдений, обеспечивающих получение непрерывных рядов наблюдения по основным объектам климатоэкологического мониторинга [4].
В сложном комплексе метеорологических элементов и явлений, участвующих в формировании погоды и климата, облакам принадлежит определяющая роль. Поэтому, большое значение имеет мониторинг параметров облаков,
таких как их количество, форма, направление движения и повторяемость на
всех ярусах, водность, горизонтальная и вертикальная протяженность и др.
Нижняя и верхняя границы облачности относятся к важнейшим параметрам,
описывающим состояние облачности в определенные моменты времени. Непрерывные ряды наблюдений высоты нижней и верхней границ облачности,
наравне с другими параметрами, характеризующими состояние облачности, используются в синоптико-климатических моделях облачности. Например, в [8]
используются осредненные по многолетним данным особенности облачности
региона в разное время суток и года.
В настоящее время большое внимание уделяется статистическому анализу состояния облачности в глобальном масштабе по данным наземных и спутниковых измерений, что позволяет более точно оценивать состояние облачности [9, 10]. Кроме того, наряду с глобальными явлениями, облака оказывают
существенное влияние на техногенную деятельность человека, связанную с использованием воздушного пространства земли. Так, например, в метеорологическом обеспечении авиации, высота нижней границы облачности, наряду с
дальностью видимости, является одним из важнейших параметров в эксплуатационном метеорологическом минимуме аэродромов, определяющем режим их
работы [11, 12].
Среди наземных методов мониторинга облачности успешно развивается
метод лазерного зондирования атмосферы, обеспечивающий получение профилей или полей различных параметров атмосферы с высоким временным и пространственным разрешением. Тем не менее, только совместное использование
активных и пассивных методов может обеспечить максимальный эффект в ис7
следовании атмосферы [13], что связано с наличием известных для каждого метода преимуществ и недостатков.
Целью работы является разработка технического средства измерения и
методики получения, обработки и анализа информации о высоте нижней границы облачности по разномасштабным изображениям отдельных фрагментов
облаков, направленных на решение задач, связанных с климато-экологическим
мониторингом окружающей среды, и научное обоснование нового метода определения высоты нижней границы облачности с использованием оптикоэлектронных измерительных систем.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
1. Проведения анализа известных методов определения высоты облачности,
основанных на разных физических принципах.
2. Научного обоснования моностатического метода определения высоты
нижней границы облачности по разномасштабным изображениям ее
фрагментов.
3. Разработки методики и алгоритма измерения высоты нижней границы
облачности моностатическим методом.
4. Исследования макета оптико-электронного измерителя, реализующего
моностатический метод определения высоты нижней границы облачности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые разработаны теоретические и методологические основы моностатического метода определения высоты нижней границы облачности,
направленного на решение задач,
связанных
со сбором
метео-
рологических данных.
2. Разработаны методика и алгоритм определения высоты нижней границы
облачности нижнего яруса моностатическим методом.
3. Обоснованы условия и критерии получения достоверных результатов измерений высоты нижней границы облачности предлагаемым методом.
4. Разработан и экспериментально исследован макет оптико-электронного
8
измерителя, реализующий предложенный алгоритм определения высоты
нижней границы облачности.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Разработанный моностатический метод определения высоты нижней границы облачности позволяет решать задачи климато-экологического мониторинга в части сбора данных о состоянии облачности для научноисследовательских целей, а также удовлетворять потребности народного
хозяйства, обороны страны и населения в гидрометеорологической информации, в том числе для обеспечения авиационной безопасности, где
данный метеопараметр является одним из важнейших в эксплуатационном метеорологическом минимуме аэродромов.
2. Результаты исследования моностатического метода подтверждают возможность его практического использования для определения высоты
нижней границы облачности.
Апробация результатов исследования. Основные положения, научные
и экспериментальные результаты работы докладывались на региональных и
международных научно-технических конференциях с 2006 по 2011 гг., в том
числе на XIII–XVII Международных симпозиумах "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", на V и VI Международных симпозиумах "Контроль и
реабилитация окружающей среды", на VII-IX "Cибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу", на Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды "ENVIROMIS-2008", на международной конференции по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде ―CITES2011‖, на XVI и XVII Рабочих группах "Аэрозоли Сибири".
По теме диссертации сделано 11 публикаций, из них 2 статьи опубликованы в отечественных рецензируемых журналах из перечня ВАК, 5 в сборниках
материалов международных конференций и 4 в сборниках материалов российских конференций, получено 4 патента на изобретение. Полученные научные и
практические результаты были использованы при разработке и создании изме9
рителя нижней границы облачности, входящего в состав Автоматизированной
метеорологической информационно-измерительной системы (АМИИС) метеообсерватории ИМКЭС СО РАН (Приложение 4 "Акт о внедрении результатов
кандидатской диссертационной работы Зуева Сергея Викторовича"). Работа
выполнена в рамках проекта 10 "Комплексный мониторинг современных климатических и экосистемных изменений в Сибири" Программы Президиума
РАН № 16 "Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы".
На защиту выносятся:
1. Наземный моностатический метод измерения, позволяющий определять высоту нижней границы облачности в диапазоне от 500 до 1500 м
по разномасштабным изображениям ее фрагментов.
2. Методика и алгоритм измерения, позволяющие по разномасштабным
изображениям фрагментов облачности определять высоту их нижней
границы в диапазоне от 500 до 1500 м с погрешностью, не превышающей 10 %.
3. Результаты
экспериментального
исследования
макета
оптико-
электронного измерителя высоты нижней границы облачности, реализующего предлагаемую методику и алгоритм измерения, подтверждающие основные теоретические положения и выводы.
Структура и объѐм диссертационной работы. Диссертация состоит из
введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников из 134-х
наименований и 4-х приложений. Работа изложена на 111-ти страницах машинописного текста, содержит 18 рисунков и 10 таблиц.
10
Глава 1. Методы и средства определения высоты нижней границы
облачности
Согласно [14], измерение есть нахождение значения величины опытным
путем с помощью специальных технических средств. Единицей длины является
метр, который определяется как длина пути, проходимого светом в вакууме за
интервал времени 1/299 792 458 с [15]. Высота нижней границы облачности измеряется в единицах длины, поэтому ее определение может производиться теми же методами и приборами, что и определение длины. В этой главе приведена классификация, физико-математические основы существующих методов
определения высоты НГО и их сравнительный анализ. Представлены основные
характеристики средств измерения высоты НГО.
1.1.
Классификация и физико-математические основы существующих
методов определения высоты нижней границы облачности
Методы определения высоты НГО по способу измерения можно класси-
фицировать на контактные и дистанционные [2, 16]. Контактные методы измерения высоты НГО заключаются в непосредственном измерении расстояния с
помощью эталонов расстояния и связаны с трудностью доставки носителя мерной величины к НГО. По этой причине контактных измерений в таком понимании при реализации методов измерения параметров облачности практически
нет [17]. Поэтому, основное применение находят дистанционные методы измерения, включающие в себя измерительный прибор, не вступающий в контакт с
исследуемой средой, необходимую априорную информацию об измеряемом
фрагменте облачности и алгоритм получения искомой величины. При этом значение высоты НГО определяется на основании результатов прямых измерений
других величин, функционально связанных с искомой величиной.
В общем случае, дистанционные методы измерения основаны на регистрации характеристик различных полей – электромагнитных, магнитных, элек11
трических, акустических, гравитационных, которые несут в себе информацию о
параметрах исследуемого объекта. Однако, учитывая особенности взаимодействия различных типов полей с облачными элементами, наиболее оптимальными в применении и в практической реализации являются методы, регистрирующие характеристики электромагнитных полей. Данные методы измерения
высоты НГО можно классифицировать по следующим признакам:
– по природе используемого излучения на пассивные и активные методы;
– по основным процессам взаимодействия излучения с исследуемой средой на методы ослабления (поглощения), часто называемые методами прозрачности, методы собственного излучения (путем анализа пространственного расположения яркостной температуры излучения) и методы рефракции (путем определения вертикального профиля влажности атмосферы при известном профиле температуры);
– по времени суток на дневные, круглосуточные и терминаторные методы;
– по используемым носителям на наземные, воздушные и космические.
Используя такую классификацию, предлагаемый метод определения высоты НГО можно определить как пассивный дневной наземный метод, использующий собственное излучение облаков.
На рис. 1.1 приведена классификация методов измерения высоты НГО согласно [2]. Ниже предоставлены краткие описания наиболее часто применяемых в настоящее время методов измерения высоты НГО.
Морфологический метод определения высоты НГО относится к пассивным методам и базируется на анализе формы и количества облаков. Первая
морфологическая классификация была разработана в 1803 г. английским метеорологом Люком Ховардом (Luke Howard) и до настоящего времени лежит в основе современной международной классификации облаков. Морфологическая
классификация включает в себя 10 основных форм (родов) облаков, которые в
свою очередь разделяются на ряд видов и разновидностей. Основным отличи-
12
Рис. 1.1. Классификация методов измерения высоты НГО
13
тельным признаком при определении формы облаков является их внешний вид
и структура. Облака могут располагаться в виде отдельных изолированных
масс или сплошного покрова. Их строение может быть однородным, волокнистым, туманообразными и др., а нижняя поверхность — ровной, расчлененной
или изорванной. Кроме того, облака могут быть плотными и непрозрачными
или тонкими просвечивающими. Все эти признаки характеризуют форму и
внешнее строение облаков. По высоте своей нижней границы облака делятся на
4 семейства:
– облака верхнего яруса, располагающиеся на высотах более 6 км;
– облака среднего яруса, располагающиеся на высотах от 2 до 6 км;
– облака нижнего яруса, располагающиеся на высотах до 2 км;
– облака вертикального развития, основания которых располагаются на
высоте облаков нижнего яруса, а вершины - на высоте облаков среднего или
верхнего ярусов. В таблице 1.1. приведена морфологическая классификация
облаков согласно [3, 18–20].
Сущность морфологического метода заключается в определении диапазона высот нижней границы облачности, на которых может располагаться определяемый по приведенным в атласе [20] описаниям и фотографиям тип наблюдаемых облаков.
Также к пассивным относится метод оценки высоты НГО по минимальным уровням конденсации, использующий эмпирические формулы, полученные в разное время У. Феррелем, А.Н. Ипполитовым, Д. Л. Лайхтманом и др.
[3, 4, 21–23, 24].
Известна формула У. Ферреля
H ( m ) 122 ( t td )
где
(1.1)
H(m)– высота НГО, м;
t – температура воздуха, °C;
td – точка росы, °C.
Разность температуры воздуха и точки росы называется дефицитом точки росы,
поэтому метод часто называется методом дефицита точки росы. Оба параметра
14
Таблица 1.1
Морфологическая классификация облаков
Семейство
Форма
Вид
Разновидности
1
2
3
4
1. Волокнистые (fibratus, Ci fib.)
I. Перистые
(Cirrus, Ci)
сота, км
5
1. Когтевидные (uncinus, Ci un.)
2. Хребтовидные (vertebratus, Ci vert.)
3. Перепутанные (intortus, Ci int.)
2. Плотные (spissatus, Ci sp.)
Средн. вы-
7-8
1. Послегрозовые (incus-genitus, Ci ing.)
2. Хлопьевидные (floccus, Ci floc.)
1. Волнистые (undulatus, Cc und.) 1. Чечевицеобразные (lenticularis, Cс lent.)
Облака
верхнего
II. Перисто-
2. Кучевообразные (cumuliformis,
яруса
кучевые (Cir-
Cc cuf.)
rocumulus, Cc)
3. Конденсационные следы (traktus, Cc trac.)
III. Перисто-
1. Волокнистые (fibratus, Cs fib.)
слоистые
2. Туманообразные (nebulosus,
(Cirrostratus, Cs)
Cs neb.)
1. Хлопьевидные (floccus, Cс floc.)
6-8
–
–
–
6-8
15
Продолжение табл. 1.1
1
2
3
4
5
1. Просвечивающие (translucidus, Ac trans.)
l. Волнистые (undulatus, Ac und.)
2. Непросвечивающие плотные (opacus, Ac
op.)
3. Чечевицеобразные (lenticularis, Ac lent.)
IV. ВысокоОблака
среднего
4. Неоднородные (inhomogenus, Ac inh.)
кучевые
1. Хлопьевидные (floccus, Ac floc.)
2-6
(Altocumulus, Ac)
2. Башенковидные (castellatus, Ac cast.)
яруса
2. Кучевообразные (cumuli - formis, Ac cuf)
3. Образовавшиеся из кучевых облаков
(cumulogenitus, Ac cug.)
4. С полосами падения осадков (virga, Ac
vir.)
V. Высоко-
1. Туманообразные (nebulosus,
1. Просвечивающие (translucidus, As trans.)
слоистые (Alto-
As neb.)
2. Непросвечивающие (opacus, As op.)
stratus, As)
2. Волнистые (undulatus. As und.) 3. Дающие осадки (praecipitans, As pr.)
3-5
16
Продолжение табл. 1.1
1
2
3
1. Волнистые (undulatus, Sc und.)
4
5
1. Просвечивающие (translucidus, Sc trans.)
2. Непросвечивающие (opacus, Sc op.)
3. Чечевицеобразные (lenticularis, Sc lent.)
VI. Слоисто-
1. Башенкообразные (castellatus, Sc cast.)
кучевые (Strato-
2. Растекающиеся дневные (diurnalis, Sc
cumulus, Sc)
Облака
нижнего
2. Кучевообразные (cumuli-
diur.)
formis, Sc cuf.)
3. Растекающиеся вечерние (vesperalis, Sc
0,8-1,5
vesp.)
яруса
4. Вымеобразные (mammatus, Sc mam.)
1. Туманообразные (nebulosus, St
VII. Слоистые
(Stratus, St)
neb.)
2. Волнистые (undulatus, St und.)
3. Разорванные (fractus, St fr.)
–
–
0,1-0,7
1. Разорванно-дождевые (fractonimbus, St
frnb.)
17
Окончание табл. 1.1
1
2
3
4
5
VIII. Слоистодождевые (Nim-
–
–
1. Плоские (humilis, Cu hum.)
1. Разорванные (fractus, Cu fr.)
2. Средние (mediocris, Cu med.)
–
0,1-1,0
bostratus, Ns)
IX. Кучевые (Cumulus, Cu)
Облака
вертикального
развития
3. Мощные (congestus, Cu cong.)
1. Лысые (calvus, Cb calv.)
X. Кучево-дождевые (Cumulonimbus, Cb)
1. Мощные с шапочкой (congestus pileus,
0,8-1,5
Cu cong. pil.)
1. С грозовым валом (calvus arcus, Cb
calv. arc.)
1. С грозовым валом (capillatus arcus, Cb
2. Волосатые (capillatus, Cb
cap. arc.)
cap.)
2. С наковальней (incus, Cb inc.)
0,4-10
3. Плоские (humilis, Cb hum.)
18
измеряются в градусах Цельсия на метеостанции в психрометрической будке на
высоте 2 м над поверхностью земли.
Уровень конденсации, и, следовательно, минимальный уровень нижней
границы облачности, также можно определить по эмпирической формуле А. Н.
Ипполитова
H ( m) C ( B - f ) ,
где
(1.2)
C и B – эмпирические коэффициенты, зависящие от типа облачности;
f – относительная влажность воздуха, %.
Также известна и применяется формула Д. Л. Лайхтмана
H( m )
где
A ( B lg f ) ,
(1.3)
A = 3780 и B = 2,0 – эмпирические коэффициенты (для конвективной об-
лачности);
f – относительная влажность воздуха, %.
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
приѐмника 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 приѐмников, 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 нанесен19
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
полѐт. Замеряя с помощью секундомера время, которое требуется шар-пилоту
для достижения облачности, определяют высоту НГО по формуле
h=v ,
где
(1.4)
v – вертикальная скорость шар-пилота, м/с;
τ – время, с.
