Способ дистанционного измерения параметров пространственного распределения концентрации аэрозоля в атмосфере и устройство для его осуществления
Изобретение относится к локационным системам. Цель изобретения - повышение точности и сокращение времени измерения. Устройство содержит импульсный лазерный излучатель, вход которого соединен с выходом синхронизатора, первую фокусирую щую систему, сканер, фотоприемник, выход которого соединен с усилителем, выходом соединенным с первым входом измерителя пространственного распределения концентраций , соединенного с первым входом блока определения предварительных значений скорости и угла сноса, выходы которого соединены с первыми входамипервых запоминающих устройств. Непрерывный лазерный излучатель оптически сопряжен со светоделителем и второй фокусирующей системой, оптически сопряженной через светоделитель с гетеродинным фотоприемным устройством , выход которого соединен с последовательно подключенным усилителем , смесителем, второй вход которого соединен с управляемым гетеродином, а выход - с последовательно соединенными усилителем промежуточной частоты, измерителем частоты и суммирующим масштабирующим усилителем, выходы которого соединены с первыми входами вторых запоминающих устройств вторые входы которых, а также вторые входы других третьих запоминающих устройств соединены с соответствующими выходами синхронизатора. Первые входы третьих запоминающихустройств соединены с блоком определения угла разворота сканера. Выходы вторых и третьих запоминающих устройств соединены с соответствующими входами блока измерения скорости сноса и соответствующими входами блока измерения угла сноса. Выходы первых запоминающих устройств соединены с входами блока определения предварительных значений допплеровской скорости выброса и угла сноса. Работа некоторых блоков синхронизирована . 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 4 ил. ел с 00 to
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ОО
M (л
6д
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4941419/22 (22) 26.04;91 (46) 30.04.93. Бюл. ¹ 16 (71) Всесоюзный межотраслевой научно-координационный центр "Союзнаука" (72) Н.В.Кузнецов, О.В.Михеев и Н.Н.Пасечный (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 833061, кл. G 01 W 1/00, 15.01.80.
Авторское свидетельство СССР № 606442, кл. G 01 W i /00, 01.08.76. (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ
АЭРОЗОЛЯ В АТМОСФЕРЕ И УСТРОЙСТВО
ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к локационным системам. Цель изобретения — повышение точности и сокращение времени измерения.
Устройство содержит импульсный лазерный излучатель, вход которого соединен с выходом синхронизатора, первую фокусирующую систему, сканер, фотоприемник, выход которого соединен с усилителем, выходом соединенным с первым входом измерителя пространственного распределения концентраций, соединенного с первым входом блока определения предварительных значений скорости и угла сноса, выходы которого соединены с первыми входамипервых запомиИзобретение относится к локационным системам и может быть использовано для дистанционного измерения параметров атмосферы с помощью лидаров, а также для экспресс-контроля за текущими и суммарными показателями в газовых выбросах промышленных предприятий.
„„!Щ „„1812535 À1 (воз G 01 $17/00//С 01 W 1/00 нающих устройств. Непрерывный лазерный излучатель оптически сопряжен со светоделителем и второй фокусирующей системой, оптически сопряженной через светоделитель с гетеродинным фотоприемным устройством, выход которого соединен с последовательно подключенным усилителем, смесителем, второй вход которого соединен с управляемым гетеродином, а выход— с последовательно соединенными усилителем промежуточной частоты, измерителем частоты и суммирующим масштабирующим усилителем, выходы которого соединены с первыми входами вторых запоминающих устройств вторые входы которых, а также вторые входы других третьих запоминающих устройств соединены с соответствующими выходами синхронизатора. Первые входы третьих запоминающих устройств соединены с блоком определения угла разворота сканера. Выходы вторых и третьих запоминающих устройств соединены с соответствующими входами блока измерения скорости сноса и соответствующими входами блока измерения угла сноса. Выходы первых запоминающих устройств соединены с входами блока определения предварительных значений допплеровской скорости выброса и угла сноса. Работа некоторых блоков синхронизирована, 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 4 ил.
Цель изобретения — повышение точности и сокращение времени определения параметров пространственного распределения концентраций аэрозолей в выбросе.
