Способ оптического зондирования неоднородной атмосферы
Владельцы патента RU 2473931:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" (РГГМУ) (RU)
Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может использоваться, например, для измерения прозрачности атмосферы лидарными системами при определении аэрозольного загрязнения воздуха. Задача, на которую направлено изобретение - повышение точности определения за счет корректного учета значительной атмосферной неоднородности. Указанный технический результат достигается тем, что в способе осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по трассам, пересекающимся в заданной точке, и по дополнительным трассам, пересекающим эти трассы с образованием областей зондирования, ограниченных отрезками между точками их пересечения, приема сигналов, рассеянных в обратном направлении, определения характеристик неоднородной атмосферы по мощностям сигналов, принятых и накопленных, с использованием расчетных формул, уменьшения областей зондирования и повторения процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы, причем осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным трассам, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через заданную точку, в которой определяют характеристики атмосферы. 1 ил.
Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может использоваться, например, для измерения прозрачности атмосферы лидарными системами при определении аэрозольного загрязнения воздуха.
Известен способ оптического зондирования неоднородной атмосферы [1], при котором осуществляют посылку в атмосферу светового импульса малой длительности и регистрацию рассеянного в обратном направлении света, преобразованного в электрические сигналы. Эти сигналы накапливают в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. При этом обеспечивают усиление принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки импульса в атмосферу.
Этот известный способ обладает низкой точностью, поскольку он основан на предположении о постоянстве отношения коэффициента обратного рассеяния к коэффициенту ослабления на исследуемой трассе зондирования. Это предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ определения характеристик неоднородной атмосферы [2], при котором осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по трассам, пересекающимся в заданной точке, и по дополнительным трассам, пересекающим эти трассы с образованием областей зондирования, ограниченных отрезками между точками их пересечения, приема сигналов, рассеянных в обратном направлении, определения характеристик неоднородной атмосферы по мощностям сигналов, принятых и накопленных, с использованием расчетных формул, уменьшения областей зондирования и повторения процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы.
В этом известном решении повышена точность определения характеристик загрязнения неоднородной атмосферы благодаря использованию точек посылки в атмосферу световых импульсов, разнесенных в пространстве. Однако в решении [2] не учитывается возможность существования в процессе измерений значительной неоднородности атмосферы.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик атмосферы за счет корректного учета значительной атмосферной неоднородности.
В предлагаемом способе используют некоторые существенные признаки прототипа, а именно: в нем осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по трассам, пересекающимся в заданной точке, и по дополнительным трассам, пересекающим эти трассы с образованием областей зондирования, ограниченных отрезками между точками их пересечения, приема сигналов, рассеянных в обратном направлении, определения характеристик неоднородной атмосферы по мощностям сигналов, принятых и накопленных, с использованием расчетных формул, уменьшения областей зондирования и повторения процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы.
Существенными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным трассам, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через заданную точку, в которой определяют характеристики атмосферы.
Оптические характеристики загрязнения неоднородной атмосферы, в частности
находят в общих точках многоугольников из систем уравнений, записанных для сторон многоугольников, образованных пересечением трасс зондирования
где 
мощность сигнала обратного рассеяния, скорректированная на геометрический фактор лидара,
Pi,j - мощность сигнала обратного рассеяния,
- геометрический фактор лидара,
β - коэффициент обратного рассеяния,
σ - коэффициент ослабления,
m□=□1/g, причем определяется и постоянная g в степенной связи коэффициента обратного рассеяния с коэффициентом ослабления
- радиус-вектор точки посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния (i-ой точке расположения приемопередатчика соответствует радиус-вектор 
, i=1,2,…),
- радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента,
- текущий радиус-вектор точки прямой, проходящей через точки i, j,
сi - отрезок 
, по которому вычисляются интегралы,
dr - элемент длины отрезка.
Сущность изобретения пояснена на чертеже. На фиг.1 представлена схема посылок зондирующих импульсов и приема эхо-сигналов для примера трех приемопередатчиков (лидаров).
Способ реализуют следующим образом.
Приемопередатчики 1, 2 и 3 располагают с разнесением в пространстве в точках 
, 
и 
.
Осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек 
, 
, разнесенных в пространстве, по трассам, пересекающимся в заданной точке 
.
Осуществляют посылку импульсов из точки 
по дополнительным трассам, пересекающим эти трассы с образованием областей зондирования, ограниченных отрезками между точками их пересечения 
: областей зондирования, которые ограничены, например, точками i=1, 2, 3, i=2, 4, 5, i=2, 6, 7.
При этом осуществляют посылку импульсов, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через 
и заданную точку 
, например, соответственно, область зондирования, ограниченная точками i=1, 2, 3, и область зондирования, ограниченная точками i=2, 6, 7.
Принимают сигналы (5), рассеянные в обратном направлении, определяют характеристики неоднородной атмосферы по мощностям сигналов, принятых и накопленных в соответствии с формулой (4) с использованием расчетных формул (1)-(6). Уменьшают области зондирования, например область зондирования, ограниченную точками i=1, 2, 3, уменьшают до области зондирования, ограниченной точками i=2, 4, 5. Повторяют процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы z2 в заданной точке 
, что означает достижение требуемой точности.
