Способ определения интегрального группового показателя преломления воздуха

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЯЬИОГО ГРУППОВОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЗДУХА путем передачи, приема н измерения величины девиации несущей частоты прошедших в воздушной среде исследуемой трасры модули:роваиных по амплитуде электромагнитных колебаний и последующего определения по результатам измерения показатели , преломления воздуха, о т л ичаюй (ийся тем что, с целью расширения частотного диапазона измерений Показателя преломления в область радиочастот, дополнительно измеряют, по крайней мере еще одну девиацию несущей частоты, разнесенной по спектру оТ первой несущей частот на величину U i , измеряют температуру воздуха в местах излучения и приема электромагнитньк колебаний, а искомый показатель преломления воздуха ftp находят по формуле , . Л .t.,-N,., Ч «./ z-ota/i, Г т 1 «, где «.nVCfioi-VfO ico; N: mSEMl2Tr c5&iOH5cu где Пд - показатель преломления i -и несущей частоты со; в стандартных условиях; С - скорость света в вакууме; m - коэффициент амплитудной модуляции; Q - круговая частота модуляции; AGJ; - измеренная девиация i i -и несущей; D - длина трассы; ВиС - дисперсионные коэффициенты формулы Коши для стандартных условий; Т - средняя температура воздуха (Л на концах трассы; oi,, коэффициенты формулы Баррела-Сирса; k jkjHk-)- коэффициенты формулы Фрума Эссена, причем величину разнесения оптических несущих колебаний по спектру 4 ui определяют по формуле О У-Т-дНр .дЬ СО 00 где &NP - заданная точность определения показателя преломления ; воздуха в радиодиапазоне частот; AN; точность определения индекса преломления в оптическом диапазоне частот; I V средняя длина волны; скорость электромагнитных колебаний в воздушной среде.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (l9) (l l l

4(sl) G 01 И 21/41 .ФВСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ЙО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ДЕЛ ОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ ай=

М Т ° 4М

I Ú .6N; где бар заданная точность определения показателя преломления воздуха в радиодиапазоне частот;

aN;— (21) 3571831/24-25 (22) 01.04.83 (46) 07.03.85. Бюл. И- 9 (72) А.С. Медовиков и В.П. Глумов (74) Владимирский политехнический институт (53) 535.24(088.8) (56) 1. Приленин N.T, Голубев А.И.

Инатр юентапь»»ые методы геодезической рефрактометрии. — Итоги науки и техники "Геодезия и аэросъемка", т. 15, N., ВИНИТИ, 1979, с. 80-82.

2. Авторское свидетельство СССР

В 542127, кл. G 01 N 21/41, 1977 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ГРУППОВОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЗДУХА путем передачи, приема н измерения величины девиации несущей частоты прошедших в воздушной среде исследуемой трассы модулированных по амплитуде электромагнитных колебаний и последующего определения по результатам измерения показателя, преломления воздуха, о т л ич а ю щ н и с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона измерений Показателя преломления в область радиочастот, дополнительно измеряют. ло крайней мере еще одну девиацию несущей частоты, разнесенной по спектру от первой несущей частот на величину 61, измеряют температуру воздуха в местах излучения и приема электромагнитных колебаний, а искомый показатель преломления воздуха и находят по формуле г ъ б Hz "zp» K>i 1»Жг- Nzg»

Лпр-Мо = + К i —

"»(r 1 Т»4 2- Zл где

2 б

52. Сб(-»)»О ая; g 2(»27izС ЬЬУ;» 5сса

1 где и — показатель преломления i -й

О1 несущей частоты ы„в стандартных условиях;

С вЂ” скорость света в вакууме; в — коэффициент амплитудной модуляции;

Q — круговая частота модуляции

AQ; — измеренная девиация » -й несущей;

D — длина трассы;

Ви С вЂ” дисперсионные коэффициенты формулы Коши для стандартных условий;

7 — средняя температура воздуха на концах трассы; и» иP»Z коэффициенты формулы Баррела-Сирса;

k„k и k - коэффициенты формулы ФрумаЭссена, причем величину разнесения оптичес ких несущих колебаний по спектру

hk определяют по формуле точность определения индекса преломпения в оптическом диапазоне частот; средняя длина волны; скорость электромагнитных колебаний в воздушной среде.