На фиг. 1 приведен график, поясняющий предлагаемый способ; на фиг. 2 — функциональная схема предлагаемого
1812535 первым входом второго сумматора 36, второй вход которого соединен с блоком смещения 37, а выход которого через блок извлечения корня 38 соединен со вторым входом первого умножителя 33. Первые входы первого и второго умножителей 33 и 34 соединены соответственно с выходами первого и второго делителей 31 и 32, входы которых являются соответственно первым и
0 вторым входами блока определения скорости сноса, а входы сумматора 29 являются третьим и четвертым входами блока определения скорости сноса выброса, выходом которого является выход первого умножителя
23.
Блок определения угла сноса 28 (фиг. 4) содержит первый сумматор 39, подсоединенный своим выходом к блоку косинусов 40 и блоку синусов 41, два умножителя 42 и 43, первые входы которых соединены с выходами блоков косинуса 40 и синуса 41 соответственно, второй сумматор 44, первый вход которогосоединен с выходом первагоумножителя 41, делитель 45, первый и второй входы кОтОрОгО соединен с выходами второго сумматора 44 и второго умножителя 43 соответственно, и блок арктангенса 46, вход которого соединен с выходом делителя 45, а выход является выходом блока измерения угла сноса выброса. При этом входы первого сумматора 39 являются первым и вторым входами блока измерения угла сноса 28, а объединенные входы умножителей 42 и 43 и второй вход второго сумматора 45 — третьим и четвертым входами блока измерения угла сноса 28 соответственно, Реализация способа и функционирование устройства осуществляется следующим образом.
Оптическая ось системы направляется в точку начала выброса (1).
Импульсный лазерный излучатель под действием команд блока 2 синхронизации формирует первый световой импульс, который фокусируется передающим каналом оптической системы 3 и с помощью сканера 4 излучается в начальную точку выброса (1) (фиг. 1, 2). Рассеянное выбросом оптическое излучение через сканер 4 попадает в приемный канал оптической факусирующей системы 3, которая фокусирует принятое оптическое излучение на фотоприемнике 5.
Сформированный фотоприемником электрический сигнал усиливается усилителем 6 и поступает в измеритель 7, который определяет распределение па дальности концентрации загрязняющих веществ ав выбросе па направлению зондирования.
Это распределение имеет вид зависимости
S(R)„R — текущая дальность до точек устройства; на фиг. 3 и 4 — функциональные схемы блоков определения скорости сноса и угла сноса, На фиг. 1 изображены 1 — точка выброса; 2 — точка повторного зондирования им- 5 пульсным лазерным излучателем и постоянным лазерным излучателем; 3 -точка повторного зондирования постоянным лазерным излучателем, Устройство содержит (фиг, 2) импульс- 1 ный лазерный излучатель 1, вход которого соединен с выходом синхронизатора 2, первая фокусирующая система 3, сканер 4, фотоприемник 5, выход которого соединен с усилителем 6, выходом соединенный с пер- 15 вым входом измерителя пространственного, распределения концентраций 7, соединенного с 1 входом блока определения предварительных значений скорости и угла сноса
8, выходы которого соединены с первыми 20 входами запоминающих устройств 9 и 10.
Непрерывный лазерный излучатель 11 оптически сопряжен со светоделителем 12 и второй фокусирующей системой 13, оптически сопряженной через светаделитель 14 с 25 гетеродинным фотоприемным устройством t5, выход которого соединен с последовательно подключенным усилителем 16, смесителем 17, второй вход которого соединен с управляемым гетеродином 18, а выход — с 30 последовательно соединенным усилителем промежуточной частоты 19, измерителем частоты 20 и суммирующим масштабирующим усилителем 21, выходы которого соединены с первыми входами запоминающих 35 устройств 22 и 23. вторые входы которых. а также вторые входы запоминающих устройств 24 и 25, соединены с соответствующими выходами синхронизатора. Первые входы запоминающих устройств 24, 25 сое- 40 динены с блоком определения угла разворота сканера 26. Выходы запоминающих устройств 22, 23, 24, 25 соединены с соответствующими входами блока определения скорости сноса 27 и соответствующими вхо- 45 дами блока определения угла сноса 28. Выходы запоминающих устройств 9, 10 соединены со входами блока определения предварительных значений дапплеровской скорости выброса и угла сноса-28, Работа 50 блоков 8, 9, 10, 26 синхронизирована, Блок определения скорости сноса (фиг.
