Пчёлкина Наталия Владимировна ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И

На правах рукописи
Пчёлкина Наталия Владимировна
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И БЫСТРОДЕЙСТВИЯ
ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКИ
МЕТЕОПАРАМЕТРОВ ОБЛАКОВ И АТМОСФЕРЫ
ИК-РАДИОМЕТРИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ
Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и
управляющие системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
1 2 MAP 2033
Москва - 2009
Работа выполнена в Московском государственном
приборостроения и информатики (МГУПИ)
Научный руководитель:
университете
доктор технических наук, профессор
Слепцов В.В.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Данилин Н.С.
кандидат технических наук,
начальник сектора
Кочеров С.А.
Ведущая организация:
ЗЛО «НИИИН МНПО «Спектр»
Защита состоится «31» марта 2009 года в 12 часов на заседании
Диссертационного Совета Д.212.119.01 в Московском государственном
университете приборостроения и информатики (МГУПИ) по адресу:
107996, Москва, ул. Стромынка, д.20.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической
библиотеке МГУПИ.
Автореферат разослан « 1 9 »
Ученый секретарь
Диссертационного Совета Д.212.119.01
доктор технических наук, профессор
февраля 2009 г.
Филинов В.В.
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Работа посвящена исследованию и разработке методов
повышения точности и быстродействия измерения и обработки
метеопараметров облаков различных типов и прозрачности атмосферы
ИК-радиометрическим комплексом за счет автоматизации процессов
ориентации и наведения комплекса, измерения и последующей обработки
экспериментальных данных.
Актуальность проблемы
Развитие науки и техники привело к увеличению воздействия
человека на природу и природы на жизнедеятельность человека. Возрос
интерес к природным явлениям, их количественным характеристикам и
повторяемости. Все больше внимания стало уделяться погоде и климату,
важным составным элементом которых являются облака.
Облака покрывают несколько более половины небосвода и влияют
на многие процессы, протекающие в атмосфере и формирующие погоду, на тепловой баланс системы Земля-атмосфера, на прохождение в
атмосфере электромагнитных волн и др.
Новейшие научно-технические направления, в большой или
меньшей степени, соприкасающиеся с атмосферой, потребовали знания
параметров облаков - геометрических, физических и географических
характеристик, их пространственно-временной изменчивости и т.д.
Необходимость в таких сведениях имеется у тех, кто работает в области
прогнозирования
погоды, изучения климата и его моделирования,
космических исследований, авиационной и радиолокационной техники и
др. Это привело к необходимости привлекать новые дистанционные
средства измерений, в которых применяется программируемая
измерительная и вычислительная техника, позволяющая автоматизировать
процессы зондирования атмосферы, анализа результатов и выдачи
информации в реальном масштабе времени.
Перспективным направлением является разработка лидарнорадиометрических измерительных комплексов, работающих в видимом,
ближнем инфракрасном диапазонах длин волн и в «окне» прозрачности
атмосферы 8-14 мкм. Сочетание таких приборов позволяет получить
дополнительную
информацию о термодинамическом состоянии
атмосферы (вертикальные профили температуры, влажности и ветра,
распределение аэрозоля.).
Существующая, на данный момент, для этих целей измерительная
аппаратура требует постоянного участия оператора как в процессе
наведения и измерения, так и в дальнейшей обработке экспериментальных
данных. Автоматизация этих процессов позволит уменьшить зависимость
результатов от субъективных особенностей оператора. Кроме того, такая
3
аппаратура имеет большие стоимость и габариты, что делает ее
непригодной для проведения оперативных исследований в полевых
условиях. По этим причинам особую актуальность приобретает разработка
современных, простых в производстве и обслуживании, мобильных,
автоматизированных
и надежных
комплексов для
контроля
метеопараметров облачности.
Основной тенденцией развития такой аппаратуры является полная
автоматизация процессов измерения и обработки полученных данных,
чтобы свести к минимуму работу оператора.
