Измерение высоты нижней границы облаков на аэродроме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации”

Кафедра №10 Авиационной метеорологии и экологии

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ПО МЕТЕОРОЛОГИИ

Направление подготовки: “Аэронавигация”, профиль “Лётная эксплуатация гражданских воздушных судов”

Санкт-Петербург, 2014

Цель работы: ознакомиться с методами определения высоты нижней границы облаков, принципом работы приборов для измерения высоты облаков, точностью измерения и правилами измерения.

Методы и приборы определения нижней границы облаков

Для определения высоты нижней границы облаков на аэродроме используют инструментальные, инструментально-визуальные, расчетные и визуальные методы. К инструментальным методам относятся: измерения, которые производятся с помощью измерителя высоты облаков (ИВ0-1М), регистратора высоты облаков (ИВ0-2), триангуляционного измерителя (М-105), лазерного измерителя высоты облаков (ЛИВО), метеорологического радиолокатора (МРЛ-1, УРЛ-2, МРЛ-5 и др.). К инструментально-визуальным методам можно отнести измерения, производимые с помощью потолочного прожектора (ПИ-45), шара-пилота, воздушного судна. К расчетным методам относятся способы определения высоты нижней границы по данным радиозондирования атмосферы или по данным измерения метеорологических параметров у земли. Визуальный метод используется тогда, когда не представляется возможным использовать инструментальные и инструментально-визуальные методы (например, при количестве облаков менее 5-6 баллов, при интенсивных осадках). Визуальные наблюдения помогают скорректировать инструментальные наблюдения, которые носят случайный характер. измеритель приставка высота триангуляционный

Наземный импульсный световой измеритель высоты нижней границы облаков (ИВО-1М) и приставка ДВ-1М. Принцип действия прибора заключается в измерении времени прохождения световым импульсом расстояния от передатчика (излучателя) до нижней границы облаков и обратно до приемника световых импульсов. Время прохождения светового импульса пропорционально высоте облаков.

Конструктивно измеритель выполнен в виде трех блоков; передатчика, приемника и пульта управления. Передатчик и приёмник, на специальных опорах устанавливаются на метеоплощадке, БПРМ, ДПРМ на расстоянии 6-10 м друг от друга, а пульт управления, соединенный с ними с помощью кабеля, в помещении авиаметеостанции. Для нормальной работы ИВО полагается устанавливать на расстоянии не менее 200 м от радиолокаторов не менее 500 м от радиостанций средневолнового диапазона. Аппаратура ИВО не требует точной установки передатчика и приемника по отношению к горизонтальной плоскости, т.к. и в передатчике и в приемнике имеются кардановые подвесы, которые в пределах ?10 обеспечивают самофокусировку (излученный световой импульс отклоняется от вертикали не более чем на 10°). Инструментальная точность измерения высоты облаков для высот от 50 до 1000 м находится в пределах ?(10 + 0,1Н) м, .

Для автоматизации процесса измерения и увеличения дистанции между измерительным блоком и пунктом сбора информации применяется приставка ДВ-1М, позволяющая производить измерения на расстоянии до 5 км, при этом на приемном конце используется пульт дистанционного управления со стрелочным указателем. Работоспособность ИВО снижает плотный туман, сильные осадки и гололед на защитных стеклах приемника и излучателя. Кроме того, на качество работы ИВ0 оказывает влияние точность настройки оптических узлов. Например, в случае расфокусировки диаграммы направленности становятся недопустимо широкими. При этом энергия излучения рассеивается, а в приемник поступает большой уровень фоновой засветки.

Передатчик и приемник смонтированы в одинаковых по конструкции металлических кожухах и содержат параболические зеркала, закрепленные в карданных подвесках, защитные стекла и крышки, которые открываются на время измерения с помощью электрических двигателей.

В качестве источника световых импульсов в передатчике в фокусе параболического зеркала диаметром 350 мм вмонтирована газоразрядная лампа (строботрон) типа ИСШ-100-3. Мощные световые импульсы длительностью около 1 мкс и частотой 20 Гц излучаются вертикально вверх. Часть рассеянной облаком энергии возвращается к приемнику и преобразуется фотоэлектронным умножителем ФЭУ-1, расположенный в фокусе параболического зеркала приемника, в электрические импульсы. Непосредственно в приемнике расположен предварительный усилитель, который позволяет уменьшить влияние помех при передаче сигналов к пульту управления, устанавливаемому на метеостанции.

