Неблагоприятная экологическая обстановка на территории Российской Федерации требует уделения особого внимания вопросам охраны природы и экологического воспитания. Контроль за воздействием от хозяйственной деятельности человека на окружающую среду и природный комплекс - необходимая составная часть мероприятий по  улучшению использования природных ресурсов. Многие отрасли промышленности, сельского хозяйства в большой степени зависят от четкости, оперативности работы  и надежности прогнозов федеральной системы наблюдений и контроля за окружающей средой. Оперативность и своевременность подачи штормовых предупреждений, заблаговременный прогноз опасных и особо опасных явлений погоды являются неотъемлемой частью успешной и безопасной работы многих отраслей хозяйства и транспорта, а долгосрочные метеорологические прогнозы играют решающую роль в организации сельскохозяйственного производства. 
 Одним из важнейших параметров, определяющих возможность прогнозирования опасных погодных явлений, является высота нижней границы облаков. 

Принцип измерения высоты нижней границы облаков, использующийся в измерители высоты облачности ИВО-1М и регистраторе РВО-2.

Под высотой облаков в метеорологии понимают высоту их нижней границы над  поверхностью земли. В основном измеряют высоту облаков среднего и нижнего ярусов ( не выше 2500 м.). При этом определяется высота самых нижних облаков. При тумане высота облаков принимается равной нулю, и в аэропортах в данных случаях измеряется “вертикальная видимость”. В основу измерения высоты нижней границы облаков в ИВО-1М и РВО-2 положен метод светолокации.
Этим методом высота нижней границы облаков определяется по времени прохождения светом пути от излучателя света до облака и обратно. Высота облаков Н определяется по формуле:

	где	- скорость света
		- время прохождения света до облака и обратно.
Световой импульс посылается излучателем и после отражения принимается приемником. Излучатель и приемник располагаются в непосредственной близости друг от друга.

Принцип работы измерителя и регистратора нижней границы облаков.

1. Измеритель высоты нижней границы облаков ИВО-1М.

ИВО-1М состоит из передатчика и приемника световых импульсов, пульта управления и комплекта соединительных кабелей. Приемник и передатчик устанавливаются на открытой площадке на расстоянии 8-10 метров друг от друга. Передатчик и приемник аналогичны по конструкции и содержат параболические зеркала, защитные стекла и крышки, которые перед измерениями поднимаются при помощи электродвигателей.
В качестве источника световых импульсов используется троботрон типа  ИСШ-100. Мощные световые импульсы прямоугольной формы длительностью около 1мс и частотой 20Гц излучаются вертикально вверх. Часть рассеянной облаком энергии( световые импульсы с гармониками, кратными основной частоте сигнала) возвращается к приемнику и преобразуется фотоэлектронным умножителем ФЭУ-1 в электрические импульсы. Непосредственно в приемнике расположен предварительный широкополосный усилитель. который позволяет уменьшить влияние помех при передаче сигнала к пульту управления, расположенному в помещении на расстоянии до 50 м. от приемопередатчика.
С помощью пульта управления, содержащего электронно-лучевую трубку, оператор может вручную измерять время запаздывания эхо-сигнала, отраженного облаком, относительно зондирующего сигнала, излученного передатчиком. Измерение производится с помощью схемы компенсации, которая содержит регулируемый источник питания и позволяет менять напряжение на правой по схеме пластине ЭЛТ (рис.1).
Поворачивая ручку потанциометра , 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 достижении 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.

Рис.1 Блок- схема ИВО-1М.

передатчик									приемник

					8-10 м.

				1					2

					ЭЛТ
				3						

				4					5					

									6
		пульт управления							

		может стыковаться с ДВ-1М

1-схема компенсации					4-генератор меток
2-видеоусилитель						5-АРУ
3-генератор разразвертки				6-блок питания

Такая частота повторения  ЭЛТ позволяет наблюдать на экране непрерывно-светящуюся картину развертки луча трубки. При наличии эхо-сигнала. поступающего на нижнюю пластину ЭЛТ от видеоусилителя, на линии развертки появится импульс, положение которого относительно линии развертки соответствует запаздыванию эхо-сигнала по отношению к зондирующему. Это запаздывание пропорционально высоте облаков. Отсчет высоты облаков производится оператором после установки середины переднего фронта эхо-сигнала на вертикальную черту в центре экрана.
В пульте управления имеется также схема АРУ, которая позволяет поддерживать неизменной амплитуду эхо-сигналов во всем диапазоне измерения. Генератор меток предназначен для периодической проверки сохранности градуировки шкалы высот в условиях эксплуатации.
Приемник и передатчик должны устанавливаться на расстоянии не менее 200 метров от радиолокационных станций и не менее 500 метров от средневолновых радиостанций.