Состояние проблемы
Ранее в многочисленных работах было теоретически и
экспериментально обосновано одновременное применение лидарно радиометрических методов. Проведение совместных ИК- и СВЧрадиометрических, лидарных и радиолокационных измерений позволяет
изучать комплекс проблем, связанных с переносом оптического излучения
в атмосфере. При этом необходимо учитывать термодинамическое
состояние атмосферы: вертикальные профили температуры, влажности и
ветра, распределение аэрозоля.
Объединение ИК-радиометрической и лидарной аппаратуры в
единую систему позволит расширить возможности комплекса (получение
разнообразной информации о состоянии атмосферы) и увеличить точность
и быстродействие измерения радиационных параметров облачности.
Цель работы - Повышение точности и быстродействия измерения
и обработки
метеопараметров
облаков
и атмосферы
ИКрадиометрическим комплексом за счет полной автоматизации процессов
ориентации и наведения комплекса, измерения и последующей обработки
экспериментальных данных.
Для достижения поставленной цели необходимо решить
следующие задачи:
1. Исследовать пути повышения точности и быстродействия лидарнорадиометрического метода дистанционного зондирования за счет
полной автоматизации процессов ориентации и наведения лидарнорадиометрического комплекса, измерения и последующей обработки
экспериментальных данных.
2. Исследовать возможности автоматизации
сканирующего ИКрадиометрического
комплекса,
повышающие
точность
и
быстродействие:
процессов ориентации (начальной установки) и наведения
лидарно-раднометрического комплекса на объект;
процессов лйдарно-радиометрических измерений и обработки
данных, расчета радиационных параметров метеообъекта.
4
3.
Создать автоматизированный ИК-радиометрический
комплекс,
включающий сканирующую установку и лидары для проведения
лидарно-радиометрических измерений метеопараметров облаков и
атмосферы в любой точке небосклона с управляемой плоскостью
сканирования без промежуточной перенастройки установки.
4. Разработать алгоритм управления приводом системы ориентации и
наведения лидарно-радиометрического комплекса на объект,
позволяющий повысить быстродействие измерения мстеопараметров
облаков.
5. Разработать методику лидарно-радиометрических измерений и
алгоритм комплексной обработки данных, позволяющие осуществлять
оперативный
автоматизированный
непрерывный
контроль
метеопараметров облачности различных типов.
6. Провести экспериментальное исследование автоматизированного ИКрадиометрического комплекса в реальных условиях.
Методы исследований
Эксперименты проводились на созданной модели комплекса с
использованием универсальных и специализированных приборов.
Экспериментальные исследования проведены как в лабораторных, так и в
полевых условиях. Регистрация полученных в ходе экспериментов данных
и их последующая обработка производилась с помощью ПЭВМ. Для
математических расчетов и обработки полученных экспериментальных
данных применялись пакеты программного обеспечения MathCad,
«Осциллофаф» (программа для управления ИК-лидаром) и Microsoft
Excel. В теоретических исследованиях применялись теории физики
атмосферы,
механики,
материаловедения,
функции
ошибок,
статистические методы.
Научная новизна:
1. Предложено
новое
техническое
решение
построения
автоматизированного комплекса, позволяющее проводить лидарнорадиометрические
исследования
параметров
атмосферы
с
техническими характеристиками, превышающими базовый вариант:
точностью измерения радиационной температуры метеообъекта,
находящегося у горизонта, на 24,49% и быстродействием в 4,5 раза.
2. Разработана
методика
проведения
оперативных
лидарнорадиометрических измерений метеопараметров облачности на
автоматизированном сканирующем ИК-радиометрическом комплексе.
3. Разработан алгоритм управления приводом системы ориентации и
наведения лидарно-радиометрического комплекса на метеообъект,
позволяющий проводить измерения в любой точке небосвода с 2-х
координатной ориентацией плоскости сканирования.
5
4.
Разработан алгоритм комплексной обработки экспериментальных
данных для получения радиационных параметров облачности
различных типов, проводящейся сразу после завершения цикла
измерения.