В пульте управления имеется отметчик, содержащий электронно-лучевую трубку. Компенсационная схема позволяет вручную измерить время запаздывания эхо-сигнала, отраженного облаком, относительно зондирующего сигнала, излученного передатчиком. Схема компенсации содержит регулируемый источник питания, что позволяет менять напряжение на правой пластине электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Поворачивая ручку потенциометра, на которой закреплен указатель шкалы высот, оператор компенсирует напряжение, поступающее от генератора развертки на левую пластину ЭЛТ. Напряжение на выходе генератора развертки за один период излучения возрастает пропорционально времени, прошедшему с момента излучения зондирующего сигнала, и по достижению некоторого уровня, соответствующего диапазону измерения, возвращается к исходному уровню. В соответствии с этим электронный луч пробегает вдоль экрана ЭЛТ слева на право с частотой излучения 20 раз в секунду. Такая частота повторений в сочетании с послесвечением ЭЛТ позволяет наблюдать на экране непрерывно светящуюся картину развертки луча трубки. При наличии эхо-сигнала, поступающего на нижнюю пластину ЭЛТ от видео усилителя , на линии развертки появляется импульс, положение которого относительно начала линии развертки соответствует запаздыванию эхо-сигнала по отношению к зондирующему. Чем дольше запаздывание, тем больше напряжение, которое следует подать от схемы компенсации на правую пластину ЭЛТ, чтобы наблюдать импульс в середине экрана. Отметчик содержит также схему автоматической регулировки усиления (АРУ) с ограничителем, которая позволяет поддерживать неизменной амплитуду зхо-сигнала на экране ЭЛТ во всем диапазоне измерения. Генератор меток предназначен для периодической проверни сохранности градуировки шкалы высот в условиях эксплуатации.

На передней панели пульта управления расположены органы управления отметчика и блока питания

Сам по себе прибор ИВО не позволяет исключить оператора из процесса измерения. Для полной автоматизации измерения служит приставка ДВ-1М. Основными узлами приставки являются блок преобразования и блок логической обработки. Блок преобразования позволяет получать на измерительном выходе напряжение постоянного тока, прямо пропорциональное времени запаздывания эхо-сигнала относительно зондирующего импульса. С этой целью блок преобразования содержит последовательно соединеные ждущий мультивибратор, генератор пилообразного напряжения и пиковый детектор.

Особенностью схемы ДВ-1М является: наличие дополнительного пикового детектора и схемы сравнения выходных напряжений двух пиковых детекторов. Такая схема позволяет осуществлять логическую фильтрацию результатов измерений на выходе устройства по критерию отношения сигнал-помеха на его входе. При отсутствии помехи и наличии эхо-сигнала на входе устройства напряжения на выходе обоих пиковых детекторов оказываются равными. Если же облаков нет и отсутствует шумовая помеха (например, при измерениях ночью), то различие в уровнях напряжений на пиковых детекторах будет максимальным ввиду того, что электронный ключ, заперт.

При этом пиковый детектор отключен от генератора пилообразного напряжения, который в этом случае формирует импульсы максимальной амплитуды на входе пикового детектора П. При наличии эхо-сигнала и помехи разность напряжений на пиковых детекторах будет тем больше, чем больше уровень помехи. Такая структурная схема обеспечивает надежную защиту от шумов фоновой засветки без снижения чувствительности к полезным сигналам. Это происходит потому, что чем ниже облачность, тем ниже уровень фоновой засветки и выше отношение сигнал-помеха.

