Способ определения прозрачности неоднородной атмосферы
Владельцы патента RU 2650797:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" (RU)
Способ определения прозрачности неоднородной атмосферы включает посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим по трем неколлинеарным направлениям, с образованием отрезками между точками их пересечения двух областей зондирования, имеющих общий рассеивающий объем. Осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки. Накапливают эхо-сигналы на отрезках, образующих области, а характеристики атмосферы определяют по эхо-сигналам, принятым из точек пересечения трасс и накопленным. Производят уменьшение обеих областей зондирования и повторяют процедуру до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы, по которым находят ее прозрачность. Технический результат заключается в повышении точности определения характеристик атмосферы за счёт уменьшения степени приближенности решения при уменьшении размеров областей зондирования и уменьшения случайной погрешности в процессе измерения. 1 ил.
Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения характеристик атмосферы, и может использоваться, например, для измерения прозрачности атмосферы в зависимости от характеристик осадков и их интенсивности.
Известен способ определения прозрачности атмосферы [1], 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 прозрачность атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул, уменьшают область зондирования и повторяют процедуру до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения прозрачности атмосферы.
В этом известном решении для достижения точности определения характеристик атмосферы используются не менее чем трех точек посылки в атмосферу световых импульсов. Однако в дифференциальном решении [1] не учитывается возможность существования значительной горизонтальной неоднородности атмосферы в пределах исследуемой области зондирования в процессе измерений. Это предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ определения прозрачности 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 посылку в атмосферу световых импульсов по дополнительным трассам с образованием дополнительной области зондирования, имеющей общий рассеивающий объем с первой областью, накапливают эхо-сигналы на отрезках, образующих области, осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки, определяют характеристики атмосферы по эхо-сигналам, принятым из точек пересечения трасс и накопленным, а прозрачность атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул.
В этом известном решении повышена точность определения характеристик атмосферы благодаря использованию дополнительной области зондирования, имеющей общий рассеивающий объем с первой областью, и накапливанию эхо-сигналов на отрезках, образующих области. Однако в приближенном решении [2] не учитывается возможность существования значительной случайной погрешности в процессе измерений, когда уменьшаются размеры областей зондирования, чтобы уменьшить степень приближенности решения.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик атмосферы за счет уменьшения степени приближенности решения при уменьшении размеров областей зондирования и уменьшения случайной погрешности в процессе измерений.
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 не менее чем по трем неколлинеарным направлениям; с образованием области зондирования отрезками между точками их пересечения, осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов по дополнительным трассам с образованием дополнительной области зондирования, имеющей общий рассеивающий объем с первой областью, накапливают эхо-сигналы на отрезках, образующих области, осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки, определяют характеристики атмосферы по эхо-сигналам, принятым из точек пересечения трасс и накопленным, а прозрачность атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул.
Существенными отличительными признаками предлагаемого способа являются те, что осуществляют посылку в атмосферу дополнительных световых импульсов по трассам зондирования, принимают дополнительные эхо-сигналы и уменьшают обе области зондирования, определяют характеристики атмосферы по парам эхо-сигналов от первой и уменьшенной области зондирования для первых и дополнительных световых импульсов и повторяют процедуру до задаваемого уровня совпадения пар полученных результатов определения характеристик атмосферы, по которым находят прозрачность атмосферы.
Оптические характеристики атмосферы, в частности,
находят из системы уравнений, записанной для многоугольников, образованных пересечением трасс зондирования по неколлинеарным направлениям
где
m=1/с, причем определяется и постоянная с в степенной связи коэффициента обратного рассеяния с коэффициентом ослабления
мощность сигнала обратного рассеяния, скорректированная на геометрический фактор лидара, значения γ различны для первых и дополнительных световых импульсов,
Рi,j,γ - мощность сигнала обратного рассеяния,
- геометрический фактор лидара,
А - постоянная лидара,
β - коэффициент обратного рассеяния,
σ - коэффициент ослабления,
- радиус-вектор точки посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния (i-й точке расположения приемопередатчика соответствует радиус-вектор , i=1,2…),
- радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента,
- текущий радиус-вектор точки прямой, проходящей через точки i, j,
ci - отрезок 
, по которому вычисляются интегралы (2),
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). Стрелками обозначены первая и дополнительная посылки импульсов. Первая - дальше от лидара, дополнительная - ближе к лидару.
Способ реализуют следующим образом.
Приемопередатчики, например лидары 1, 2 и 3, располагают с разнесением в пространстве в точках 
, 
и 
Осуществляют посылку световых импульсов в направлении области зондирования, которая ограничена точками 
(i=1,2,3), и в направлении области зондирования, которая ограничена точками (i=1,4,5). Эти области зондирования имеют общий рассеивающий объем 
Посылают первый и дополнительный импульсы из точки в направлении на точку 
, 
.