Ф 1144033

Изобретение относится к исследованию атмосферы оптическими методами и может быть использовано в геофизике, радиогеодезии.

Известен дисперсионпый способ определения интегрального показателя преломления воздуха в радиодиапаэоне, основанный на СВЧ-рефрактометрии, согласно которому производят измерения метеопараметров в одной или двух ® точках иа коьцах трассы, вычисляют средние значения метеопараметров по

Формуле Фрума-Эссена, находят искомый нокаэатель преломления Я .

Укаэанный способ имеет низкую точ- 1 ность.

Наиболее близким к предпагаемому го технической сущности является,способ определения интегрального группового показателя преломиения воздуха рп где путем передачи, приема и измерения величины девиа р2и несущей частоты прошедших в воздушной среде модулиро- ванных по амплитуде колебаний и последующего определения по реэульта- 2g там измерения показателя преломления воздуха (2) .

Известный способ применим для определения интегрального показателя преломления ввоздуха только В онч и 3Q ческам диапазоне. Это объясняется тем, что для радиодиапазона дисперсия воздуха ничтожно мала поэтому

Фазовая и групповая скорости совпадают и, следовательно, девиация несущей частоты ничтожно мала..

Цель изобретения - расширение частотного диапазона измерений пака- зателя преломления в область радиочастот, т.е. получение интегрального 4© показателя преломления воздуха для радиовойн путем зондирования атмосферы в оптическом диапазоне. приема и измерения величины девиации несущей частоты прошедших в воздушной среде исследуемой трассы модулированных по амплитуде электромагнитных колебаний и последующего определений но результатам измерения воздуха дополнительно измеряют но крайней мере еще одну девиацию несущей частоты, разнесенной по спектру от первой несущей частоты на величину

hf измеряют температуру воздуха в местах излучения и приема электро" магийтних колебаний, а и:комый показатель преломяения воздуха «2 нахоГ дят о Формуле

X» P2, -Я Pô, 3 ««1« « 2 ««2« «

In -« «О =, 4k »вЂ” М1Р2-Ж P« «! +I(2 « « 2 Р1

{1) .

I где ««с, — показатель преломления» -й несущей частоты И„ в стандартных условиях; — скорость света в вакууме;

«22 - коэффициент амплитудной модуляции;

- круговая частота модуля-. ции, ь 6 ; — измеренная девиация -й несущей колебаний; — длина трассы;

B u G — дисперсионные коэффициенты формулы Коши для стандартных условий;

Т вЂ” средняя температура воздуха на концах трассы; иP — коэффициенты формулы Баррела-Сирса;

k и L. — коэффициенты Формулы Фрум 9 ма-Эссена, причем величину разнесения оптических несущих колебаний по спектру 4 определяют по формуле ть«« ь|=

k ú Ä, где 4" p " заданная точность определенин показателя преломления воздуха в радиодиапазоне частот;

М„ — точность определения индекса преломления в оптическом диапазоне частот; h — средняя длина волны;

Особенность такой постановки задачи заключается в том, что чувст- 45 вительность радиометодов зондирования низка, а в оптическом диапазоне разработаны сравнительно простые и высокочувствительные способы определения интегрального показателя нре- 50 лоипения. Поэтому целесообразно применить оптические измерения для определения показателя преломпения

« воздуха в радиодиапазоне.

Поставленная цель достигается тем,Я что согласно способу определения интегрального группового показателя преломления воздуха путем передачи, 323 с (и«>:,-1««0 6Я;, ()

« Я 3(«Ы C2Ü««ÿ;»ÁÑÿ,1

033

3 1144 1 - скорость электромагнитных колебаний в воздушной сре-, де.

На чертеже представлена блок-схема устройства для реализации способа.

Способ осуществляют следующим образом.