Практическая значимость работы:
1. Изготовлен и апробирован автоматизированный сканирующий ИКрадиометрический комплекс
для дистанционного контроля
метеопараметров облачности и атмосферы.
2. Проведены
сезонные
ИК-радиометрические
измерения
метеопараметров облаков и проанализированы их соответствие с
данными радиозондирования и со спутниковыми наблюдениями.
3. Разработанные
автоматизированный
сканирующий
ИКрадиометрический комплекс и методика
дистанционного
зондирования
облачности
предназначены
для
проведения
исследования метеорологической ситуации, а также экологического
мониторинга в отдельном регионе.
4. Практическую значимость представляют статистические данные,
полученные и обработанные в ходе исследований параметров
облачности различных типов над отдельным районом Москвы.
Реализация и внедрение результатов работы
Полученные в работе результаты были внедрены в ІДАО
Роскомгидромета, ИФА РАН, ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр», ОАО
«ЦНИТИ», ГПУ «Мосэкомониторинг».
Результаты работы были использованы в учебном процессе на
кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы» МГУПИ.
Апробация работы
Основные положения и
результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на:
XIII Международном НТС «Современные технологии в задачах
управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2004 г.
XIV Международном НТС «Современные технологии в задачах
управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2005 г.
VIII Международной НПК «Фундаментальные и прикладные
проблемы приборостроения, информатики и экономики», г.Сочи, 2005 г.
XV Международном НТС «Современные технологии в задачах
управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2006 г.
Юбилейной научной конференции, посвященная 70-летию
МГУПИ, г. Москва, 2006г.
Международном форуме «Высокие технологии XXI века»,
Москва, 2007г.
6
XVII Международном НТС «Современные технологии в задачах
управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2008 г.
Первом Российском Молодежном Инновационном Конвенте,
Москва, 2008 г.
Оспенные положения, выносимые на защиту
1. Повышение точности на 24,49% и быстродействия в 4,5 раза метода
лидарно - радиометрического зондирования облаков различных
типов, позволяющего получить их метеопараметры и оценить
прозрачность атмосферы.
2. Автоматизированный процесс зондирования метеообъекта в любой
точке небосвода с 2-х координатной ориентацией плоскости
сканирования с помощью алгоритма управления системой приводов
наведения и ориентации автоматизированного сканирующего ИКрадиометрического комплекса.
3. Методика проведения измерений метеопараметров облачности на
автоматизированном сканирующем ИК-радиометрическом комплексе,
позволяющая осуществлять автоматизированный непрерывный
контроль.
4. Алгоритм комплексной обработки данных лидарно-радиометрических
измерений, позволяющий повысить их быстродействие.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ в виде
статей в журналах, трудах международных и российских конференций и
сборнике научных трудов МГУПИ, из них 1 работа в издании,
рекомендованном ВАК РФ для опубликования научных положений
диссертационных работ по специальности 05.11.16 - «Информационноизмерительные и управляющие системы». В работах опубликованных в
соавторстве, автору принадлежат научные и практические результаты,
заявленные в диссертации. По теме диссертации опубликовано 11
печатных работ, список которых приведен в автореферате.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в разработке и
изготовлении автоматизированной измерительной установки, проводил
экспериментальные измерения и их обработку.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов,
заключения, списка литературы из 122 наименований и приложений.
Работа изложена на 148 печатных листах формата А4, содержит 72
рисунка, 22 таблицы.
7
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, поставлена ее
цель, сформулированы решаемые задачи, научная новизна, практическая
значимость и сфера применения. Приводится краткое описание по главам.
В червой главе проводится теоретическое исследование путей
повышения
точности
лидарно-радиометрических
измерений.
Рассмотрены радиационные и метеопараметры облаков, их зависимость от
влияния термодинамического состояния атмосферы.
Исследованы количественные характеристики ИК-излучения,
принимаемого наземным измерительным прибором (радиометром). Для
системы земная поверхность - облако - атмосфера (рис. 1) имеем
следующие энергетические потоки:
1. Нисходящее ИК-излучение всей атмосферы.
