Способ дистанционного оптического зондирования слабо рассеивающей атмосферы

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам определения характеристик слабо рассеивающей атмосферы. Согласно способу осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим по неколлинеарным направлениям. Осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки, осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным трассам, каждая из которых пересекает все предыдущие трассы. Общее число трасс - не менее пяти. Характеристики атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул. Технический результат - повышение точности определений за счет корректного учета фоновой засветки атмосферы. 1 ил.

 

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может использоваться, например, для измерения оптических параметров слабо рассеивающей 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 прозрачности неоднородной атмосферы [2], при котором осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим не менее чем по трем неколлинеарным направлениям; с образованием области зондирования отрезками между точками их пересечения, осуществляют прием эхо сигналов в точках посылки, а характеристики атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул.

В этом известном решении повышена точность определения характеристик загрязнения неоднородной атмосферы благодаря использованию не менее чем трех точек посылки в атмосферу световых импульсов. Однако в решении [2] не учитывается фоновая засветка в процессе измерений характеристик слабо рассеивающей атмосферы.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик атмосферы за счет корректного учета фоновой засветки атмосферы.

В предлагаемом способе используют некоторые существенные признаки прототипа, а именно: в нем осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим по неколлинеарным направлениям.

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным трассам, каждая из которых пересекает все предыдущие трассы, с общим числом не менее пяти трасс, и по принятым сигналам определяют характеристики атмосферы.

Оптические характеристики загрязнения неоднородной атмосферы, в частности,

$$z_i={\{\beta (r_i)\}}^m$$ , (1)

находят из системы уравнений, записанной для многоугольников, образованных пересечением трасс зондирования по неколлинеарным направлениям

$$a{}_{i,i}z{}_i-a{}_{i,i+1}{z}_{i+1}=b{}_i,i=1,2\mathrm{,...,}k-1$$ (2)

$$a{}_{k,k}z{}_k-a_{k\mathrm{,1}}{z}_1=b_k,$$

где $$a_{i,j}=\sqrt[g]{S_{i,j}}$$ ,

$$b_i=\pm 2m{\displaystyle \underset{C{}_i}{\int }{\left\{S(R_i,r)\right\}}^{m}dr},$$

$$S_{i,j}=S({\overrightarrow{R}}_i,{\overrightarrow{r}}_j)=(P_{i,j}-P_{*}(\overrightarrow{R{}_i}))/f,$$ ,

S - мощность сигнала обратного рассеяния, скорректированная на геометрический фактор лидара $$f$$ ,

$$P_{i,j}$$ - мощность сигнала обратного рассеяния,

$$f={({\overrightarrow{r}}_j-{\overrightarrow{R}}_i)}^{-2}$$ - 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 β = Dσ^g, (3)

$${\overrightarrow{R}}_i$$ - радиус-вектор точки посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния (i-ой точке расположения приемопередатчика соответствует радиус-вектор $${\overrightarrow{R}}_i$$ , $$i=\mathrm{1,}\mathrm{2,}\mathrm{...}$$ ),

$${\overrightarrow{r}}_{{}_j}$$ - радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента,

$$\overrightarrow{r}$$ - текущий радиус-вектор точки прямой, проходящей через точки i, j,

$$c_i$$ - отрезок $$[{\overrightarrow{r}}_i,{\overrightarrow{r}}_j]$$ , 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 5 приемопередатчиков (лидаров).

Способ реализуют следующим образом.

Приемопередатчики 1 - 5 располагают с разнесением в пространстве в точках $${\overrightarrow{R}}_1$$ , $${\overrightarrow{R}}_2$$ , $${\overrightarrow{R}}_3$$ , $${\overrightarrow{R}}_4$$ , $${\overrightarrow{R}}_5$$ .