Излучение источника 1 проходит через удвоитель 2 частоты, модулятор

3, светоделитель 4.и через передаю- 10

1щий объектив 5 идет на дистанцию 2

После отражения от отражателя 6 излучение проходит через приемный объектив 7 и падает на дихроичное зерка-. ло 8, сквозь которое проходит только излучение частоты Q. Это излучение проходит через светоделитель 9, на котором сМешивается с .опорным пучком от светоделителя 4 и падает на фотоприемник 10. Излучение частоты с = 2О

= 2 И1 отражается от дихроичного зеркала 8, зеркала 11 и на светоделителе 12 смешивается .с опорным излучением. На фотоприемниках 10 и 13 опорные и дистанционные световые пучки смешиваются, а поскольку дистанционные пучки получают при распространении в воздухе девиации частот aR и р соответственно, то на подключеннь:х к фотоприемникам частотомерах 14 и

15 можно измерить девиации частот..

Способ реализуют при помощи неодимового лазера, = 1,06 мкм, вторая длина волны получена путем генерации второй гармоники g = 0,503 мкм.

Л

Измеренные девиации частот состав;ляют 1,053 и 1,077 кГц. Показатель преломления на трассе 12,8 км имеет значение 1,000271. воздуха в радиодиапазоне мала, что " вообще не позволяет использовать дисперсионный способ вне полос поглощения. Таким образом, кроме метеорологического способа, т.е ° определения по измерениям метеопараметров, в радиодиагаэоне нет другой возможности выполнить коррекцию измерений к свободному пространству. Ввиду непредставительности метеопараметров, которые измеряют на концах трассы, точность измерений состав-5 ляет порядка 10 (в относительных единицах).

В оптическом диапазоне ситуация обратная, так как дисперсия показателя преломления достаточно велика и можно использовать дисперсионный способ в сочетании со способом, основанным на измерении девиации опти1ческой частоты. Измерение девиации частоты по крайней мере для двух оптических несущих частот дает возможность решить обратную задачу, т.е. определить средние по трассе значе ния метеопараметров, а затем по известным метеопараметрам определить искомый показатель преломления в радиодиапазоне.

Возможно использовать несколько оптических несущих, при этом рабочие формулы будут иметь аналогичный вид для любой пары длин волн,а окончательный результат следует получать с использованием :етода наименьших квадратов. Однако увеличение числа длин волн приводит к резкому усложнению технической реализации способа, Сущность изобретения основана на 40 следующем. Известно, что в радиодиапазоне влияние влажности на показатель преломления воздуха примерно в

100 раз больше, чем в оптическом диапазоне. Поэтому для точных определе-45 ний юг необхоДимо точно измеРить .влажность вдоль пути распространения .волн. Применение дисперсионного способа для достижения указанной цели, т.е..изменение разности оптических 5О путей (фаз) для двух волн даже в полосах поглощения водяного пара малоэффективно, так как при больших длинах волн (радиодиапазон) разность фаз мала, а точность фазовых измере- у ний в радиодиапазоне ограничена

0 02 рад. С другой стороны, нормальная дисперсия показателя преломления .

Пределы разноса оптических частот по спектру определяются требованиями к точности определения показателя преломления воздуха в радиодиапаэоне. Дифференцируя основную формулу для показателя преломления и в ра- диодиапазоне

1 ь г 2 ("1 г-"г 1 (пр1 IQ N Ê + Кг и полагая ь. <, получим й, ь|

Ь| р= — — = — — ) Р2 р 1 а где 6,Й; — точность измерений индекса преломления в оптическом диапазоне; средняя длина волны.

1144033

Составитель С. Голубев

Редактор В. Петраш Техред М.Гергель . Корректор А. Обручар

Заказ 897/36 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Отсюда для диапазона разности оптических длин волн имеем

Прн g 0,5 мкм,Т= 300 К, дй„= 10, 4Мр= 1, получим 45 = 0,6 мкм.

С увеличением требований к точности определения показателя преломления воздуха в радиодиапазоне необходимо увеличить разнос оптических длин волн или увеличить точность измерений в оптическом диапазоне.

Использование изобретения позво» лит одним и тем же устройством определять показатель преломления как в оптическом, так и в радиодиапазоне.

Это особенно важно для радиодиапазона, так как в укаэанной области существующие технические решения сложны в осуществлении и недостаточно чувствительны.

Использование изобретения в морской геодезии позволит значительно noBbIcHTb точность привязочных работ в районах шельфа.