В зависимости от силы ветра, высоты и вида облаков, могут применяться тѐмные и светлые оболочки шаров-пилотов объѐмом 10, 20 или 30 л. Для наблюдения в тѐмное 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
где
s tgα ,
(1.5)
s – расстояние от прожектора до угломерного устройства, м;
α – 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
20
применение, светолокационный метод [18, 22, 33], заключающийся в измерении временного промежутка, пропорционального удвоенной высоте НГО, между моментами излучения и приѐма отражѐнного от облака светового импульса
по формуле
h=
где
c
,
2
(1.6)
c – скорость света, м/с;
τ – 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 отражѐнный 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 c 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
21
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].
1.2.
Сравнительный анализ методов измерения высоты нижней границы
облачности
Представленные выше методы измерения высоты НГО имеют свои пре-
имущества и недостатки. Выбор того или иного метода зависит от многих факторов, в числе которых требуемая точность получаемых данных о высоте НГО,
непрерывность производства измерений, энергопотребление, допустимые габариты, стоимость используемого оборудования и др.
Активные дистанционные методы определения высоты НГО имеют более
высокую, по сравнению с пассивными методами, точность измерений, и меньшую зависимость от погодных условий.
Пассивные методы, в свою очередь, имеют преимущества по таким параметрам, как простота технической реализации, меньшие массогабаритные показатели применяемых измерителей, низкое, по сравнению с активными методами, энергопотребление и, как следствие этого, более высокую надѐжность.
В Таблице 1.2 показаны преимущества и недостатки пассивных методов
измерения высоты НГО, в Таблице 1.3 – преимущества и недостатки активных
методов.
22
Таблица 1.2
Преимущества и недостатки пассивных методов измерения высоты НГО
N п/п
Название метода
1
2
Преимущества
Недостатки
3
4
1. Субъективность определения типа облачности.
1.
Морфологический
1. Не требует специального оборудо- 2. Низкая точность измерений (определяется диапа-
метод
вания.
зон высот).
3. Дневной метод измерений.
Метод определения 1. Простота технической реализации
2.
дефицита точки ро- метода.
сы
1. Низкая точность измерений.
2. Круглосуточность измерений.
1. Отсутствие излучателя.
2. Простота технической реализации
метода.
3.
1. Значительный территориальный разброс фото-
Бистатический ме- 3. Непрерывность измерений.
приѐмников.
тод
4. Многоточечность измерений.
2. Субъективность определения точки измерения (в
5. Круглосуточность наблюдений
ручном режиме).
(при наличии естественной или искусственной подсветки).
23
Окончание табл. 1.2
1
N п/п
2
Название метода
3
4
Преимущества
Недостатки
1. Отсутствие излучателя.
4.
1. Территориальный разброс фотоприѐмников в за-
Стереоскопический
2. Простота технической реализации висимости от характеристик оптических систем и
метод
метода.
измеряемого диапазона высот.
3. Непрерывность измерений.
2. Субъективность определения точки измерения (в
4. Многоточечность измерений.
ручном режиме).
1. Зависимость от погодных условий (осадки, туман, сильная дымка, ветер, наличие разорванной
или малой облачности).
1. Простота технической реализации 2. Субъективность определения момента достиже5.
Шаропилотный ме- метода.
тод
ния НГО (при визуальном контроле).
2. Измерение многослойной облачно- 3. Малая поднимаемая масса приборов (не более
сти.
900 грамм) (при радиозондировании).
4. Необходимость проведения предварительной
операции газонаполнения непосредственно перед
запуском шар-пилота.
24
Таблица 1.3
Преимущества и недостатки активных методов измерения высоты НГО
N п/п
Название метода
1
2
Преимущества
Недостатки
3
4
1. Зависимость от погодных условий (осадки, туман, солнечная засветка, наличие разорванной или
малой облачности).
1.
Прожекторный метод
1. Простота технической реализации 2. Субъективность определения точки измерения и
метода.
угла наблюдения.
2. Достаточная точность измерений.
3. Значительный территориальный разброс передатчика и приѐмника.
4. Большие габариты измерителя.
5. Большое энергопотребление измерителя.
1. Зависимость от погодных условий (осадки, ту-
2.
Светолокационный
1. Достаточная точность измерений.
метод
2. Круглосуточность измерений.
ман, солнечная засветка, наличие разорванной или
малой облачности).
2. Большие габариты измерителя.
3. Большое энергопотребление измерителя.
25
Окончание табл. 1.3
1
2
3
4
1. Всепогодность измерений.
2. Круглосуточность измерений.
3.
Радиолокационный
3. Высокая точность измерений.
метод
4. Непрерывность измерений.
5. Многоточечность измерений.
1. Высокая стоимость измерителя.
2. Большие габариты измерителя.
3. Большое энергопотребление измерителя.
6. Измерение многослойной облачности.
1. Высокая точность измерений.
2. Круглосуточность измерений.
4.
Лидарный метод
3. Компактность измерителя.
4. Непрерывность измерений.
5. Многоточечность измерений.
1. Зависимость измерений от погодных условий
(солнечная засветка, наличие разорванной или
малой облачности).
2. Высокая стоимость измерителя.
6. Измерение многослойной облачности.
1. Большое пространственное разрешение измерений.
5.
Спутниковый метод 2. Круглосуточность измерений.
3. Всепогодность измерений.
1. Высокая стоимость измерителя.
2. Зависимость точности измерения высоты НГО
от точности определения толщины облачности.
4. Многоточечность измерений.
26
Таким образом, можно сделать вывод о том, что идеального метода измерения высоты НГО не существует и в каждом конкретном случае требуется выбирать тот или иной исходя из поставленной цели. Актуальной остается задача
разработки и создания недорогих пассивных измерителей высоты НГО, имеющих небольшие габариты и низкое энергопотребление и способных работать
автономно в автоматическом режиме.
27
1.3.
Средства измерения высоты нижней границы облачности
Измерение расстояния издавна считалась одной из самых востребованных
работ. Существующие в обычной человеческой практике средства измерения
расстояний, такие как линейки, метры и рулетки, издавна позволяют проводить
измерения длины и протяжѐнности – это одно из первых, что научился измерять человек. В геодезии проблема измерения расстояний, наряду с измерением
азимутов и углов возвышения, является основополагающей.
Простейшим способом измерить расстояние до нижней границы облачности является прямое непосредственное измерение, заключающееся в непосредственном измерении с использованием мерных линейных приборов. Решение
проблемы при таком способе измерения высоты НГО сводится к подсчѐту количества единиц измерения длины (или еѐ частей), нанесенных на какой-либо
носитель, которое укладывается на измеряемом расстоянии от поверхности
земли до нижней границы облачности. К таким приборам относятся линейки,
рулетки, мерные стальные и инварные ленты и проволоки и тому подобные
приспособления с нанесенными на них мерными делениями.
При косвенном непосредственном измерении высоты НГО определяется
какая-либо промежуточная величина, функционально связанная с искомой величиной высоты НГО.
Величины измеряемых расстояний при прямых и косвенных непосредственных измерениях обычно не превышают 50–100 м, что не позволяет решать
задачи определения высоты НГО, значения которой могут достигать нескольких тысяч метров. Кроме того, в связи со сложностью, а чаще всего невозможностью, доставки таких типов измерительных приборов к точке измерения, определение высоты НГО приборами непосредственного измерения не производится. С этой целью применяются приборы дистанционного измерения, использующие различные физические принцип работы.
Высоту НГО можно измерять, применяя дальномеры, использующие в
своей работе различные физические принципы. Широкое применение для из28
мерения расстояний (например, в геодезии) имеют дальномеры с постоянным
углом, а также дальномеры двойного изображения. И в том и в другом случаях
используются образцовые рейки различных конструкций с известными геометрическими размерами. К приборам такого типа относятся теодолиты, тахеометры и кипрегели [37–39]. При использовании оптических дальномеров диапазон измеряемых расстояний может составлять от 10-20 м до 300 м со среднеквадратической ошибкой от 1/1500 до 1/600.
Принцип измерения расстояний электронными дальномерами, использующими электромагнитные волны радио- и оптического диапазона, основан на
определении прямым или косвенным способом времени распространения электромагнитной волны вдоль измеряемой дистанции.
В радиодальномерах в качестве несущих колебаний используются колебания диапазона СВЧ. Это, как правило, сантиметровые (3 или 10 см) или миллиметровые (8 мм) волны диапазона УКВ [39]. В светодальномерах используются электромагнитные колебания оптического диапазона волн, как видимого,
так и ИК диапазона. В качестве источника света используются лампы накаливания, светодиоды, газовые и твердотельные лазеры. Диапазон измеряемых с
помощью светодальномеров расстояний может лежать в пределах от 1 до 70 км
с достаточно большой точностью. Например, лазерный дальномер "Zenit LRB
7x40 S имеет диапазон измеряемых расстояний от 40 до 1000 м с ошибкой от 1
до 11 м, а лазерный целеуказатель-дальномер "1Д26" позволяет определять расстояния от 110 до 29995 м с предельной погрешностью измерения дальности не
более 10 м [40]. Также, многорежимный лазерный дальномер-целеуказатель
воздушной и наземной цели входит в состав оптико-локационных станций типа
ОЛС самолета СУ-35 и 13СМ-1 самолета МиГ-35, имеющих дальность обнаружения воздушных и наземных целей до 70 км [41].
Радио- и светодальномеры могут работать на различных физических
принципах работы – временном, интерференционном, частотном или фазовом
[39]. Дальномеры, работающие на временном принципе, используют прямое
измерение времени распространения импульса электромагнитной волны τ. При
29
использовании интерференционного принципа, расстояние определяется при
непосредственном наблюдении интерференционной картины, созданной опорной и отражѐнной волнами. При использовании частотного принципа, измеряется приращение частоты излучаемого и принимаемого сигнала.
Широкое распространение получили дальномеры с фазовым принципом
измерения расстояний. В этом случае измеряется разность фаз излучаемого и
принимаемого сигналов, а расстояние D определяется по формуле
D
где
2f
N
2
,
(1.7)
N – целое число;
Δυ – сдвиг фаз;
f – частота излучаемых колебаний.
Фазовые дальномеры позволяют измерять расстояния от десятков метров до десятков километров с точностью до 10 мм. Недостатками таких измерителей является необходимость разрешения неоднозначности в определении неизвестного целого числа N в уравнении (1.7), т. к. реальный фазометр может измерять
сдвиг фаз только в пределах от 0 до 2π (т. е. только величину Δυ). В современных фазовых дальномерах неоднозначность определения числа N разрешается
путем работы на нескольких (как правило, 3-4-х) точно известных частотах модуляции, что значительно усложняет конструкцию измерителя.
1.4.
Сравнительный анализ средств измерения высоты нижней границы
облачности
В настоящее время в метеорологии в качестве средств измерения высоты
НГО в большинстве случаев используются приборы, работающие по активному
методу измерения. Этому способствовало несколько факторов, среди которых
возможность круглосуточного использования активных измерителей высоты и
достаточно высокая точность производимых измерений. Наибольшее распространение среди активных средств измерения имеют светолокационные изме30
рители высоты. Так, по данным Росгидромета на апрель 2008 г., только сертифицированные светолокационные автономные измерители высоты НГО типа
ДВО-2, без учета несертифицированного оборудования типа РВО-2М и ИВО,
составляли около 30% облакомеров из 947 комплектов, установленных на аэродромах гражданской авиации [42, 43]. На замену этого морально и технически
устаревшего оборудования приходят лидарные измерители высоты НГО, свободные от таких недостатков, присущих светолокационным измерителям, как
зависимость от неблагоприятных для проведения измерений погодных условий
в виде осадков, тумана, сильной дымки [22], большие габариты и значительная
потребляемая энергия. Кроме этого, лидарные измерители высоты могут обеспечивать непрерывность и многоточечность измерений и позволяют определять
количество и высоту нескольких облачных слоев.
Пассивные измерители высоты имеют свои преимущества. Например, в
отличие от светолокационных и лидарных измерителей, они имеют возможность производить измерения высоты НГО при солнечной засветке. Однако, об
известных опытных или серийных образцах измерителей высоты НГО, использующих пассивные методы измерения, доступной информации нет. В связи с
этим, в Таблице 1.4 приведены сравнительные характеристики эксплуатируемых в настоящее время приборов для научно-исследовательских и практических целей, использующих только активные методы измерения высоты НГО
[22, 34, 43–54].
31
Таблица 1.4
Сравнительные характеристики приборов измерения высоты НГО
№
п/п
Прибор
1
2
1.
ИВО-1М
2.
РВО-2М
3.
РВО-3
4.
ДВО-2
Производи-
Используе-
Тип излуча-
тель
мый метод
теля
3
4
5
Светолока-
Лампа им-
ционный
пульсная
Светолока-
Лампа импул.
ционный
ИСШ-100-4
ФГУП ВЭИ,
Светолока-
Лампа импул.
РФ
ционный
газоразрядная
ОАО
Светолока-
Лампа импул.
"ЛЗОС", РФ
ционный
ИСШ-100-4
Тип фо-
Диапазон
Погреш-
топриѐм-
измере-
ность из-
ника
ния, м
мерения, м
6
ФЭУ-1
Фотодиод
7
8
Напряжение питания, В / Потребляемая мощность 220
В, Вт / Масса, кг
9
50-2000
10-90
220 / 300 / 305
50-2000
10-125
220 / 800 / 370
30-1500
н.д.
220 / 600 / 89
15-2000
10-140
220 / 80 / 162
15-2000
10-48
220 / н.д. / н.д.
ГНПП
5.
ИВО
"Спецавто-
Светолока-
Промiнь
матика", Ук-
ционный
раина
32
Продолжение табл. 1.4
1
2
3
Стан6.
Радиоло-
ция
кационный
МРЛ-5
7.
8.
ЛИВО
10.
ДОЛ-2
ОАО "ЛОМО",
РФ
ООО ‖ЛОМО
МЕТЕО‖, РФ
Лидарный
Лидарный
Coastal Environ11.
S7499
6
mental Systems,
Inc., USA
Лидарный
7
8
9
Магнетроны
λ1=9595 МГц
λ2=2950 МГц
ФЭУ
Лидарный
ГО-1М
ДОЛ-1
5
Лидарный
ЛИН-
9.
4
Полупровод.
Фотодиоды
лазер Л11-Д
ФД-11К
Полупровод.
импул. лазер
50-1000
5-100
220 / 640 / 86
30-1500
6-153
220 / 200 / н.д.
15-4000
10-400
н.д. / н.д. / 96
0-3000
10-155
220 / 600 / 59
н.д.3800
33
Продолжение табл. 1.4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Coastal Envi12. S1349Z
ronmental
Systems, Inc.
Лидарный
50-3800
< 50
0-7500
9-45
110 / н.д. / 15
15-2000
10-200
220 / н.д. / 35
50-5000
< 40
12 / 1 / 3,9
15-2000
10-200
220 / 400 / 29
USA
Mesotech In13. CBME80
ternational,
Лидарный
Полупровод. лазер
Inc., USA
14. ИНГО
15. ИНГО
Пеленг
16. СД-012000
БелОМО,
Беларусь
ИОА СО
РАН, РФ
Лидарный
Лидарный
русь
п/п
диод
λ=900 нм
Фотодиоды 81
шт.
Лазер λ=1,064 мкм
GaAs лазер ИЛПИ-
ОАО "Пеленг", Бела-
GaAs
Лидарный
112, λ=887 нм,
Si фото-
Pимп=150 Вт,
диод
f = 1 кГц
34
Окончание табл. 1.4
1
17.
2
CL31
Vaisala Oyj,
Finland
CT25K
18.
19.
3
Vaisala Oyj,
Finland
4
Лидарный
5
6
InGaAs диод
λ=910 нм
Лидарный
MOCV диод
state la-
laser-diod,
InGaAs PIN
ser ceilo- French mete-
λ=1.54 μm,
photodiode,
Pout=8mJ,
Dlens=65 mm,
fice, France
9
0-7500
≤ 75
230 / 310 / 43
15-7500
≤ 150
230 / 400 / 35
≤ 4000
н.д.
