Способ оптико-акустического зондирования атмосферы

 

СПОСОБ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ путем посылки в исследуемую область атмосферы одновременно двух монохроматических перекрывающихся на заданной высоте лазерных пучков излучений и параллельными осями, разность частот которых равна частоте звукового диапазона, и приема возникших акустических сигналов, отличающийся тем, что. с целью расширения диапазона . измеряемых параметров, плавно изменяют частоту по крайней мере одного из посылаемых излучений при сохранении значения разности частот в пределах частот звукового диапазона и по мощности принятых акустических сигналовна разных частотах судят о температуре, влажности и спектральной прозрачности атмосфе|эы.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

IsI)s G 01 W 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

f С)

lao

jQo М

Ъ ы

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР. (21) .2957056/25 (22) 18.07.80 (46) 15.09.92. Бюл. ¹ 34 (71) Институт оптики атмосферы Томского . филиала СО AH CCCP (72) H.Ï. Красненко и Л.Г. Шаманаева (53) 551.508,(088;8} . (56) Авторское свидетельство СССР (по заявке N. 2756251/10,кл G 01 W 1/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР

N 839386, кл, 6 01 W 1/00, 1980. (54) (57) СПОСОБ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ путем посылки в исследуемую область атмосферы

Изобретение относится к технической физике и может найти применение для дистанционного измерения спектральной акустической прозрачности, а также одновременно измерения температуры и относительной влажности в атмосфере.

Известен способ дистанционного измерения параметров атмосферы путем создания на заданной высоте с помощью лазерного излучения пробоя и приема возникшего акустического излучения, Для измерения спектральной акустической прозрачности в данном способе измеряют спектральную мощность принятого акустического сигнала, а об искомом параметре судят путем сравнения ее со спектральной мощностью калибровочного сигнала. Для одновременного измерения температуры и влажности измерения проводят одновременно для трех частот, а об искомых пара,, БЫ„„1О88512 Al одновременно двух монохроматических перекрывающихся на заданной высоте лазерных пучков излучений и параллельными осями, разность частот которых равна частоте звукового диапазона, и приема возникших акустических сигналов, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью расширения диапазона . измеряемых параметров, плавно изменяют частоту по крайней мере одного из посылаемых излучений при сохранении значения разности частот в пределах частот звукового диапазона и по мощности принятых акустических сигналов на разных частотах судят о температуре, влажности и спектральной прозрачности атмосферы. метрах судят путем сравнения сигналов для двух из этих частот относительно третьей.

Недостатком этого способа является малая дальность, обусловленная тем, что при посылке лазерного излучения на заданном расстоянии от передатчика возможно получение пробоя а воздухе. когда значение интенсивности лазерного излучения превышает некоторую пороговую величину, что

- накладывает ограничения на дальность данного способа зондирования. а также большие потери акустической энергии за счет сферической расходимости звуковой волны.

Кроме того, источник звука в данном способе зондированиия имеет широкий спектр излучаемых звуковых частот. и спектральное разрешение onðåäåëëå Tñÿ полосой и ропускания приемной системы.

Наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является способ дистанционного зондирования атмосферы одновременно двух монохроматичесхих перекрывающихся на заданной высоте лазерных пучков излучений с параллельными осями, разность частот которь.х равна частоте звукового диапазона и приема возникшего акустического излучения, когда по временному интервалу между посылкой лазерного и приемом акустических сигналов судят об атмосферной температуре.

Однако этим способом невозможно измерить влажность и спектральную прозрачность атмосферы;

Цель изобретения — расширение диапазона измеряемых параметров, т,е, создание Возмо>кности измерения кроме температуры влажности спектральной акустической прозрачности.

Цель достигается тем, ITo в способе оптико-акустического зондирования атмосферы путем посылки в исследуемую область атмосферы одновременно двух монохроматических перекрывающихся на заданной высоте лазерных излучений с параллельными осями, разность частот которых равна частоте звукового диапазона и приема возникших акустических сигналов, плавно изменяют частоту по крайней мере одного из посылаемых излучений при "îõðàíåíèè значения разности частот в пределах частот зВукового диапазона и по могцнос!и принятых акустических сигналов па разных частотах судят о температуре, влажности и спектральной прозрачности атмосферы.

