Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ

Для обеспечения потребности в измерителях высоты нижней границы облаков (ВНГО) разработан светолокационный цифровой измеритель ВНГО ПРОМIНЬ. Приведено описание принципа действия измерителя, выполнен анализ его технических характеристик и особенностей конструкции. Для забезпечення потреби у вимір...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту
Date:2010
Main Authors: Латенко, В.И., Логвиненко, И.В., Миронов, Р.Д., Орнатский, И.А., Филь, С.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут МНС та НАН України 2010
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/58568
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ / В.И. Латенко, И.В. Логвиненко, Р.Д. Миронов, И.А. Орнатский, С.А. Филь // Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту: Зб. наук. пр. — 2010. — Вип. 259. — С. 292-301. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859634815589941248
author Латенко, В.И.
Логвиненко, И.В.
Миронов, Р.Д.
Орнатский, И.А.
Филь, С.А.
author_facet Латенко, В.И.
Логвиненко, И.В.
Миронов, Р.Д.
Орнатский, И.А.
Филь, С.А.
citation_txt Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ / В.И. Латенко, И.В. Логвиненко, Р.Д. Миронов, И.А. Орнатский, С.А. Филь // Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту: Зб. наук. пр. — 2010. — Вип. 259. — С. 292-301. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту
description Для обеспечения потребности в измерителях высоты нижней границы облаков (ВНГО) разработан светолокационный цифровой измеритель ВНГО ПРОМIНЬ. Приведено описание принципа действия измерителя, выполнен анализ его технических характеристик и особенностей конструкции. Для забезпечення потреби у вимірювачах висоти нижньої межі хмар (ВНМХ) розроблено світлолокаційний цифровий вимірювач ВНМХ ПРОМІНЬ. Наведено опис принципу дії вимірювача, виконано аналіз його технічних характеристик і особливостей конструкції. The digital optic ceilometer PROMIN was developed to meet the need of cloud base height meters. The mode of functioning of the measuring device is described. The analysis of its performance attributes and specific design feаtures were accomplished.
first_indexed 2025-12-07T13:14:53Z
format Article
fulltext 292 Наук. праці УкрНДГМІ, 2010, Вип. 259 УДК 551.508 В.И. Латенко, И.В. Логвиненко, Р.Д. Миронов, И.А. Орнатский, С.А. Филь СВЕТОЛОКАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАКОВ ПРОМIНЬ Для обеспечения потребности в измерителях высоты нижней границы облаков (ВНГО) разработан светолокационный цифровой измеритель ВНГО ПРОМIНЬ. Приведено описание принципа действия измерителя, выполнен анализ его технических характеристик и особенностей конструкции. Ключевые слова: измеритель высоты нижней границы облаков, ВНГО, ПРОМIНЬ, метеорологический, аэродромный, цифровой, оптический. Высота нижней границы облаков (ВНГО) является важнейшей метеорологической величиной, наблюдения за которой проводятся на всех метеорологических станциях. Оперативное и точное измерение этой величины на авиационных метеорологических станциях имеет принципиальное значение для обеспечения безопасного взлета и посадки воздушных судов. Для каждой взлетно-посадочной полосы аэродрома требуется не менее 4-х измерителей ВНГО [1]. Применяемые до сих пор измерители из серий «ИВО», «ДВО» и «РВО» повсеместно выработали свой ресурс, морально устарели и не могут быть использованы в современных автоматизированных метеорологических информационно-измерительных системах. Для переоснащения сети наблюдений необходимо несколько сотен современных измерителей ВНГО. С учетом высокой цены и дорогостоящего обслуживания импортных измерителей ВНГО актуальной была разработка недорогого отечественного измерителя. В 2003 году по заказу Государственной гидрометеорологической службы Украины в рамках ОКР в ГНПП «СПЕЦАВТОМАТИКА» был разработан современный цифровой прибор «Измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ» (далее по тексту – измеритель ПРОМIНЬ). 293 Многолетний положительный опыт эксплуатации светолокационных измерителей ВНГО в СССР и в Украине, преимущества перед широко распространенными лазерными измерителями при работе в сложных метеорологических условиях (при наличии дымки, осадков, тумана и т.