Осуществляют посылку световых импульсов в направлении рассеивающего объема $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ из точек $${\overrightarrow{R}}_1$$ , $${\overrightarrow{R}}_2$$ . Осуществляют посылку световых импульсов из точки $${\overrightarrow{R}}_3$$ в направлении рассеивающего объема $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ . Трасса, проходящая через точки $${\overrightarrow{R}}_3$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ , пересекает две предыдущие трассы, проходящие через точки $${\overrightarrow{R}}_1$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , а также через точки $${\overrightarrow{R}}_2$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ . Осуществляют посылку световых импульсов из точки $${\overrightarrow{R}}_4$$ в направлении рассеивающего объема $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ . Трасса, проходящая через точки $${\overrightarrow{R}}_4$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ , пересекает три предыдущие трассы, проходящие через точки $${\overrightarrow{R}}_1$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , через точки $${\overrightarrow{R}}_2$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ а также через точки $${\overrightarrow{R}}_3$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ . Осуществляют посылку световых импульсов из точки $${\overrightarrow{R}}_5$$ в направлении рассеивающего объема $${\overrightarrow{r}}_{{}_4}$$ . Трасса, проходящая через точки $${\overrightarrow{R}}_5$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_4}$$ , пересекает четыре предыдущие трассы, проходящие через точки $${\overrightarrow{R}}_1$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , через точки $${\overrightarrow{R}}_2$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , через точки $${\overrightarrow{R}}_3$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ , а также через точки $${\overrightarrow{R}}_4$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ .

Принимают сигналы в точках посылки от отрезков, ограниченных рассеивающими объемами. Принятые эхо сигналы «скорректированы» на геометрический фактор лидара. Результат пропорционален:

b₁ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ ;

b₂ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ ;

b₃ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_4}$$ ;

b₄ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_5}$$ ;

b₅ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_5}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_6}$$ ;

b₆ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_6}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_7}$$ ;

b₇ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_5}$$ ;

b₈ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_5}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_8}$$ ;

b₉ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_8}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_9}$$ ;

b₁₀ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_6}$$ ;

b₁₁ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_6}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_8}$$ ;

b₁₂ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_8}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_{10}}$$ ;

b₁₃ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_4}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_7}$$ ;

b₁₄ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_7}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_9}$$ ;

b₁₅ - на отрезке, ограниченном точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_9}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_{10}}$$ .

Величины z_i находят из системы уравнений (2). Для рассматриваемого конкретного примера находят решение систем уравнений:

$$a_{11}{z}_1-a_{12}{z}_2=b_1,$$

$$a_{12}{z}_2-a_{13}{z}_3=b_2,$$

$$a_{13}{z}_3-a_{14}{z}_4=b_3,$$

$$a_{21}{z}_1-a_{25}{z}_5=b_4,$$

$$a_{25}{z}_5-a_{26}{z}_6=b_5,$$

$$a_{26}{z}_6-a_{27}{z}_7=b_6,$$

$$a_{32}{z}_2-a_{35}{z}_5=b_7,$$ (4)

$$a_{35}{z}_5-a_{38}{z}_8=b_8,$$

$$a_{38}{z}_8-a_{39}{z}_9=b_9,$$

$$a_{43}{z}_3-a_{46}{z}_6=b_{10},$$

$$a_{46}{z}_6-a_{48}{z}_8=b_{11},$$

$$a_{48}{z}_8-a_{\mathrm{4,10}}{z}_{10}=b_{12},$$

$$a_{54}{z}_4-a_{57}{z}_7=b_{13},$$

$$a_{57}{z}_7-a_{59}{z}_9=b_{14},$$

$$a_{59}{z}_9-a_{\mathrm{5,10}}{z}_{10}=b_{15},$$

причем указанные существенные отличия позволяют повысить точность из-за учета 5 неизвестных мощностей фоновой засветки из замкнутой системы из 15 уравнений относительно них и 10 неизвестных оптических характеристик атмосферного аэрозоля.