В атмосфере при одновременном рас пространении двух параллельных монохро-матических лазерных излучений с близкими частотами f1 и f2 в области их перекрытия в результате нелинейного их взаимодеЙствия генерируется мощное акустическое излучение частот(11- f2) = f>, направление распространения которого перпендикулярно оси лазерных пучков, а фронт волны цилиндрический, Осуществляя посылку лазерных импульсов под углом и к поверхности земли, можно зерегистрировать спектральную мОщнОсть акустического сигнала, Возник" шего на дальности l посылки лазерного импульса и прошедшсго через атмосферу, помещая акустический приемник не некотором расстоянии Ь1 от лазерного передатчика и ориентируя его приемную антенну перпендикулярно оси лазерных пучков. При этом мощность возникающего акустического сигнала 4 пропорциональна произведению амплитуд лазерных излучений и может быть рассчитана по формулам . Измеряя спектральную мощность пришедшего сигнала на данной частоте f>, можно измерить

СПЕКтРаЛЬНУЮ аКУСтИЧЕСКУЮ ПРОЗРаЧНОСтЬ Р атмосф ры, которая, с учетогл того, что вол30 ройства, реализугощего способ.

35 На фиг.1 изображены лазерные с управляемой растройкой передатчики l и 2; оси

5 10

55 на цилиндрическая, ослабляется с расстоянием В l/é раз, и равна:

lR

Р =lo

Управляя расстройкой частот лазерных излучений в пределах звукового диапазона. можно изменить частоту возникающего акустического излучения и измерять акустическую прозрачность для разных частот.

Генерация двухчастотного лазерного излучения возможна путем измерения частоты излучения одного посылаемого лазерного излучения или путем одновременного изменения частоты обоих лазерных излучений.

Бозг,ожна также дополнительная посылка монохроматического лазерного излучения другой частсты.

Температура и влажность определяются по относительному изменению пришедшего сигнала для двух пар звуковых частот

f> и f2 11 и 13, при этом измеряются ll =

=l f1/1и0, 12 = lf2/l f20; l3 = If3/lf30 — Относитель-, ные изменения амплитуд сигнала на частоТВх т1 f2 и f3 и Вычисляются

ln (!2/l 1 ) In (!3/11)

А2—

Величины А1 и А2 связаны известной аналитической зависимость1о с температурой Т и оп1осительной влажности 0 атмосферы, На фиг.1 показана схема, поясняющая данный способ; на фиг,2 — блок-схема устизлучений которых параллельны, а диаграммы перекрываются В заштрихованной области, остронаправленный -приемник.3, антенна которого ориентирована перпендикулярно осям лазерных передатчиков, h1расстояние между лазерным передатчиком и акустическим приемником, Из геометрии фиг.1 следует: 8 =- h> sinn, При осуществлении одновременных разнесенных в пространстве измерений возможно измерение профилей температуры и влажности, если поместить остронаправленные акустические приемники на различных расстояниях

Ь11 от лазерных передатчиков.

Источником звука в данном способе зондирования будет одновременно вся область перекрытия лазерных излучений, и можно считать, что цилиндрическая звуковая волна возникает одновременно вдоль всей оси области перекрытия лазерных пучко в.

Монохроматическое лазерное излуче, ние с близкими частотаг и и управляемой

1088512 расстройкой можно получить с помощью

СО -лазеров с регулируемой частотой излучения или одного лазера на рубине с однородно-уширенным контуром линии генерации, в центре которой методом внутрирезонансного поглощения выжигается провал, ширина которого изменяется путем изменения давления поглощающего и буферного газов в резонаторе. При этом формируется двухчастотное лазерное излучение с управляемой расстройкой, Работа способа осуществляется с помощью устройства, приведенного на фиг.2.

В исследуемую область атмосферы от лазерных передатчиков 1 и 2 с управляемой растройкой посылают одновременного два монохроматических перекрывающихся на заданной высоте лазерных пучка излучения с параллельными осями, разность частот которых равна частоте звукового диапазона, и плавно. изменяют частоту обоих лазерных излучений;

Принимают возникшие акустические сигналы остронаправленной антенной акустического,йрйемника 3, в качестве которой можно исйольэовать решетку и электроакустические преобразователи. С помощью анализатора спектра 4 и вычислительного устройства 5 определяют спектральную акустическую прозрачность атмосферы, темпе5 ратуру и влажность.

Синхрониэируюся пучки излучения синхронизатором 6, Преимуществом описанного способа по сравнению с аналогом является большая

10 точность измерений, обусловленная тем, что источник звука в прототипе имеет широкий частотный спектр, и спектральное разрешение определяется полосой пропускания приемной системы. В описан15 ном способе генерируется монохроматическое акустическое излучение на разностной частоте, что позволяет проводить спектральное измерение с более высоким частотным разрешением, и тем самым повышает

20 точность измерений.

Кроме того, данный способ позволяет в несколько раз увеличить дальность зондирования и упростить измерения, т.к. он не требует проведения калибровки. Мощность .

25 генерируемого акустического излучения может быть рассчитана аналитически, 1088512

Составитель

Техред ММоргентал

Корректор Н.Милюкова

Редактор E.Ãèðèíñêàÿ

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 40б1 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/Б