Приставка ДВ-1М содержит измерительный блок, стабилизатор сетевого питания, корректор, калибратор и пульт дистанционного управления. Корректор служит для уменьшения уровня ложных сигналов на экране ПВО и входе ДВ-1М при наличии осадков и дымки. Калибратор позволяет в условиях эксплуатации проверить сохранность градуировки выходного напряжения ДВ-1М и шкалы высот пульта дистанционного управления, которым можно воспользоваться при отказе блоков автоматики или в автономном режиме работы комплекта аппаратуры ИВО-1М для измерения дистанционной высоты облаков. Диапазон измерения высоты облаков от 50 до 2000 метров, измерения производятся в любое время суток. Порядок измерения высоты нижней границы облаков: 1. Правым тумблером включить питание прибора. Левым тумблером открыть крышки излучателя и приемника, при этом должна загореться сигнальная лампочка. 2. После прогрева аппаратуры через 2-8 минуты установить достаточную яркость луча, не допуская расфокусировки луча. Ручку "АРУ-РРУ" установить в положение "АРУ". 3. Нажать ручку потенциометра и одновременно поворачивать ее до того момента, когда вертикальная риска на экране ЭЛГ пройдет через середину переднего фронта импульса эхо-сигнала на этом же экране. После совмещения середины переднего фронта импульса с вертикальной риской отпустить ручку потенциометра и произвести отсчет высоты облаков на светящейся кольцевой шкале индикатора. Время одного измерения (потенциометр в нажатом состоянии) не должно превышать 10с. Повторное измерение следует делать не раньше чем через 10 с, поскольку при непрерывном использовании источника световых импульсов резко сокращается срок его службы. Регистратор высоты облаков (РВО-2) имеет такой же принцип работы как и ИВО, но в отличие от последнего оснащен звуковой и световой сигнализацией, которая автоматически включается при появлении облаков, высота которых близка к минимуму аэродрома. Блок управления основной или выносной может быть удален от передатчика и приемника до 10 км. В регистраторе защитные стёкла передатчика и приемника обогреваются. Измерение высоты облаков осуществляется в диапазоне 50--150м с погрешностью ?(0,1Н + 5)м; а в диапазоне 150-500м с погрешностью ?(0,07Н+10)м. РВО-2 может работать в комплексе с приставкой ДВ-1М.

Триангуляционный измеритель высоты облаков М-105. Триангуляционный измеритель высоты облаков М-105 предназначен для измерения высоты облаков над местом установки. Он может функционировать автономно и в комплексе с автоматическими метеостанциями. Принцип работы М-105 основан на тригонометрическом принципе определения высоты облаков с помощью оптической системы

Прожектор и приемник устанавливается на одном уровне на бетонных основаниях на расстоянии 100 м. При работе комплекса М-105 импульсный луч прожектора сканирует в вертикальной плоскости, проходящей через приемное устройство, в пределах от 0 до 90°. В момент начала движения луча от горизонта (?=0) в электронную схему поступает сигнал "старт", что обеспечивает регистрацию на ленте самописца нулевой линии. В момент попадания отраженного от облаков рассеянного света пороговой яркости в схему подается сигнал "стоп". Угол между горизонтом ("старт") и линией, соответствующей сигналу "стоп", определяется по времени подъёма луча на этот угол. Интервал времени подъема луча от 0 до 90° заполняются строго определенным количеством импульсов, которые вырабатывает схема по заранее заданной постоянной программе. По числу импульсов, выработанных схемой от момента "старта" до момента "стоп", определяется угол ?. Определение высоты облаков по углу и базе сводится к расчету одной из сторон треугольника АВС.

Луч прожектора (излучателя) при сканировании проходит угол от 0 до 90° и обратно за 30 с, т.е. в 1 мин производится 2 измерения нижней границы облаков. М--105 обеспечивает возможность измерения нижней границы облаков при отсутствии интенсивных осадков, тумана и других замутнений атмосферы. Управление комплексом производится через преобразовательно регистрирующую часть или по программе при работе в режиме автоматической метеорологической станции.

Предельная инструментальная погрешность измерения высоты нижней границы облаков "Н" в диапазоне от 10 до 150 м составляет ?15 м, от 150 до 300 м ?0,1Н, от 300 до 1000 м ?0,2Н. Блоки системы М-105, располагаемые на открытой местности, могут работать при температурах от +50 до -50°С и относительной влажности до 98%. Управление работой прожектора и приемного устройства, передача сигналов в преобразователь осуществляется по двум парам телефонной линии связи на расстояние до 10 км. Работа выносных индикаторов обеспечивается по трехпроводной телефонной линии связи на удалении от контрольного индикатора и регистратора до 10 км. Комплекс М-105 рассчитан на безнадзорную работу до 7 суток. Вероятность безотказной работы за этот срок составляет не менее 0,96 для блоков, устанавливаемых на открытых площадках, и 0,75 для блоков, находящихся в помещении. Среднее время наработки на один отказ не менее 2000 ч.

Лазерный измеритель высоты облаков (ЛИВО). Прогресс, достигнутый в области конструирования оптических квантовых генераторов (ОКГ), обусловил их применение в лазерных измерителях высоты облаков. Вследствие большой мощности излучения по сравнению с мощностью излучения светолокаторов типа ИВ0-1М, которые используют некогерентные источники света, меньшей угловой расходимости луча, малой длительности зондирующегоего импульса и когерентности излучения ЛИВО обладает большим радиусом действия. ЛИВО включает в себя передатчик, приёмник синхронизатор, индикатор и пульт управления.

