Способ определения спектральных оптических характеристик атмосферы

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц5 G 01 N 21/47 гОсудАРстВеннОе пАтентнОе

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3592699/25 (22) 15.02.83 (46) 30.03.93. Бюл, N. 12 (71) Институт оптики атмосферы СО АН

СССР (72) Б.С. Костин и И.Э. Наац (56) Авторское свидетельство СССР

М 538313, кл; 6 01 W 1/00, 1975.

Наац И.Э. Теория многочастотного лазерного зондирования атмосферы. Новосибирск, "Наука" 1980, с. 80-91, 154, (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

АТМОСФЕРЫ путем посылки в исследуемый объем атмосферы импульсного лазерного излучения на нескольких длинах волн и регистрации обратно рассеянного излучения, о т лИзобретение относится к области атмосферной оптики и предназначено для определения спектральных оптических характеристик (коэффициентов обратного рассеяния и ослабления) атмосферы в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра при условии значительной пространственной неоднородности атмосферы. Оно может быть также использовано для определения оптических характеристик атмосферного аэрозоля в ультрафиолетовой области спектра. где измерение этих характеристик выполняется со значительными ошибками из-эа сильного молекулярного поглощения излучения.

Наиболее близким к изобретению является способ определения спектральных оптических характеристик атмосферы,,, ЯЦ „„1143180 А1 и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности в условиях оптически неоднородной атмосферы, посылают излучение по . меньшей мере на трех длинах волн, не менее половины из которых в видимой области спектра, а другие — в ближней инфракрас- . ной, затем с противоположной стороны встречно посланному излучению посылают дополнительно излучение на длине волны, совпадающей с центральной длиной волны спектрального интервала ранее посланного излучения, регистрируют рассеянное в обратном направлении дополнительное излучение от исследуемого объема и по результатам регистрации обратно рассеянного основного и дополнительного излучений судят об искомых оптических характеристиках. который осуществляется путем посылки в исследуемую среду импульсного лазерного излучения на нескольких длинах волн и измерения потоков излучения, рассеянных этой средой в обратном-направлении, по которым определяют искомые параметры.

При определении спектральных оптических характеристик (коэффициентов обратного рассеяния и ослабления) искомые значения коэффициентов обратного рассеяния определяются путем итерационного решения системы уравнений лазерного зондирования, связывающих измеренные на каждой частоте (длине;волны) потоки излучения с определяемыми оптическими характеристиками атмосферы. Значения коэффициентов ослабления определяются путем матричного умножения

1143180 импульсного излучения. которые обеспечиваютмалыедлительности импульсов, достигается высокое пространственное разрешение s определении искомых параметров. В целях обеспечения приема только обратно рассеянных потоков излучения на совпадающих длинах волн лазерные локаторы работают попеременно, т,е. излучение каждого из последующих импульсов начинают по завершении приема встречного зондирующего импульса. Этим же облегчается автоматизация процесса измерений.

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего способ.

На концах измерительной трассы располагаются источники лазерного излучения

1 и 2. Рядом с источниками располагаются фотоэлектрические приемники 3 и 4 с углами поля зрения, целиком охватывающим исследуемый рассеивающий обьем, Блок запуска 5 обеспечивает попеременное включение источников 1 и 2. От источника 1 импульсы на длинах волн Л1, Л2, Лз ....направляют в исследуемый рассеивающий объем. Потоки излучения, рассеянные в обратном направлении этим обьемом, поступают нэ .фотоприемник 3 и далее на регистрирующее устройство 6. После этого блок запуска 5 включает источник 2, импульс от которого направляют в тот же исследуемый рассеивающий обьем и фотоприемником 4 и регистрирующим устройством 7 принимают излучение, рассеянное в обратном направлении. Подобные измерения проводят, перемещая рассеивающий объем по измерительной трассе с шагом, равным протяженности рассеивающего обьема. Сигналы с регистрирующих устройств 6 и 7 поступают в ЭВМ, где обрабатываются по заданному алгоритму и определяются искомые параметры.

Алгоритм определения искомых параметров основан на решении уравнений лазерного зондирования, связывающих регистрируемые устройствами 6 и 7 сигналы с оптическими характеристиками рассеивающего объема

Р1(Е,Лс)= Ро1(Лi) 81(Л i)Z2 Pд(ЕЛt) ехр

{-2 / /ex(Z.kt)dZ г, I 1,2,3...„n (2)

Рг(М) = Ро2(Лc) В2(Лс) z,87т(2.Лс) ехр

{-2 (2 )Вех (Z Лс) dZ ) (3) где Ро1(Л !) — мощность посылаемого источником 1 импульса на длине волны il ;

Р 1(Z, Л t ) — величина принимаемого фотоприемником 3 и регистрирующим устройством 5 сигнала. отраженного оТ рассеивающего объема с координатой Z;

В1(Л ) — эппаратурная постоянная;

/У;г(Z Л1) и /?ex(Z Л ) — оптические ха рактеристики (коэффициенты обратного рассеяния и ослабления) рассеивающего объема на длине волны

Z1 — координата источНика 1;

Ро2(Л c) — мощность посылаемого источником 2 импульса на длине волны Лс, совпадающей с центральной длиной волны источника 1;

P2 (z, Л,) — величина сигнала, принимаемого фотоприемником 4 и регистрирующим устройством 7.

