Устройство для измерения оптических характеристик атмосферы при выпадении осадков

 

Использование: область атмосферной оптики, метеорологии при определении оптической толщи осадков и показателя преломления атмосферы в момент выпадения осадков. Сущность изобретения: в один из каналов устройства введен на конце измерительной трассы зеркальный ответвитель, при этом источник оптического излучения и соответствующий фотоприемник с точечной диафрагмой расположены на одинаковом расстоянии от зеркального отражателя, а расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и осью этого канала не более VXL /10, гдеЯ -длина волны оптического излучения, L - расстояние от источника оптического излучения до зеркального отражателя. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (54)5 G 01 N 21/47, 1/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4916479/25 (22) 05.03.91 (46) 07.03,93. Бюл, М 9 (71) Институт оптики атмосферы СО АН

СССР (72) И.П.Лукин (56) Авторское свидетельство СССР

N. 705884, кл. G 01 W 1/14, 1978.

Авторское свидетельство СССР

В 780676, кл. G 01 W 1/00, 1978. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРЫ ПРИ ВЫПАДЕНИИ ОСАДКОВ (57) Использование: область атмосферной оптики, метеорологии при определении onПредлагаемое изобретение относится к области атмосферной оптики и метеорологии и может быть использовано для дистанционного бесконтактного определения оптической толщи осадков и структурного параметра флуктуаций показателя преломления атмосферы в момент выпадения осадков.

Цель изобретения — увеличение точности измерения оптической толщи осадков.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения характеристик атмосферы, содержащее два источника оптического излучения (лазеры), коллиматор, два фотоприемника с точечными диафрагмами, два квадратора и вычислительное устройство, дополнительно введены последовательно соединенные коллиматор и зеркальный отражатель, расположенный на противоположном конце измерительной трассы перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения, причем

ЫЛ» 1800323 А1 тической толщи осадков и показателя преломления атмосферы в момент выпадения осадков. Сущность изобретения: в один иэ каналов устройства введен на конце измерительной трассы зеркальный ответвитель, при этом источник оптического излучения и соответствующий фотоприемник с точечной диафрагмой расположены на одинаковом расстоянии от зеркального отражателя, а расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и осью этого канала не более /Л /10, гдеЛ вЂ” длина волны оптического излучения, L — расстояние от источника оптического излучения до зеркального отражателя. 1 ил. источник оптического излучения и принимающий его излучение фотоприемник с точечной диафрагмой должны располагаться на одинаковом расстоянии от отражателя, а расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и передающей оптической системы должно быть не более EL/10, где Л вЂ” длина волны оптического излучения; L — расстояние от источника оптического излучения до отражателя, что обеспечивается размещением дополнительного зеркального отражателя перед коллиматором под углом к оптической оси источника оптического излучения и полупрозрачной плоскопараллельной пластины перед точечной диафрагмой фотоприемника параллельно дополнительному зеркалу, В предлагаемом устройстве использование зеркального отражателя (при соответствующем размещении одного из источников оптического излучения и одного из фотоприемников) позволяет разделить

1800323

OI гидр =W

2 2

Я =OInoq — О „р =

15 вклады атмосферной турбулентности и осадков во флуктуации интенсивности оптического излучения.

Атмосферная турбулентность и осадки дают аддитивные вклады во флуктуации интенсивности оптического излучения, распространяющегося в атмосфере во время выпадения осадков, В силу этого дисперсия флуктуаций интенсивности пучка оптического излучения на прямой трассе (источник излучения расположен на одном конце трассы, фотоприемник — на другом) можно записать следующим образом

+ I пр = 0 1тур + О1 гидр, (1 )

2 2 2 где oI >> — дисперсия флуктуаций интен2 сивности пучка оптического излучения, обусловленная турбулентностью, на прямой трассе; сг гидр — дисперсия флуктуации интенг сивности пучка оптического излучения, обусловленная осадками (гидрометеорами), на прямой трассе.

Дисперсия флуктуаций интенсивности пучка оптического излучения на трассе с отражением (источник оптического излучения и приемник расположены на одном конце трассы, а зеркальный отражатель — на другом) имеет вид

+1nox утур (p) (Т1тур +

2 2

+/гидр (р)

2 где у тур (р) и у гидр (р) — коэффициенты увеличения уровня флуктуаций интенсивности пучка оптического излучения, обусловленных соответственно турбулентностью и осадками, на трассе с отражением по сравнению с прямой трассой, как функция расстояния р от оптической оси фотоприемника до оптической оси передающей оптической системы.