Передатчик монтируется внутрь телескопической трубы. При вспышке импульсных ламп накачки под влиянием светового потока большое число атомов активного вещества (кристалл рубина) переводится на верхний энергетический уровень. Однако генерация возникает только тогда, когда количество атомов на верхнем энергетическом уровне достигает максимума и открывается затвор оптического резонатора. При этом атомы с верхнего энергетического уровня переходят на нижний и возникает импульс света продолжительностью (10-20)*10-9 с и мощностью около 10 МВт. Оптические резонаторы обеспечивают режим генерации и представляют собой систему двух параллельных зеркал или призму полного внутреннего отражения и зеркала, между которыми размещается рубиновый стержень. Затвором оптического резонатора является одно из зеркал, которое с высокой угловой скоростью вращается, обеспечивая одновременно параллельность зеркал в течение генерации излучения ОКГ. Резонатор позволяет выделить лишь те волны, которые распространяются вдоль оси резонатора. Волны, распространяющиеся под углом к оси резонатора, после нескольких отражений от двух зеркал уходят за пределы резонатора, не получив достаточного усиления. Обычно переднее зеркало является полупрозрачным и имеет коэффициент отражения, равный 0,5 на длине волны 0,694 мкм. Вследствие этого часть индуцированного излучения покидает систему и составляет выходную мощность ОКГ. Излучение при этом получается резконаправленным, поскольку излучаемые волны многократно проходят длину резонатора без заметного отклонения от его оси.

Торцевые поверхности рубинового стержня обрабатываются с высокой точностью для обеспечения их параллельности. Стержень размещается в одной из фокальных осей отражателя эллиптической формы. На другой оси этого отражателя находится штыревая импульсная лампа накачки. Заднее вращающееся зеркало (призма полного внутреннего отражения) крепится в призмодежателе. Для определения относительного положения призмы, а также для запуска импульса накачки используется магнитный датчик, вмонтированный в призмодержатель и магнитный приемник. Длительность импульса накачки около 250 мкс, и он запускается до того момента, когда вращающееся зеркало окажется параллельным плоскости неподвижного полупрозрачного зеркала. Форма одиночного импульса, генерируемого ОКГ, имеет в общем случае треугольную форму. При расстоянии между зеркалами оптического резонатора 300 мм и скорости вращения призмы 60000 об/мин длительность излучаемого импульса оказывается равной 20*10-9с. Если время включения затвора оптического резонатора меньше времени установки колебаний в генераторе, то излучение всей запасенной в рубине энергии происходит в виде одного импульса.

Приемник выполнен в виде трубы, параллельной оси ОКГ. Сигнал, отразившись от облака, попадает в оптическую часть приемника, которая представляет собой телескоп с интерференционным узкополосным фильтром, имеющий полосу пропускания порядка 10-20 А.

Для уменьшения вредного влияния дневной освещенности в электрической части приемника перед ФЭУ устанавливается фильтр.

Отраженный сигнал снимается с нагрузочного сопротивления ФЭУ и усиливается предварительным усилителем.

Синхронизатор предназначен для создания опорного синхронизирующего сигнала в момент, когда запускается генератор. Данный импульсный сигнал образуется при отводе незначительной части излучения ОКГ. Обычно это достигается тем, что за коллимирующей оптической системой под некоторым углом к ее оси монтируется редкая сетка из тонкой проволоки. Излучение ОКГ, отразившись от этой сетки, фокусируется линзой на фотокатоде ФЭУ. После этого выходной сигнал ФЭУ усиливается и подается на индикатор для запуска развертки.

Индикатором в ЛИВО является осциллограф с большим послесвечением экрана. Расстояние до нижней границы облаков определяется по положению эхо-сигнала на развертке при известном ее масштабе. Точность измерения нижней границы не менее 15% от измеряемой величины.

