Устройство для измерения профиля структурной характеристики показателя преломления атмосферы

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ СТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее источник излучения, приемный объектив, в фокусе которого расположен сканирующий фотодетектор, вход которого соединен с выходом генератора цифровой развертки, с входом которого соединен, первый выход блока управления сканированием, второй выход которого соединен с входом источника излучения, а также счетчик, блок памяти и регистрирующий прибор, отличающеес я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения высотного профиля структурной характеристики показателя преломления атмосферы вдоль трасс с любым наклоном к земной поверхности, в него ведены пиковый детектор, масштабный усилитель, компаратор, электронный ключ, блок распределения памяти и блок вычисления дисперсии, причем выход сканирую щего фотодетектора соединен непосредственно с nepBfcjM входом компаратора и через последовательно соединенные пиковый детектор и масштабный усилитель - с вторым входом компарато|за, выход компаратора соединен с входом электронного ключа, с первым управляющим входом счетчика и управляющим входом блока распределения памяти, к выходу которо (Л го последовательно подключены блок памяти, блок вычисления дисперсии с и регистрирующий прибор, причем выход электронного ключа соединен с втором входом пикового детектора, второй управлякяций вход счетчика соединен с вторым выходом генератора цифровой развертки, третий вк- I ход блока управления сканированием i подключен к TpeTbei iy управляющему ; входу счетчика, выход которого i соединен с входом блока рйспределе ния памяти.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (И) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ с

21) 3538077/18-25

° °

22) 12.01.83 (46) 15.07.84. Бюл. М 26 (72) В.Ф.Барышников, A.Ï.×åðåïàíîâ и И.Я.Шапиро (71) Специальное конструкторское бюро научного приборостроения "Оптика" Сибирского отделения AH СССР (53) 535.241(088.8) (56) 1. Гуревич А.С. и др. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере.

M. "Наука", 1976, с. 254-256.

2. Авторское свидетельство СССР

М 934427, кл. 0 01 w 1/00, 1980 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПРОФИЛЯ СТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее источник излучения, приемный объектив, в фокусе которого расположен сканирующий фотодетектор, вход которого соединен с выходом . генератора цифровой развертки, с входом которого соединен. первый выход блока управления сканированием, второй выход которого соединен с входом источника излучения, а также счетчик, блок памяти и регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ е е с .я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения высотного профиля.

1(Ц G 01 Я 21/41;Q 01. W 1/00 структурной характеристики показателя преломления атмосферы вдоль трасс с любьм наклоном к земной поверхности, в него ведены пиковый детектор, масштабный усилитель, компаратор, электронный ключ, блок распределения памяти и блок вычисления дисперсии, причем выход сканирующего фотодетектора соединен .непосредственно с первым входом компаратора и через последовательно соединенные пиковый детектор и масштабный усилитель — с вторым входом компаратора, выход компаратора соединен с входом электронного ключа, с первым управляющим входом счетчика и управляющим входом блока распределения памяти, к выходу которое го последовательно подключены блок памяти, блок вычисления дисперсии и регистрирующий прибор, причем выход электронного ключа соединен с вторым входом пикового детектора, второй управляющий вход счетчика соединен с вторым выходом генератора цифровой развертки, третий выход блока управления сканированием подключен к третьему управляющему входу счетчика, выход которого соединен с входом блока распределения памяти.

1103120 Изобретение относится к атмосферной оптике и может быть использовано при изучении распространения света в атмосфере и в оптической локации.

Известно устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления по раэмытию средней дифракционной картины в фокусе линзы, содержащее источник излучения — лазер с. коллимирующей оптической системой, фокусирующую линзу, которая строит дифракционное иэображение удаленного источника в Фокальной плоскости, сканирующую щель и фотоприемник ° По турбулентному уширению . размера дифракционного иэображения источника судят о значении cI, fi) .

Недостатком этого устройства asляется невозможность определения профиля структурной характеристики

С„ вдоль наклонных трасс, так как метод просвечивания атмосферы. предполагает наличие передающего и .приемного устройств, расположенных на концах измерительной трассы.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения профиля структурной характеристики показателя преломЛения атмосферы, содержащее источник излучения, приемный объектив, в фокусе которого расположен сканирующий фотодетектор, вход которого соединен с выходом генератора цифровой развертки, с входом которого соединен первый выход блока .Управления.сканированием, второй выход которого соединен с входом источника излучения, а так-. же счетчик, блок памяти и регистрирующий:прибор:(2) . ..!

Принцип действия устройства основан на измерении степени. изменения средней интенсивности в центре дифракционного иэображения удаленного источника в фокальной плоскости . -линзы. Сканируя щелевой апертурой изображение источника, построенного приемной линзой в плоскости фотокатода диссектора, определяется сечение центра тяжести и измеряется средняя интенсивность Зц, в этом сечении, а также средняя йнтенсивность всего светового пятна. По измеренным значениям 3< и З„вычисляется значение

C rl °

Устройство измеряет с высокой . точностью структурную характеристику преломления на горизонтальных трассах, но не позволяет опредЕлять высотный профиль этой характеристи. ки, так как предполагает наличие передатчика н приемника на противоположных концах исследуемой трассы и формирование в фокальной плоскости -приемной линзы дифракционного иэображения удаленного светового источника.