н.д.
λ=905 нм
GaAs Er-glass
orological of-
8
InGaAs
Solid-
meter
7
Лидарный
tpulse = 30 ns, Field of view
Divergence = = 3.3 mrad
1.3 mrad
* н.д. – нет данных.
35
Выводы к Главе 1
Первая глава посвящена анализу существующих пассивных и активных
методов определения высоты нижней границы облачности, приведена их классификация и даны физико-математические основы. Среди пассивных методов
рассмотрены морфологический метод, метод минимальных уровней конденсации, бистатический и шаропилотный методы.
Морфологический метод базируется на анализе формы облаков и их количества. Морфологическая классификация включает в себя 10 основных форм
облаков, которые в свою очередь разделяются на ряд видов и разновидностей
по внешнему виду и структуре. По высоте своей нижней границы облака делятся на 4 семейства – облака верхнего яруса (более 6 км), облака среднего яруса
(от 2 до 6 км), облака нижнего яруса (до 2 км), облака вертикального развития.
Сущность морфологического метода заключается в определении диапазона высот нижней границы облачности, на которых может располагаться определяемый по приведенным в атласе описаниям и фотографиям тип наблюдаемой облачности.
Определение высоты облачности по минимальным уровням конденсации
производится по эмпирическим формулам с использованием данных о температуре и относительной влажности воздуха. Приведены и описаны формулы У.
Ферреля, А. Н. Ипполитова и Д. Л. Лайхтмана.
В пассивном бистатическом методе измерения используются два пространственно разнесенных оптико-электронных приѐмника, с помощью которых определяют углы визирования одного и того же наблюдаемого фрагмента
облачности и методом триангуляции вычисляют его высоту.
Шаропилотный метод измерения применяется при балле облачности от 5ти до 10-ти. Шар-пилот наполняют гелием или водородом, определяют его вертикальную скорость подъема (порядка 325-ти м/мин) и отпускают в свободный
полѐт. Замеряя с помощью секундомера время, которое требуется шар-пилоту
для достижения облачности, определяют высоту основания облака. Момент ис36
чезновения видимости шар-пилота может определяться как визуально, так и с
помощью специальных фото– или электротехнических облакомеров, закрепленных на шар-пилоте.
Среди активных методов рассмотрены прожекторный, светолокационный, радиолокационный, лидарный и спутниковый методы.
В прожекторном методе в качестве носителя информации используется
направленный вертикально вверх световой луч. С расстояния 150-500 м от
прожектора измеряют угол наблюдения сформированного на основании облака
светового пятна и методом триангуляции определяют его высоту.
Светолокационный метод заключается в измерении пропорционального
удвоенной высоте временного промежутка между моментами излучения и
приѐма отражѐнного от нижней границы облака световых импульсов. Импульсная лампа посылает световые импульсы с частотой от 1 до 20 Гц вертикально
вверх. Фотоприемник отраженного светового импульса располагается на расстоянии 8-12 м от передатчика.
В радиолокационном методе разделяют активную метеорологическую радиолокацию с использованием переизлучения и пассивную с использованием
собственного излучения (теплолокация). Кроме информации о высоте облачности, 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 (как правило, на двух каналах c частотами колебаний
9595 и 2950 МГц). Применяя активную радиолокацию достаточно просто определять расстояние до объекта.
Физические принципы лидарного метода аналогичны активному радиолокационному методу и отличаются от последнего длинами волн электромагнитного излучения (от видимого до ИК диапазона) и малым углом расходимости излучаемой энергии. Получаемый интервал времени, необходимый сформированному лазером световому импульсу для прохождения прямого и обрат37
ного расстояния, переводится в информацию о расстоянии до облака.
Спутниковый метод измерения высоты облаков основан на измерении
высоты верхней границы облачности с последующим вычитанием ее толщины.
Первый параметр получается путем сопоставления углов наблюдения верхней
границы облачности с нескольких спутников. Для получения второго параметра
требуется применение приборов наземного или спутникового базирования.
Сравнительный анализ методов определения высоты показал, что пассивные методы имеют более простую техническую реализацию, меньшие габариты
и низкую стоимость. Важнейшим преимуществом пассивных измерителей является отсутствие активных излучателей, что позволяет производить измерения
непрерывно в течение длительных промежутков времени с достаточно высокой
точностью и с минимальными затратами энергоресурсов. Активные методы, в
свою очередь, позволяют производить измерения круглосуточно с высокой
точностью и с большим пространственным разрешением.
Для применяемых в настоящее время светолокационных, радиолокационных и лидарных измерителей высоты нижней границы облачности приведены
технические характеристики. Сравнительный анализ показал, что данные приборы имеют ограничения по применению как технико-методического, так и
экономического характера и не могут в полном объеме решать задачи мониторинга высоты облачности. Это позволяет сделать вывод, что разработка пассивного моностатического метода измерения высоты НГО и реализующей его
оптико-электронной измерительной системы имеет перспективы в решении задач мониторинга как автономно, так и в комбинации с активными методами
измерения.
38
Глава 2.
Моностатический метод определения высоты нижней границы
облачности
В данной главе приведены результаты работ [26, 27, 55, 56] по описанию
физико-математических основ моностатического метода определения высоты
НГО, выполненные автором лично и совместно с Красненко Н.П.
Прямая задача получения информации о состоянии какого-либо параметра атмосферы (в данном случае высоты НГО) может быть представлена в
следующем виде:
u( x ) = A[ x ,v( t )] ,
где
(2.1)
u(x) – следственная функция, т.е., какая-либо регистрируемая в процессе
измерений величина (в данном случае линейные размеры изображений
фрагмента нижней облачности);
v(t) – причинная функция, т.е., действительная метеорологическая величина в атмосфере (в данном случае высота НГО);
A – оператор прямой задачи, описывающий причинно-следственную связь
между v(t) и u(x).
Под обратной задачей понимается задача определения функции v(t) по
функции u(x), или задача определения причин некоторого атмосферного явления по результатам наблюдения следствия. Применительно к предлагаемому
методу, определение высоты НГО как причинной функции возможно путем определения линейных размеров изображений фрагмента нижней облачности.
Данная задача относится к первому типу обратных задач [17], когда на основе
измерения характеристик поля излучения, зная из предыдущих исследований
параметры взаимодействия датчика со средой, требуется определить некоторую
метеорологическую величину v(t).
39
2.1.
Физико-математические основы моностатического метода измерения
высоты нижней границы облачности
Большое количество оптических явлений, в том числе действие оптиче-
ских приборов, можно рассматривать исходя из законов геометрической оптики, которые можно вывести из законов волновой оптики при λ → 0, т.е. в
случае, когда волновой природой света можно пренебречь. При этом предполагается, что энергия распространяется вдоль световых лучей. Теория геометрической оптики базируется на четырѐх физических законах [57-60]:
– на законе прямолинейного распространения света (как следствие принципа Ферма о распространении света между двумя точками по кратчайшему
пути);
– на законе независимости распространения световых пучков;
– на законе отражения света;
– на законе преломления света (закон Снелиуса).
Применение законов геометрической оптики позволяет определять положение любой точки изображения предмета в параксиальной области идеальной
оптической системы. Под идеальной оптической системой подразумевается такая ОС, которая любую точку пространства предмета отображает в пространстве изображения при сохранении заданного масштаба изображения.
Рассмотрим две идеальные центрированные репродукционные оптические системы, когда предмет и его изображение относятся к ближнему типу
(т.е. расположены на конечном расстоянии) [61, 62]. Пусть в пространстве
предметов расположен отрезок AB величиной y и имеются две оптические системы с совмещенными передними главными плоскостями H и с отличными
друг от друга фокусными расстояниями f'1 и f'2 (рис. 2.1), причѐм f'1 > f'2 (здесь
и далее обозначения согласно [63]).
В общем случае зависимости между величиной предмета y и величиной
его изображений y'1 и y'2, получаемых посредством двух оптических систем с
фокусными расстояниями f'1 и f'2 соответственно, могут быть описаны в сле40
Рис. 2.1. Ход лучей в репродукционных оптических системах с f'1 и f'2
41
дующем виде
y = u ( a , f ' , y' ) ,
1
1 1
(2.2)
y = u ( a , f ' , y' )
2
2 2
(2.3)
Прировняв выражения (2.2) и (2.3) по y
u ( a , f ' , y' ) = u ( a , f ' , y' ) ,
1
1 1
2
2 2
(2.4)
a = u( f ' , f ' , y' , y' ) .
1
2 1 2
(2.5)
получаем
Из (2.5) следует, что отрезок a, одинаково определяющий положение
предмета относительно совмещенных передних главных плоскостей H обеих
оптических систем, можно определять, зная значения фокусных расстояний f'1 и
f'2 оптических систем и измеряя величины получаемых с их помощью изображений y'1 и y'2. Для этого требуется определить функцию u, связывающую между собой параметры f'1, f'2, y'1 и y'2.
Используя законы геометрической оптики в части зависимостей между
положениями и размерами предмета и изображения [57–59, 64–68] можно записать
y'
,
y
(2.6)
a'
,
a
(2.7)
и
где
β – линейное увеличение ОС;
y – размер изображаемой части плоскости предмета;
y' – размер изображения предмета y, формируемого ОС;
a – расстояние от передней главной точки Н, до осевой точки A предмета
y;
a' – расстояние от задней главной точки H' до осевой точки A' изображения предмета y'.
42
Кроме того, для любой ОС имеем следующее соотношение:
1
a'
1
a
1
,
f'
(2.8)
откуда получаем
a'
где
a f'
,
a f'
(2.9)
f' – фокусное расстояние ОС.
Приравняв (2.6) и (2.7) по β и учитывая (2.9) получаем
y'
y
f'
a
f'
.
(2.10)
Используя выражение (2.10) для двух ОС, имеющих отличные друг от друга
фокусные расстояния, можно записать следующее отношение
y'
y'
где
f'
1
f'
2
a
1
a
2
f'
2,
f'
1
(2.11)
f'1 и f'2 – фокусные расстояния первой и второй ОС соответственно;
y'1 и y'2 – размеры изображений предмета y, формируемые первой и второй ОС соответственно.
Из (2.11) получаем
K
a
где
K
y
f'
1 K
y
y
1
K
,
(2.12)
f
y'
1 – коэффициент подобия изображений;
y'
2
f'
K
f
1 – коэффициент отношения фокусных расстояний.
f'
2
Выражение (2.12) также справедливо, если величину предмета и величину его изображения оценивать в угловых мерах. В этом случае угловое увеличение ОС определяется выражением
43
Рис. 2.2. Схема углового увеличения оптической системы
44
tg '
,
tg
где
(2.13)
γ – угловое увеличение оптической системы;
σ и σ' – углы, образованные сопряженными лучами с оптической осью.
Из рис. 2.2 также следует, что
a
.
a'
(2.14)
Учитывая, что
1
,
(2.15)
приходим к выражению (2.7).
y'
Для проверки того, что отношение 1 является единственным для разy'
2
личных сочетаний a и y при заданных значениях f'1 и f'2, предположим, что
предмет величиной y1 расположен на расстоянии a1, а предмет величиной y2 –
на расстоянии a2. Используя выражение (2.11), запишем:
f ' (a
f' )
1 1
2
(a
f' ) f'
1
1
2
f ' (a
f' )
1 2
2 .
(a
f' ) f'
2
1
2
(2.16)
Приведем (2.16) к виду
a
1
a
1
f'
2
f'
1
a
2
a
2
f'
2
f'
1
0.
(2.17)
a (f'
f ' ) 0.
2 2
1
(2.18)
откуда получаем
a (f'
f' )
1 2
1
Следовательно, a1=a2.
На рис 2.3 приведены графики зависимости размеров изображений y'1 и
y'2 от расстояния a в диапазоне от 0 до 100 м при f'1 = 16 мм (сплошная линия) и
f'2 = 12 мм (пунктирная линия), полученных согласно (2.10) для значений y равных 1, 5 и 10 м. Как видно из таблицы Приложения 1, отношение размеров изо-
45
Рис. 2.3. Графики зависимости размеров изображений y'1 (сплошная линия) и y'2 (пунктирная линия) от расстояния a
при различных значениях y
46
бражений
y'
1 есть величина постоянная для каждого значения расстояния a
y'
2
при заданных значениях f'1 и f'2 и при любых значениях размера предмета y.
Таким образом, задачу определения расстояния a от совмещенных передних главных плоскостей H двух ОС с известными и отличными друг от друга
фокусными расстояниями f'1 и f'2 до осевой точки предмета размером y можно
решить путѐм определения отношения размеров получаемых изображений y'1 и
y'2. Достоинством предлагаемого метода является его независимость от размера
измеряемого объекта y, т.к. в формуле (2.12) данный параметр отсутствует, что
позволяет измерять расстояния до объектов с заранее неизвестными размерами,
какими и являются облака (или фрагменты облачности) вследствие их непрерывного изменения во времени и пространстве.
2.2.
Влияние кривизны Земли и оптических параметров атмосферы на
точность измерений
По условиям эксплуатации ОЭИ, наиболее сложными являются наблюде-
ния 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 a = 6 378 245,000 м,
а малая полуось b = 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 аэро47
фотоснимке смещаются по направлению к точке надира. Для компенсации такого смещения используется следующая формула [69]:
r
r3H
,
2 f 2R
(2.19)
где r – расстояние от точки надира снимка до наблюдаемой точки;
R – радиус Земли;
H – высота фотографирования;
f – фокусное расстояние камеры.
Для оценки влияния кривизны Земли при определении высоты НГО, рассмотрим рис. 2.4. В случае определения высоты точки A, находящейся строго
на вертикали от точки наблюдения C, еѐ высота h будет равна измеренному
расстоянию до точки A. Высота h точки B, имеющей некоторое смещение относительно вертикали от точки наблюдения C, уже не будет равна измеренному
расстоянию a.
Рассмотрим треугольник OCB на рис. 2.4. По теореме косинусов имеем
(R
где
h )2
( R l )2
a2
2( R l ) a cos( 180
),
(2.20)
R – радиус земного шара (6 371 210 м);
h – высота точки B над поверхностью земного шара;
l – высота точки наблюдения C над поверхностью земного шара;
a – расстояние от точки наблюдения C до точки B, определяемое выражением (2.12);
α – угол отклонения линии наблюдения точки B от вертикали из точки С.
Из (2.20) получаем, что с учѐтом влияния кривизны Земли, высоту НГО
можно определять по следующей формуле
h
a2
( R l )2
2( R l ) a cos( 180
)
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
48
Рис. 2.4. Влияние кривизны Земли
49
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 Δa, равную высоте
сегмента AA'
a
2 ( R h) sin 2
2
.
(2.22)
Принимая во внимание, что радиус Земли много больше измеряемой высоты (R>>h), а зависимость между углами β и α имеет вид
sin
h
R h
sin
,
(2.23)
можно полностью пренебречь данным допущением. Так, для значений угла наблюдения α=10º и высоты НГО h=1000 м, согласно (2.23), имеем β=0,00154º.
Тогда, из (2.22) следует, что значение ошибки
a 0,023 м , что составляет ме-
нее 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
50
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 среднеквадратическая ошибка определения атмосферной поправки ΔS 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],
51
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.
2.3.
Методика и алгоритм определения высоты нижней границы
облачности
Правильный выбор методики выполнения измерений позволяет избежать
как необоснованного занижения точности измерений, так и избыточного ее завышения. При этом методики, включающие в себя автоматизированный анализ
изображений, являются менее субъективными и более производительными по
сравнению с ручными методами и методами экспертных оценок.
Методика определения высоты нижней границы облачности моностатическим методом заключается в следующем. С помощью двух идентичных оптико-электронных приемников, снабженных оптическими системами с отличными друг от друга в Kf раз фокусными расстояниями, получают разномасштабные изображения одного и того же фрагмента облачности, определяют
их коэффициент подобия Ky и вычисляют расстояния a до измеряемого фрагмента облачности. При необходимости определяют угол отклонения линии визирования от вертикали α и вычисляют высоту h.