2.Регистратор нижней границы облаков РВО-2.

Регистратов высоты облачности РВО-2 является усовершенствованным вариантом ИВО-1М, имеет лучшие эксплуатацинно-технические характеристики и более широкие возможности применения.
В РВО-2 улучшена шкала высот. Она разбита на десятки метров, что позволяет произвести считывание показаний о ВНГО с погрешностью не более 5 метров. За счет уменьшения длительности светового импульса, увеличения напряжения на конденсаторе основного разряда импульсной лампы, увеличения крутизны фронтов светового импульса передний фронт сигнала на ЭЛТ пульта управления круче - это обеспечивает более точное измерение ВНГО. Но указанный режим питания импульсной лампы значительно снижает ее ресурс.
РВО-2 электромагнитно совместим с радиотехническими средствами и не имеет таких ограничений по установки приемника и передатчика, как     ИВО-1М.
Для устранения запотевания и обмерзания стекол приемника и передатчика обеспечено их подогревание обогревательным элементом мощностью порядка 200 Вт.
РВО-2 комплектуются в 3-х вариантах:
•	в первый вариант (РВО-2) входят: передатчик, приемник световых импульсов и пульт управления;
•	во второй вариант(РВО-2-01) входят: передатчик и приемник световых импульсов, пуль управления, регистратор. Этот вариант обеспечивает измерение ВНГО до 2000 метров и автоматическую регистрацию ее до 1000 метров при расположении пульта управления и регистратора на расстоянии до 50-70 метров от места установки передатчика и приемника;
•	в третий вариант (РВО-2-02) входят: передатчик и приемник световых импульсов, пульт управления, регистратор и выносной пульт. Этот вариант дает возможность измерять и регистрировать ВНГО так же, как и РВО-2-01, и измерять и регистрировать ВНГО до 1000 м. по самописцу выносного пульта при расположении последнего на расстоянии до 8 км. от места установки передатчика и приемник.
Погрешность измерений ВНГО у РВО-2 такая же, как и у ИВО-1М.     РВО-2-01 и РВО-2-02 обеспечивают автоматическое измерение и регистрацию  ВНГО через 15, 30 или 60 минут в соответствии с установкой “интервал”, при необходимости возможна регистрация ВНГО с интервалом в 3 минуты и непрерывная регистрация втечение 1,5 минуты.

3. Приставка ДВ-1М.

Дистанционная приставка ДВ-1М предназначена для дистанционного измерения ВНГО в комплекте с ИВО-1М или РВО-2 и передачи в канал связи результатов измерений (структурная схема на рис. 2).Основными узлами приставки являются: блок преобразования и блок логической обработки.
Блок преобразования позволяет получить на логическом выходе напряжение постоянного тока, прямопропорциональное времени запаздывания эхо-сигнала относительно зондирующего импульса. С этой целью в блоке преобразования последовательно соединены ждущий мультивибратор, генератор пилообразного напряжения и пиковый детектор.
Особенностью схемы ДВ-1 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. При отсутствии помехи и наличии эхо-сигнала на входе устройства на выходе обоих пиковых детекторов оказываются равными. Если же облаков нет и отсутствует шумовая помеха (например, при измерениях ночью), то различие напряжений на выходах детекторов будет максимальным. При этом пиковый детектор 1 отключен от ГПИ, который в этом случае формирует импульсы максимальной амплитуды на входе пикового детектора 2. 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 при наличии низкой облачности уровень фоновой засветки резко снижается, что и гарантирует достаточно высокий уровень отношения сигнал/шум.
Удаление ДВ-1М от места установки ИВО-1М или РВО-2 до 5 километров.

Основные нормативно-технические характеристики ИВО и РВО.

