Способ дистанционного определения прозрачности участка неоднородной атмосферы

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения прозрачности атмосферы. Сущность: осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности. Принимают эхо-сигналы. Обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара. Накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени. При этом световые импульсы посылают не менее чем из двух точек пространства по трассам зондирования, пересекающим заданный участок атмосферы. Посланные импульсы отклоняют в заданных точках трасс зондирования в обратном направлении. Измеряют эхо-сигналы импульсов до и после отклонения в одних и тех же точках трасс зондирования, включая точки пересечения трасс зондирования с заданным участком атмосферы. Определяют характеристики неоднородной атмосферы по принятым, скорректированным и накопленным эхо-сигналам до и после отклонения световых импульсов. Технический результат: повышение точности определения коэффициента ослабления атмосферы. 1 ил.

 

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может использоваться, например, для измерения прозрачности неоднородной атмосферы лидарными системами при определении метеорологической дальности видимости.

Известен способ дистанционного определения прозрачности заданного участка неоднородной атмосферы [1], при котором осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов по пересекающимся трассам зондирования, проходящим по неколлинеарным направлениям, осуществляют прием эхо-сигналов, а характеристики атмосферы определяют по мощностям эхо-сигналов с использованием расчетных формул.

Этот известный способ обладает низкой точностью, поскольку он основан на предположении о возможности дифференцирования измеряемых эхо-сигналов. Данное предположение не выполняется, особенно, в условиях реальной неоднородной атмосферы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ дистанционного определения прозрачности заданного участка неоднородной атмосферы [2], при котором осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности и прием эхо-сигналов; обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара; накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка.

В этом известном решении повышена точность определения характеристик неоднородной атмосферы благодаря тому, что эхо-сигналы накапливают в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. Однако решение [2] основано на предположении о постоянстве отношения коэффициента обратного рассеяния к коэффициенту ослабления на исследуемой трассе зондирования. Это предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы, когда коэффициент обратного рассеяния связан с коэффициентом ослабления степенной зависимостью.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик атмосферы за счет корректного учета степенной связи коэффициента обратного рассеяния и коэффициента ослабления.

В предлагаемом способе используют некоторые существенные признаки прототипа, а именно: в нем осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности и прием эхо-сигналов; обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара; накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени.

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что световые импульсы посылают не менее чем из двух точек пространства по трассам зондирования, пересекающим заданный участок атмосферы, посланные импульсы отклоняют в заданных точках трасс зондирования в обратном направлении, а для определения прозрачности заданного участка атмосферы измеряют прозрачность атмосферы вблизи точек посылки, измеряют эхо-сигналы импульсов до и после отклонения в одних и тех же точках трасс зондирования, включая точки пересечения трасс зондирования с заданным участком атмосферы.

Прозрачность участка неоднородной атмосферы определяют по коэффициенту ослабления σ₂, который находят из уравнения:

определяя величину m из уравнения:

где S₀ - мощность эхо-сигнала, скорректированная на геометрический фактор лидара до отклонения,

S₁ - мощность S после отклонения,

S₀₁ - мощность S до отклонения в точке R₁,

S₀₂ - мощность S после отклонения в точке R₁,

S₁₁ - мощность S до отклонения в точке R₂,

S₁₂ - мощность S после отклонения в точке R₂,

R₃ - расстояние от лидара до точки отклонения.

Указанные существенные отличия позволяют повысить точность за счет корректного учета связи коэффициента обратного рассеяния и коэффициента ослабления в условиях натурных измерений. Для дополнительного повышения точности используют дополнительные точки посылки зондирующих импульсов.

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

Для дистанционного определения прозрачности участка неоднородной атмосферы AB в пунктах C, D размещают лидары на основе ЛИВО (рис.1). Излучение зондирующих импульсов осуществляется в наклонном направлении в вертикальной плоскости на рабочей длине волны 0,69 мкм в окне прозрачности водяного пара (AE, CF, DG - проекции AB, CR₃, Dr₃ на горизонтальную плоскость). Энергия в импульсе 0,07-0,1 Дж. Длительность импульса 30 нс. Расстояния от лидаров C, D до рассеивающих объемов R₁, r₁ не превышает 0,1 км. Расстояния до точек отклонения R₃ и r₃ не превышают 0,5 км. Посылают световые импульсов, которые отклоняют в точках R₃ и r₃ в обратном направлении на рассеивающие объемы в точках R₁, r₁ и R₂, r₂, принимают эхо-сигналы, которые корректируют на геометрический фактор от лидара и накапливают.

По принятым, скорректированным и накопленным эхо-сигналам до и после отклонения световых импульсов определяют характеристики неоднородной атмосферы из системы уравнений (1), (2) для величин R_i и аналогичной системы уравнений для величин r_i. При этом величину σ₁, определяют по данным ФИ-3.

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-сигналы 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 одной трассе зондирования, а для определения прозрачности участка атмосферы измеряют эхо-сигналы, до и после отклонения импульсов.

Таким образом, по мнению заявителя и авторов, предлагаемое техническое решение способа дистанционного определения прозрачности участка 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. №966639. Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред / Сергеев Н.М., Кугейко М.М. Ашкинадзе Д.А. Бюллетень изобретений №38, 1982.

2. А.с. №390401. Способ определения прозрачности атмосферы / Ковалев В.А. - Бюллетень изобретений №30, 1973 (прототип).

3. Патент №2439626. Способ определения прозрачности атмосферы / Егоров А.Д., Потапова И.А. Бюллетень изобретений №1, 2012.

Способ дистанционного определения прозрачности участка неоднородной атмосферы, при котором осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности и прием эхо-сигналов; обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара; накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени, отличающийся тем, что световые импульсы посылают не менее чем из двух точек пространства по трассам зондирования, пересекающим заданный участок атмосферы, посланные импульсы отклоняют в заданных точках трасс зондирования в обратном направлении, измеряют эхо-сигналы импульсов до и после отклонения в одних и тех же точках трасс зондирования, включая точки пересечения трасс зондирования с заданным участком атмосферы, и по принятым, скорректированным и накопленным эхо-сигналам до и после отклонения световых импульсов определяют характеристики неоднородной атмосферы.