Авторами разработан обобщенный метод оптического оператора и итерационный метод решения уравнений лазерного зондирования. Сущность обобщенного метода оптического оператора заключается в следующем: имеются две оптические характеристики, определенные в различных спектральных интервалах

31(Z. Л ), i = 1,2.3,..., n;

p2 (Z, Л1), J = 1,2,3,....m . (4) 35

P1(z.Л1) =)„к1(г,Л )з(г,г)1 г (6)

P2(Z.Ay)= j К2(г,Л))З(Е,г)0г(6) 40 где К1(г, Л > ) и К2 (r, Л g) — соответствующие оптическим характеристикам факторы эффективности, которые определяются теорией рассеяния излучения в рассеивающей среде;

S(Z,r) — характеризует микроструктуры среды.

Если из выражения (5) определить S (Z,r) и подставить ее в (6), то получим однозначное соответствие между оптическими характеристиками (4) в виде

Р2 =Nt2P1 (7) где P — вектор, компонентами которого являются значения оптической характеристики f32 (z, Л1);/1 — вектор, компоненты которого значения оптической характеристики p1(Z,Лi);

Х2 — оптический оператор, представляющий собой матрицу m и и определяющий

30 где Л не совпадает с Л;, а и не обязательно равно m. Оптические характеристики рассеивающей среды связаны с ее микроструктурой соотношениями вида:

1143180

20 преобразование оптической характеристики

/3 (Z,Л/) в характеристику/З (Z, Л/ ), Тогда на основе теории раСсеяния излучения рассеивающей средой можно построить оператор (матрицу), устанавливающий однозначное соответствие между одной или различными оптическими характеристиками, заданными в различных спектральных интервалах, на различных длинах волн.

Разработанный метод оптического оператора позволяет определить оптические характеристики атмосферы в более широком спектральном интервале, чем интервал длин волн, на которых работает источник 1.

Искомые оптические характеристики атмосферы определяются путем матричного умножения где P oã вектор, имеющий размерность и, равну1о числу рабочий длин волн источника

1, и компонентами которого являются определенные на этих длинах волн из уравнений лазерного зондирования (2) значения коэффициентов обратHoio рассеяния;

/3д- — век гор, имеюгций размерность

Гп, равную числ j длин волн, HB которых требуется определить искомые параметры, и

«Омпонентами коорого являются искомые значения коэффициентов обратного рассеяния: ,"/ ех — вектор, имею ций размерносгь rn, компонентами которого являю1ся искомые зна.ения коэффициентов ослабления;

W x» W ех — матрицы, имеющие размерность m х и, элементь которых зависят от среднего значения показателя преломления в рассеивающей среде и рассчитываются на основе теории рассеяния излучения в среде, Необходимым условием при расчете матриц Й/ д и W ех является то, чтобы последовательность длин волн, на которых определ яются искомые параметры, содержала значения рабочих длин волн источника 1, Это обусловлено построением алгоритма итерационного решения системы уравнений лазерного зондирования (2), При практической реализации метода оптического оператора в способе предварительно с помощью ЭВМ рассчитываются две последовательности матриц (W т) и(W ех ) для различных значений среднего показателя преломления и хранятся в памяти ЭВМ.

Алгоритм осуществляется следующим образом.

40 15

/iç уравнения лазерного зондирования (3) и одного из уравнений(2), записанного для той же длины волны (длина волны, на котооой работает источник 2), определяются значения коэффициентов обратного рассеяния и ослабления на этой длине волны. Коэффициент обратного рассеяния пропорционален произведению встречных сигналов от рассеивающего обьема. Это значение используется для построения итерационного процесса, Коэффициент ослабления пропорционален отношению произведений встречных сигналов при последовательном смещении на один шаг рассеивающего обьема. Найденное значение коэффициента ослабления используется для выбора конкретных значений матриц

И/ 7г и У!,„из последовательностей, хранящихся в ЭВМ, На первом шаге итерационного процесса задаются некоторыми значениями (например, нулевыми) коэффициентов ослабления на длинах волн источника 1 и из уравнений (2) определяют значения коэффициентов обратного рассеяния для этих же длин волн. Из последовательностей оптических операторов, хранящихся в памяти

ЭВМ, выбираются некоторые значения й/уи й/ к . В соответствии с (8) определяется спектральная зависимость коэффициентов обратного рассеяния и ослабления.

Значения коэффициентов ослабления для длин волн. на которых работает источник 1, подставляют в уравнения (2) и из этих уравнений определяют следу .ощее приближение коэффлциентов обрагного рассеяния для тех же длин волн. Значение коэффициента обратного рассеяния, рассчитанное для длины волны источника 2, сопоставляется со значением коэффициента обратного рассеяния для этой же длины, найденного из совместчого решения уравнений (2) и (3).

Если разность между ними велика, то осуществляется следующий шаг итераций, Если же эта разность мала, то проверяется величина разности между значением коэффициента ослабления, полученным из решения уравнений (3) и (4), и значением коэффициента ослабления, рассчитанным с помощью матрицы М4х для рабочей длины волны источника 2, Если разность велика, то из последовательностей, хранящихся в памяти ЭВМ, выбирается следующая пара матриц W д. и W è осуществляется следующий шаг итераций. Если же и эта разность мала, то найденные с помощью матриц спектральные оптические характеристики принимаются за искомые параметры.

1143180

Составитель Б.Костин

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л.Ливринц

Редактор О,Филипова

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

Заказ 1963 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5