Способ определения прозрачности атмосферы

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЗРАЧ НОСТИ АтаОСФЕРЫ путем йосылки в атмосферу под углом к горизонту по трассе зондирования светового импул са, преобразования обратно рассеянных сигналов в сигналы электрическо тока и накопления в пределах исслед емого слоя и всей трассы зондирован с последующим определением их отнош ния, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, посылают в атмосферу дополнительный световой импульс под другим углом к горизонту, преобразуют и накапливают обратно рассеянные сигналы аналогично преобразованию и накоплению обратно рассеянных сигналов основного светового импульса, при этом время от момента посылки дополнительного импульса до начала накопления и промежутки времени накопления устанавливают пропорционсшьными соответствующим промежуткам времени при посылке основного светового импульса с коэффициентом пропорциональности, равным отношению синусов углов посыпки основного и дополнительного импульсов, и по двум отношениям накопленных сигналов судят об.их искомом параметре . у.

„„SU„„11 321?

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3521598/24-25 (22) 16.12.82 (46) 23.06.85. Бюл. Ф 23 . (72) В.А.Ковалев и В.M .Èãíàòåíêo (71) Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова (53) 551.508.9(088.8) (56) 1..Авторское свидетельство СССР

Р 412581, кл. G 01 W 1/00, 1974.

2. Авторское .свидетельство СССР

Ф 390401, кл. G 01 W 1/00, 1973 ° (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНОСТИ АТМОСФЕРЫ. путем Посылки в атмосферу под углом к горизонту по трассе зондирования светового импульса, преобразования обратно рассеянных сигналов в сигналы электрического тока и накопления в пределах исследуемого слоя и всей трассы зондирования с последующим определением их отноше4(51) G 01 N 21 47 G 01 W 1 00 ния, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, посылают в атмосферу дополнительный световой импульс под другим углом к горизонту, преобразуют и накапливают обратно рассеянные сигналы аналогично преобразованию и накоплению обратно рассеянных сигналов основного светового импульса, при этом время от момента посылки дополнительного импульса до начала накопления и промежутки времени накопления устанавливают пропорциональными соответствующим промежуткам времени при посылке основного светового импульса с коэффициентом пропорциональности, равным отношению синусов углов посыпки основного и дополнительного импульсов, и по двум отношениям накопленных сигналов судят об их искомом параметре.

3217

1 116

Изобретение относится к атмосферной оптике, может быть испольэованб при лидарном зондировании атмосферы для определения параметров атмосферы па .ослаблению световых сигналов в S нижних слоях атмосферы и предназначено преимущественно для определения .наклонной дальности видимости на аэродромах; при использовании двухчастотного зондирования может быть применено для определения концентрации газовых составляющих в атмосфере, исследования источников загрязнений и так далее в мониторинге за состоянием окружающей среды. 15

Известен способ определения проз" рачности атмосферы, сущйость которого заключается в том, что принятыевэхосигналы лидара накапливают в течение двух различных промежутков времени, 20 соответствующих протяженности всей трассь зондирования и ее части, равной величине элементарного разрешаемого по дальности объема атмосферы, и по отношению накопленных сигналов 25 судят о прозрачности (1 j.

Недостатками этого способа являются невысокая точность и неоднозначность получаемых результатов при отсутствии дополнительной информации щ об оптическом состоянии атмасферы.

Наиболее близким к изобретению является способ определения прозрачности атмосферы путем посылки под углом к горизонту по трассе зондиро- З5 вания светового импульса, преобразования обратно рассеянных световых сигналов в сигналы электрического тока и накопления в пределах исследуемого слоя и всей трассы эондиро- 4О вания с последующим определением их отношения 12 3, Недостатком известного способа является возможность появления значительных и трудно контролируемых 45 погрешностей измерения в тех случаях, когда максимальное значение накопленного сигнала не достигает насыщения, т.е. когда оптическая толщина Т атмосферы в пределах дальности дейст-у вия лидара меньше тех значений, при которых наступает насыщение. Эта приводит к тому, что при определении профиля прозрачности появляется фиктивное возрастание показателей ослаб- ления, особенно существенное в конце зондируемой трассы. Для устранения этого требуется дополнительная информация аб оптическом состоянии атмосферы на каком-либо участке зондируемай трассы.

Целью изобретения является повышение точности способа.