Бель изобретения — обеспечениевозможности измерения высотного профиля структурной характеристики показателя преломления атмосферы вдоль трасс с любым наклоном к эем5 ной поверхности.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения про-. филя структурной характеристики показателя преломления атмосферы, 10 содержащее источник излучения, приемный объектив, в фокусе которого расположен сканирующий фотодетектор, вход которого соединен с выходом генератора цифровой развертки, с входом которого соединен первый выход блока управления сканированием, второй выход которого соединен с входом источника излучения, а также счетчик, блок памяти и регистрирующий прибор, чведены пиковый детектор, масштабный усилитель, компаратор, электронный ключ, блок распределения яамяти и блок вычисления дисперсии, причем выход сканирующего фотодетектора соединен непосредствен25 но с первым входом компаратора и через последовательно соединенные . пиковый детектор и масштабный усилитель с вторым вХодом компаратора, выход компаратора соединен с входом

З0 электронного ключа, с первым управляющим входом, счетчика и управляющим входом блока распределения памяти, к выходу которого последовательно подключены блок памяти, блок вычисления

З5 дисперсии и регистрирующий прибор, причем выход электронного ключа соединен с вторым входом пикового детектора, второй управляющий вход счетчика соединен с вторым выходом генератора цифровой развертки, третий выход блока управления сканированием подключен к третьему управляющему входу счетчика, выход которого соединен с входом блока рас-. пределения памяти.

Принцип работы устройства основан на зондировании атмосферы коротким световым. импульсом, сформированным коллимирующей оптической систе-: мой источника излучения, причем изоб:- . ражение локализованного в пространст .ве объема, заполненного световым импульсом, анализируется в фокальной . плоскости приемной оптической системы. Смещение центра тяжести этого иэображения от оптической оси .приемной системй определяется, (в фиксированный момент времени. )степенью турбулентности на трассе от,местоположения светового импульса до приемной

60 апертуры. Осуществляя слежение за центром тяжести изображения объема, заполненного световым импульсом, распроСтранякицимся по трассе с любым наклоном к земной поверхности, по измеренному значению дисперсии уг-. . 1103120

65.3

- лового смещения координаты центра тяжести судят о профиле параметра Сд)

- 4

На фиг. 1 представлена структур-. ная схема устройства; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит источник из-. лучения 1, приемный объектив 2, в фокусе которого расположен сканирующий фотодетектор 3, выход которого соединен с последовательно соеди-. ненными пиковым детектором 4, мас.штабным усилителем 5 и первым входом компаратора 6, а также непосредствен" но с вторым входом компаратора б, блок управления сканированием 7, первый выход которого подключен к. генератору цифровой развертки 8, выходы которого подключены.соответственно к сканирующему .фотодетектору

3 и к второму управляющему входу .счетчика 9, второй выход блока уп- . равления сканированием 7 соединен о входом источника излучения 1, а его третий выход подключен к третьему управляющему входу счетчика 9 .

Выход. счетчика 9 подКлючен к последовательно соединенным блоку распределения памяти 10, блоку памяти 11, блоку вычисления дисперсии 12 и регистрирующему прибору:

13, причем выход компаратора 6 подключен к первому управляющему входу счетчика 9,. к второму входу блока распределения памяти 10 и к входу электронного ключа 14, выход которого подключен к второму входу пикового детектора 4.

Устройство работает следующим, образом.

Последовательность световых им-. пульсов, сформированных источником излучения 1, посылается в атмосферу.. Приемный объектив 2 строит в фокальной плоскости изображение сечения рассеивающего объема, обра-. зованного световым импульсом при

era распространении в атмосфере.

Анализ светового .фокального пятна . производится сканирующим фотодетектором 3, например диссектором с. прямоугольным вырезывающим отверстием, причем размер формируемого изображения меньше вырезывающего отвер.. стия. Сканирование осуществляется краем вырезывающего отверстия. При ,этом интегрирование реализуетсянепосредственно в диссекторе, а на выходе диссектора формируется видео.импульс, форма и длительность кото" рого определяются распределением интенсивности в фокальном изображении и его размером.

Рассмотрим работу устройства в фиксированный момент времени, т.е. предположим, что импульс неподвижен в точке измерйтельной трассы. Макси.мальная амплитуда видеоимпульса запоминается пиковым детектором 4, делится масштабным усилителем 5 пополам и поступает на вход компаратора 6.. При сканировании краем вырезывающего отверстия видеосигнал, пропорциональный интенсивности светового пятна, поступает на второй вход компаратора б.и в течение второй поло-. вины кадра сравнивается с половиной записанного в пиковом детекторе 4 видеосигнала.