д.) обусловил выбор светолокационного принципа измерения. Такое решение позволило использовать в измерителе ПРОМIНЬ серийно выпускаемые оптические узлы и тем самым снизить его себестоимость. Разработанный измеритель ПРОМIНЬ успешно прошел Государственные приемочные испытания в ГНПП «СПЕЦАВТОМАТИКА», Государственные контрольные испытания в УкрНИГМИ и предприятии ООО «НВК Спецавтоматика» и занесен в Государственный реестр средств измерительной техники под №У1786-07. Он также получил сертификат типа аэродромного оборудования №АТ 4020 и принят на снабжение МО Украины. Внешний вид измерителя ВНГО ПРОМIНЬ приведен на рис. 1 (приемник и передатчик показаны рядом). Рис. 1. Внешний вид измерителя ВНГО ПРОМIНЬ Структурная схема измерителя ПРОМIНЬ приведена на рис. 2. По физическому принципу работы прибор представляет собой оптический светодальномер: величина ВНГО вычисляется по времени 294 распространения светового импульса до объекта (облака) и обратно. Приемник и передатчик измерителя устанавливаются на открытом воздухе непосредственно в месте измерения на расстоянии 10 м один от другого. М_АЦП ФПР 2 - Фотоприемник 2 ФПР1 - Фотоприемник 1 КОМАНДА ЗАПУСКА МОДЕМ МОДЕМ 1200 СТАРТОВЫЙ ИМПУЛЬС ИЗЛ - Излучатель М_АЦП - Модуль АЦП ПЕРЕДАТЧИК ЛИНИЯ СВЯЗИ ДО 10 КМ МП_И ФПР2 (Micro_PC) ИМПУЛЬС ВКЛ. СВЕТОДИОДА ЗПР - Зеркало приемника МП_ПР - Модуль питания приемника ПРИЕМНИК МОДЕМ- Модуль модемный ЗПР МОДЕМ 1200 - Модем 1200 ~220V50Hz УСИЛЕНИЕ Мк_РС МП_ПР ОБЛАКО ИЗЛ ~220V50Hz Мк_РС - Встроенный компьютер УГЗ - Устройство грозозащиты ФПР1 УГЗ МП_И - Модуль питания излучателя К ТЕРМИНАЛУ Рис. 2. Структурная схема измерителя 295 В помещении оператора размещается только модем и грозозащитное устройство. Длина линии связи может быть до 10 км. Остальная аппаратура измерителя ПРОМIНЬ размещена внутри корпусов приемника и передатчика. В качестве терминала может использоваться персональный компьютер с установленным специализированным программным обеспечением или терминал, входящий в состав автоматизированной метеорологической информационно-измерительной системы. Управление работой всей аппаратуры измерителя и обработка цифровой информации выполняется автоматически с помощью специализированной программы, установленной во встроенном в приемник компьютере (Мк_РС). Весь процесс измерения состоит из множества операций, которые можно объединить в отдельные законченные процедуры. Рассмотрим две из них. Процедура получения цифрового сигнала. Для активизации процедуры встроенный в приемник компьютер (Мк_РС) формирует команду запуска, которая поступает в передатчик – в модуль питания излучателя (МП_И). По команде запуска в модуле питания излучателя формируется напряжение поджига импульсной лампы. Импульсная лампа расположена в фокусе зеркала излучателя (ИЗЛ). Свет от лампы фокусируется зеркалом в пучок, направленный вертикально вверх. В момент вспышки формируется стартовый сигнал, который фиксирует начало отсчета времени и выключает источник напряжения поджига. Отраженный от объекта (облака) световой импульс фокусируется зеркалом приемника на чувствительном элементе фотоприемника ФПР1. Выходной сигнал ФПР1 поступает в усилительный модуль ФПР2, размещенный под зеркалом вместе с остальными узлами приемника. В модуле аналого-цифрового преобразователя (М_АЦП) происходит преобразование аналогового сигнала фотоприемника в цифровой вид. Преобразование запускается стартовым импульсом от передатчика. После запуска преобразования на выходе микросхемы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) синхронно с тактовой частотой 20 МГц формируются 12- разрядные значения выборок входного сигнала, которые последовательно записываются в 12- разрядный регистр FIFO. После заполнения регистра значения первых 500 выборок сигнала считываются встроенным компьютером (Мк_РС). 296 Совокупность значений выборок входного сигнала представляет собой отраженный сигнал в цифровом виде. На рис. 3 представлен пример такого цифрового сигнала. Рис. 3. Цифровой сигнал По оси абсцисс отложены номера выборок через равные промежутки, следовательно, ось абсцисс представляет собой ось времени (высоты) в масштабе 50 нс (7,5 м) на 1 деление. По оси ординат отложены численные значения 12 - разрядного кода амплитуды выборок. В памяти встроенного компьютера в результате выполнения описанной процедуры остается записанным в цифровом виде сигнал, принятый приемником. Процедура автоматической регулировки усиления. Процедура автоматической регулировки усиления (АРУ) предназначена для уменьшения динамического диапазона входных сигналов модуля АЦП, поскольку амплитуда входного сигнала может изменяться в широких пределах в зависимости от высоты и плотности облаков. В составе фотоприемника ФПР2 имеется усилитель, коэффициент усиления которого задается программными средствами путем записи в него соответствующего цифрового кода. В начале процесса измерения устанавливается значение коэффициента усиления, которое было в предыдущем измерении. Если это первое измерение после включения питания измерителя, то устанавливается минимальное значение коэффициента усиления. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 100 200 300 400 500 Номер выборки Зн ач ен и е ко да 297 Затем встроенный компьютер запускает процедуру получения цифрового сигнала и определяет максимальное из 500 выборок значение (амплитуду) цифрового сигнала. Рассчитывается значение коэффициента усиления, при котором амплитуда цифрового сигнала была бы равной 2/3 максимального значения диапазона АЦП. Цифровой код, соответствующий вычисленному значению коэффициента усиления, заносится в управляемый усилитель в ФПР2 и снова выполняется процедура получения цифрового сигнала. Процесс АРУ прекращается при выполнении одного из условий: а) значение амплитуды цифрового сигнала больше 2/3 максимальной и не превышает динамический диапазон модуля АЦП; б) значение амплитуды меньше 2/3 максимальной при максимальном усилении; в) амплитуда превышает динамический диапазон модуля АЦП при минимальном усилении (аварийная ситуация). При возникновении аварийной ситуации измерение прекращается и в удаленный терминал выдается сообщение об ошибке и код ошибки. Обычно для завершения процесса АРУ процедура получения цифрового сигнала выполняется 1-2 раза, соответственным будет и количество вспышек лампы. Рассмотрим процесс измерения в целом. Измерение ВНГО выполняется по запросу, поступающему от терминала по линии связи, во встроенный компьютер (Мк_РС). Получив запрос, компьютер сначала выполняет процедуру АРУ, затем 4 раза повторяет процедуру получения цифрового сигнала. При этом компьютер вычисляет усредненное значение 5-и последних выборок, для которых был установлен выбранный коэффициент усиления. По значению амплитуды отраженного сигнала выбирается требуемое дополнительное количество усреднений из двух вариантов: еще 5 или максимальное количество. Максимальное количество задается таким образом, чтобы общее количество вспышек лампы вместе с процедурой АРУ было равным 15. В результате такого усреднения соотношение сигнал/помеха увеличивается в n раз, где n – количество усреднений (от 5 до 15). Дальнейшая обработка сигнала выполняется исключительно программными средствами встроенного компьютера. На рис. 4 298 представлен усредненный цифровой сигнал в упрощенном графическом виде. UC tM t0 Рис. 4. Временная задержка сигнала Начало временной оси привязано к моменту излучения лампы, так как АЦП запускается стартовым импульсом от лампы (см. выше). По этой причине во временной задержке сигнала относительно начала оси времени заключено значение времени распространения светового импульса t. Момент прихода отраженного сигнала tM фиксируется по середине его фронта. Для этого программа определяет точки начала и конца фронта импульса на оси времени, вычисляет уровень середины фронта импульса UC и определяет время tM как координату точки пересечения фронта импульса с этим уровнем. Значение задержки импульса можно представить в виде: AM ttt = + , (1) где t – время распространения света, t A – аппаратная задержка сигнала в цепях измерителя. Для смещения фронта отраженного сигнала относительно начала координат при малых значениях ВНГО в измерительный канал приемника введена дополнительная линия задержки (ЛЗ). Поскольку аппаратная задержка в цепях измерителя, включающая задержку в ЛЗ, есть величина постоянная [2], то она измеряется один раз при калибровке измерителя и потом хранится в памяти компьютера, как константа. Тогда из (1) можно получить формулу для вычисления времени распространения сигнала: A-M ttt = . (2) 299 Значение ВНГО вычисляется по формуле: 2 tc =H ⋅ , (3) где c – скорость света. Результат измерения передается по линии связи из компьютера приемника в удаленный терминал. Приемник и передатчик измерителя оборудованы автоматическим подогревом стекол (на структурной схеме не показано) для удаления жидких и твердых осадков. Подогрев включается и выключается автоматически по команде сенсора температуры стекла, который установлен на стекле приемника с внутренней стороны. В качестве нагревателя используется специальное покрытие стекол приемника и передатчика, нанесенное на внутреннюю поверхность стекол. Основные технические характеристики измерителя ВНГО ПРОМIНЬ: 1. Диапазон измерения: 15-2000 м. 2. Погрешность измерения: - в диапазоне измерения от 15 до 100 м, не более ± 10 м; - в диапазоне измерения от 100 до 2000 м, не более ±(0,02∗H+8) м, где H – измеренная высота в метрах. 