Эта цель достигается тем, что при способе определения прозрачности атмосферы путем посылки в атмосферу под углом к горизонту па трассе зондирования светового импульса, преобразования; обратно рассеянных световых сигналов, скорректированных на квадрат расстояния, в сигналы электрического тока и накопления в пределах исследуемого слоя и всей трассы зîHpHpования с последующим определением их отношения, посылают дополнительный световой импульс под другим углом к горизонту, преобразуют и накапливают обратно рассеянные сигналы аналогична преобразованию и накоплению обратно рассеянных сигналов основного светового импуль-, са, при этом время от момента посылки дополнительного импульса до начала накопления и промежутки времени накопления устанавливают пропорциональными соответствующим промежуткам времени при пасыпке основного светового импульса с коэффициентом пропорциональности, равнйм отношению синусов углов посылки основного и дополнительного импульсов, и по двум отношениям накопленных сигналов судят об искомом параметре.

На чертеже показана схема зандирования.

На схеме линия I соответствует поверхности Земли, линии 2 и 3 соответствуют нижней и верхней границам горизонтального слоя DH, в пределах которого прозвадится накопление сигналов: о — точка, в которой установлен источник световых импульсоь (лидар); Ч вЂ” угол, под которым посылают основной световой импульс;

М- угол пад которым посылают дополнительный световой импульс; горизонтальный слой, прозрачность которога пад заданным углом Ч определяется; д h д* — горизонтальные слои атмосферы, составляющие часть исследуемого слоя

Накопление сигналов производится на участках ас и Ьс при зондировании пад заданным углом к горизонту и на участках df и еf при зондировании под углом (можна вместо

1163217

6=Э /3 = 1 е.1+ Т> (0) 15

Э1!1 !!

m=.=2

5in М

S (RjdR Т;-3

1- .«

Ъ !1«С (2) S (Rj ofR

Г

S (Rjdp е .7,„=

3 (R) dR участков накопления Ьс u ef выбирать соответственно участки 1 ъ и d e

Взаимное расположение участков определяется соотношениями

ОД=Ы .; .1Ю= с;,f Ьс Sinу э 11 4 э1!! Y

511! V

Дополнительный угол зондирования может быть выбран или больше, или меньше заданного угла 9 . При этом, если заданный угол Ч велик и синус его блоэок к единице, дополнительный угол !! должен быть меньше угла Ч; если заданный угол 9 мал, то следует выбирать угол !! больше угла 1 . Для упрощения математических выкладок, разъясняющих сущность способа, приводится частный случай решения, когда отношение синусов углов Y u V

Отношения накопленных сигналов

31 и Э1, следующие: с

d где S (R) и 5+(R) — скорректированные на квадрат расстояния сигналы обратного рассеяния, полученные с

" расстояний R от лидара под углами зондирования Ч и У соответственно.

Подставляя значения 521(R) и

5 2(R), определяемые уравнением лазерной локации, в формулы (2) и (3), и учитывая выражение (1), после несложных преобразований получаем:

Т,-Т, (1

Т2 Т2

3—,! (5)

Т

Т.=е1!р(j и Т =екр(- . )

Sin 9 ) Z (. э!1!! с(. и Ы. — средние показатели

« ослабления слоев

Clh, и 4 Н соответственно;

5 Значения Т; и Т определяют прозрачность атмосферы на участках трассы 2!!Ь и c . При выводе формул (4) и (5) принято условие постоянства средних показателей ослабления д(; и

1О oL - a пределах соответствукяцих горизонтальных слоев ьЬ; и ««Н, Введя вспомогательный параметр и решая систему уравнений (4) и (6), можно определить прозрачность Т.

1 слоя 21 Ь. под углом п„,в-(в+,)

В+.7,„- г а также общую. прозрачность Т слоя

bH под тем же углом 2(25 однако эта величина, как показывает анализ, определяется с большой погрешностью.

Способ при определении профиля и общей прозрачности горизонтального слоя атмосферы толщиной dh; под

35 заданным углом Ч к горизонту осуществляют следующим образом.