2. Дважды отраженное излучение всей атмосферы поверхностью земли и
нижней границей облака, а также ослабленное в результате двойного
прохождения подоблачного слоя атмосферы.
3. Нисходящее излучение непосредственно облака.
4. Восходящее тепловое излучение земной поверхности.
5. Восходящее тепловое излучение подоблачного слоя атмосферы,
отраженное облаком вниз к наблюдателю.
6. Нисходящее излучение подоблачного слоя.
7. Излучение атмосферы, падающее на верхнюю границу облака, а также
отраженное от нее излучение.
Земная поверхность
1-6- потоки ИК-излучения
Рисунок 1. Энергетические потоки ИК-излучения системы земная
поверхность - облако - атмосфера.
При определении характеристик атмосферы полезная информация
заключена в первом, третьем, шестом, седьмом и восьмом слагаемых
яркостной температуры нисходящего ИК-излучения. Мешающими
факторами являются второе, четвертое и пятое слагаемые, влияние
которых оценивается и учитывается на основе предварительных
теоретических и длительных экспериментальных исследований.
Применение инфракрасных систем (радиометров) совместно с
техникой, работающей в соседних спектральных диапазонах, дает
возможность измерить и определить радиационные характеристики
атмосферы и подстилающих поверхностей.
Для определения интенсивности нисходящего излучения атмосферы
на уровне подстилающей поверхности решается обычное уравнение
переноса длинноволнового излучения в свободной атмосфере при
следующем граничном условии на высоте //:
L{e,H) = £ofSe)L\To6,)+AoeMi\H\
l
(1)
где L (T-t)- энергетическая яркость собственного излучения облака,
определяемое как излучение абсолютно черного тела при температуре Тацл;
£<л.і(Ѳ) - излучательная способность облака в направлении зенитного угла в
(считаем, что облако излучает по закону Ламберта и интенсивность его
излучения не зависит от направления, т.е. еоЛ, не зависит от 0); Ао6л альбедо облака в области спектра 8 - 1 4 мкм; £ т (//)- яркость восходящего
излучения атмосферы, пришедшего на высоту //, и определяемая
собственным восходящим излучением подоблачного слоя атмосферы и
излучением земной поверхности.
Измеряя интенсивность нисходящего ихтучения, можно определить
температуру излучающего объекта (облака) и далее вычислить
необходимые метеопараметры.
Вторая глава посвящена разработке структуры и состава
автоматизированного сканирующего ИК-радиометрического комплекса и
его конструктивного построения. Проводится исследование направлений
автоматизации комплекса и возможность их реализации, взаимное
расположение измерительных приборов.
Базовая сканирующая ИК-радиометрическая установка была
разработана на основе ИК-радиометра фирмы «Raytek», программа
которого позволяет получить на выходе непосредственно радиационную
температуру поверхности измеряемого объекта (в °С) в аналоговом и
цифровом виде. Рабочий спектральный диапазон прибора ДХ. = 8-И4 мкм,
диапазон измерений температуры ДТ = 223 -н773'К, точность измерений ±
0,6° К.
В состав автоматизированного измерительного комплекса
вводятся еще два прибора, работающие в других спектральных диапазонах
по активному методу.
• ИК-лидар для измерения высоты нижней границы облака,
представляющий собой лазерный дальномер со следующими параметрами:
9
длина волны излучения 1,06 мкм; длительность импульса 60 не; энергия
импульса 0,02 Дж; угловая расходимость 1 мрад; минимальный период
следования импульсов 30 с; энергопотребление 80 Вт (24 В);
* лидар для непрерывного измерения высоты нижней границы
облака с подсветкой, работа которого основана на методе линейной
частотной модуляции (ЛЧМ).