На рис. 2.5 приведена блок-схема алгоритма определения высоты НГО.
На первом шаге производится начальная установка путем ввода параметров фотоприемников (фокусные расстояния, координаты оптических центров и др.),
необходимых для коррекции получаемых изображений и определения их коэффициента подобия. Для минимизации влияния случайных процессов в атмосфере, запись изображений Y1 и Y2 производится синхронно двумя фотоприемниками, имеющими одинаковые характеристики матрицы ПЗС и электронного
тракта. Далее производится отбраковка изображений с низким контрастом, что
говорит об отсутствии на них различимых фрагментов облачности, пригодных
52
Рис. 2.5. Блок-схема алгоритма определения высоты НГО
53
Рис. 2.5. Блок-схема алгоритма определения высоты НГО (окончание)
54
для последующей обработки, или о полном их отсутствии. Также отбраковываются изображения, имеющие значительные срезы гистограммы в областях
высокой или низкой яркости, что свидетельствует об утраченных деталях изображения в этих областях.
Следующим шагом изображения подвергаются коррекции для устранения
радиальных искажений, вносимых оптическими системами, и компенсации
смещения оптических осей от центров фотоприемников. И, в заключение, определяется коэффициент подобия изображений Ky, и по выражениям (2.12) и
(2.21) рассчитывается расстояние a и высоту НГО h.
Определить коэффициент подобия разномасштабных изображений Ky
можно различными способами. Широкое распространение получили способы,
использующие площадные (площадь, координаты центра тяжести, эксцентриситет) и контурные (длина контура, кривизна линии) признаки фигур, основанные на выделении контрастных перепадов [73-90]. В [91–93] представлено описание модели автоматического формирования зон внимания по контурным рисункам, основанной на методе анализа изображений по центрам тяжести локальных объектов, заимствованного у механизма функционирования живых
зрительных систем. Такой подход обеспечивает естественную для оператора
работу в полуавтоматическом режиме, а в автоматическом позволяет непосредственно распознавать как неискаженные изображения, так и подвергнутые
аффинным преобразованиям в случае перспективной съемки.
Несмотря на достоинства перечисленных методов, такие как простота
аналитических описаний изображений объектов, инвариантность к переносу,
повороту и масштабированию изображений, а также сравнительно небольшое
количество операций при обработке, их использование для работы с изображениями объектов, имеющих нечеткие границы, затруднительно. Основной причиной этому являются различия в передаточных характеристиках оптических и
оптико-электронных трактов фотоприемников, что приводит к значительному
разбросу координат контрастных перепадов на получаемых изображениях. Поэтому в предлагаемом алгоритме применяется способ определения коэффици55
ента подобия путем нахождения сопряженных отрезков с максимальным коэффициентом подобия среди всевозможных комбинаций между сопряженными
точками, выделяемыми каким-либо градиентным детектором, инвариантным к
изменению яркости. Согласно [94], под особой точкой изображения подразумевается такая точка изображения, окрестность которой можно отличить от окрестности любой другой точки изображения в некоторой другой окрестности особой точки. Для выявления и сопоставления точечных особенностей можно использовать детектор Харриса [94-96] и его модификации, находящие на изображении структуры, похожие на уголки, алгоритм преобразования масштабноинвариантных характеристик SIFT (Scale Invariant Feature Transform) [97], использующий для нахождения особых точек на изображении разность гауссианов DoG (Difference of Gaussian) пирамиды разномасштабных изображений и
векторный дескриптор для описания окрестностей, алгоритм ASIFT (Affine
SIFT), представляющий собой модифицированный алгоритм SIFT [98], инвариантный ко всем параметрам аффинного преобразования, ускоренный алгоритм
поиска надежных особенностей SURF (Speeded Up Robust Features) [99], использующий определитель матрицы Гессе и дескриптор на основе значений
вейвлета Хаара, и другие методы. После сравнения различных методов поиска
сопряженных точек, выбор был остановлен на уголковом детекторе Харриса с
фильтрацией ложных соответствий методом RANSAC (RANdom SAmple Consensus) [100] с программной реализацией их средствами языка C++ и библиотеки OpenCV [101].
На рис. 2.6 приведен пример обработки разномасштабных изображений
кучевой облачности Y1 и Y2, полученных 14.07.2010 г. в 15:00 (GMT+6). Были
получены координаты 80-ти пар сопряженных точек. Максимальный коэффициент подобия составил Ky =1,281 для отрезков с координатами (273; 285), (505;
57) и (307; 323), (608; 36), что соответствует высоте h = 1315 м ± 10%. При
этом, минимальный уровень конденсации, рассчитанный по формуле А. Н. Ипполитова (1.2) для конвективной облачности (C = 17, B = 100, f = 51 %), составил 833 м, а высота НГО, измеренная с помощью РВО-2, составила 1520 ± 91 м.
56
Рис. 2.6. Пример обработки разномасштабных изображений Y1 и Y2 фрагмента облачности
57
2.4.
Условия и критерии получения достоверных результатов измерений
высоты нижней границы облачности
Реальная облачность обладает нечеткими краями и случайной геометри-
ей, что выражается в нерегулярных формах очертаний, количестве, размерах и
в пространственном положении отдельных облаков и приводит к тому, что точечные особенности на изображениях облачности имеют случайное расположение. В связи с этим большое значение имеют условия получения и отбраковки получаемых изображений, а также критерии выбора пар сопряженных точек
(сопряженных отрезков), соблюдение которых позволит отбраковывать непригодные для анализа изображения уже на стадии их предварительной обработки.
Одним из таких условий является получение разномасштабных изображений при минимальном угле отклонения α линии визирования оптических
систем от вертикали. По аналогии с фотографической съемкой, в зависимости
от направления оптической оси ОЭИ по отношению к местной вертикали, получаемые изображения фрагментов нижней облачности могут быть плановыми
и перспективными [39, 102]. В первом случае, линия визирования ОЭИ имеет
угол отклонения от вертикали α ≤ 3-5º (рис. 2.4). В таком случае плоскость
предмета и плоскость изображения предмета считаются параллельными. Линейное увеличение β при этом будет одинаковым для всего поля получаемого
изображения. Во втором случае, угол α > 5º. При этом возникает необходимость
учитывать различие коэффициентов линейного увеличения для переднего и
заднего планов изображения, которые будут различными и могут быть определены по следующим формулам:
где
βx
f
y
(cos α sin α ) ,
h
f
(2.27)
y
f
y
(cos - sin )2 ,
h
f
(2.28)
x и y – текущие координаты искомой точки в ортогональной системе координат, связанной с изображением;
58
α – угол между вертикалью и линией визирования;
h – высота измеряемого фрагмента НГО.
Другим условием получения достоверных данных о высоте облачности
является получение изображений, имеющих достаточный контраст, под которым понимается такой контраст, который позволяет различать детали изображения как в темных, так и в светлых областях яркостного диапазона. При этом
его пороговое значение может задаваться исходя из конкретных условий получения изображений и требований к их качеству.
Кроме того, необходимо установить критерии выбора набора сопряженных отрезков, соблюдение которых не позволит получать результаты с низкой
точностью. К таким критериям относятся минимальное количество сопряженных отрезков, участвующих в определении коэффициента подобия изображений Ky и их минимальный размер.
Таким образом, оптимальными условиями получения изображений облачности и критериями их пригодности для последующей обработки представляются следующие:
0,
K
K ,
П
1
K
K ,
П
2
n m 50,
s
где
m
0,5 y '
(2.29)
v max
,
α – угол отклонения линии визирования ОЭИ от вертикали;
K1, K2 – контраст изображений Y1 и Y2 соответственно;
KП – пороговый контраст;
nm – количество сопряженных отрезков;
sm – длина измеряемого сопряженного отрезка;
y'
v max
– максимальный размер изображения по вертикали.
59
Выводы к Главе 2
Во второй главе приводятся физико-математические основы моностатического метода измерения расстояния. На основе законов геометрической оптики,
связывающих действительные размеры объекта, размеры его разномасштабных
изображений и фокусные расстояния оптических систем, дается его обоснование и вывод аналитического выражения для определения расстояния a до объy'
екта. Показано, что отношение размеров изображений 1 есть величина поy'
2
стоянная для каждого значения расстояния a при заданных значениях f'1 и f'2 и
при любых значениях размера предмета y, вследствие чего задача определения
расстояния a от совмещенных передних главных плоскостей H двух ОС с отличными друг от друга фокусными расстояниями f'1 и f'2 до осевой точки предмета размером y может решаться путѐм определения отношения размеров его
изображений y'1 и y'2. Предлагаемый метод измерения не зависит от размеров y
наблюдаемого объекта, что позволяет определять расстояния до объектов с априорно неизвестными размерами, какими и являются облака вследствие их непрерывного изменения во времени и пространстве. Также получено общее выражение, позволяющее учитывать кривизну Земли при отклонении линии визирования фотоприемника от вертикали.
В предлагаемом методе измерения расстояния принимаются некоторые
допущения, требующие оценки их вклада в методическую погрешность. Определение высоты нижней границы облаков происходит в двумерной плоскости
изображений, тогда как реальная облачность обладает трехмерной структурой и
имеет сферичность в своем основании, что на высотах до 1000 м приводит к
возникновению относительной ошибки измерения δa ≤ 0,003%. Другим допущением является принятие атмосферы за плоскопараллельную, в которой излучение распространяется прямолинейно и зенитный угол любого луча имеет постоянную величину. Принимая во внимание, что измерения по предлагаемому
методу производятся на малых высотах и при вертикальных углах наблюдения,
60
вызываемые данными допущениями погрешности являются незначащими и в
методической погрешности ими можно пренебречь.
Сравнительный анализ контурного и градиентного подхода к обработке
цифровых изображений нечетких объектов показал преимущество последнего,
что объясняется его нечувствительностью к изменению яркости на изображениях одного и того же объекта, получаемых с помощью двух разных фотоприемников.
Представленная методика и описанный алгоритм позволяют определять
высоту НГО путем нахождения максимального коэффициента подобия разномасштабных изображений фрагментов облачности Ky по сопряженным отрезкам. Для минимизации влияния случайных процессов в атмосфере на точность
измерений расстояния применяется синхронная запись изображений двумя
идентичными фотоприемниками. Приведенные оптимальные условия получения изображений нижней облачности и критерии их пригодности для последующей обработки позволяют избежать получения недостоверных результатов
измерения путем отбраковки изображений на стадии их предварительной обработки.
61
Глава 3. Макет оптико-электронного измерителя
Для экспериментальной проверки моностатического метода измерения
высоты НГО был разработан и изготовлен макет оптико-электронного измерителя на базе двух телевизионных камер всепогодного исполнения и ПК с многоканальной системой ввода изображений, позволяющий получать цифровые
разномасштабные изображения ИФО в автоматическом режиме через заданные
промежутки времени.
Предлагаемый метод измерения высоты основан на определении геометрических размеров изображений, формируемых оптическими системами на
матричных ПЗС, имеющих жесткий растр, что позволяет проводить измерения
и определять координаты точек на изображениях с точностью до долей элемента разложения [74].
3.1.
Обоснование выбора варианта исполнения макета оптикоэлектронного измерителя
Для реализации предложенного алгоритма определения высоты НГО мо-
ностатическим методом требуется макет измерительной системы, состоящий из
оптико-электронных фотоприемников с характеристиками, обеспечивающими
достаточную точность измерений, и имеющих оптические системы с необходимыми фокусными расстояниями. Система должна быть рассчитана на круглосуточную и круглогодичную эксплуатацию в различных климатических условиях в широком диапазоне температур, иметь защиту от внешних воздействий и обеспечивать запись разномасштабных изображений в цифровом виде.
При практической реализации макета ОЭИ возможны несколько вариантов исполнения ее оптико-электронной части. Это могут быть два одинаковых фотоприемника с фиксированными ОС, один фотоприемник с перестраиваемой ОС
(трансфокатором) или один фотоприемник с двумя ОС, оборудованный оптическим коммутатором. В качестве фотоприемника наиболее приемлемым реше62
нием в настоящее время является применение аналого-цифровых матриц ПЗС,
однако возможно использование и аналоговых фотоприемников, таких как видиконы и т.п. Выходной сигнал изображения может быть как цифровым, позволяющим непосредственно формировать цифровой файл изображения, так и
аналоговым, требующим дополнительной обработки. В случае использования в
качестве оптико-электронного приемника фотографической системы, полученные цифровые или аналоговые изображения имеют высокое разрешение, что
способствует уменьшению погрешности результата измерения. В свою очередь,
телевизионные системы более компактны и работают в более широком диапазоне освещенностей объекта, что также влияет на качество получаемых изображений. В таблице 3.1 приведены варианты реализации оптико-электронной
части макета ОЭИ из числа доступных на момент изготовления по стоимости и
составу оборудования. Рассматривались три варианта исполнения:
1. черно-белая аналоговая телевизионная камера уличного исполнения на
матрице ПЗС, оборудованная оптическим коммутатором с двумя ОС, и
система ввода телевизионного сигнала в ПК;
2. две однотипные черно-белые аналоговые телевизионные камеры уличного исполнения на матрицах ПЗС с фиксированными ОС и многовходовая система ввода телевизионного сигнала в ПК;
3. цифровой фотоаппарат с перестраиваемой оптической системой, помещаемый в защитный термокожух.
Основным недостатком варианта 1 является сложность и, как следствие
этого, высокая стоимость изготовления двухвходового оптического коммутатора, что, в результате, и послужило решающим фактором для отказа в его выборе. Кроме того, для данного варианта, как и для варианта 2, требуется система ввода изображения для оцифровки аналогового телевизионного сигнала.
63
Таблица 3.1
Варианты исполнения оптико-электронной части макета ОЭИ
Оптическая система
Тип оптико-
Выходной сигнал изо-
электронного прибора
бражения
Условия эксплуатации
Черно-белая телевизиВариант 1
Оптический коммутатор
онная камера на матрице
с двумя ОС.
ПЗС разрешением 500 х
Аналоговый.
Уличная всепогодная.
Аналоговый.
Уличная всепогодная.
582 точки.
Две ОС с фиксированВариант 2
ными фокусными расстояниями.
Две черно-белых телевизионных камеры на матрицах ПЗС разрешением
500 х 582 точки.
ОС с переменным фо-
Вариант 3
кусным расстоянием.
Цветной цифровой фо-
Сложность калибровки
тоаппарат с матрицей
краевых значений фо-
разрешением 1600 х
кусных расстояний при
1200 точек.
Цифровой.
Для внутреннего применения.
перестройке ОС.
64
Вариант 3 имеет цифровой выход, что позволяет получать цифровые изображения без промежуточных преобразований цифрового сигнала в аналоговый
и обратно в цифровой. Однако имеются и существенные недостатки, такие как
сложность, а иногда и невозможность, получения стабильных краевых значений фокусных расстояний ОС при ее механической перестройке, невысокая
чувствительность матрицы фотоприемника, а также необходимость изготовления защитного термокожуха.
В результате анализа представленных вариантов исполнения был выбран
вариант 2. Наличие двух телевизионных камер несколько увеличивает габариты
макета ОЭИ и обуславливает различия в получаемых разномасштабных изображениях в части рассогласования по уровням яркости, вносимых электронными
трактами камер. Но наличие фиксированных объективов и герметичное всепогодное исполнение позволяет обеспечивать стабильную круглосуточную работу телевизионных камер и значительно упрощает и удешевляет оптикоэлектронную часть макета измерительной системы. Структурная схема макета
ОЭИ по выбранному варианту исполнения приведена на рис. 3.1.
3.2.
Технические характеристики макета оптико-электронного
измерителя
Важнейшей характеристикой, по которой можно судить о качестве оптико-электронной измерительной системы, является ее общая разрешающая способность. Данная характеристика зависит как от параметров оптических систем, так и от параметров используемых телевизионных камер.
