Устройство для определения параметров атмосферы

 

Изобретение относится к измерительной технике и метеорологии и может быть X использовано для исследования атмосферы с орбиты космического летательного аппарата . Целью изобретения является повышение точности за счет контроля наведения на центр солнечного диска и расширение функциональных возможностей за счет одновременного определения величины атмосферной рефракции. В устройство вводят два фотоприемных канала, каждый из которых состоит из блока управления, дискретной фотоприемной линейки, ограничителя амплитуды сигнала и интегратора. Выходы интеграторов соединены с входами сумматора и дифференциального усилителя . Сигнал с выхода последнего управляет работой исполнительного механизма системы наведения. С сумматора на вход блока регистрации и обработки данных поступает сигнал, по уровню которого судят о величине атмосферной рефракции. 2 ил. Cfi с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 W 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4697394/10 (22) 15.03.89, (46) 07.07.92. Бюл. М 25 (71) Ленинградский государственный университет (72) А.Е.Ковалев, M.A.Êoâàëåa и В.К.Зотов (53) 551.508(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1517000, кл. G 01 W 1/00, 04.12.87.

Приборы физики атмосферы. Вып. 18.

Оптические методы исследования и оптические характеристики атмосферы. / Под ред.

И.Н.Минина. — Л.; Изд-во ЛГУ, 1986, с.8694.

Авторское свидетельство СССР гв 1516999, кл. 6 01 W 1/00, 04.12.87. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и метеорологии и может быть

Изобретение относится к измерительной технике в метеорологии и может быть использовано для исследования атмосферы с орбиты космических летательных аппаратов.

Известно устройство для определения параметров атмосферы, а именно спектральный озонометр, включающий осветительный объектив, двойной монохроматор, выполненный по модифицированной схеме

Эберта-Фаста и имеющий входную щель, приемник излучения и блок регистрации и обработки, в котором за счет оптимизации взаимного расположения элементов монохроматора достигают повышения точности

„„5U„„1?46349 А1 использовано для исследования атмосферы с орбиты космического летательного аппарата. Целью изобретения является повышение точности за счет контроля наведения на центр солнечного диска и расширение функциональных возможностей за счет одновременного определения величины атмосферной рефракции. В устройство вводят два фотоприемных канала, каждый из которых состоит из блока управления, дискретной фотоприемной линейки, ограничителя амплитуды сигнала и интегратора..

Выходы интеграторов. соединены с входами сумматора и дифференциального усилителя. Сигнал с выхода последнего управляет работой исполнительного механизма системы наведения. С сумматора на вход блока ф регистрации и обработки данных поступает сигнал, по уровню которого судят о величине атмосферной рефракции. 2 ил.

l измерений общего содержания атмосфер- (Ь ного озона вследствие увеличения динами-, { Д ческого диапазона регистрируемых фь, сигналов. Q

Недостатком известного устройства является отсутствие контроля влияния рефракции на результаты измерений, что осложняет привязку наблюдений к оптической трассе, и снижает точность измерений.

Известно устройство для on редел ения параметров атмосферы, а именно содер- ) жания озона и аэрозоля в атмосфере, методом "затменного зондирования", которое содержит осветительный объ- . ектив. установленный перед входной

М

1746349

55 щелью монохроматора, приемник излучения, исполнительный механизм системы наведения и блок регистрации и обработки данных, Монохроматор выполнен четырехканальным, в устройстве предусмотрена установка чувствительности. Прибор позволяет одновременно измерять содержание озона и аэрозоля, однако не дает возможности учесть влияние рефракции в ходе измерений, Рефракция солнечных лучей в атмосфере Земли приводит к тому, что высота Солнца над горизонтом увеличивается на угол у, величина которого тем больше, чем ниже над горизонтом находится

Солнце, т.е., чем глубже погружение оптической трассы в атмосферу Земли. Поэтому по мере приближения Солнца к горизонту возрастает погрешность измерения вертикальных профилей содержания исследуемых газовых компонент в силу возрастания погрешности определения высоты трассы, причем угол рефракции при этом может достигать 2-5О.

Кроме этого, система наведения устанавливает оптическую ось монохроматора в направлении на центр яркости Солнца, который совпадает с геометрическим центром лишь в случае практически полного отсутствия рефракции солнечных лучей в атмосфере Земли, т.е. в начале измерений на заходе и в конце измерений при восходе Солнца относительно КЛА.

Рефракция солнечных лучей в атмосфере Земли приводит к искажению формы солнечного диска, при этом центр яркости

Солнца смещается относительно геометрического и занимает неопределенное положение, Уменьшение вертикально|о углового размера Солнца может достигать десятков минут. За счет расхождения яркостного и геометрического центров Солнца возникает дополнительная погрешность опредепения высоты трассы. Таким образом, недостатком известного устройства является малая точность измерений, обусловленная неконтролируемым наведением на центр диска Солнца, и ограниченность функциональных возможностей за счет отсутствия определения величины атмосферной рефракции во время измерений.