Для широкого коллимированного пучка

Ка2 ()) 1, где К = 2 тг Я; ао — начал ьный радиус пучка оптического излучения) при р < iпi10 утур (р) = 1 47 >1, угидр(р) =1, Кроме того, в этом случае

2 1 2 К 7 6 1 1 6 С 2 где С и — структурный параметр флуктуаций

2 показателя преломления атмосферы; tоптическая толща осадков.

Таким образом, разность дисперсий флуктуаций интенсивности пучков оптического излучения ((1) и (2)) равна:

=0,6К ™4 L C2 -C (3) Значение С и позволяет по дисперсии флуктуаций интенсивности пучка оптического излучения на прямой трассе (1) с высокой точностью определить оптическую толщу осадков.

Отличительные признаки являются существенными по следующим причинам.

Зеркальный отражатель, расположенный на противоположном конце измерительной трассы перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения, причем источник оптического излучения и принимающий его излучение фотоприемник с точечной диафрагмой должны располагаться на одинаковом расстоянии от отражателя. Как следует из анализа формул (1), (2) и (3) для эффективного разделения вкладов атмосферных осадков и турбулентности в дисперсию флуктуаций интенсивности оптического излучения необходимо реализовать одновременные измерения на двух трассах: прямой и локационной (т.е. трассе с отражателем). Для организации локационной трассы необходим зеркальный отражатель и соответствующее расположение других элементов. "Введен коллиматор".

Формула (2) применима для широкого коллимированного пучка оптического излучения. Для расходящегося пучка оптического излучения («1 )угидр(р) 1, и

К а 2 искомая величина х будет определяться устройством с ошибкой более 50 g .

Расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и передающей оптической системы должно быть не более р — ЙР10. Если это расстояние больше, то у тур (р ) 1 и, следовательно, устройство будет определять х с ошибкой более

50%, т,е. с такой же как и прототип.

1800323

Размещение дополнительного зеркального отражателя перед коллиматором под углом к оптической оси источника оптического излучения и полупрозрачной плоскопараллельной пластины перед точечной диафрагмой фотоприемника параллельно дополнительному зеркалу. Наличие этого признака связано с тем, что размещение приемной и передающей аппаратуры непосредственно на расстоянии р друг от друга невозможно, т.к. обычно pg 5 мм.

Каждый из этих признаков является необходимым для достижения поставленной задачи, а вся совокупность этих признаков позволяет добиться более высокой точности измерения оптической толщи осадков, чем это было возможно в прототипе.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения оптических характеристик атмосферы при выполнении осадков состоит из двух лазеров 1,2, являющихся источниками оптического излучения, и двух коллиматоров 3, 4, формирующих пучки оптического излучения с заданными параметрами волнового фронта и проектирующие их через атмосферу 5 соответственно на диафрагмы с точечными отверстиями 6, 7, причем в одном случае оптическое излучение посылается в атмосферу после отражения от дополнительного зеркального отражателя 8, размещенного перед коллиматором под углом к оптической оси источника оптического излучения, и полупрозрачной плоскопараллельной пластины 9, расположенной перед фотоприемником с точечной диафрагмой 7 параллельно дополнительному зеркалу 8 таким образом, чтобы обеспечить расстояние р между оптической осью 10 точечной деформации 7 и оптической осью передающей оптической системы 11 < 4Тб10 . На противоположном конце измерительной трассы установлен зеркальный отражатель 12 перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения 2, причем источник оптического излучения 2 и принимающий его излучение фотоприемник 14 с точечной диафрагмой 7 должны располагаться на одинаковом расстоянии от отражателя 12. 3а точечными диафрагмами 6, 7 расположены фотоприемники 13, 14, преобразующие оптические сигналы в электрические, которые поступают на квадраторы 15, 16, осуществляющие вычисление нормированной дисперсии флуктуаций интенсивности. Вычислительное устройство

17, куда поступают сигналы от квадраторов

15, 16, вычисляет искомые параметры т иСп.