Физические принципы, на которых основаны измерения предлагаемым способом, состоят в том, что измеренные мощности эхо сигналов связаны с оптическими характеристиками атмосферы известным лидарным уравнением с учетом фоновой засветки. 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 $${\overrightarrow{R}}_1$$ , $${\overrightarrow{R}}_2$$ , $${\overrightarrow{R}}_3$$ , $${\overrightarrow{R}}_4$$ , $${\overrightarrow{R}}_5$$ , находящихся на одной прямой, размещают лидары 1 - 5 на основе ЛИВО. Излучение зондирующих импульсов осуществляется на рабочей длине волны 0,69 мкм в окне прозрачности водяного пара. Энергия в импульсе составляет 0.07 - 0.1 Дж. Длительность импульса 30 нс. Расстояние между соседними лидарами 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 $${\overrightarrow{R}}_1$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , лидаром 2 - через точки $${\overrightarrow{R}}_2$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ ; лидаром 3 - через точки $${\overrightarrow{R}}_3$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ ; лидаром 4 - через точки $${\overrightarrow{R}}_4$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ ; лидаром 5 - через точки $${\overrightarrow{R}}_5$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_4}$$ .

Трасса, проходящая через точки $${\overrightarrow{R}}_3$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ , пересекает две предыдущие трассы, проходящие через точки $${\overrightarrow{R}}_1$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , а также через точки $${\overrightarrow{R}}_2$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ . Трасса, проходящая через точки $${\overrightarrow{R}}_4$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ , пересекает три предыдущие трассы, проходящие через точки $${\overrightarrow{R}}_1$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , через точки $${\overrightarrow{R}}_2$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , а также через точки $${\overrightarrow{R}}_3$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ . Трасса, проходящая через точки $${\overrightarrow{R}}_5$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_4}$$ , пересекает четыре предыдущие трассы, проходящие через точки $${\overrightarrow{R}}_1$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , через точки $${\overrightarrow{R}}_2$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , через точки $${\overrightarrow{R}}_3$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ , а также через точки $${\overrightarrow{R}}_4$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ .

В точках посылки осуществляют прием эхо сигналов:

в точке $${\overrightarrow{R}}_1$$ от отрезков, ограниченных точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ и $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ , а также $${\overrightarrow{r}}_{{}_4}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ ;

в точке $${\overrightarrow{R}}_2$$ от отрезков, ограниченных точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_1}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_5}$$ и $${\overrightarrow{r}}_{{}_5}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_6}$$ , а также $${\overrightarrow{r}}_{{}_6}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_7}$$ ;

в точке $${\overrightarrow{R}}_3$$ от отрезков, ограниченных точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_2}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_5}$$ и $${\overrightarrow{r}}_{{}_5}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_8}$$ , а также $${\overrightarrow{r}}_{{}_8}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_9}$$ ;

в точке $${\overrightarrow{R}}_4$$ от отрезков, ограниченных точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_3}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_6}$$ и $${\overrightarrow{r}}_{{}_6}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_8}$$ , а также $${\overrightarrow{r}}_{{}_8}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_{10}}$$ ;

в точке $${\overrightarrow{R}}_5$$ от отрезков, ограниченных точками: $${\overrightarrow{r}}_{{}_4}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_7}$$ и $${\overrightarrow{r}}_{{}_7}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_9}$$ , а также $${\overrightarrow{r}}_{{}_9}$$ , $${\overrightarrow{r}}_{{}_{10}}$$ .

Принятые и скорректированные эхо сигналы накапливают. определяют характеристики неоднородной атмосферы z_i из системы уравнений (4).

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 посылок в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, достигается технический результат способа [3]. В заявляемом же способе общий рассеивающий объем атмосферы принадлежит двум трассам зондирования, причем осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным трассам, каждая из которых пересекает все предыдущие трассы, с общим числом не менее пяти трасс.

Таким образом, по мнению заявителя и авторов, предлагаемое техническое решение способа определения прозрачности 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, МКИ 5 G01W1/00. Способ определения показателя ослабления атмосферы/ Егоров А.Д., Емельянова В.Н.- Опубл. 07.10.90, Бюллетень изобретений №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 дистанционного оптического зондирования слабо рассеивающей атмосферы путем посылки в атмосферу световых импульсов по пересекающимся трассам, проходящим по неколлинеарным направлениям, приема обратно рассеянных сигналов, определения характеристик атмосферы по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул, отличающийся тем, что осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным трассам, каждая из которых пересекает все предыдущие трассы, общим числом не менее пяти трасс, и по принятым сигналам определяют характеристики атмосферы.