Известно устройство для определения параметров атмосферы, а именно ультрафиолетовый спектральный озонометр, содержащий осветительный объектив, установленный перед входной щелью монохроматора, приемник излучения, блок регистрации и обработки данных измерений, причем осветительный объектив выполнен в виде набора идентичных оптических элементов, разделенных

35 непрозрачными прослойками и расположенных по высоте входной щели монохроматора, при этом каждый оптический элемент выполнен в виде части линзы с прямоугольным поперечным сечением и сферической фронтальной поверхностью, фокусное расстояние связано с угловым размером Солнца. Подобное выполнение объектива снижает влияние рассеяния излучения в атмосфере, но изза неучета рефракции возникает дополнительная погрешность определения высоты трассы.

Таким образом, недостатком известного устройства являются малая точность, обусловленная неконтролируемым наведением на центр диска Солнца, и ограниченность функциональных возможностей за счет отсутствия определения величины атмосферной рефракции во время измерений.

Целью изобретения является повышение точности за счет контроля наведения на центр солнечного диска и расширение функциональных возможностей за счет одновременного определения величины атмосферной рефракции, Цель достигается тем, что устройство для определения параметров атмосферы, включающее осветительный обьектив, установленный перед входной щелью монохроматора, приемник излучения, исполнительный механизм системы наведения и блок регистрации и обработки данных, в соответствии с изобретением, снабжено светоделителем и двумя идентичными фотоприемными каналами, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных блока управления, дискретной фотоприемной линейки, ограничителя амплитуды сигнала и интегратора, выходы интеграторов каждого канала соединены с соответствующими входами введенных сумматора, выход которого подключен к блоку регистрации и обработки данных, и дифференциального усилителя, выход которого подключен к исполнительному механизму системы наведения, причем дискретные фотоприемники линейки оптическй сопряжены со светоделителем, установлены между осветительным обьективом и входной щелью монохроматора.

Выполнение фотоприемных устройств в виде дискретных линеек и введение последовательно с линейками ограничителей амплитуды сигнала и интегратора в каждом оптическом канале позволяет при приеме оптического излучения выработать сигнал, пропорциональный числу засвеченных дискретных элементов каждой линейки, причем введением ограничителя амплитуды дости1746349 гают выравнивания сигнала по амплитуде.

Поэтому формируемый сигнал раэбаланса используют для компенсации искажений формы диска Солнца из-за вариации рефракции по углу места, что позволяет уточнить параметр трассы. Сумматор необходим для измерения вертикального размера диска Солнца, при этом, зная истинный размер источника (0 = 32 угл.мин), можно определить рефракцию на любой трассе, что дает возможность измерить рефракцию непосредственно при приеме сигнала на любой трассе. Введением дифференциального усилителя добиваются того, что сигнал разбаланса, подаваемый на исполнительные механизмы, не зависит от яркости Солнца и пропорционален разности засвеченных дискретных элементов в каждой линейке.

На фиг.1 приведена функциональная схема прибора; на фиг,2 — эскиз датчика наведения (по одной оси).

Устройство содержит подвижное зеркало 1, отклоняющее пучок лучей на осветительный обьектив 2, установленный за ним светоделитель 3, и входную щель монохроматора 4. Светоделитель 3 оптически связан с двумя фотоприемными каналами, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных блока 5 и 6 управления, фотоприемной дискретной линейки 7 и 8, ограничителя 9 и 10 амплитуды сигнала и интегратора 11 и 12, выходы интеграторов подключены к соответствующим входам сумматора 13 и дифференциального усилителя 14, выход сумматора 13 подключен к входу блока 15 регистрации и обработки данных, другой вход которого соединен с приемником 16 излучения, вход которого сопряжен с монохроматором 4, выход дифференциального усилителя 14 соединен с исполнительным механизмом системы 17 наведения, управляющим поворотным зеркалом 1.

Блоки 5 и 6 управления в простейшем случае представляют собой кол ьцевой генератор управляющих импульсов на сдвиговом регистре. Осветительный объектив 2, светоделитель 3, входная щель монохроматора 4, а также фотоприемные дискретные линейки 7 и 8 образуют оптический блок, работающий, как датчик наведения.

При эксплуатации устройства на заходе или восходе Солнца относительно спутника система наведения устанавливает входное подвижное зеркало 1 так, чтобы оптическая ось прибора была направлена на геометрический центр Солнца, при этом световой поток из осветительного объектива 2 попадает как на входную щель монохроматора 4, 10 ванием светового потока от светоделителя

15 3, поступающего на фотоприемные дискретные линейки 7 и 8 в оба оптических канала.