Реальные оптические системы имеют два основных отличия от идеальных. Во-первых, в реальных оптических системах происходит ограничение
пучков лучей, то есть не все существующие лучи проходят через ОС и достигают плоскости изображения, что приводит к неравномерному распределению
освещенности внеосевых зон изображения. Во-вторых, ход лучей, проходящих
через оптическую систему, не совпадает с ходом идеальных лучей, т.к. реаль65
Рис. 3.1. Структурная схема макета ОЭИ высоты НГО
66
ные оптические системы обладают аберрациями и преломление происходит на
реальных оптических поверхностях, а не на главных плоскостях Н и Н'.
Существует три основных вида аберраций центрированных оптических
систем [57–60, 62, 65, 67, 73]:
1. Хроматические аберрации, возникающие при преломлении немонохроматического пучка на оптических поверхностях на спектральные составляющие
(дисперсия), т.е. отклонения реального волнового фронта от идеального
вдоль оптической оси, приводящие к размыванию краев объектов на изображении и затруднению определения точных границ объектов:
1.1.
Хроматизм положения – изображения одной точки предмета расположены на разном расстоянии от ОС для разных длин волн (окрашенность изображения осевой точки предмета).
1.2.
Хроматизм увеличения – увеличение ОС зависит от длины волны (окрашенность изображения внеосевой точки предмета).
2. Монохроматические аберрации – отклонения координат точки пересечения
реального луча с плоскостью изображения от координат точки идеального
изображения:
2.1.
Аберрации широкого пучка:
2.1.1. Сферическая аберрация – лучи, выходящие из точки предмета,
удаленной от оптической оси, не пересекаются в одной точке, образуя на плоскости изображения кружок рассеяния. Приводит к
снижению контрастности и резкости изображения.
2.1.2. Меридиональная кома – асимметрия широкого наклонного пучка,
вышедшего из точки предмета вне оси, по отношению к главному
лучу. Ухудшает резкость изображения от центра к краю поля
зрения и вызывает искажение пропорций объекта на изображении.
2.1.3. Волновая аберрация, обусловленная отклонением реального волнового фронта от идеального и измеряемая вдоль луча в количестве длин волн.
67
2.2.
Полевые аберрации, снижающие резкость, что затрудняет определение границ объекта и вызывает искажение его пропорций на изображении:
2.2.1. Астигматизм – точки фокусов в меридиональной и в сагиттальной плоскостях изображения не совпадают.
2.2.2. Кривизна поля – наилучшее изображение получается не на плоскости изображения, а на некоторой искривленной поверхности.
Дисторсия – нарушение ортоскопии, т.е. подобия в геометрической форме между предметом и его изображением. Различают
положительную (подушкообразность) и отрицательную (бочкообразность) дисторсии.
Вычислить аберрации в оптических системах можно с помощью специ-
ального ПО методом просчѐта лучей по специальным формулам (например, по
формулам Федера) [57, 58, 62]. Также, о качестве изображения, формируемого
оптической системой, удобно судить по изображению предмета простейшей
геометрической формы [68].
Для исключения влияния хроматических аберраций в качестве ОС применяются объективы ахроматы, в которых хроматизм исправлен для двух цветов, или апохроматы, в которых хроматизм исправлен для трѐх и более цветов.
Исправление хроматизма в таких объективах обычно достигается комбинацией
отрицательных и положительных линз, изготовленных из материалов с различной дисперсией. В таблице 3.2 приведены основные характеристики применяемых в макете ОЭИ объективов фирмы Daiwon Optical Co., Ltd (Республика Корея) [103, 104]. Данные объективы являются триплетами апохроматами, т.е. это
трѐхлинзовые объективы с исправленными сферическими и сферохроматическими аберрациями и с минимальной остаточной хроматической аберрацией.
Определение фактических фокусных расстояний выполнялось по новой гибкой
технологии калибровки камер [105] с использованием плоского калибровочного
объекта в виде шахматной доски с помощью ПО GML Camera Calibration Toolbox (v.0.4 2005) [106], позволяющей получать не только параметры внутренней
68
Таблица 3.2
Характеристики объективов
Поз.
1.
2.
Параметр
Тип объектива
Главное фокусное расстояние f' (паспортное / фактическое), мм
Значение
DW 9711
DW 9611
16 / 16,403
12 / 12,805
21
28
3.
Горизонтальный угол обзора, град
4.
Задний фокальный отрезок, мм
12,3
9,2
5.
Ближний предел фокусировки, м
0,4
0,4
6.
Диафрагма
7.
Относительное отверстие D/f"
8.
Предельная разрешающая способность, мм-1
9.
Оптическая дисторсия, %
10.
Число линз
11.
Крепление объектива
12.
Вес, г
Фиксированная
F2,5
F2,2
244
277
-0,15
+0,96
3
3
М12 х 0,5
М12 х 0,5
4,2
3,4
и внешней калибровки камеры, но и производить коррекцию изображений путем исправления дисторсии. Тестовый объект представлял собой шахматное
поле 8 х 5 клеток размерами 41,5 х 41,5 мм и располагался на расстоянии от 2
до 3 м от макета ОЭИ. В результате калибровки были получены следующие
значения фокусных расстояний макета ОЭИ: f'1 = 16,403 ± 0,082 мм и f'2 =
12,805 ± 0,231 мм. Общая разрешающая способность телевизионной системы,
как правило, оценивается в телевизионных линиях, т.е. в максимальном количестве различаемых в центральной части получаемого изображения переходов
от черного к белому и обратно. Эту характеристику нельзя непосредственно
использовать для оценки разрешающей способности ОЭИ, поэтому для более
69
точной оценки использовалась функция передачи модуляции (ФПМ) [107],
представляющая собой зависимость глубины модуляции от пространственной
частоты и характеризующая возможность системы адекватно передавать в изображении любые по размеру детали, а не только самые мелкие. Ранее эта характеристика называлась контрастно-частотной характеристикой (КЧХ) или пространственно-частотной характеристикой (ПЧХ) [108]. Уменьшение глубины
модуляции сигнала с увеличением пространственной частоты обусловливается
в основном дифракцией в оптических системах, конечными размерами светочувствительного элемента ПЗС матрицы, потерями фотоэлектронов при накоплении (диффузия носителей) и развѐртке (неэффективность переноса зарядов) в
ПЗС матрице.
В таблице 3.3 приведены электронно-оптические характеристики применяемых в макете ОЭИ черно-белых телевизионных камер герметичного исполнения МВК-16 производства ООО "Байт-Эрг" (г. Москва) [109]. Характеристики черно-белой ПЗС матрицы с межстрочным переносом зарядов Super HAD
CCD ICX405AL [110] производства Sony Corporation (Япония), применяемой в
используемых телевизионных камерах, представлены в таблице 3.4, а на рис.
3.2 показана ее спектральная чувствительность.
На рисунках 3.3 и 3.4 приведены ФПМ для камер МВК-16 с объективами
16 мм и 12 мм соответственно, полученные с помощью ПО RightMark™ Video
Analyzer по предлагаемой методике с использованием тестовой таблицы
EIA1956 [111]. Данная программа использует алгоритм нахождения контрастности, заключающийся в обнаружении минимума и максимума яркости на каждом срезе клиновой миры. При этом принимается, что модуляция, равная
100%, есть отношение яркости абсолютно белого изображения к яркости абсолютно черного изображения.
Внешний вид оптико-электронной части измерителя высоты НГО в составе макета оптико-электронного измерителя параметров облачности представлен на рис. 3.5. С целью упрощения конструкции измерителя в части совмещения оптических осей телевизионных камер, был выбран вариант с парал70
Таблица 3.3
Электронно-оптические характеристики телевизионной камеры МВК-16
Поз.
1.
2.
3.
4.
Параметр
ПЗС матрица
Количество точек ПЗС матрицы,
(H x V)
Разрешающая способность, твл
Диапазон рабочей освещенности,
лк
Значение
1/3" Sony Super HAD ICX405AL
500 х 582
420
0,01 – 45000
5.
Электронный затвор, с
1/50 – 1/100000
6.
Отношение сигнал/шум, дБ
45
7.
Гамма коррекция
0,46
8.
Выходной сигнал
1 В / 75 Ом (CCIR)
9.
Напряжение питания, В
12 ± 10%
10.
Потребляемый ток, мА
110
11.
Габаритные размеры, мм
d41 х 140
12.
Вес, г
200
13.
Степень защиты корпусом
IP67
14.
Диапазон рабочих температур, ºC
-50…+50
лельно расположенными телевизионными камерами. Такая схема расположения оптико-электронных каналов часто применяется как в активных, так и в активно-пассивных оптико-электронных измерительных системах, например, в
системах формирования фоноцелевой обстановки для авиации [112].
71
Таблица 3.4
Характеристики ПЗС матрицы Super HAD CCD ICX405AL
Поз.
Параметр
Значение
1.
Тип матрицы
1/3"
2.
Размер изображения по диагонали, мм
6
3.
Количество эффективных пикселей,
(H x V)
500 х 582 (≈290 К пикселей)
4.
Общее количество пикселей
537 х 597 (≈320 К пикселей)
5.
Тип разложения
Чересстрочное
6.
Размер светочувствительной области (H x
V), мм
5,59 х 4,68
7.
Размер пикселя (H x V), мкм
9,8 х 6,3
8.
Тип корпуса
DIP16
9.
Напряжение питания, В
15
10.
Потребляемый ток, мА
3
11.
Чувствительность, мВ
1350
12.
Уровень насыщения, мВ
≥ 1000
13.
Уровень растекания заряда, dB
-115
14.
Неравномерность по полю, %
≤ 25
15.
Мерцание поля, %
≤2
16.
Смазывание по полю, %
≤ 0,5
72
Рис. 3. 2. Спектральная чувствительность ПЗС матрицы ICX405AL
73
Контраст, %
Разрешение, твл
Рис. 3.3. ФПМ телевизионной камеры с f'1=16 мм
74
Контраст, %
Разрешение, твл
Рис. 3.4. ФПМ телевизионной камеры с f'2=12 м
75
Рис. 3.5. Внешний вид оптико-электронной части измерителя высоты НГО в составе макета телевизионного измерителя параметров облачности.
1– МВК-16 (12 мм), 2– МВК-16 (16 мм), 3 – панорамный обозреватель МВК1653ц (1,24 мм)
76
Таблица 3.5
Характеристики SG-P4
Поз.
Параметр
Значение
1.
Процессор
Conexant (BrookTree) BT878A
2.
Поддерживаемые форматы
PAL, NTSC, SECAM
3.
Разрешение
704 х 576 (PAL), 24 бит
4.
Интерфейс
PCI 2.1
5.
Тип разъемов In-Out
RCA
Таблица 3.6
Характеристики персонального компьютера
Поз.
Параметр
Значение
1.
Процессор
Duron 850 МГц AMD
2.
Материнская плата
Chaintech CT-7AJA2E VIA8363E
3.
ОЗУ
128 Mb SDRAM PC-133
4.
Видеокарта
Radeon 9550 AGP Gigabyte
В качестве системы ввода аналогового телевизионного сигнала в ПК использовалось многовходовое устройство ввода телевизионного изображения
SG-P4 фирмы AME 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.
3.3.
Метрологические характеристики макета оптико-электронного
измерителя
Метрологические характеристики позволяют судить о пригодности сред77
ства измерения (СИ) для выполнения измерений в необходимом диапазоне и с
требуемой точностью. К таким характеристикам СИ относятся [114]:
– функция передачи (преобразования) измерительного преобразователя;
– значение систематической составляющей погрешности СИ;
– чувствительность (функция влияния);
– порог чувствительности;
– диапазон измерений;
– разрешающая способность (цена деления шкалы).
Положим, что измерения высоты НГО проводятся вертикально с поверхности Земли, т.е. для выражения (2.21) высота точки наблюдения l = 0 м и угол
отклонения линии наблюдения α = 0º. 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 Ky есть входная величина, а расстояние a 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
78
системы была получена гиперболическая регрессия ее градуировочной характеристики
85 K
a
K
0,016
y
.
1,195
y
(3.1)
Средняя ошибка аппроксимации и индекс детерминации составили Aср =
2,09 % и R2 = 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
a
где
a'
a'
K ,
y
(3.2)
– производная функции (3.1);
ΔKy – абсолютная погрешность определения Ky.
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 ΔKy = 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:
SK
где
∆a
y
a
Ky
a( K y ) a( K y
Ky )
Ky
,
(3.3)
– приращение выходной величины функции (3.1);
ΔKy – приращение входной величины Ky = 0,001.
79
Рис.3.6. Градуировочная характеристика макета ОЭИ (красная сплошная линия) и ее гиперболическая
регрессия (синяя пунктирная линия)
80
Величина, обратная чувствительности
CK
1
y
SK
,
(3.4)
y
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 x = 1,195
и y = 85, то минимальное значение коэффициента подобия изображений Ky min =
1,195. Следовательно, пороговое значение коэффициента подобия изображений
можно определить как
K
y пор
K
y min
K ,
y
(3.5)
K y = 1·10-3 – минимальный шаг изменения коэффициента подобия изо-
где
бражений.
Подставляя численные значения аргументов в выражение (3.5), находим
K
y пор
= 1,196, что соответствует значению порога чувствительности макета
ОЭИ a nop = 101644 м.
81
Рис. 3.7. Функция чувствительности макета ОЭИ
82
Рис. 3.8. Разрешающая способность макета ОЭИ
83
Выводы к Главе 3
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 многовходовой системой ввода телевизионных изображений, позволяющей получать цифровые изображения измеряемых фрагментов облачности размерностью 704 х
576 пикселей круглосуточно в автоматическом режиме через заданные промежутки времени.
В виду того, что номинальная функция передачи описывает поведение
идеальной оптико-электронной измерительной системы, то для фактических
измерений используется ее градуировочная характеристика, показывающая реальную зависимость измеряемого расстояния a от коэффициента подобия разномасштабных изображений Ky с учетом аберраций оптических систем и конструктивных ограничений измерительных трактов макета ОЭИ. Оценка пре84
дельной систематической погрешности макета ОЭИ проводилась по гиперболической регрессии его градуировочной характеристики и составила не более
10% в диапазоне высот от 500 до 1500 м.
85
Глава 4.
Экспериментальное исследование макета оптико-
электронного измерителя и анализ полученных данных
В данной главе приведены результаты экспериментального исследования
макета ОЭИ высоты НГО, реализующего предложенный алгоритм измерения,
выполненные автором совместно с Красненко Н.П., Левикиным В.А. и Смирновым С.В. [96, 119-128]. Приводится сравнение полученных результатов с минимальными уровнями конденсации, рассчитанными по формуле А. Н. Ипполитова (1.2) по данным об облачности и относительной влажности воздуха, и со
значениями
высот
облаков,
определенными
визуально
метеорологами-
наблюдателями.
4.1.
Условия проведения экспериментального исследования макета
оптико-электронного измерителя
Фактор условий проведения измерений высоты НГО представляет собой
сочетание параметров окружающей среды, которые определяют освещенность
измеряемого фрагмента нижней облачности и его пространственное положение,
и зависят от времени года и суток и погодных условий в момент проведения
измерений. Очевидно, что идеальным измеряемым фрагментом облачности
может служить отдельно расположенное облако, равномерно освещенное по
всему полю плоского основания и имеющее достаточный контраст по краям, с
правильной геометрической формой, центр тяжести которой находится на вертикальной линии визирования ОЭИ. Кроме того, геометрические размеры и высота основания такого облака должны удовлетворять условиями получения
разномасштабных изображений облачности и критериями их пригодности
(2.29), а состояние атмосферы не должно вносить помехи и искажения. В действительности, одновременное сочетание таких условий практически невозможно, что накладывает определенные ограничения на использование предлагаемого способа измерения высоты НГО.