Указанные существенные отличия позволяют повысить точность из-за учета значительной неоднородности атмосферы.
Физические принципы, на которых основаны измерения предлагаемым способом, состоят в том, что измеренные мощности эхо-сигналов связаны с оптическими характеристиками неоднородной атмосферы известным лидарным уравнением. На основе этого уравнения разработаны новые, ранее не использовавшиеся расчетные алгоритмы для определения оптических характеристик. В этих алгоритмах корректно учтены влияющие факторы.
Пример реализации способа.
В пунктах 
, 
и 
, находящихся на одной прямой, размещают лидары 1, 2 и 3 на основе ЛИВО. Излучение зондирующих импульсов осуществляется на рабочей длине волны 0,69 мкм в окне прозрачности водяного пара. Энергия в импульсе 0.07-0.1 Дж. Длительность импульса 30 нс. Расстояние между лидарами 1, 2 и 2, 3 не превышает 0.5 км. Зондирование неоднородной атмосферы осуществляется в вертикальной плоскости, проходящей через линию размещения лидаров.
Осуществляют посылку световых импульсов лидаром 1 по трассе, проходящей через точки 
, лидаром 2 - через точки 
, 
; лидаром 3 - через точки 
с образованием треугольной области зондирования под углами наклона, меньшими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через 
и заданную точку 
.
Осуществляют посылку световых импульсов лидаром 1 по трассе, проходящей через точки 
, 
, лидаром 2 - через точки 
, 
; лидаром 3 - через точки 
, 
с образованием дополнительной треугольной области зондирования под углами наклона, большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через 
и заданную точку 
.
Осуществляют посылку световых импульсов лидаром 1 по трассе, проходящей через точки 
, 
, лидаром 2 - через точки 
, 
; лидаром 3 - через точки 
, 
с образованием дополнительной треугольной области зондирования под углами наклона, меньшими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через 
и заданную точку 
.
Эти треугольные области зондирования имеют общую точку 
.
Продолжают осуществлять посылку импульсов, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через 
и заданную точку 
В точках посылки осуществляют прием эхо-сигналов:
в точке 
от отрезков, ограниченных точками: 
и 
, 
, а также 
, 
;
в точке 
от отрезков, ограниченных точками: 
, 
и 
, 
, а также 
, 
;
в точке 
от отрезков, ограниченных точками: 
, и 
, 
, а также 
, 
;
Принятые эхо-сигналы накапливают в соответствии с формулой (4).
Продолжают осуществлять прием эхо-сигналов.
Определяют характеристики неоднородной атмосферы z2 из уравнений (2).
Измерения имеют требуемую точность в случаях, когда результаты, полученные по расчетным формулам (2), отличаются друг от друга для последовательных измерений в пределах величины заданной погрешности, в данном случае ±30%.
Обоснование существенности признаков. Как следует из описания, каждый из указанных признаков необходим, а вся их неразрывная совокупность достаточна для достижения технического результата - повышения точности измерений за счет более корректного учета влияющих факторов.
Обоснование изобретательского уровня. Заявляемый способ был проанализирован на соответствие критерию «изобретательский уровень». Для этого были исследованы близкие признаки известных решений как в данной, так и в смежных областях техники. Так по источнику [3] был выявлен признак приема эхо-сигналов от общего рассеивающего объема неоднородной атмосферы. Однако в этом известном решении [3] общий рассеивающий объем атмосферы принадлежит трассам зондирования, проходящим не менее чем по трем неколлинеарным направлениям. Именно благодаря такому осуществлению посыпок в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, достигается технический результат способа [3]. В заявляемом же способе общий рассеивающий объем атмосферы принадлежит областям зондирования, имеющим общие трассы и рассеивающие объемы на них, разнесенные на сравнительно большое расстояние за счет посылки импульсов, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через заданную точку.
Таким образом, по мнению заявителя и авторов, предлагаемое техническое решение способа оптического зондирования неоднородной атмосферы в своей неразрывной совокупности признаков является новым, явным образом не следует из уровня техники и позволяет получить важный технический результат - повышение точности определений за счет более корректного учета влияющих факторов.
Источники информации
1. А.с. №390401. Способ определения прозрачности атмосферы / Ковалев В.А. - Бюллетень изобретений №30, 1973.
2. А.с. №1597815 А1, МКИ5 G01W 1/00. Способ определения показателя ослабления атмосферы // Егоров А.Д., Емельянова В.Н. - Опубл. 07.10.90, Бюлл. изобр. №37 (прототип).
3. А.с. №966639. Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред / Сергеев Н.М., Кугейко М.М. Ашкинадзе Д.А Бюллетень изобретений №38, 1982.
Способ оптического зондирования неоднородной атмосферы путем посылки в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по трассам, пересекающимся в заданной точке, и по дополнительным трассам, пересекающим эти трассы с образованием областей зондирования, ограниченных отрезками между точками их пересечения, приема сигналов, рассеянных в обратном направлении, определения характеристик неоднородной атмосферы по мощностям сигналов, принятых и накопленных, с использованием расчетных формул, уменьшения областей зондирования и повторения процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы, отличающийся тем, что осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным трассам, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через заданную точку, в которой определяют характеристики атмосферы.