Полная
автоматизация
сканирующего
ИК-комплекса
подразумевает нозможность управления процессами ориентации,
горизонтирования, наведения на объект и проведения измерений для всех
блоков установки с единого пульта одним оператором. Это обеспечит в
первую очередь синхронность измерений, значительное уменьшение
погрешности наведения на объект, оперативность измерений и
дальнейшей обработки экспериментальных данных.
Лидары необходимо располагать соосно с базовой сканирующей
ИК-установкой. Весь комплекс должен иметь возможность одновременно
изменять свое положение по азимуту и углу места.
Учитывая выше изложенные требования, была разработана
структурная
схема
автоматизированного
ИК-радиометрического
комплекса (рис. 2).
Рисунок 2. Структурная схема автоматизированного сканирующего ИКрадиометрического комплекса.
Выбранная схема (полусфера с измерительной аппаратурой,
расположенная на подшипнике) имеет большие функциональные
возможности и позволяет осуществлять дистанционное зондирование
облаков в любых точках небосклона и при любых углах положения
плоскости сканирования.
10
Для определения вида облачности и выбора направления
сканирования на ИК-лидаре размещена видеокамера,
изображение
участка неба с которой поступает на экран монитора оператора в реальном
масштабе времени. Видеокамера установлена соосно со сканирующей
ИК-установкой. Оператор, анализируя изображение с видеокамеры,
выбирает направление зондирования
в зависимости от положения
метеообъекта.
Для автоматической ориентации комплекса относительно сторон
света используется цифровой компас, расположенный на монтажной
платформе.
Для автоматического контроля углов места и азимута
используется двухосевой креномер, разработанный компанией ANALOG
DEVICES, ADIS16209. Это программируемый двухрежимный датчик
наклона.
Проведенный расчет центра тяжести измерительного комплекса
позволил разработать кинематическую схему системы приводов
ориентации и наведения, выбрать двигатели.
Разработан и изготовлен оригинальный подшипник с открытым
сепаратором (рис. 3), на котором базируется полусфера с измерительной
аппаратурой.
р„.
/ - основание подшипника; 2 - сепаратор; 3 - шарик; 4 - профиль
Рисунок 3. Конструкция открытого радиально-упорного однорядного
подшипника.
Система приводов и конструкция полусферы позволяет
обеспечить следующие кинематические характеристики ИК-комплекса:
- угол сканирования
40°;
- скорость сканирования
переменная;
- вращение плоскости сканирования
! 80°;
11
- диапазон угла места (при наведении)
120°;
- диапазон азимутального угла (при ориентации и наведении).. .360°;
- угловая скорость вращения полусферы (в 3-х плоскостях)
12%;
- точность системы ориентации
] °;
- точность системы наведения
0,1 °;
- точность контроля утла сканирования
0,1°.
Третья глава
посвящена разработке алгоритма управления
системой привода наведения и ориентации
автоматизированного
сканирующего ИК-радиометрического комплекса и программного
обеспечения. Проводится оценка точности и быстродействия наведения
комплекса на метеообъект и оценка влияния точности датчиков углов ее
на погрешность результатов лидарно-радиометрических измерений.
На основе расчета кинематического узла
ИК-установки
разработан алгоритм управления системой приводов и написана
программа на языке C++ при помощи пакета разработки Microsoft Visual
Studio 6. Для доступа к функциям СОМ-порта была применена
динамическая библиотека SerialGate.dll.
Разработана и изготовлена схема подключения, которая включает
в себя такие элементы как микроконтроллер (МК), преобразователь
уровня, логические ключи, кристалл для микросхемы, фильтрующие
конденсаторы по питанию, обвязка для преобразователя уровней, разъём
для программирования МК, разъёмы для лёгкой коммутации выводов,
коммутацию с микросхемой креномеров.
Оценка погрешности измерения радиационной температуры и
сравнение с базовым вариантом проводилась по среднему температурному
градиенту ( Т ^ = 6,5°/км).
""
где Т
_я»-7'^,
^
cos Ѳ
(2)
- приземная температура воздуха (°К); Тизм - измеренная
температура нижней границы (НГ) облака ИК-терометром (°К); Нй
-
высота НГ облака в зените; Ѳ- зенитный угол, град.