3. Минимальный период опроса – 15 с. При сертификационных испытаниях измерителя на АМСГ Киев (Жуляны) были проведены параллельные наблюдения ВНГО с помощью измерителя ПРОМIНЬ и измерителя LD12 фирмы IMPULSPHYSIK, Германия. Анализ данных наблюдений показал хорошее совпадение результатов измерений в диапазоне высот от 15 до 3000 метров, в том числе в сложных метеорологических условиях (туман, дымка, осадки). Дополнительно на АМСГ Харьков были проведены параллельные наблюдения с помощью измерителей ЛВВХ-1, ИВО-1 и ПРОМІНЬ. Измеритель ПРОМІНЬ показал лучшие результаты измерений ВНГО при низкой облачности, осадках, тумане и дымке по сравнению с лазерным измерителем. При осадках измеритель ЛВВХ-1 не обнаруживал облачность на высотах 200-300 метров, когда ИВО-1 и ПРОМІНЬ ее фиксировали. За счет применения современных элементов, замены фотоэлектронного умножителя полупроводниковым фотоприемником 300 характеристики прибора сохраняются длительное время. Калибровка измерителя ПРОМIНЬ выполняется при изготовлении прибора и отсутствует необходимость в ее повторении на протяжении всего срока службы (10 лет). Использование оптимального алгоритма измерения и рационально спроектированного высоковольтного импульсного источника питания в измерителе ПРОМIНЬ позволило существенно увеличить срок службы импульсной лампы. Если в измерителях ИВО-1 и РВО лампа служила не более 6 месяцев, то в измерителе ПРОМIНЬ срок её службы – 8-10 лет. Использование встроенного компьютера в измерителе ПРОМIНЬ позволило реализовать ряд дополнительных функций. Так встроенный компьютер обеспечивает диагностику и проверку работоспособности измерителя. Все модули измерителя настраиваются таким образом, что различие параметров у однотипных модулей не превышает единиц процентов, поэтому они полностью взаимозаменяемы. Наличие дистанционной диагностики, взаимозаменяемость однотипных модулей и сама модульная структура измерителя ПРОМIНЬ обеспечивают его высокую ремонтопригодность. В измерителе ПРОМIНЬ предусмотрена возможность передачи на терминал и записи в базу данных усредненного цифрового сигнала. Визуализация отраженного сигнала дает оператору дополнительную информацию для более правильного распознавания облаков, особенно при сложных погодных условиях, а также позволяет использовать измеритель для различных исследований [3]. В настоящее время 32 образца измерителя ПРОМIНЬ успешно эксплуатируются на различных метеостанциях Украины. Выводы 1. На сегодняшний день в Украине существует острая потребность в современных измерителях ВНГО. 2. Разработанный измеритель ПРОМIНЬ полностью отвечает современным требованиям к измерителям ВНГО. 3. Небольшая стоимость, высокие эксплуатационные характеристики, хорошая ремонтопригодность измерителя делают его конкурентоспособным при переоснащении метеостанций Украины. * * 301 1. Сертифікаційні вимоги до цивільних аеродромів України // Наказ Державіаслужби від 17.03.2006, № 201. 2. Латенко В.И., Логвиненко И.В., Миронов Р.Д., Якименко Н.И. Высота нижней границы облаков и вертикальная видимость как измеряемые величины // Наук. пр. УкрНДГМІ. – 2009. – Вип. 258. – С. 209-217. 3. Швень Н.І., Павленко О.А. Орнатський І.А. Методичні аспекти світлолокаційних вимірювань нижньої межі хмар // Фізична географія та геоморфологія. – 2009. – Вип. 57. – С. 90-95. Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, Київ В.І. Латенко, І.В. Логвиненко, Р.Д. Миронов, І.А. Орнатський, С.О. Філь Світлолокаційний вимірювач висоти нижньої межі хмар ПРОМІНЬ Для забезпечення потреби у вимірювачах висоти нижньої межі хмар (ВНМХ) розроблено світлолокаційний цифровий вимірювач ВНМХ ПРОМІНЬ. Наведено опис принципу дії вимірювача, виконано аналіз його технічних характеристик і особливостей конструкції. Ключові слова: вимірювач висоти нижньої межі хмар, ВНМХ, ПРОМІНЬ, метеорологічний, аеродромний, цифровий, оптичний. V.I. Latenko, I.V. Logvynenko, R.D. Myronov, I.A. Ornatsky, S.O. Fil Optic locating ceilometer PROMIN The digital optic ceilometer PROMIN was developed to meet the need of cloud base height meters. The mode of functioning of the measuring device is described. The analysis of its performance attributes and specific design feаtures were accomplished. Keywords: ceilometer, cloud base height, PROMIN, meteorological, airfield, digital, optical.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-58568
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn XXXX-0054
language Russian
last_indexed 2025-12-07T13:14:53Z
publishDate 2010
publisher Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут МНС та НАН України
record_format dspace
spelling Латенко, В.И.