В зависимости от заданного значения угла Ч и диапазона измеряемых помутнений выбирается значение допол40 нительного угла зондирования Y . При этом при более плотных значениях помутнений должны выбираться меньшие значения m (m 1,2 — 1,5), при высоких прозрачностях m 2 — 3. Выбор

45 значений rn (1,2 не целесообразен, так как протяженность трасс мЬ и

de в этом случае становится почти одинаковой и погрешность измерения резко вырастает. При m 3 — 4 допол5О нительный угол !1 приходится выбирать очень малым по величине, что связано с большими погрешностями его установки; с другой стороны высота зондирования под разными углами окаэыва55 ется различной в 3-4 раза. Исследование показывает, что оптимальные значения и!.» 1,5-2. Протяженность слоя fbH- 411; ), в пределах кото1163217 рого производится накопление сигналов (участки 8f и Ьс), желательно выбирать максимально возможной с точки зрения дальности действия лидара. Основное требование при выборе высоты верхней границы 3 заключается в том, чтобы расстояние ос, соответствующее меньшему углу зондирования (в данном случае углу V ), не превышало дальности действия лидара. 10

Определяют значение шага дискретного изменения протяженности зондируемого слоя, минимальное значение этого шага при зондировании под большим углом не должно быть меньше про- f5 тяженности элементарного разрешаемого по дальности объема атмосферы. В общем виде это условие формулируется так: минимальное значение шага пропорционально протяженности эле- 20 ментарного разрешаемого по дальности объема атмосферы с коэффициентом пропорциональности, равным отношению синуса большего угла к синусу угла, под которым производится зондирова- 25 ние (оптимальное значение шага должно определяться от толщины зондируеЪ мого слоя, требуемой детализации профиля и так далее и может во много раз превосходить минимальное ЗО значение).

Устанавливают лидар под заданным углом к горизонту, для каждой посылки (или серии посылок) производят накопление сигналов в пределах слоев ыЬ и Ъ„с и определяют отно" шение накопленного сигнала в одном из этих слоев, например Ь„с к сумме накопленных сигналов в слое — (пЬ„) + (Ъ„с); при практической 4р реализации можно установить два накопителя, накапливающих сигналы в слоях Ь с и в суммарном слое с од1 новременно. Минимальная протяженность участка ab„ определяется указанным условием.

Повторяют это, дискретно меняя протяженность части зондируемого слоя, и определяют отношения накопленных сигналов на участках Ь2с и ñ. и т.д.

Устанавливают лидар под углом и последовательно определяют отношения накопленных сигналов .7 на участках e„ f и .df, затем е f и f и т.д.

По каждой паре отношений 3, и Э полученных при разных углах зондирования и относящихся к одним и тем же горизонтальным слоям, пб монограммам или по формулам (7) и (8) если выполнено условие (1), при котором они выведены, определяют профиль и общую прозрачность зондируемого слоя под углом

Если необходимо определить лишь общую прозрачность слоя d h,. под углом 4 то достаточно использовать лишь два отношения накопленных сигналов 3< и 3, выбрав пределы накапливаемых сигналов согласно формулам (2) и (3) и определяя прозрачность

Т. по формуле (7).

1 . Для оценки достоверности полученного значения Т; необходимо провести серию измерений отношений Э и 3+, сохраняя неизменными границы слоя

АЪ. и меняя дискретно высоту верхней границы слоя дН.

Проведя ряд измерений отношений

3 и 3 при разных значениях высоты верхней границы д Н и определяя каждый раз значение Т;, можно оценить достоверность полученных результатов: наличие каких-либо погрешностей или невыполнение условий, положенных в основу способа, приводят к увеличению разброса величины Т; или к появлению ее монотонного хода при изменении высоты верхней границы слоя дН. Главной особенностью здесь является не увеличение числа измерений, а измерение условий каждого пос-. ледующего измерения. Одновременно появляется критерий выбора верхней границы слоя дН: при соседних дискретных значениях выбираемого значения дН значение Т,- не должно иметь существенного хода. Если такой ход наблюдается, что говорит о наличии крупномасштабных неоднородностей, то высота верхней границы слоя .ДН должна быть изменена в ту или иную сторону.

Использование принципа равенства средних показателей ослабления в горизонтальных слоях большой протяженности и воэможность проверки выполнимости этого условия в реальных условиях позволяют устранить появление неконтролируемых погрешностей способа, так как не требуется получение максимального накопленного сигнала.Предлагаемый способ позволяет простыми средствами, непосредственно ю результатам измерений оценивать .

1163217

Составитель С. Непомнящая

Техред О.Неце Корректор О. Луговая

Редактор И. Николайчук

Заказ 4097/42

Тираж 897

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 достоверность и надежность полученных данных, при этом в качестве критерия могут быть использованы обычные метрологические характеристики, например дисперсия определяемого парамстра. Меняя протяженность участков накопления, можно не только определить профиль, но и уточнить значение прозрачности зондируемого слоя, не увеличивая число углов наклона зондирования. Это существенно повышает

5 оперативность получения данных и упрощает поворотное устройство лидара.