В формулу (2) входят четыре переменные, точность определения
которых влияет на погрешность конечного результата. Погрешность
определения
реальной
температуры
нижней
границы
облаков
рассчитывается согласно общей методике определения функций ошибок:
*г_=-
дт
дт^,
ЗГ.„
д г „ ' • & • * ,
"'[ей,
12
V (дТ
{ 60
V,
)
(3)
где АТ„рю - погрешность определения приземной температуры с помощью
метеокомплекта, "С (АТ„ри, = 0,5°С); АѲ - полная угловая погрешность,
град.
У базовой сканирующей ИК-радиометрической установки
полная угловая погрешность наведения на метеообъект складывалась из
погрешности горизонтирования и погрешности установки по углу места.
Горизонтирование осуществлялось с помощью пузырькового угломера,
погрешность которого составляет 1°. Установка ИК-термометра по углу
места проводилась по градуировочной дуге, погрешность установки
составляет 0,5е. Таким образом, полная угловая погрешность базовой ИКустановки составляет АѲ = 2°.
В разработанном автоматизированном лидарно-радиометрическом
комплексе контроль углов места и азимута осуществляет двухосевой
креномер, погрешность измерения которого составляет 0,1°. Общая
угловая погрешность наведения автоматизированного комплекса на
метеообъект составляет ДѲ = 0,3°.
Полученное в результате аналитического расчета выражения (3)
среднеквадратическое значение полной погрешности <У
определяется
выражением:
(4)
В результате анализа вклада погрешности креномера
в
погрешность определения реальной температуры нижней границы облаков
8Т
получен следующий вывод: применение двухосевого креномера
позволило уменьшить полную погрешность определения реальной
температуры нижней границы облаков на 24,49%.
В четвертой главе проводится описание разработанных методик
проведения измерений на сканирующей ИК-радиометрической установке
н ИК-лидаре, а также алгоритмов обработки данных, полученных при
натурных измерениях, проведен их анализ и систематизация.
На основе этих методик была разработана методика проведения
комплексных измерений на автоматизированном сканирующем ИКрадиометрическом комплексе.
Перед каждой серией измерений необходимо проводить
калибровку ИК-радиометра, которая позволяет повысить
его
стабильность. Для ИК-лидара проверяется длительность и мощность
импульса по специально разработанной методике.
Алгоритм комплексной обработки экспериментальных данных
был разработан на базе эмпирических формул, позволяющих определить
метеопараметры облаков различных типов.
13
На вход блока комплексной обработки поступают данные
измерений от ИК-термометра, ИК-лидара, ЛЧМ, метеокомплекта и от
датчиков углов, с видеокамеры поступает изображение сканируемого
участка неба (рис.4). В результате их комплексной обработки получаем
основные метеопараметры облака (температура нижней границы
(Тнг),
высота нижней іраницы (Ннг),
мощность облака (AT), его водность (W)
и водозапас (со)), а также поверхностную температурную диаграмму
метеообъекта
в угловых координатах и тепловую карту этого
метеообъекта с цветовой градацией температуры (рис. 5).
Были проведены сезонные лндарно-радиометрические измерения
метеопараметров облаков и проанализированы их соответствие с данными
радиозондирования и со спутниковыми наблюдениями (рис. 6). В таблице
1 приведены результаты экспериментальных измерений результаты их
обработки, которые проводились 16, 23, 25 и 29 мая 2007 года.
ИК-ТЕРМОМЕТР
MeTeoKOMiflticT
а ±L
Алгоритм
обработан данных
с ИК-теріломегрг
r>.Gj*r.epamypa ИГ облі
высота ИГ овроксі
водность
водозапас
мощность об/мха
ИК-ЛИДАР
Алгоритм
обработки данных
с ИК-лкддра
ЛЧМ
Алгоритм
сбработкн даик
с ЛЧМ
высота НГ облака
тип obr-zKct
2D к 3D - диаграммы раслределеии
температуры ИГ облака
высоты НГ обяака
Л^
Статистическая обработка данных измереі
сеъонные изменения
- тишѵгратуръ;. ИГ облаков различных ти,
- высоты НГ абяахав раѵшчнык типов
- водности облаков ратич>
L
Рисунок 4. Схема комплексной обработки результатов измерений.