3) содержит сумматор 29, выход которого соединен с блоком синусов 31, первый 31 и второй 32 делители, первый и второй умно- 55 жители 33 и 34, и блок косинусов 35, при этом выходы блоков синусов 30 и косинусов
35 соединены соответственно со вторыми входами первого делителя 31 и второго умнажителя 34, выход которого соединен с
1812535
J Rz Sr (R) R dR нмин
PSz (R) dR нмин л
20 нмин чдоппл.пр. = чпр ЗЬ Лпр нмакс
2 чдоппл.п .
3 S (R)RdR
Дмин
К1 =„
f S<(R)da нмин
+ S Чдоппп.пп. нмакс
3 52®RdR
Ямин
2 )и
Sz (R) dR нмин зондирования. Измеренные значения зависимости S(R) подаются в блок 8 определения предварительных значений скорости и угла сноса выброса, где они запоминаются под действием соответствующей команды блока
2 синхронизации.
После этого блок 2 синхронизации выдает команду в блок 26 определения угла разворота сканера, под действием которой сканер 4 разворачивает оптическую ось системы вдоль сноса выброса на небольшой угол а1 (0,5 — 1,5 ).
Затем импульсный лазерный излучатель 1 формирует второй оптический импульс, который через оптическую фокусирующую систему 2 и сканер 4 направляется в точку (2) вдоль направления распространения выброса, и измеритель 7 аналогичным образом по отраженному сигналу определяет второе значение распределения по дальности загрязняющих веществ
S2(R) по направлению второго импульсного зондирования. Полученное распределение
$2(В) также поступает в блок 9 и запоминается.
На основании данных, полученных при первом и втором импульсном зондированиях. блок 8 определения предварительных значений скорости и угла сноса выброса рассчитывает предварительные оценки величин скорости сноса выброса v» и угла сноса Япр. Для этого блок 8 определяет дальности до точек максимальной концентрации загрязняющих веществ в выбросе R> и R2 по первому и второму направлениям импульсного зондирования по формулам где ймакс максимальная дальность импульсного зондирования, Ймин — минимальная дальность зондирования, Предварительные значения направления угла сноса выброса определяются зависимостью 2 З1П Й1 R> — Кг cosа)
Лпр = arCtg а приближенное значение скорости сноса выброса — формулой (рис.2) 1 2
v» — чдиф - д у — -у где чдиф — скорость диффузии вредных вв5 ществ в атмосфере (являющаяся постоянной величиной для данного района наблюдения; ЛЯ1и Л R2 — толщина выброса при первом и втором импульсном зондированиях:
Полученные в блоке 8 приближенные
25 значения v» и Лп, запоминаются в ЗУ 9 и
ЗУ 10 под действием соответствующих команд блока 2 синхронизатора, Схема 29 вычисляет приближенное значение допплеровской скорости выброса и угла
30 снОса второго импульсного зондирования в точку выброса (2) 35 и на основе вычисленного значения устанавливает частоту управляемого гетеродина
18 допплеровского лидара равной
45 где it-длина волны излучения непрерывного CO-лазера(10,6мкм), ff)q-промежуточная частота усилителя 19 промежуточной частоты, После этого производится допплеров50 ское зондирование выброса в направлении (2)(фиг. 2). Для этого излучение непрерывного СО-лазера 11 через светоделитель 12, вторую фокусирующую оптическую систему
13 и сканер 4 направляется вдоль оптиче55 ской оси по направлению второго импульсного зондирования в точку выброса (2).
Рассея нный выбросом допплеро вский оптический сигнал через сканер 4, вторую фокусирующую оптическую систему 13 и светоделитель 14 направляется в гетеро1812535
fZ -fr чд
f1 = fr+ fp1
30 т1 fr
v > - о
40
50 чд1 а =arng
R)—
os Лр
55 динное фотоприемное устройство 15, где принятый допплеровский оптический сигнал смешивается с опорным оптическим излучением, ответвленным из лазерного излучения непрерывного СО-лазера 11 с помощью второго светоделителя 12.
Выделенный гетеродинным фотоприемным устройством 15 допплеровский сигнал с частоты 1д1 (сигнал раэностной частоты) усиливается усилителем 16 и посту пает в смеситель 17, который, используя сигналы управляемого гетеродина 18, переносит спектр допплеровского сигнала на промежуточную частоту. Сигнал промежуточной частоты усиливает усилителем 19 промежуточной частоты и подается в измеритель 20 частоты, выходом которого является измеренное значение частоты преобразованного смесителем 17 допплеровского сигнала
Суммирующий масштабирующий усилитель 21 преобразует измеренное значение частоты первого допплеровского зондирования f> в допплеровскую скорость выброса чд по направлению первого допплеровского зондирования где 4 — масштабирующий коэффициент, которая под действием соответствующей команды блока 2 синхронизации запоминается в ЗУ 22. Одновременно с этим в ЗУ 24 запоминается значение угла первого допплеровского зондирования а>, После этого блок 26 определения угла разворота сканера рассчитывает угловую координату второй точки (3) допплеровского зондирования az относительно направления первого импульсного зондирования. Значение угла а2 рассчитывается по формуле где К вЂ” постоянная величина.