25

35

55 так и на светоделитель 3. Сигнал на выходе монохроматора 4 усиливается приемником

16 изл, чения, причем блок усиления состоит из первого каскада усиления переменного напряжения частотой 1000 Гц, полосового фильтра с полосой 300 Гц, второго каскада усиления переменного напряжения частотой 1000 Гц, синхронного детектора и низкочастотного фильтра, С выхода приемника

16 сигнал поступает на вход блока 15 регистрации и обработки данных. ОдновременНо производят измерения вертикального углового размера диска Солнца с использоДатчик наведения, в качестве которого выступает оптический блок из элементов 2-34-7 (8), вырабатывает сигнал разбаланса в зависимости от разности потоков, падающих на фотоприемные дискретные линейки

7 и 8 от светоделителя 3. При равенстве потоков на элементы 7 и 8 сигнал разбаланса отсутствует, т.е. изображение Солнца находится на входной щели монохроматора 4

Сигнал разбаланса формируется в зависимости от разности числа засвеченных площадок фотоприемных дискретных линеек 7 и 8, которые представляют собой стандартные ПЗС-преобразователи.

Выходные сигналы фотоприемных дискретных линеек 7 и 8 через ограничители амплитуды сигнала 9 и 10, уравнивающие уровни сигналов, подаются на интеграторы

11 и 12 и далее на дифференциальный усилитель 14. Тем самым устраняется разброс по чувствительности между элементами фотоприемных дискретных линеек 7 и 8 и разброс параметров самих фотоприемных дискретных линеек, позволяя формировать управляющий сигнал, подаваемый на исполнительный механизм системы 17 наведения только как функцию разности изображений Солнца на фотоприемных линейках 7 и 8.

Поскольку сигналы на выходах интеграторов 11 и 12 пропорциональны размерам изображения Солнца на фотоприемных дискретных линейках 7 и 8, то сумма этих сигналов на выходе сумматора 13 пропорциональная угловому размеру Солнца.

Сигнал с выхода сумматора 13 поступает на блок 15 регистрации и обработки данных. Таким образом, в процессе спектральных измерений характеристик светового потока регистрируют и угловой размер диска Солнца, по измеренным данным восстанавливают профиль показателя преломления атмосферы и по нему рассчитывают термодинамические параметры ат1746349 мосферы и вертикальные профили этих параметров.

Рефракция солнечных лучей в атмосфере существенно затрудняет решение задач восстановления вертикального профиля содержания исследуемого газа: из-за искажения формы солнечного диска и ухода яркостного центра от геометрического на неопределенную величину (до 10 угл. мин при аномальном состоянии атмосферы), а также из-за смещения положения диска

Солнца на небосводе, которое может достигать нескольких градусов, причем первая составляющая погрешности не превосходит

200-300 м для восстанавливаемого вертикального профиля содержания газа, а вторая может достигать 5 км. Работа устройства не зависит от положения яркостного центра Солнца. а регистрация угловых размеров Солнца дает возможность построить по известной методике профиль коэффициента преломления и учесть вариации атмосферной рефракции при определении вертикального распределения содержания исследуемого газа.

Прибор в конкретном выполнении содержит в качестве фотоприемных дискретных линеек 7 и 8 два линейных преобразователя типа 1200 ЦЛ1, представляющих собой многоэлементный фотоэлектрический прибор с самосканированием на принципе переноса заряда. Фотоприемные линейки имеют по

1024 фотодиода, установленных с шагом 12 мкм. При диаметре изображения Солнца на входной щели монохроматора 4, равном 7,2 мм, световой поток от осветительного объектива 2 разделяется на три части. Центральная часть потока шириной 1,2 мм освещает входную щель монохроматора 4, а две другие части потока, формируемые светоделителем 3, освещают фотоприемные дискретные линейки 7 и 8, причем на каждой линейке засвечено до 200 фотодиодов, центральная часть эквивалентна 100 фотодиодам. Если считать, что измерения производятся с точностью + 5 ячеек, то

5 погрешность в определении диаметра солнечного диска составляет и 1 (или 0,32 угл.мин), что обеспечивает требуемую точность восстановления термодинамического профиля параметров и профиля коэффици10 ента рефракции атмосферы .

Формула изобретения

Устройство для определения параметров атмосферы, включающее осветитель15 ный объектив, установленный перед входной щелью монохроматора, приемник излучения, исполнительный механизм системы наведения и блок регистрации и обработкиданных,отличающееся тем,что, 20 с целью повышения точности за счет контроля наведения на центр солнечного диска и расширения функциональных возможностей за счет одновременного определения величины атмосферной рефракции, оно

25 снабжено светоделителем и двумя идентичными фотоприемными каналами, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных блока управления, дискретной фотоприемной линейки, ограничителя

30 амплитуды сигнала и интегратора, выходы интеграторов каждого канала соединены с соответствующими входами введенных сумматора, выход которого подключен к блоку регистрации и обработки данных, и диффе35 ренциального усилителя, выход которого подключен к исполнительному механизму системы наведения, причем дискретн ые фотоприемные линейки оптически сопряжены со светоделителем, установленным между

40 осветительным обьективом и входной щелью монохроматора.

1746349

Составитель М. Ковалев

Техред М.Моргентал Корректор g. Кравцова

Редактор Г. Гербер

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

Заказ 2394 Тираж Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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