86
Запись разномасштабных изображений нижней облачности проводилась в
ИМКЭС СО РАН (координаты N5648 E08505, высота над уровнем моря +191
м) в период с 1-го июня по 31-е августа 2013 г. Угол отклонения оптических
осей телевизионных камер от местной вертикали составлял α=0º, высота расположения макета ОЭИ над поверхностью земли составляла l=10 м, в результате
чего выражение (2.21) для определения высоты НГО приняло вид
h
a.
(4.1)
Измерения относительной влажности воздуха и определение типа облачности по ярусам на метеостанции ИМКЭС СО РАН проводились каждый час с
10.00 по 19.00 местного времени (GMT+7). В качестве визуальных значений
высоты облаков были взяты данные метеостанции Томского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (WMO_ID = 29430, координаты N5647 E08497, высота над уровнем моря +126 м), проводящей измерения
в основные метеорологические сроки каждые три часа [129].
В результате обработки 920-ти пар разномасштабных изображений фрагментов облачности было получено 69 результатов измерений высоты нижней
границы кучевой Cu, кучево-дождевой Cb, слоистой St и слоисто-кучевой Sc
облачности.
Коэффициенты подобия изображений Ky определялись путем нахождения
сопряженных отрезков с максимальным коэффициентом подобия среди их всевозможных комбинаций, удовлетворяющих критериям (2.29). Полученные значения коэффициентов Ky и соответствующие им значения высот НГО приводятся в табл. Приложения 3. Там же приводятся значения минимальных уровней конденсации, рассчитанные по формуле Ипполитова (1.2) по данным об относительной влажности воздуха. Согласно [24], для кучевой Cu и кучево-дождевой Cb облачности коэффициенты имели значения C = 17, B = 100, а для
слоистой St и слоисто-кучевой Sc облачности значения коэффициентов составляли C = 22, B = 107.
87
4.2.
Анализ результатов измерений высоты нижней границы облачности
На рисунке 4.1 приведены результаты измерений высоты нижней границы
кучевой Cu, кучево-дождевой Cb, слоистой St и слоисто-кучевой Sc облачности, полученные с помощью макета ОЭИ, в сравнении с минимальными уровнями конденсации. Как видно из рисунка, измеренные значения высоты НГО в
90 % случаях превышает или совпадает с МУК (62 случая из 69), что хорошо
согласуется с физикой образования конвективной и слоистой облачности нижнего яруса [24]. В 2-х случаях, когда измерения проводились в 7 часов утра,
значение высоты облаков значительно (в 2-3 раза) превышало МУК. При этом
относительная влажность воздуха составляла 85-90 %, что может говорить о
наличии тумана в момент измерения. В 7-и случаях (10 % от общего количества
измерений) измеренные значения высоты оказались ниже минимального уровня
конденсации.
На рисунке 4.2 приведены результаты измерения высоты НГО, полученные с помощью макета ОЭИ, с визуальными данными, полученными морфологическим методом, когда высота облаков определяется по конкретному типу
облачности, имеющему свой диапазон высот. Как видно, измеренные значения
высот НГО в 54 % случаев (14 измерений из 26) попадают в определенный для
данного типа облачности диапазон высот, либо находятся на его границе.
В обоих случаях, причинами расхождения в оценке высот могут быть как
ошибки измерения с помощью макета ОЭИ по предложенному алгоритму, так и
попадание в поле зрения телевизионных камер участков не превалирующего на
данный момент типа облачности. Также, причиной расхождения в результатах
могут быть субъективные ошибки метеорологов-наблюдателей при визуальном
определении типа нижней облачности.
Макет ОЭИ и предложенный алгоритм обработки разномасштабных изображений в большинстве случаев не позволяет получать данные о высоте НГО
при сплошной однородной облачности по причине сложности или невозможности выделения какого-либо пригодного для обработки фрагмента облачности,
88
Рис. 4.1. Сравнение значений высоты НГО с минимальными уровнями конденсации
89
Рис. 4.2. Сравнение значений высоты НГО с визуальными данными
90
Рис. 4.3. Зависимость количества полученных измерений от общего балла облачности
91
удовлетворяющего условиям (2.29). Однако при низком и среднем балле облачности, т.е. тогда, когда активные (в частности, лазерные и светолокационные)
методы измерения высоты работают не всегда, предлагаемый пассивный моностатический метод позволяет измерять высоту основания отдельных или даже
одиночных облаков. На рисунке 4.3 приведен график зависимости количества
полученных измерений высоты НГО от общего балла облачности. Как видно,
91% измерений, полученных с помощью макета ОЭИ, приходятся на низкий (до
3-х баллов) и средний (от 4-х до 7-ми) общий балл облачности, при котором
применение предлагаемого метода наиболее эффективно.
Выводы к Главе 4
В результате проведенного экспериментального исследования макета оптико-электронного измерителя, реализующего предлагаемый моностатический
метод, были получены следующие результаты.
1. Полученные значения высот НГО сравнивались с минимальными уровнями
конденсации, рассчитанными для определенного типа облачности, и со значениями высот облаков, полученными визуально по данным метеостанции
Томского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
Показано, что 90% измерений в первом случае и 54% измерений во втором
случае хорошо согласуются между собой.
2. Показано, что 91% полученных значений высот НГО приходятся на низкий
и средний (от 0 до 7-ми) общий балл облачности, при котором работа предлагаемого моностатического метода наиболее эффективна.
92
Заключение
В результате проведенного исследования разработаны теоретические и
методические основы пассивного моностатического метода определения высоты НГО с использованием оптико-электронных измерительных систем [96, 119128]. Предлагаемый метод направлен на решение актуальных задач климатоэкологического мониторинга, связанных со сбором и обработкой метеорологической информации в части определения высоты НГО, являющейся одной из основных характеристик состояния облачности. Автором приводится
классификация и физико-математические основы существующих пассивных и
активных методов определения высоты нижней границы облачности и дается
их сравнительный анализ. Также приводится сравнительный анализ основных
характеристик современных средств измерения высоты НГО, использующих
активные способы измерения, показаны их достоинства и недостатки и обоснована необходимость совместного использования активных и пассивных методов.
Применение термина "моностатический" в названии предлагаемого метода аналогично его применению в классификации основных схем лазерных
систем дистанционного зондирования, приведенной в [130]. Согласно такой
классификации, лидары могут иметь бистатическое и моностатическое расположение приемо-передатчиков. Моностатические лидары в свою очередь могут
иметь как коаксиальное, так и биаксиальное расположение приемо-передатчиков. Таким образом, понятие "моностатический" в предлагаемом методе подразумевает применение двух оптико=электронных приемников с биаксиальным
расположением оптических осей.
Разработанный автором моностатический метод измерения высоты НГО
основывается на известной в геометрической оптике зависимости между действительными размерами измеряемого объекта, размерами его разномасштабных
изображений, полученных с помощью разнофокусных оптических систем, и
дистанцией съемки, которую в идеальном случае можно определить по сле93
дующей формуле
K
a
где
K
K
f'
1
K
y
y
1
,
K
f
y
y'
1 – коэффициент подобия изображений,
y'
2
f
f'
1 – коэффициент отношения фокусных расстояний,
f'
2
f'1 – фокусное расстояние первой ОС.
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 Cu
и кучево-дождевые Cb 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 не94
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 ис95
пользованием цифровых или IP-телекамер.
Другими возможными путями уменьшения погрешности измерений могут быть следующие технические улучшения макета ОЭИ:
– использование телецентрических объективов, обеспечивающих попадание лучей света перпендикулярно ко всей поверхности матрицы ПЗС, что позволит получать изображения с однородным полем яркости;
– определение допускаемых диапазонов углов главных лучей относительно оптических осей ОС с целью максимального уменьшения влияния аберраций (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 увеличение размерности получаемых изображений до 1024 х 768 пикселей (что возможно при использовании цифровых или IP-телекамер), позволит уменьшить
систематическую погрешность измерений на 25%. В данном случае, сдерживающим фактором в использовании такого варианта макета ОЭИ является высокая 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 информационноизмерительной 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
96
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.
97
Список использованных источников
1.
Романова, Л. М. Перенос излучения и лучистый теплообмен в атмосфере (обзор) / Л. М. Романова, Е. М. Фейгельсон // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. – 1981. – Т. 17. – № 9. – С. 899–911.
2.
Тимофеев, Ю. М. Теоретические основы атмосферной оптики / Ю. М.
Тимофеев, А. В. Васильев. – СПб. : Наука, 2003. – 474 с.
3.
Матвеев, Л. Т. Основы общей метеорологии : Физика атмосферы. Л. :
Гидрометерологическое издательство, 1965. – 876 с.
4.
Хромов, С. П. Метеорология и климатология / С. П. Хромов, М. А. Петросянц. – 6-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд-во МГУ. – М. : Изд-во "КолосС", 2004. – 582 с.
5.
Кабанов, М. В. Климато-экологический мониторинг Сибири (КЭМС):
программа физических исследований по локальным, региональным и
глобальным изменениям в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. –
1994. – Т. 7. – № 2. – С. 146–162.
6.
Ипполитов, И. И. Геофизический стационар ИОМ СО РАН для мониторинга климато-экологических измерений / И. И. Ипполитов, М. В. Кабанов, В. Н. Маричев // Оптика атмосферы и океана. – 2002. – Т. 15. – № 1.
– С. 36–43.
7.
Крутиков, В. А. Геоинформационное обеспечение мониторинга окружающей среды и климата / В. А. Крутиков, Ю. М. Полищук // Оптика
атмосферы и океана. – 2002. – Т. 15. – № 1. – С. 12–20.
8.
Тудрий, В. Д. О климатической модели облачности регионов применительно к задачам эксплуатации оптико-электронных систем // Оптика атмосферы. – 1988. – Т. 1. – № 9. – С. 87–89.
9.
Матвеев, Ю. Л. Глобальное поле облачности / Ю. Л. Матвеев, Л. Т. Матвеев, С. А. Солдатенко. – Л. : Гидрометеоиздат, 1986. – 279 с.
10. Комаров, В. С. Пространственная статическая структура поля общей облачности / В. С. Комаров, Н. Я. Ломакина, В. А. Ременсон // Оптика ат98
мосферы и океана. – 1997. – Т. 10. – № 1. – С. 113–118.
11. Богаткин, О. Г. Авиационные прогнозы погоды : учебное пособие / О. Г.
Богаткин, Г. Г. Тараканов. – Спб. : Энергомашиностроение, 2005. – 250
с.
12. Руководство по определению дальности видимости на ВПП (RVR) : РД
52.21.2006. – М. : АНО "Метеоагенство Росгидромета", 2006. – 96 с.
13. Зуев, В. Е. Оптика атмосферы. Итоги и перспективы // Оптика атмосферы. – 1988. – Т. 1. – № 1. – С. 5–12.
14. ГОСТ Р 8.000-2000. Государственная система обеспечения единства измерений. Основные положения. – Введѐн впервые ; введ. 2001-01-01. –
М. : Изд-во стандартов, cop. 2000. – 5 с.
15. ГОСТ 8.417-2002. Единицы величин. – Взамен ГОСТ 8.417-81 ; введ.
2003-09-01. – Минск : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и
сертификации ; М. : Изд-во стандартов, cop. 2003. – 24 с.
16. Андреев, Ю. М. Элементная база оптико-электронных приборов / Ю. М.
Андреев, Л. М. Буткевич, В. Г. Воеводин [и др.] ; под общ. ред. В. Е.
Зуева, М. В. Кабанова. – Томск : РАСКО, 1992. – 274 с.
17. Киселев, В.Н. Методы зондирования окружающей среды (атмосферы) :
учеб. издание / В. Н. Киселев, А. Д. Кузнецов. - СПб : РГГМУ, 2004.- 429
с.
18. Моргунов, В. К. Основы метеорологии, климатологии. Метеорологические приборы и методу наблюдений : Учебник. – Ростов/Д. : Феникс. –
Новосибирск : Сибирское соглашение, 2005. – 331 с.
19. Атлас облаков [Электронный ресурс] / Pro погоду - прогнозы. – Электрон. дан. – М., 2006. – Режим доступа: http://www.propo-godu.ru/2/20/,
свободный. – Загл. с экрана. – Яз. рус., англ.
20. Атлас облаков / под ред. А. Х. Хргиана, Н. И. Новожилова. – Л. : Гидрометеоиздат, 1978. – 266 с.
21. Справочник метеоролога ВВС РККА / сост. военинженер 2 ранга В. А.
Шталь. – М. : Воениздат НКО СССР, 1939 г. – 152 с.
99
22. Капустин, А. В. Технические средства гидрометеорологической службы
: учеб. пособие / А. В. Капустин, Н. Л. Сторожук. – СПб. : Энергомашиностроение, 2005. – 283 с.
23. Богаткин, О. Г. Авиационная метеорология : Учебник. – СПб. : Изд.
РГГМУ, 2005. – 328 с.
24. Тверской П. Н. Курс метеорологии (физика атмосферы) / под ред. Е. С.
Селезневой. – Л. : Гидрометеорологическое издательство, 1962. – 700 с.
25. Руткевич, П. Б. Нижняя граница облачности / П. Б. Руткевич, Г. С. Голицын, Б. П. Руткевич // сб. тез. 3-й всерос. откр. конф. "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", 14-17 нояб.
2005 г. – М. : ИКИ РАН. – 2005. – 123 с.
26. Zuev, S. V. Passive method of cloud base height detection / S. V. Zuev, N. P.
Krasnenko // Proceedings of SPIE XIII Joint International Symposium on
"Atmospheric and Ocean Optics / Atmospheric Physics". – 2006. – Vol. 6522.
– P. S1-S6.
27. Способ определения высоты, направления и скорости движения нижней
границы облачности : пат. 2321029 Рос. Федерация : МПК7 G 01 W 1/00 /
автор Зуев С. В. ; патентообладатель Ин-т мониторинга климат. и эколог. систем СО РАН (RU).
28. Allmen, M. C. The computation of cloud base height from pair whole-sky imaging cameras / M. C. Allmen, Ph. Kegelmeyer Jr. // Machine Vision and Applications. – 1997. – Vol. 9. – № 4, February. – P. 160–165.
29. Kassianov, E. I. Cloud-Base-Height Estimation from Paired Ground-Based
Hemispherical Observations / E. I. Kassianov, C. N. Long, J. E. Christy //
Journal of Applied Meteorology. – 2005. – Vol. 44. – № 8. – P. 1221–1233.
30. Automatic Total Sky Imager Model TSI-880 : catalog / Yankee Environmental System, Inc., USA – 2002.
31. Хромов, С. П. Метеорологический словарь / С. П. Хромов, Л. И. Мамонтова. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л. : Гидрометеоиздат, 1974. – 568 с.
32. Миронов, А. В. Метод определения высоты нижней границы облачности
100
при помощи прожекторного луча, применяемого в любое время суток /
А. В. Миронов, М. И. Мордухович, И. А. Хвостиков // тр. Геофиз. ин-та
АН СССР. – 1954. – № 7А. – с. 52-62.
33. Правила эксплуатации метеорологического оборудования аэродромов
гражданской авиации (ПЭМОА – 2002) : РД 52.04.551.508–2002. – Изд.
третье, перераб. и доп. – Спб. : Гидрометеоиздат, 2002. – 218 с.
34. Gaumet, J. L. Cloud-Base Height Measurements with a Single-Pulse ErbiumGlass Laser Ceilometer / J. L. Gaumet, J. C. Heinrich, and M. Cluzeau //
Journal of Atmospheric and Oceanic Technology AMS. – N15.– 1998,
february. – P. 37–45.
35. Demoz, B. B. Determination of Cloud Base Height Using the GSFC Raman
Lidar / B. B. Demoz, K. D. Evans, M. Cadirola, et al. // Proceedings of the
Ninth Atmospheric Radiation Measurement Science Team Meeting, San Antonio, Texas, March 22-26, 1999. – San Antonio, Texas : ARM. – 1999. – 8 p.
36. Hutchison, K. Cloud base height. Visible/infrared imager/radiometer suite
(VIIRS). Algorithm theoretical basis document / K. Hutchison, A. Huang. –
Raytheon Systems Company. – 2002. – Ver. 5. – 46 p.