Я На фиг. 2 представлены временные диаграммы сигналов: на выходе сканирующего фотодетектора 3 -15, пиковом детекторе 4 — 1б, счетчике 9 . — 17, и синхроимпульсы 18 и 19 в случае использования генератора треугольной цифровой разверткй. До момента равенства напряжений на входах компаратора 6 счетчик 9 считает число такТк тов с момента времени 2 . При равен20 стве сигналов на входах компаратора б на его выходе формируется логичес. кий перепад — команда запрета на счет, которая поступает на .первый управляющий вход счетчика 9, а также на электронный ключ 14, который счищает пиковый детектор 4. число тактовых импульсов М, равное координате центра тяжести светового пятна, с выхода счетчика 9 поступает в блок

ЗР распределения памяти 10, которыйпредназначен для распределения информации по ячейкам блока памяти 11.

Блок памяти 11 представляет собой матрицу ячеек памяти с строками и

К столбцами. При прохождении последовательности(пакета)импульсов в каждой иэ K ячеек строки записывается значение координаты центра тяжести светового пятна для определенной

4п фиксированной точки щ измерительной .трассы. В блоке вычисления дисперсии

12 вычисляется дисперсия отклонения центра тяжести светового пятна и по вычисленному значению дисперсии в

45 регистрирующем приборе 13 определяется значение структурной характеристики С„. Влок управления 7 служит

Я для синхронизации запуска источника излучения 1 и формирования тактовых импульсов запуска генератора цифро5О вой развертки 8 и кадровых синхроимпульсов.

Частота развертки выбрана такой чтобы за время распространения светового импульса вдоль измеритель55 ной трассы можно просканировать.краем выреэывающего отверстия .нескольво раз изображение рассеивающего объема, т.е. частота развертки должна

Т . удовлетворять условию t =tn --<,где

Т - период кадровой развертки; щ определяет число точек вдоль йзме.рительной трассы. За время распространения одного импульса в каждой иэ этих в .точек определяются коорди1103120 наты центра тяжести светового пятна 1 числовые коды 8 которых поступают через блок распределения памяти 10 в соответствующие m ячеек первого столбца матрицы блока памяти 11. При распространении второго и последующих Kсветовых импульсов заполняются соответственно второй и последующие

К столбцов матрицы ячеек блока памяти 11, причем по rn -й строке записываются значения координат: 10

Х „= (Mmes-й(к„1) т.е. определяется приращение координаты на участке N измерительной трассы для выполнения условия однородности турбулентности по трассе при вычислении структурной постоянной показателя преломления C

В блоке вычисления дисперсии 12 по формуле 20 где F — фокусное расстояние приемно- 25 го объектива, определяется дисперсия отклонения . координаты центра тяжести для участка т измерительной трассы.

Проделав такие вычисления диспер- 30 сии отклонения для каждого участка трассы, получаем профиль дисперсии бg(h) вдоль всей трассы.

В регистрирующем приборе вычисляются значения С для участков иэ- З5 мерительной трассы по формуле

40 где — длина измерительной трассы — диаметр светового пучка на выходе передатчика.

Проделав вычисления во всех точках измерительйой трассы, получаем 45 распределения Cä(Ü) вдоль трассы или

Е высокий профиль структурной постоянной показателя прелОмления турбулентной атмосферы.

Таким образом, эондируя последовательностью световых импульсов измеряемую трассу и отслеживая флуктуации центра тяжести иэображения рассеивающего объема, заполненного световым импульсом, при его распространении в атмосфере в точках трассы, получаем высотный профиль структурной характеристики С2, причем с высокой точностью.

Приведем расчет некоторых параметров устройства для конкретной трассы.

При зондировании турбулентности по трассе длиной 5 км время распространения импульса до приемной апертуры 30 .мкс. Число участков трассы выбирается равным 10,т.е. по 500 м каждый участок, что определяет величину кадровой частоты 1„ =330 кГц.

Величина тактовой частоты определяется выбором длины развертки, связанной с размером фокального иэображения светящегося объема. При выбранной трассе этот размер близок к дифракционному и на практике не превышает 150 мкм. В этом случае длина раэвертки с эапасом должна быть равной +300 мкм, что при организации восьмираэрядного генератора цифровой развертки (на половину кадрового периода ) составляет линейное смещение вырезывающего отверстия на один тактовый импульс 1,1 мкм, а тактовая частота f =170 мГц. Точность измерения координаты центра тяжести равна 1,1 мкм, что при фокусе объек- тива. =2м и определяет угловое разрешение устройства 0,1 и диапазон измерений +25 . Этот диапазон и точность вполне удовлетворяют условиям реальной атмосферы.

Изобретение позволяет реализовать возможность оперативного измерения профилей структурной характеристики показателя преломления атмосферы вдоль трасс с любым наклоном к земной поверхности. ггозг2о

ЬаУ . сюлячма

Йчриинаулаеа

ВНИИПИ Заказ 4970/32

Тираж 823 Подписное

Филиап ППП "Патент", г.Уагород,ул.Проектная,4