14
Таблица 1 -Данные измерений и результаты обработки
№
1
2
3
4
5
6
7
8
Дата и
время
16.05.07
14:47
16.05.07
15:41
16.05.07
17:19
23.05.07
13:31
25.05.07
13:42
29.05.07
10:31
29.05,07
11:24
29.05.07
11:47
Вид
облаков
Р
давление
Влажность,
призем.
Cirrus
30
743
36
Cirrus
29
742
29
т
нг
w,L,yvl
a.U/м1]
'иг
-30
7.275
0.089
0.118
36
-30
7.372
0.09
0.112
742
28
-25
7.794
0.077
0.103
36
748
40.5
0
0.405
0.652
0.869
27
750
38
-30
8.393
0.065
0.087
Cirrus
30
747
46
-20
2.931
1.295
1.727
Cirrus
32
747
45
-20
4.417
0.197
0.263
Чистая
атмосфера
34
747
45
-20
4.19
0.279
0.372
Ч истая
атмосфера
Cumulus
mediocris
Чистая
атмосфера
%
и
а е.і,,„і
M.W
Рисунок 5. Фотография мстсообъскта и результаты обработки измерений.
15
Осциллограмма слоистого
облака
Осциллограмма классического
облака на высоте 600м
'Мертвая зона •
Обработка с е р и и и з м е р е н и й
Спутниковая фотография облачности
Рисунок б. Результаты измерения высоты нижней границы облачности
ИК-лидаром и их сравнение со спутниковыми данными.
Накопление обработанной информации, ее систематизация и
дальнейшая статистическая обработка позволили получить:
•
сезонные изменения температуры и высоты нижней границы облаков
различных типов над восточным районом г. Москвы;
•
сезонные изменения водности различных типов облаков.
В заключении перечислены основные результаты работы и
следующие из них выводы.
В приложениях приведены таблицы,
созданные для обработки экспериментальных данных.
3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
1. Достигнуто повышение точности на 24,49% в диапазоне температур
от 200 °К до 3000 °К
и быстродействия в 4,5 раза лидарнорадиометрических измерений за счёт использования высокоточных
датчиков углов и автоматизации процессов ориентации, наведения на
объект и измерения его метеопараметров.
2. Создан экспериментальный автоматизированный сканирующий ИКрадиометрический
комплекс
для
дистанционных
измерений
метеопараметров облаков и атмосферы. Комплекс позволяет проводить
лидарно-радиометрические исследования параметров атмосферы в любой
точке небосвода с 2-х координатной ориентацией плоскости сканирования.
3. Разработан алгоритм управления системой приводов ориентации и
наведения измерительного комплекса, позволяющий наводиться на
16
заданную точку небосвода. Данный алгоритм управления системой
приводов ориентации и наведения, программа управления блоками
приводов системы ориентации и наведения на объект были внедрены на
предприятии
ОЛО
«Центральный
научно-исследовательский
технологический институт» в
разработках
информационноизмерительных систем, что подтверждено соответствующим актом
внедрения.
4. Разработан алгоритм для определения основных метеопараметров
всех типов облаков в различные сезоны года, позволяющий повысить
быстродействие
процесса
обработки
результатов
лидарнорадиометрических измерений.
5. Предложенные алгоритмы управления системой приводов ориентации
и наведения измерительного комплекса и определения
основных
метеопараметров
облаков доведены до практической реализации,
полученные результаты проанализированы на соответствие с данными
радиозондирования и со спутниковыми наблюдениями.