Параметры	Значения	
Диапазон измерений расстояния до светоотражающей поверхности твердой мишени, м	
от 50 до 450 	
Предел допускаемой погрешности измерителя, м
50-150 м
150-500 м	

не более    (0,1Н+5)
не более    (0,074Н+10)	
Диапазон измерения времени (   ) прохождения световым импульсом расстояние Н до отражающей поверхности и обратно, нс	

от 333 до 3000	
 Предел допускаемой погрешности в диапазоне
333-1000 нс
1000-3000 нс	

не более   (0,1  +33)
не более   (0,07  +67)	
Полный диапазон измерений расстояния до НГО, м	
от 50 до 2000	

Поверка светолокационного преобразователя ИВО.

При проведении поверки выполняются следующие операции:
1.	внешний осмотр;
2.	опробование;
3.	определение метрологических параметров.

Средства и условия поверки.

При проведении поверки применяются следующие средства поверки:
•	комплект образцовых линий задержки электрического сигнала на 200, 333, 533, 867, 1400, 2133 и 3000 нс, с погрешностью указанной в таблице (см. ниже);
•	вольтметр переменного тока для измерения напряжений питающей сети  1-го класса.

Нормативно-технические характеристики комплекта образцовых кабельных линий задержки для поверки преобразователей типа ИВО и РВО.

время задержки сигнала
     (   ), нс	 предел допускаемой погрешности определения
(    ), нс	имитируемая высота,
м	
200	13	28-32	
333	16	48-52	
533	21	77-83	
867	26	126-134	
1400	41	204-216	
2133	54	312-328	
3000	73	439-461	

При проведении поверки должны выполнятся следующие условия:
•	преобразователь предъявляемый на периодическую поверку должен быть в исправном состоянии;
•	к проведению поверки допускают лиц, прошедших специальную подготовку и имеющих право проведения ведомственной или государственной поверок;
•	при проведении поверки должны соблюдаться условия, обеспечивающие сохранность метрологических характеристик преобразователя и контрольно-поверочной аппаратуры;
•	при проведении поверки допускается нахождение приемника и передатчика в естественных условиях открытой атмосферы, при отсутствии сильных и умеренных осадков и туманов;
•	при проведении поверки должны соблюдаться требования техники безопасности.

Подготовка к поверки и проведение поверки.

Перед проведением поверки проверяется наличие и полнота комплекта и преобразователя и сопроводительной документации, Затем необходимо развернуть приемник и передатчик на местах их установки и замкнуть световой канал с помощью полуоткрытых крышек (ИВО) или наклонных щитов (РВО).
Затем отсоединяется кабель приемника от пульта управления преобразователя и в разрыв включается кабельная вставка с подсоединенным к ней замыкателем. С помощью вольтметра переменного тока проверяется наличие напряжения питания преобразователя, которое должно быть в установленных пределах. Необходимо заранее подготовить протоколы поверки, зафиксировать в них метеорологические параметры окружающей Среды, данные приемника, передатчика и пульта управления, напряжение сети.

Рис. 3	Схема замыкания светового канала  преобразователя типа ИВО или РВО для проведения поверки.

  

						L

Проведение поверки начинается с внешнего осмотра. Маркировка всех частей преобразователя должна должна быть отчетливо различима. органы регулировки и настройки должны вращаться плавно, без заеданий, кнопки при нажатии не должны западать. Защитные стекла и отражатели не должны иметь загрязнений, трещин и дефектов. Части разъемов должны легко соединяться и размыкаться. Крышки приемника и передатчика должны свободно открываться и закрываться как в ручную, так и автоматически.
Следующая стадия поверки - опробование. При включении преобразователя в работу должна мигать лампа передатчика. и на экране ЭЛТ  появиться линия развертки и сигнал. При включенном обогреве (РВО) защитные стекла приемника и передатчика будут теплыми.
После опробования определяются метрологические параметры преобразователя. Для этого отсоединяют от кабельной вставки замыкатель L3 (см. рис. 4) и на его место подключают к разъемам Ш1 и Ш2 кабельные линии задержки, начиная с линии с минимальной временной задержкой, имитирующей расстояние до НГО, и далее последовательно подключаются линии на 533 нс(80 м), 867 нс(130 м), 1400 нс(210 м), 2133 нс(320 м) и 3000 нс(450 м). Затем операцию повторяют и обратной последовательности.
Рис. 4 Схема подключения при поверки ИВО и РВО.