Метеорологические радиолокаторы. Метеорологические радиолокаторы (МРЛ-1, МPЛ-2, MPЛ-5) позволяют получать вертикальный пространственный разрез облаков при работе в режиме сканирования по углу места от 0 до 100° в направлении выбранного азимута. Облака, нижняя граница которых ниже 500 м, дают на вертикальном разрезе засветку, сливающуюся с местниками. Кроме того, осадки вообще исключают возможность измерения нижней границы облаков. Нижняя граница облаков среднего и верхнего ярусов определяется с инструментальной погрешностью от 20 до 50% от измеряемой величины. Принцип действия МРЛ такой же, как любого радиолокатора. Также как и радиолокаторы, они состоят из передатчика, генерирующего электромагнитную энергию, антенны, излучающей эту энергии и принимающей эхо-сигналы, а также приемника, который усиливает и преобразует эхо-сигналы в видеоимпульсы, индикаторов, обеспечивающих визуальное наблюдение эхо-сигналов и их регистрацию.

Потолочный прожектор ПИ-45. В некоторых аэропортах наряду с основными комплексами, такими как ИВ0-1М, используются устаревшие потолочные прожекторы, которые позволяют только в ночное время измерить высоту облаков. Установка (рис.36) состоит из направленного вертикально вверх прожектора 1, оптического визира 2 и кабеля для подключения прожектора к электрической сети. Для определения нижней границы облаков включается (дистанционно) источник света, находящийся в фокусе параболического зеркала прожектора. Луч света, сформированный прожектором, достигает облака и оставляет на его нижней границе световое пятно. С помощью визира, расположенного на удалении от 100 до 500 м от прожектора, наблюдатель определяет угол, под которым видно световое пятно.

Как и прожектор, визир устанавливается на бетонном основании, при этом плоскость вращения зрительной трубы визира должна проходить через вертикаль фокуса зеркала прожектора. Погрешность определения высоты нижней границы облаков с помощью установки ПИ-45 не превышает ?0,1Н, однако измерения ограничиваются темным временем суток и не могут быть автоматизированы.

Определение высоты облаков с помощью шаров-пилотов

Метод определения высоты нижней границы облаков применяется при облачности более 5 баллов. Измерение заключается в определении времени между выпуском шара-пилота и моментом, когда шар-пилот начинает "туманиться" при входе в облачность.

Для упрощения и убыстрения вычисления вертикальной скорости шара-пилота, наполненного водородом, рассчитываются таблицы, которые наблюдатель использует при измерениях. При наблюдениях в темное время суток к шару-пилоту подвешивается специальный фонарик. В зависимости от высоты облаков применяются шары-пилоты различных размеров. Чем выше облака и сильнее ветер, тем больший размер должен иметь шар-пилот.

Метод применяется при отказе прибора, измерения высоты облаков, поскольку он имеет много недостатков. В частности, наблюдатель не может точно определить место, над которым измерена высота облаков, из-за сноса ветром шара-пилота. Восходящие и нисходящие потоки в подоблачном слое могут существенно изменять вертикальную скорость шара. Кроме того, каждый наблюдатель имеет присущую только ему остроту зрения и определяет момент входа шара-пилота в облако, опираясь на собственные ощущения. Все эти недостатки определяют величину ошибки измерения облаков, которые до высоты 500 м составляют ?0.2Н, от 600 до 1000м ?0,13Н, от 1000 до 2000 м ?0,1Н.

Определение высоты пилотом с воздушного судна

Определение высоты пилотом осуществляется по высотомеру, который установлен на давление аэродрома в момент потери пилотом горизонтальной видимости. Эти данные уточняют инструментальные измерения, а иногда, например, при интенсивных осадках, являются наиболее надёжным способом измерения нижней границы облаков.

Точность измерения высоты по самолету не превышает (??0,15Н).

Расчетные и визуальные способы определения высоты облаков.

При расчете высоты нижней границы облаков используются данные наблюдений с помощью радиозондов и эмпирические формулы. При подъеме радиозонда его датчик влажности фиксирует и передает на землю относительную влажность. До высоты 3 км нижняя граница облаков фиксируется при влажностях, близких к 100% (дефицит точки росы менее 2°). Эмпирические формулы основываются на корреляционной связи высоты низких облаков со значениями температуры и влажности у земли.

Визуальный метод определения высоты облаков

При наличии относительно высоких ориентиров (трубы, мачты) высота которых известна, наблюдатель может определить высоту облаков по степени закрытия этих ориентиров облаками. Кроме того, опытный наблюдатель корректирует свои выводы о высоте знаниями климатических характеристик нижней границы облаков в различные сезоны года, значением средней высоты облаков различных форм, а также скоростью перемещения облаков.

Размещено на Allbest.ru