6. Обработанные и систематизированные данные сезонных измерений,
проводимых с 2004 по 2008 гг. позволили получить ряд научных
результатов:
- данные о температуре и высоте нижней границы облаков различных
типов, их сезонные изменения над восточным районом г. Москвы;
- данные о водности различных типов облаков, ее сезонные изменения.
Эти
данные
были
использованы
на
предприятии
ГПУ
«Мосэкомониторинг» при сборе статистических данных о параметрах
облаков над отдельным
районом Москвы и исследовании
метеорологической ситуации.
4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
1. Баранов Д.С., Новикова М.В., Панина Н.В. Разработка метода измерения
низких отрицательных температур метеобъектов ИК-радиометрами //
Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки
информации: Труды III Международного семинара (г. Алушта, 2004 г.).
Тез. докл. - М., 2004. - с. 146.
2. Баранов Д.С., Новикова М.В., Панина Н.В. Разработка сканирующей ИКрадиометрической установки // Современные технологии в задачах
управления, автоматики и обработки информации: Труды III
Международного семинара (г. Алушта, 2004 г.). Тез. докл. - М., 2004. - с. 148.
3. Новикова М.В., Панина Н.В. Исследование метеопараметров облаков с
помощью ИК-радиометрической установки // Современные технологии в
задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XIV
Международного семинара (г. Алушта, 2005 г.). Тез. докл. - М., 2005. - с. 302.
17
4. Новикова М.В., Панина Н.В., Шведова Е. В., Яловенко В. А. Разработка
следящей ИК-радиометрической установки // Современные технологии в
задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XIV
Международного семинара (г. Алушта, 2005 г.). Тез. докл. - М., 2005. - с. 303.
5. Слепцов В.В., Величко А.П., Новикова М.В., Панина Н.В. Исследование
способа расширения измеряемого температурного диапазона в ИКрадиометрии
//
Фундаментальные
и
прикладные
проблемы
приборостроения, информатики, экономики. Научные труды VIII
Международной научно-практической конференции (г. Сочи, 2005 г.), кн.
Приборостроение. М., 2 0 0 5 . - с. 106.
6. Слепцов В.В., Величко А.П., Новикова М.В., Панина Н.В. Обоснование
и обработка фотографического метода определения высоты нижней
границы облачности // Фундаментальные и прикладные проблемы
приборостроения, информатики, экономики. Научные труды VIII
Международной научно-практической конференции (г. Сочи, 2005 г.), кн.
Приборостроение. М., 2005. - с. 111.
7. Слепцов В.В., Величко А.П., Новикова М.В., Панина Н.В.
Дистанционные исследования основных характеристик облаков различных
типов в ИК-диапазоне // Фундаментальные и прикладные проблемы
приборостроения, информатики, экономики. Научные труды VIII
Международной научно-практической конференции (г. Сочи, 2005 г.), кн.
Приборостроение. М., 2005. - с. 150.
8. Новикова М.В., Панина Н.В. Исследование оптических характеристик
полупрозрачной облачности // Современные технологии в задачах
управления, автоматики
и обработки информации:
Труды
XV
Международного семинара (г. Алушта, 2006 г.). Тез. докл. - М., 2006. - с. 329.
9. Слепцов В.В., Панина Н.В. Реализация метода ИК-радиометрического
контроля параметров облачности // Вестник МГАПИ № 7, - М.: Изд-во
МГАПИ,2006.-с.91.
10. Анисимов В.В., Величко А.П., Панина Н.В., Школьников А.В.
Программное
обеспечение ИК-радиометрического комплекса //
Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки
информации: Труды XVIII Международного семинара (г. Алушта, 2008
г.). Тез. докл. - М., 2008. - с. 242.
11. Пчёлкина Н.В. Пути автоматизации процессов ориентирования и
наведения сканирующего ИК-радиометрического комплекса // Приборы №
9, 2008. - с. 37.
18
ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г.
Подписано к печати 16.02.2009 г. Формат 60x84. 1/16.
Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 37.
Московский государственный университет
приборостроения и информатики
107996, Москва, ул. Стромынка, 20