										4	5		6

		1					2

	3

1- передатчик	4- пульт управления
2- приемник	5- приставка ДВ-1
3- кабельная линия задержки	6- стрелочный указатель

Рис.5 Кабельная вставка для проверки преобразователя типа ИВО или РВО.

Ш2-1											Ш2-2

										

					Ш1				Ш2

						L3

Обозначение	Наименование	
Ш2-1	Розетка ШР32ПК12НГ	
Ш2-2	Вилка ШР32ПК12НШ	
Ш1, Ш2	Соединитель радиочастотный СР-50	
L3	Кабальный замыкатель из кабеля   РК-50 длиной 0,2 м	

Полученные результаты заносятся в протокол. Протокол должен содержать информацию о составе поверяемого прибора (заводские номера всех поверяемых приборов, а так же номера ДВ-1 и стрелочного указателя), о метеорологических условиях в которых проходила поверка  (температура окружающего воздуха, температура в помещениях, где были установлены пульт управления, ДВ-1 и стрелочный указатель. Кроме того, указываются средства и устройства поверки  с заводскими номерами (термометры, вольтметр, рулетка измерительная, комплект линии задежки).
В протоколе указывается и погрешность преобразователя. Рассмотрим определяемые погрешности на примере.

имитируемое расстояние(Н), м	результат измерения(Н*),м	разность а=Н-Н*,  м	(а-        ),
м	
59	60	-1	1	
117	120	-3	1	
138	140	-2	0	
217	220	-3	1	
329	330	-1	1	
217	220	-3	1	
138	140	-2	0	
117	120	-3	1	
59	60	-1 	1	
n=11

Систематическая погрешность:

Оценка среднего квадратического отклонения:

Случайная погрешность ( при вероятности Р=0,9):

где		- коэффициент Стьюдента.

Суммарная погрешность:

Максимальное значение суммарной погрешности не превышает-4 м.- не превышает предельно допускаемой погрешности. следовательно преобразователь годен к эксплуатации.

Предел допускаемой погрешности:

Имитируемая высота, м	50	110	130	210	320	450	
Значение предела, м	10	16	18	25	32	42	

На преобразователь, пригодный к эксплуатации, выдается свидетельство о поверке или делается соответствующая запись в формуляре прибора. При отрицательной поверки, прибор снимается с эксплуатации и в его документах делается запись о непригодности и о ее причинах.
Своевременная поверка приборов предохраняет от дополнительных и неоправданных расходов. Если допустить, что аэропорт г.Омска был временно закрыт, то ближайшие аэропорты, которые могут принять самолеты находятся в Тюмени и Новосибирске, и при нынешней стоимости авиатоплива, это обернется большими неоправданными затратами.

				Принятые сокращения:

			ИВО	-		измеритель высоты облачности
			РВО	-		реистратор высоты облачности
		ЭЛТ	-		электронно-лучевая трубка
		АРУ	-		автоматическая регулировка усиления	
		ВНГО -	     высота нижней границы атмосферы
		ГПН	-		генератор пилообразного напряжения
		МУ	-		методические указания
		СИ	-		средства измерений.

Литература:

1.АфиногеновЛ.П. Романов Е.В.
“Приборы и установки для метеорологических измерений на аэродромах”
 Ленинград, Гидрометеоиздат, 1981.

2.Городецкий О.А. Гуральник И.И. Ларин В.В.
“Метеорология, методы и технические средства наблюдений”
 Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984

3.“Правила эксплуатации метеорологического оборудования аэродромов гражданской авиации СССР”  Москва, Гидрометеоиздат, 1981

4.Тюрин Н.И.
“Введение в метеорологию” Москва, Издательство стандартов, 1976

Российский Государственный Гидрометеорологический Институт
Факультет заочного обучения

								Кафедра экспериментальной 
								физики атмосферы

КУРСОВАЯ  РАБОТА

						На тему: 
						“Светолокационный  измерительный
 						преобразователь расстояния до
 						нижней границы облаков”

								Проверил: ______________
								Выполнил:   Колосов Ю.В.

							Факультет - “Метеорология “
								IV  курс.

ОМСК
1995