Устройство работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии осадков нет. Тогда, с одной стороны, оптическое из5 лучение от лазера 1 через коллиматор 3 посылается в атмосферу 5, после прохождения в ней расстояния L, принимается фотоприемником 13 через точечную диафрагму 6, а затем квадратором 15 вычисляется диспер10 сия флуктуаций интенсивности пучка оптического излучения на прямой трассе (1) ((7(д др: 0 ) . другой стороны, оптическое излучение от лазера 2 через коллиматор 4, 15 зеркала 8 и плоскопараллельную пластину 9 посылается в атмосферу 5, отражается от зеркального отражателя 10, вновь проходит через тот же слой атмосферы 5 и принимается фотоприемником 14 через точечную диафрагму 7, а квадратор 16 проводит вычисление дисперсии флуктуаций интенсивности пучка оптического излучения на трассе с отражением (2) (о „д = 0 ) . С вы2 хода вычислительного устройства 17 поступает сигнал t = О.

При выпадении осадков с квадратора 15 поступает сигнал- о „(1), с квадратора 16 г

- (т, „(2), а с выхода вычислительного устрой30 ства 17

Пример конкретного выполнения устройства, Источники оптического излучения (лазеры) — гелий — неоновые Лà — 79, 78, 53 и т.п. Коллиматоры могут быть взяты любые

35 стандартные с требуемым размером выходного зрачка 5-10 см. Фотоприемники— стандартные ФЗУ, размер отверстия диафрагмы должен не превышать 0,1 мм. Квадраторы — стандартные с соответствующим

40 динамическим диапазоном. Например, при

Ъ 0,63 мкм и 1 = 100 м р 10 м. Таким образом, устройство работоспособно как при совпадении оптических осей точечной диафрагмы и передающей оптической сис45 темы (p= 0), так и при р = 1О зм .Случай

p = О соответствует минимуму систематической погрешности способа, заложенного в основу предлагаемого устройства. При э=

10 м систематическая погрешность состав50 — з ляет25 . При p > 10 м (конкретно, при р=10 м) r vv(р) — 1, т.е, измерения г будут осуществляться с и о гре ш н остью больше 50% и устройство будет иметь точ55 ность не выше прототипа, Угол под которым устанавливается дополнительный отражатель относительно оптической оси источника оптического излучения может принимать значение из диапазона от О до 90 (исключая значения 0 и 90 ). Наиболее подходящим

1800323 значением этого угла является 45, т.к. обеспечивает максимальный коэффициент отражения от плоскопараллельной пластины.

Увеличение точности измерения оптической толщи осадков достигается в предлагаемом устройстве по сравнению с устройством, описанным в прототипе, по следующей причине. В прототипе посылают один коллимированный и один сфокусированный пучок. По дисперсии флуктуаций интенсивности в сфокусированном пучке судят о С .

Оценку точности устройства — прототипа можно провести следующим образом.

Известно, что в сфокусированном пучке почти всегда реализуется режим "насыщения" флуктуаций интенсивности, а ошибка определения С будет больше 50 . Например, для сфокусированного пучка сдлиной волны

А= 0,63 мкм и размером излучающей апертуры равным 10 см на трассе длиной 100 м режим "насыщения" наступает при значении С вЂ” 10 " м, что может реализоваться в большинстве случаев. В то время как, в предлагаемом устройстве используются два коллимированных пучка, а как известно в этом случае режим "насыщения" наступает гораздо реже, для этого при самой сильной турбулентности (при больших С „) необхо2 димы трассы длиной в несколько километров. Это позволяет повысить точность измеренияС и, а следовательно, и t.

Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является возможность попутного измерения во время выпадения осадков структурной характеристики флуктуаций показателя преломления воздуха.

Формула изобретения

5 Устройство для измерения оптических характеристик атмосферы при выпадении осадков, содержащее два канала, каждый из которых содержит источник излучения, последовательно установленные по ходу излучения

10 точечную диафрагму и фотоприемник, при этом в первом канале по ходу излучения за источником излучения установлен коллиматор, а фотоприемники соединены через квадраторы с вычислительным устройством, о т л и15 ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений оптической толщи осадков, во второй канал введены последовательно установленные по ходу излучения и оптически связанные дополнительный коллиматор, пер20 вый зеркальный отражатель, установленный под углом к оптической оси источника оптического излучения, полупрозрачная плоскопараллельная пластина, установленная параллельно первому зеркальному отражате25 лю, второй зеркальный отражатель, установленный в конце измерительной трассы перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения, причем источник оптического излучения и фотоприемник с точечной

30 диафрагмой второго канала расположены на одинаковом расстоянии от второго зеркального отражателя, а расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и второго канала не более VXL/10, где il — длина волны

35 оптического излучения, L — расстояние от источника оптического излучения до второго зеркального отражателя.