37. Большаков, В. Д. Справочное руководство по инженерно – геодезическим работам / В. Д. Большаков, Г. П. Левчук, В. Е. Новак [и др.] ; под
ред. В. Д. Большакова, Г. П. Левчука. – М. : Недра, 1980. – 781 с.
38. Моргунов, Н. Ф. Геодезия / Н. Ф. Моргунов, В. И. Родионов. – 3-е изд.,
перераб. и доп. – М. : Недра, 1978. – 312 с.
39. Справочник геодезиста : в 2-х кн. / под ред. В. Д. Большакова, Г. П. Левчука ; кн. 2. – М. : Недра, 1985. – 440 с.
40. Лазерные дальномеры. "1Д26" [Электронный ресурс] / ФНПЦ ОАО
"Красногорский завод им. С. А. Зверева". – Электрон. дан. – Красногорск,
[200-].
–
Режим
доступа:
http://www.zenit-
foto.ru/index.php?show=catal&id =127&raz =39, свободный. – Загл. с экрана. – Яз. рус., англ.
41. Спецтехника [Электронный ресурс] / ФГУП ПО "Уральский оптико101
механический завод" им. Э. С. Яламова. – Электрон. дан. – Екатеринбург, 2005. – Режим доступа: http://www.uomz.ru/index.php?page=products&pid = 100062, свободный. – Загл. с экрана. – Яз. рус., англ.
42. Анализ оснащения аэродромов гражданской авиации метеорологическим оборудованием и его соответствие действующим требованиям :
Информационное письмо № МА – 13/13 – 300 от 02.04.2008. – Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), 2008. – 8 с.
43. Анализ состояния метеорологического обеспечения гражданской авиации за 2007 год. – Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), 2008. – 23 с.
44. Измеритель высоты облачности ПРОМIНЬ : рекламный проспект /
ГНПП "Спецавтоматика", Украина. – 2002.
45. Лазерный датчик высоты облаков ДОЛ-1 : рекламный проспект / ОАО
"ЛОМО", Россия. – 2008.
46. Ceilometer S7499 : catalog / Coastal Environmental Systems, Inc., USA :
Rev. 03/11/04. – 2004.
47. Ceilometer S1349Z : catalog / Coastal Environmental Systems, Inc., USA :
Rev. 08/13/02. – 2002.
48. Cloud Height Sensor CBME80 : catalog / Mesotech International, Inc., USA.
– 2005.
49. Измеритель высоты облаков "ИНГО" : рекламный буклет / БелОМО,
Республика Беларусь. – 2008.
50. Измеритель нижней границы облачности (ИНГО) : паспорт продукции /
ФГУП ИОА СО РАН, Россия. – 2008.
51. Измеритель нижней границы облаков "Пеленг СД-01-2000" : рекламный
буклет / ОАО "Пеленг", Республика Беларусь. – 2008.
52. Ceilometer CL31 : catalog / Vaisala Oyj, Finland : Ref.B210415en 2004-09. –
2004.
53. Ceilometer CT25K : catalog / Vaisala Oyi, Finland : Ref.B210265en-A. –
102
1999.
54. Датчик облаков лазерный ДОЛ-2 : рекламный проспект / ООО "ЛОМО
МЕТЕО", Россия. – 2008.
55. Моностатический способ определения расстояния до объекта, его направления и скорости движения : пат. 2340872 Рос. Федерация : МПК 7 G
01 C 3/32 / Зуев С. В. ; заявитель и патентообладатель Ин-т мониторинга
климат. и эколог. систем СО РАН (RU).
56. Моностатический способ определения высоты нижней границы облачности : пат. 2377612 Рос. Федерация : МПК7 G 01 W 1/00 / Зуев С. В. ;
заявитель и патентообладатель Ин-т мониторинга климат. и эколог. систем СО РАН (RU).
57. Бебчук, Л. Г. Прикладная оптика : учеб. пособие для приборостроительных специальностей вузов / Л. Г. Бебчук [и др.] ; под общ. ред. Н. П.
Заказнова. – М. : Машиностроение, 1988. – 312 с.
58. Справочник конструктора оптико-механических приборов / В. А. Панов
[и др.] ; под общ. ред. В. А. Панова. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л. : Машиностроение, 1980. – 742 с.
59. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф ; пер. с англ. С. Н. Бреуса
[и др.]. – 2-е изд., испр. – М. : Наука, 1973. – 720 с.
60. Бутиков, Е. И. Оптика : учеб. пособие для вузов / под ред. Н. И. Калитеевского. – М. : Высш. шк., 1986. – 512 с.
61. Иванова, Т.В. Введение в прикладную и компьютерную оптику : конспект лекций / Т. В. Иванова.– СПб. : ГИТМО(ТУ), 2002. – 97 с.
62. Русинов, М. М. Техническая оптика : учеб. пособие для вузов. – Л. :
Машиностроение, 1979. – 488 с.
63. ГОСТ 7427-76. Геометрическая оптика. Термины, определения и буквенные обозначения. – Взамен ГОСТ 7427-55 : введ. 1977-07-01 : переизд. с
Изм. № 1. – М. : Изд-во стандартов, cop. 1988. – 18 с.
64. Заказнов, Н. П. Прикладная геометрическая оптика. – М. : Машиностроение, 1984. – 184 с.
103
65. Апенко, М. И. Оптические приборы в машиностроении : справочник /
М. И. Апенко [и др.]. – М. : Машиностроение, 1974. – 238 с.
66. Погарев, Г. В. Оптические юстировочные задачи : справочник / Г. В. Погарев, Н. Г. Киселѐв. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л. : Машиностроение,
1989. – 260 с.
67. Родионов, С.А. Основы оптики : конспект лекций. – СПб. : ГИТМО(ТУ),
2000. – 167 с.
68. Заказнов, Н. П. Теория оптических систем : учебник для приборостроительных специальностей вузов / Н. П. Заказнов, С. И. Кирюшин, В.
Н. Кузичев. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1992.448 с.
69. Справочник геодезиста : в 2-х кн. / под ред. В. Д. Большакова, Г. П. Левчука ; кн. 1. – М. : Недра, 1985. – 455 с.
70. Дьяков, Б. Н. Геодезия. Общий курс : учебное пособие для вузов. – Новосибирск : изд-во Новосибирского ун-та, 1993. – 171 с.
71. Нелюбина, В. П. Простой метод определения поправки в дальность на
наклонных трассах / В. П. Нелюбина, Н. Ф. Нелюбин // Оптика атмосферы. – 1989. – Т. 2. – № 4. – С. 352–356.
72. Сармин, С.Э. Исследование влияния оптических характеристик и расположения облаков на пространственно-угловое распределение светового
поля // Оптика атмосферы. – 1990. – Т. 3. – № 8. – С. 815–820.
73. Сырямкин, В. И. Системы технического зрения : справочник / В. И. Сырямкин [и др] ; под общ. ред. В. И. Сырямкина, В. С. Титова. – Томск :
РАСКО, 1992. – 367 с.
74. Хромов, Л. И. Твердотельное телевидение : Телевизионные системы с
переменными параметрами на ПЗС и микропроцессорах / Л. И. Хромов
[и др.] ; под ред. И. А. Росселевича. – М. : Радио и связь, 1986. – 184 с.
75. Титов, Г. А. Математическое моделирование радиационных характеристик разорванной облачности // Оптика атмосферы. – 1988. – Т. 1. – №
4. – С. 3–18.
104
76. Грязин, Г. Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства :
Системы телевидения. – Л. : Машиностроение, 1988. – 224 с.
77. Фурман, Я. А. Введение в контурный анализ ; приложения к обработке
изображений и сигналов / Я. А. Фурман, А. В. Кревецкий, А. А. Роженцов [и др.] : под ред. Я. А. Фурмана. - 2-е изд., испр. - М. : Физматлит,
2003.- 592 с.
78. Лебедев, Д. С. Иконика – теория воспроизведения изображений // Проблемы передачи информации. – 1976. – № 6. – С. 91–99.
79. Рабинер, Л. Теория и применение цифровой обработки сигналов / Л. Рабинер, Б. Гоул ; пер с англ. А. Л. Зайцева [и др.] под ред. Ю. Н. Александрова. – М. : Мир, 1978. – 848 с.
80. Ярославский, Л. П. Введение в цифровую обработку изображений. – М. :
Сов. радио, 1979. – 312 с.
81. Фурман, Я. А. Цифровые методы обработки и распознавания бинарных
изображений / Я. А. Фурман, А. Н. Юрьев, В. В. Яншин. – Красноярск :
Изд-во Краснояр. ун–та, 1992. – 248 с.
82. Гонсалес, Р. С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB / Р.
С. Гонсалес, Р. Э. Вудс, С. Л. Эддинс : пер. с англ. В. В. Чепыжова. – М.
: Техносфера, 2006. – 616 с.
83. Гриднев, Ю. В. Сегментация многомерных изображений алгоритмом
кластеризации, основанным на двустороннем критерии неоднородности
/ Ю. В. Гриднев, К. Т. Протасов // Оптика атмосферы и океана. – 1995. –
Т. 8. – № 7. – С. 1103–1111.
84. Trembilski, A. Two method for cloud visualization from weather simulation
data / Andrzej Trembilski // The Visual Computer. International Journal of
Computer Graphics. – 2001. – Vol. 17. – № 3, may. – P. 179–185.
85. Прэтт, Э. К. Цифровая обработка изображений : в 2-х кн. : пер. с англ.
под ред. Д. С. Лебедева ; кн. 2. – М. : Мир, 1982. – 480 с.
86. Грузман, И. С. Цифровая обработка изображений в информационных
системах : Учебное пособие / И. С. Грузман, В. С. Киричук, В. П. Косых
105
[и др.]. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2000. – 168 с.
87. Хуанг, Т. С. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений / Т.
С. Хуанг, Дж.–О. Эклунд, Г. Дж. Нуссбаумер [и др.] : под ред. Т. С. Хуанга : пер с англ. – М. : Радио и связь, 1984. – 224 с.
88. Бакут, П. А. Сегментация изображений : методы пороговой обработки /
П. А. Бакут, Г. С. Колмогоров, И. Э. Ворновицкий // Зарубежная радиоэлектроника. – 1987. – № 10. – С. 6-24.
89. Бакут, П. А. Сегментация изображений : методы выделения границ областей / П. А. Бакут, Г. С. Колмогоров, И. Э. Ворновицкий // Зарубежная
радиоэлектроника. – 1987. – № 10. – С. 25-47.
90. Корн, Г. А. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. А. Корн, Т. М. Корн : пер. с англ. под ред. И. Г. Арамановича.
– М. : Наука, 1984. – 832 с.
91. Луцив, В. Р. Моделирование зон внимания в задачах автоматической декомпозиции и структурного анализа изображений // Оптический журнал.
– 2007. – Т. 74. – № 4. – С. 59–67.
92. Луцив, В. Р. Моделирование зон внимания на основе анализа локальных
особенностей текстуры изображений // Оптический журнал. – 2008. – Т.
75. – № 7. – С. 55–64.
93. Завалишин, Н. В. Модели зрительного восприятия и алгоритмы анализа
изображений. / Н. В. Завалишин, И. Б. Мучник. – М. : Наука, 1974. – 344
с.
94. Конушин А. Слежение за точечными особенностями сцены [Электронный ресурс] // Компьютерная графика и мультимедиа. – 2003. – № 1(5).
Режим доступа: http://cgm.computergraphics.ru/content/view/54, свободный (дата обращения: 19.12.2013).
95. Harris, C. A combined corner and edge detector / C. Harris, and M. Stephens
// Proc. 4-th Alvey Vision Conference, Manchester, UK. – 1988. – Pp. 147151.
96. Зуев, С. В. Алгоритм обработки разномасштабных изображений, ис106
пользуемый в экспериментальном комплексе мониторинга состояния
облачности / С. В. Зуев, С. В. Смирнов // Мат-лы XVII Рабочей группы
"Аэрозоли Сибири", 23-26 нояб. 2010 г. – Томск : Изд-во ИОА СО РАН.
– 2010. – С. 88.
97. Lowe, D. G. Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints // International Journal of Computer Vision. – 2004. – Vol. 2. – No. 60. – P. 91110.
98. Morel, J.–M. ASIFT: A New Framework for Fully Affine Invariant Image
Comparison / Jean–Michel Morel and Guoshen Yu // SIAM Journal on Imaging Sciences. – 2009. – Vol. 2. – Issue 2. – P. 438-469.
99. Bay, Herbert. SURF: Speeded Up Robust Features / Herbert Bay, Andreas
Ess, Tinne Tuytelaars, Luc Van Gool // Computer Vision and Image Understanding (CVIU). – 2008. – Vol. 110. – No. 3. – P. 346—359.
100. Конушин А. Устойчивые алгоритмы оценки параметров модели на основе случайных выборок [Электронный ресурс] // Компьютерная графика и мультимедиа. – 2003. – № 1(4). Режим доступа:
http://cgm.computergraphics. ru/content/view/47, свободный (дата обращения: 19.12.2013).
101. OpenCV. – Электрон. дан. – [Б.м.], [2013]. – Режим доступа:
http://opencv.org, свободный. – Загл. с экрана. – Яз. англ.
102. Царѐв, В. А. Неконтактные методы измерений в океанологии / В. А. Царѐв, В. П. Коровин. – СПб : РГГМУ, 2005. – 184 с.
103. DW 9711. Lens specification : catalog / Daiwon Optical Co., Ltd., Korea. –
2004.
104. DW 9611. Lens specification : catalog / Daiwon Optical Co., Ltd., Korea. –
2004.
105. Zhang, Zhengyou. A flexible new technique for camera calibration // IEEE
Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. – 2000. – Vol.22.
– No.11. – P. 1330—1334.
106. Программа GML Aero Matching v.0.1 18.06.2008. [Электронный ресурс] /
107
Лаборатория компьютерной графики и мультимедиа. Факультет ВМК
МГУ. – Электрон. дан. – [Б.м.], 2008. – Режим доступа: http://graphics.cs.
msu.ru/ru/science/research/imageprocessing/aeromatching, свободный. –
Загл. с экрана. – Яз. англ.
107. ГОСТ 2653-80. Фотографическая сенситометрия. Термины, определения
и буквенные обозначения величин. – Взамен ГОСТ 2653-44 ; введ. 198201-01. – М. : Изд-во стандартов, cop. 1980. – 40 с.
108. Перрен, Ф. Методы оценки фотографических систем // Успехи физических наук. – 1962. – Т. LXXVIII. – Вып. 2. – С. 307–344.
109. Видеокамера МВК-16 : паспорт / ООО "БайтЭрг", Россия, Москва. –
2007.
110. ICX405AL. Diagonal 6 mm (Type 1/3) CCD Image Sensor for CCIR B/W
Video Cameras : datasheet / Sony Corporation., Japan : E00608E78. – December 1, 2003 ver.
111. Программа RightMark™ Video Analyzer для тестирования видеотракта
[Электронный ресурс] / iXBT.com. – Электрон. дан. – [Б.м.], 2005. – Режим доступа: http://www.ixbt.com/divideo/rmva.shtml, свободный. – Загл.
с экрана. – Яз. рус., англ.
112. Кадерова, Г. Н. Оптико-электронная активно-пассивная система формирования яркостно-дальностных изображений фоноцелевой обстановки РФ-ЛЛК / Г. Н. Кадерова, В. Г. Каплан, В. В. Липатов [и др.] // Оптический журнал. – 2007. – Т. 74. – № 1. – С. 28–32.
113. Surveillance Video Center PCI w/Software- SG-P4/P8/P12/P16 [Электронный ресурс] / AME Optimedia Technology Co., Ltd. (Taiwan, R.O.C.).
– Электрон. дан. – [Б.м.],
[200-]. – Режим доступа: http://www.ame-
group.com/sgp4.htm, свободный. – Загл. с экрана. – Яз. англ.