Логвиненко, И.В.
Миронов, Р.Д.
Орнатский, И.А.
Филь, С.А.
2014-03-28T14:35:59Z
2014-03-28T14:35:59Z
2010
Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ / В.И. Латенко, И.В. Логвиненко, Р.Д. Миронов, И.А. Орнатский, С.А. Филь // Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту: Зб. наук. пр. — 2010. — Вип. 259. — С. 292-301. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
XXXX-0054
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/58568
551.508
Для обеспечения потребности в измерителях высоты нижней границы облаков (ВНГО) разработан светолокационный цифровой измеритель ВНГО ПРОМIНЬ. Приведено описание принципа действия измерителя, выполнен анализ его технических характеристик и особенностей конструкции.
Для забезпечення потреби у вимірювачах висоти нижньої межі хмар (ВНМХ) розроблено світлолокаційний цифровий вимірювач ВНМХ ПРОМІНЬ. Наведено опис принципу дії вимірювача, виконано аналіз його технічних характеристик і особливостей конструкції.
The digital optic ceilometer PROMIN was developed to meet the need of cloud base height meters. The mode of functioning of the measuring device is described. The analysis of its performance attributes and specific design feаtures were accomplished.
ru
Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут МНС та НАН України
Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту
Методи і засоби гідрометеорологічних досліджень
Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ
Світлолокаційний вимірювач висоти нижньої межі хмар ПРОМІНЬ
Optic locating ceilometer PROMIN
Article
published earlier
spellingShingle Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ
Латенко, В.И.
Логвиненко, И.В.
Миронов, Р.Д.
Орнатский, И.А.
Филь, С.А.
Методи і засоби гідрометеорологічних досліджень
title Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ
title_alt Світлолокаційний вимірювач висоти нижньої межі хмар ПРОМІНЬ
Optic locating ceilometer PROMIN
title_full Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ
title_fullStr Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ
title_full_unstemmed Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ
title_short Светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков ПРОМIНЬ
title_sort светолокационный измеритель высоты нижней границы облаков промiнь
topic Методи і засоби гідрометеорологічних досліджень
topic_facet Методи і засоби гідрометеорологічних досліджень
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/58568
work_keys_str_mv AT latenkovi svetolokacionnyiizmeritelʹvysotynižneigranicyoblakovprominʹ
AT logvinenkoiv svetolokacionnyiizmeritelʹvysotynižneigranicyoblakovprominʹ
AT mironovrd svetolokacionnyiizmeritelʹvysotynižneigranicyoblakovprominʹ
AT ornatskiiia svetolokacionnyiizmeritelʹvysotynižneigranicyoblakovprominʹ
AT filʹsa svetolokacionnyiizmeritelʹvysotynižneigranicyoblakovprominʹ
AT latenkovi svítlolokacíiniivimírûvačvisotinižnʹoímežíhmarpromínʹ
AT logvinenkoiv svítlolokacíiniivimírûvačvisotinižnʹoímežíhmarpromínʹ
AT mironovrd svítlolokacíiniivimírûvačvisotinižnʹoímežíhmarpromínʹ
AT ornatskiiia svítlolokacíiniivimírûvačvisotinižnʹoímežíhmarpromínʹ
AT filʹsa svítlolokacíiniivimírûvačvisotinižnʹoímežíhmarpromínʹ
AT latenkovi opticlocatingceilometerpromin
AT logvinenkoiv opticlocatingceilometerpromin
AT mironovrd opticlocatingceilometerpromin
AT ornatskiiia opticlocatingceilometerpromin
AT filʹsa opticlocatingceilometerpromin