Затем производится второе допплеровское зондирование точки выброса (3) под углом а1 по направлению к первому импульсному зондированию, и измеритель 20 частоты измеряет значение частоты второго допплеровского зондирования fz. Суммиру10
20 юще-масштабный усилитель 21 аналогичным образом преобразует измеренное значение fz в оценку допплеровской скорости выброса чу по направлению второго допплеровского зондирования которая под действием соответствующей команды блока 2 запоминается в ЗУ 23, Одновременно с этим в ЗУ 25 запоминается значение угла второго допплеровского зондирования а .
После этого в устройстве определяются точные значения двух параметров пространственного распределения концентрации аэрозоля — скорости и угла сноса зондируемого выброса. Для этого данные из
ЗУ 22, 23, 24 и 25 вводятся в блок 27 определения точного значения скорости сносе выброса ч. Расчет ведется согЛасно формуле
Одновременно данные из ЗУ 22, 23, 24 и 25 поступают в блок 28 определения угла сноса выброса Л. Расчет ведется согласно формуле
A=arctg (1
Формула изобретения l. Способ дистанционного измерения параметров пространственного распределения концентрации аэрозоля в атмосфере, заключающийся в том, что посылают импульсное зондирующее излучение, принимают отраженный сигнал и определяют параметры пространственного распределения концентрации аэрозоля, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени определения пространственного распределения концентраций аэрозоля в выбросе, импульсное зондирующее излучение направляют в точку выброса, дополнительно осуществляют повторное импульсное зондирование во второй точке, смещенной относительно точки выброса вдоль направления выброса, определяют пространственное распределение концентраций по направлению дополнительного зондирования, определяют предварительные значения угла сноса и скорости распространения зондируемого выброса по убыванию максимума концентрации, осуществляютдопплеровское зонди1812535
10 рование во второй точке, определяют часто- лазерного излучения посредством двух свету fl отраженного допплеровского излуче- тоделителей и второй оптической системой ния и уточняют скорость распространения в обратном ходе луча, второй усилитель. зондируемого выброса, повторно осуществ- вход которого соединен с выходом гетероляют посылкудопплеровского зондирующе- 5 динного фотоприемного устоойства, послего излучения в точку, смещенную в довательно соединенные смеситель, направлении убывания максимума концент- первый вход которого соединен с выходом второго усилителя, усилитель промежуточЧд1
s пЛлр ной частоты, измеритель частоты, суммируcos p + а1 10 гощий масштабирующий усилитель, а также
Чл1
cos Л,р управляемый гетеродин, выход которого со> - а1) Пр единен с вторым входом смесителя, два запоминающих устройства, первые входы где К вЂ” const; которых соединены с первым и вторым вхочд1 и A,p — предварительные значения 15 Дами соответственно блока опРеДелениЯ угла сноса и скорости сноса выброса; предварительных значений скорости и угла а1 — угол разворота направления зонди- сноса, вторые вхоДы — с выхоДами синхрорования во вторую точку относительно точ- низаторэ, а выходы — с первым и тор™ ки выброса; входами соответственно дополнительно
В1- Дальность До источника выброса, 20 ввеДенного блока Определения предварипринимают отраженный допплеровский тельногозначениЯдопплеровской скорости сигнал, определяют его частоту 2 и опреде- выбРоса и Угла сноса, выход котоРого одноляют точные значения двух параметров про- вРеменно соеДинен с втоРым входом суммистранственного pacnреде е я рующего масштабирующего усилителя и концентрации аэрозоля — скорости и угла 25 входом УправлЯемого гетеродина, блок опсноса зондируемого выброса. ределения угла разворота сканера, первый