114. ГОСТ Р 8.009-84. Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. – Взамен ГОСТ 8.009-72 ; введ. 1986-01-01. – М. : Изд-во стандартов, cop. 2003. – 10 с.
108
115. Р 50.2.038-2004. Рекомендации по метрологии. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей и неопределенности результата измерений. – Взамен МИ 1552-86 ; введ. 2004-11-27. – М. : Изд-во стандартов, cop. 2004. – 7 с.
116. МИ 2083–90. Рекомендация. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей. – Введ. 1992-01-01.
– М. : Изд-во стандартов, cop. 1991. – 16 с.
117. МИ 2175–91. Рекомендация. Градуировочные характеристики средств
измерений. Методы построения. Оценивание погрешностей. – Введ.
1992-01-01. – СПб. : ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, 1991. – 55 с.
118. Тартаковский, Д. Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений / Д. Ф. Тартаковский, А. С. Ястребов. – М.: Высш. шк.,
2001. – 205 с.
119. Зуев, С. В. Экспериментальная проверка измерителя высоты облачности
/ С. В. Зуев, Н. П. Красненко // Оптика атмосферы и океана. – 2009. – Т.
22. – № 1. – С. 86-89.
120. Zuev, S. V. Determination of cloud base height using the passive monostatic
method / S. V. Zuev, N. P. Krasnenko // Proceedings of SPIE XIV Joint International Symposium on "Atmospheric and Ocean Optics / Atmospheric Physics". – 2007. – Vol. 6936. – P. 156-161.
121. Зуев, С. В. Определение высоты нижней границы облачности пассивным
моностатическим методом / С. В. Зуев, Н. П. Красненко // Мат-лы рос.
конф. "Седьмое сибирское совещание по климато - экологическому мониторингу", 8-10 окт. 2007 г. – Томск : ООО "Аграф–Пресс". – 2007. – С.
373-376.
122. Zuev, S. V. Cloud base height's measuring by experimental model of optoelectronic ceilometer / S. V. Zuev, N. P. Krasnenko // International Conference on Environmental Observations, Modeling and Information Systems
"ENVIROMIS–2008", 28 June – 5 July 2008. – Томск : изд-во Томского
ЦНТИ. – 2008. – P. 26.
109
123. Зуев, С. В. Экспериментальные исследования измерителя высоты облачности / С. В. Зуев, Н. П. Красненко // сб. мат-лов VI междунар. симп.
"Контроль и реабилитация окружающей среды", 3-5 июля 2008 г. –
Томск : ООО "Аграф–Пресс". – 2008. – С. 94-95.
124. Zuev, S. V. Experimental opto-electronic model of ceilometer for cloud base
height measurement / S. V. Zuev, N. P. Krasnenko // Proceedings of SPIE XV
Joint International Symposium on "Atmospheric and Ocean Optics / Atmospheric Physics". – 2008. – Vol. 7296. – P. 117-121.
125. Зуев, С. В. Инструментальный мониторинг состояния облачности / С. В.
Зуев, С. В. Смирнов // Мат-лы рос. конф. "Восьмое сибирское совещание
по климато – экологическому мониторингу", 8-10 окт. 2009 г. – Томск :
"Аграф–Пресс". – 2009. – С. 371-372.
126. Зуев, С. В. Локальный мониторинг состояния облачности / С. В. Зуев, С.
В. Смирнов // Мат-лы XVI междунар. симп. "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", 12-15 окт. 2009 г. – Томск : Изд-во ИОА СО
РАН. – 2009. – С. 311-312.
127. Зуев, С. В. Результаты опытной эксплуатации экспериментального комплекса мониторинга состояния облачности / С. В. Зуев, С. В. Смирнов //
Мат-лы XVI Рабочей группы "Аэрозоли Сибири", 24-27 нояб. 2009 г. –
Томск : Изд-во ИОА СО РАН. – 2009. – С. 64.
128. Зуев, С. В. Телевизионный измеритель характеристик облачности / С. В.
Зуев, Н. П. Красненко, В. А. Левикин // Доклады Том. гос. ун-та систем
управления и радиоэлектроники. – 2014. – № 1(31). – С. 54-59.
129. Погода в мире. – Электрон. дан. – [Б.м.], [2013]. – Режим доступа:
http://rp5.ru, свободный. – Загл. с экрана. – Яз. рус.
130. Межерис, Р. М. Лазерное дистанционное зондирование : пер. с англ. –
М. : Мир, 1987. – 550 с.
131. Солдатов, В. П. Определение допусков на отклонения от номинала параметров и характеристик оптических приборов с многоэлементными
приѐмниками излучения // Измерительная техника. – 2008. – № 2. –
110
С.35–38.
132. Способ определения фокусного расстояния оптической системы : пат.
2408862 Рос. Федерация : МПК7 G 01 M 11/02 / Зуев С. В. ; заявитель и
патентообладатель Ин-т мониторинга климат. и эколог. систем СО РАН
(RU).
133. Способ определения фокусных расстояний двух оптических систем :
пат. 2430348 Рос. Федерация : МПК7 G 01 M 11/02 / Зуев С. В. ; заявитель и патентообладатель Ин-т мониторинга климат. и эколог. систем
СО РАН (RU).
134. Зуев, С. В. Использование пассивного моностатического метода определения расстояния в мониторинге верхней границы леса / С. В. Зуев, В.
А. Загорулько // мат. Междунар. науч. конф. "Мониторинг и оценка состояния растительного мира", Минск, 22-26 сент. 2008 г. / Ин-т эксеримент. ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси. – Минск : Право и
экономика. – 2008. – С. 47–49.
111
№
п/п
Приложение 1
Таблица
Значения размеров изображений y'1 и y'2 и их отношений от расстояния a при различных значениях y
y'
y = 1м
y=5м
y=10 м
1
Ky
a, м
y'
y'1, мм
y'2, мм
y'1, мм
y'2, мм
y'1, мм
y'2, мм
2
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
0,3201024327 0,2400576138 1,6005121638 1,2002880691 3,1989763277 2,4005761382
0,1600256041 0,1200144018 0,8001280205 0,6000720086 1,6002560410 1,2001440173
0,1066780457 0,0800064005 0,5333902283 0,4000320026 1,0667804566 0,8000640051
0,0800064005 0,0600036002 0,4000320026 0,3000180010 0,8000640051 0,6000360022
0,0640040962 0,0480023041 0,3200204813 0,2400115206 0,6400409626 0,4800230411
0,0533361780 0,0400016000 0,2666808897 0,2000080003 0,5333617793 0,4000160006
0,0457163756 0,0342868898 0,2285818780 0,1714344492 0,4571637561 0,3428688984
0,0400016001 0,0300009000 0,2000080003 0,1500045001 0,4000160006 0,3000090003
0,0355568198 0,0266673778 0,1777840990 0,1333368890 0,3555681980 0,2666737778
0,0320010240 0,02400057601 0,1600051201 0,1200028801 0,3200102403 0,2400057601
0,0290917554 0,0218186579 0,1454587770 0,1090932893 0,2909175540 0,2181865786
0,0266673778 0,0200004000 0,1333368890 0,1000020000 0,2666737787 0,2000040001
0,0246159906 0,0184618793 0,1230799527 0,0923093965 0,2461599055 0,1846187932
0,0228576653 0,0171431510 0,1142883266 0,0857157551 0,2285766531 0,1714315103
0,0213337885 0,0160002560 0,1066689422 0,0800012800 0,2133378845 0,1600025600
0,0200004000 0,0150002250 0,1000020000 0,0750011250 0,2000040001 0,1500022500
0,0188238838 0,0141178464 0,0941194187 0,0705892319 0,1882388374 0,1411784637
0,0177780938 0,0133335111 0,0888904692 0,0666675556 0,1777809383 0,1333351111
0,0168423889 0,0126317385 0,0842119446 0,0631586925 0,1684238892 0,1263173851
1,3334400341
1,3333866752
1,3333688927
1,3333600021
1,3333546680
1,3333511121
1,3333485721
1,3333466672
1,3333451856
1,3333440003
1,3333430306
1,3333422225
1,3333415387
1,3333409526
1,3333404446
1,3333400001
1,3333396080
1,3333392594
1,3333389475
112
Приложение 2
Таблица
Численные значения метрологических характеристик макета оптикоэлектронного измерителя
Коэффициент подобия
изображений Ky
Расстояние
a (градуировочная характеристика),
м
Расстояние a (гиперболическая
регрессия), м
Систематическая погрешность
измерений
a , не бо-
1
2
3
4
1.
1,265
1500
2.
1,270
3.
Функция
чувствительности
S,
м/[Ky]
Разрешающая способность
C K ·10-4,
y
[Ky]/м
5
6
7
1536
9
20434
0,4894
1400
1439
9
17817
0,5613
1,275
1340
1354
8
15673
0,6381
4.
1,280
1285
1280
7
13893
0,7198
5.
1,285
1225
1213
7
12400
0,8064
6.
1,290
1175
1154
7
11136
0,8980
7.
1,295
1125
1101
6
10055
0,9945
8.
1,300
1075
1052
6
9125
1,0959
9.
1,305
1025
1008
6
8318
1,2023
10.
1,310
985
968
5
7613
1,3135
11.
1,315
935
931
5
6994
1,4297
12.
1,320
900
897
5
6448
1,5508
13.
1,325
860
866
5
5964
1,6769
14.
1,330
825
837
5
5532
1,8078
15.
1,335
785
810
4
5145
1,9437
16.
1,340
760
785
4
4797
2,0845
17.
1,345
735
762
4
4484
2,2302
18.
1,350
720
740
4
4200
2,3809
19.
1,355
705
720
4
3943
2,5365
20.
1,360
680
701
4
3708
2,6970
21.
1,365
665
682
3
3494
2,8624
№
п/
п
лее %
113
Окончание табл.
1
2
3
4
5
6
7
22.
1,370
650
665
3
3297
3,0327
23.
1,375
630
649
3
3117
3,2080
24.
1,380
620
634
3
2951
3,3882
25.
1,385
600
620
3
2799
3,5733
26.
1,390
590
606
3
2657
3,7633
27.
1,395
580
593
3
2526
3,9583
28.
1,440
500
500
2
1685
5,9345
114
Приложение 3
Таблица 1
Результаты измерений высоты НГО с 1 июня по 31 августа 2013 г. для кучевой (Cu Cb) и слоистой (St Sc) облачности
Дата и
Количество
Тип
№
время
Коэффициент
сопряжен-
нижней
п/п
наблю-
подобия Ky
ных отрез-
облачно-
ков n
сти
дений
Общий
Относительная
балл об-
влажность
лачности
воздуха f, %
Мин.
уровень
конденсации, м
Высота
НГО h (визуально), м
Высота
НГО a
(расчетная), м
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1.
06011600
1,242
47
Sc Cu
7
45
1364
600-1000
2246
2.
06011700
1,361
45
Sc Cu
7
43
1408
3.
06011900
1,298
14
Sc Cu
10
43
1408
4.
06061400
1,287
94
St neb.
6
48
1298
1189
5.
06101500
1,361
32
Cu
7
55
765
697
6.
06151400
1,239
34
Cu
3
36
1088
2393
7.
06151700
1,462
7
Sc Cu
5
37
1071
465
8.
06181700
1,359
5
Cu Sc
6
65
595
704
9.
06191700
1,249
11
Cu med.
3
37
1071
1966
10. 06191800
1,274
20
Cu med.
4
42
986
1371
11. 06201500
1,327
16
Cu
6
36
1088
854
697
1000-1500
1071
115
Продолжение табл.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12.
06201700
1,319
41
Cu
5
43
969
13.
06211000
1,322
12
Cu
3
73
459
600-1000
885
14.
06211300
1,354
9
Cu
2
55
765
1000-1500
724
15.
06221400
1,303
16
Cu
3
43
969
16.
06221600
1,268
49
Cu
3
57
731
17.
06221700
1,270
23
Cu
3
59
697
1439
18.
06231200
1,291
42
Cu
4
44
952
1143
19.
06241200
1,260
41
Cu
7
39
1037
1647
20.
06241300
1,272
46
Cu
8
37
1071
600-1000
1404
21.
06241600
1,239
24
Cu Cb
9
42
986
600-1000
2393
22.
06251200
1,313
46
Cu
5
48
884
23.
06260700
1,344
30
Sc St
3
84
506
>2500
767
24.
06261300
1,293
37
Sc Cu
2
39
1037
1000-1500
1121
25.
06261900
1,305
10
Sc Cu
4
45
935
>2500
1008
26.
06271200
1,307
27
Cu
5
31
1173
27.
06271300
1,271
31
Cu
6
28
1224
28.
06271400
1,316
55
Cu
6
29
1207
904
1025
600-1000
1476
946
992
1000-1500
1421
924
116
Продолжение табл.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
29.
06271600
1,303
86
Sc Cu
6
29
1207
1000-1500
1025
30.
06291600
1,252
18
Sc Cu
8
69
836
600-1000
1867
31.
07021400
1,336
103
Cu Cb
7
62
646
805
32.
07031200
1,287
58
Cu Cb
4
54
782
1189
33.
07031400
1,292
26
Cu Cb
4
46
918
1132
34.
07031500
1,287
44
Cu Cb
4
44
952
1189
35.
07051400
1,352
80
Cu Cb
4
55
765
732
36.
07061400
1,279
13
Cu Cb
7
36
1088
1294
37.
07061700
1,274
13
Cu Cb
3
35
1105
1371
38.
07071700
1,294
40
Cu Cb
2
30
1190
1111
39.
07071900
1,289
10
Cu Cb
2
35
1105
600-1000
1165
40.
07080700
1,292
73
Sc St Cu
1
90
374
>2500
1132
41.
07171500
1,335
114
Cu Cb
0
33
1139
42.
07201000
1,243
9
Sc St Cu
0
80
594
43.
07201200
1,280
31
St Sc
0
69
836
1280
44.
07211500
1,288
21
St Sc
3
58
1078
1177
45.
07211600
1,303
24
St Sc
4
59
1056
810
>2500
600-1000
2201
1025
117
Продолжение табл.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
46.
07241000
1,297
102
St Sc
5
63
968
1000-1500
1081
47.
07241200
1,253
24
St Sc
8
53
1188
1836
48.
07241700
1,252
10
Cu Cb
7
47
901
1867
49.
07261300
1,309
9
Cu Cb
8
46
918
1000-1500
976
50.
07261600
1,272
8
Cu Cb
3
35
1105
600-1000
1404
51.
07261700
1,267
8
Cu Cb
5
34
1122
52.
07271300
1,302
79
Cu Cb
4
44
952
53.
07271400
1,259
15
Cu Cb
3
46
918
1672
54.
08041400
1,275
11
Sc
2
68
858
1354
55.
08051600
1,272
21
Cu Cb
6
71
493
56.
08061400
1,253
18
Cu Cb
7
62
646
1836
57.
08061500
1,264
14
Cu
3
60
680
1557
58.
08071400
1,245
8
Sc Cu
3
72
770
2116
59.
08071600
1,329
30
Sc Cu
7
65
924
60.
08071700
1,315
19
Cu Cb
3
66
578
61.
08121900
1,277
15
Cu
3
76
408
62.
08161200
1,266
18
Sc
7
67
880
1496
1000-1500
600-1000
600-1000
1034
1404
843
931
600-1000
1324
1515
118
Окончание табл.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
63.
08161400
1,299
53
Sc
6
54
1166
64.
08161600
1,301
61
Sc
6
49
1276
65.
08161800
1,274
29
Sc
3
48
1298
1371
66.
08211500
1,283
116
Cu
3
51
833
1239
67.
08211600
1,285
18
Sc Cu
5
51
1232
68.
08271200
1,288
22
Cu hum.
7
70
510
1177
69.
08301500
1,269
73
Cu Sc
6
62
646
1457
1062
1000-1500
600-1000
1043
1213
119
Приложение 4
Рис. 1. Акт о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы
Зуева Сергея Викторовича
120