2. устройство для дистанционного из- вход которого соединен с соответствующим мерения параметров пространственного выходом синхронизатора а второй и третий распределения концентрации аэрозоля в входы — с выходом первого и втоРого запоатмосфере, содержащее импульсный лазер 30 мина ющих Устройств соответственно, ный источник излучения, фокусирующую оп третье и åTååÐTîå запоминаюЩие УстРойтическую систему, сканер, оптическую ства, пеРвые входы котоРых соединены с систему, сопряженный с Оптической систе- выхоДОМ СУММИРУЮЩего масштабиРУЮЩего мой фотоприемник, оптически сопряжен- УСилителЯ, пЯтое и шестое запоминающие ный в обратном ходе луча с оптической 35 УстРойства, пеРвые входы которыхсоединесистемой, усилитель, вход которого соеди- ны с выходом блока О Ределе иЯ Угла Разнен с выходом фотоприемника, измеритель воРота сканера, а в орые входы с тРетьего пространственного распределения концен- по шестое запоминающих устройств соедитраций аэрозоля. первым Входом соединен- нены с соответствУЮЩими выхоДами синх ный с выходом усилителя, блок определения 40 Рогенератора, блок определения скоРости предварительных значений скорости и угла сноса, четыре вхоДа которо о соеДинены с сноса выброса, вход которого соединен с выхоДами с третьего по шес оезапоминаювыходом измерителя пространственного щих Ус ройств, и блок определениЯ Угла снораспределения концентрации, и синхрони- са, четыре входа которо о соединены с затор, выходы которого соединены с входа- 45 выходами с третьего по шестое запоминаюми импульсного лазерного источника излучения, фотоприемника и вторым вхо3, Устройство поп.2, о тл и ча ю щеедом измерителя пространственного распре- с Я тем, что блок опРеделениЯ скорости сноделения концентрации и вторым и третьим са выполнен в виде последовательно соедивходами блока определения предваритель- 50 ненных по пеРвым входам пеРвого делителЯ ных значений скорости и угла сноса, о т л и- - и первого умножителя, последовательно соч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения единенных второго делителЯ и в оРого Умточности и сокращения времени определе- ножителЯ, а также блоков синуса и косинуса, ния пространственного рапределения кон- пеРВОГО и ВТОРого СУммэтоРов, блока сме центраций, в него введены источник 55 шения и блока извлечения корня, при зтом непрерывного лазерного излучения, вторая выходы блоков синУса и косинуса соединефокусирующэя оптическая система, оптиче- ны соответственно с BToPblM входом пеРвоски сопряженная со сканером, гетеродин- го ДелителЯ и второго УмножителЯ, выхоД ное фотоприемное устройство, оптически котоРого соединен с пеРвым Входом первосопряженное с непрерывным источником го сумматоРа, аыкор которого coell "ен с
02 = дГСЕЯR1
1812535 (1) вйО58а г> (3>
7 ваЫЯЩРмя
h — напвавленыв сноса выноса (угол сноса )
V .- скорость сноса выноса
V1 - лоплеяовская скорость сноса в точке (г ) (юадыальная составляю)яая ско)(2осты сноса).
v3 - доллеяовская ско»ость сноса s точке (3 ) гух (д) = --х — - дослвровскаа частота отр *внного сигнала в точка (2) гчг
f22 = — — - додлвровская частота отраквнного снгнала à точка (я) входом бл()ка извлечения корня, выход которого соединен с вторым входом первого умножителя, второй вход сумматора соединен с блоком смещения, входы первого и второго делителей являются вторым и первым входами блока измерения скорости сноса, входы блоков синуса и косинуса соединены с выходами второго сумматора, выходы которого являются четвертым и третьим входами соответственно блока измерения скорости сноса. а его выходом является выход первого умножителя.
4. Устройство по п.2, отлич а ю щеес я тем, что блок определения угла сноса выполнен в виде последовательно соединенных по первым входам блока косинуса, первого умножителя, первого сумматора, делителя и. блока арктангенса, а также последовательно соединенных блока синуса и
5второго умножителя,,выход которого соединен с вторым входом делителя, при этом входы блоков косинуса и синуса объединены и соединены с выходом второго суммато ра, входы которого являются первым и
10 вторым входами блока угла сноса, третьим и четвертым входами блока угла сноса являются объединенные вторые входы умножителей и второй вход первого сумматора соответственно, а выходом — выход блока.
15 арктангенса.
1812535
1812535 чг вБ а
6КГ ° 3
Редактор Г. Бельская
Заказ 1575 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аг+ а1vl coe а — чг
1г 0vl.ein а
Составитель Н. Кузнецова
Техред М,Моргентал Корректор Н.Ревская