Посылают первый и дополнительный импульсы из точки в направлении на точку по трассе, проходящей также через точку 
.
Посылают первый и дополнительный импульсы из точки в направлении на точку по трассе, проходящей также через точку 
.
Посылают первый и дополнительный импульсы из точки в направлении на точку 
по трассе, проходящей также через точки .
В точках посылки осуществляют прием эхо-сигналов от отрезков образованных областей зондирования атмосферы от первого и дополнительного импульса.
Принимают сигналы в точке от отрезков, ограниченных точками: и 
. Принимают сигналы в точке от отрезков, ограниченных точками: 
, 
и 
, .
Принимают сигналы в точке 
от отрезков, ограниченных точками: и . Принятые эхо-сигналы, скорректированные на геометрический фактор лидара, накапливают. Результат пропорционален:
b1,γ на отрезке, ограниченном точками 
;
b2,γ на отрезке, ограниченном точками 
, ;
b3,γ на отрезке, ограниченном точками ;
b4,γ на отрезке, ограниченном точками 
;
b5,γ на отрезке, ограниченном точками 
, 
;
b6,γ на отрезке, ограниченном точками 
.
Величину z1, а следовательно, и коэффициент ослабления, а также величину m находят на основании общего подхода (2) из систем уравнений:
Повторяют процедуру определения величин z1, m. Осуществляют дополнительно посылку первого и дополнительного световых импульсов в направлении дополнительной области зондирования, которая ограничена точками 
(i=1,6,7).
Посылают импульсы из точки 
в направлении на точку 
по трассе, проходящей также через точку 
. Точка 
расположена на участке, ограниченном точками: 
, точка 
расположена на отрезке, ограниченном точками: 
. Принимают сигналы в точке 
от отрезка, ограниченного точками: 
. Принимают сигналы в точке 
от отрезка, ограниченного точками: 
, 
. Принимают сигналы в точке 
от отрезка, ограниченного точками: 
. Принятые эхо-сигналы накапливают. Результат пропорционален:
b7,γ на отрезке, ограниченном точками 
;
b8,γ на отрезке, ограниченном точками 
, 
;
b9,γ на отрезке, ограниченном точками 
.
Величину z1, а также величину m находят из систем уравнений: системы (5) и системы
Повторяют процедуру до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения величины z1. По этой величине, используя формулы (1) и (3), находят коэффициент ослабления, которым определяется прозрачность атмосферы.
Указанные существенные отличия позволяют повысить точность из-за учета возможной неоднородности атмосферы в пределах исследуемого объема, включая изменчивость величины m.
Физические принципы, на которых основаны измерения предлагаемым способом, состоят в том, что измеренные мощности эхо-сигналов связаны с оптическими характеристиками 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 типа 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 не. Расстояние между лидарами 1, 2 и 2, 3 не превышает 0.5 км. Зондирование 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. 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. Эти две треугольные области зондирования имеют общий рассеивающий объем 
; 
, ;…
. По расчетным формулам находят коэффициенты обратного рассеяния и ослабления в точке
Осуществляют посылку световых импульсов лидаром 2 по трассе, проходящей через точки 
, 
; тогда область с вершинами 
, 
- уменьшенная область с вершинами 
, ; область с вершинами 
, 
- уменьшенная область с вершинами 
, 
. Осуществляют посылку дополнительных световых импульсов лидарами по этим трассам.
Измерения заканчивают полностью после того, как последовательно полученные по расчетным формулам результаты перестают отличаться друг от друга 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 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 областям зондирования, образованным отрезками трасс между точками их пересечения. Общий для трасс рассеивающий объем атмосферы, например 
на фиг. 1, может не быть общим для областей объемом, например, для областей, ограниченных точками 
(i=1,2,3) и ограниченных точками (i=1,4,5). Кроме того, посылка дополнительных световых импульсов обеспечивает возможность получить достаточно малую погрешность определяемой величины, требуемую для решения практических задач.
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. №1597815 А1. МКИ 5 G01W 1/00. Способ определения показателя ослабления атмосферы // Егоров А.Д., Емельянова В.Н. - Опубл. 07.10.90, Бюлл. изобр. №37.
2. Пат. 2439626 Российская Федерация, МПК G01W 1/04. Способ определения прозрачности атмосферы [Текст] / Егоров А.Д., Потапова И.А. - №2009144060; заявл. 27.11.2009; опубл. 10.01.2012, Бюл. №1 (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 определения прозрачности неоднородной атмосферы, 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 посылку в атмосферу световых импульсов по дополнительным трассам с образованием дополнительной области зондирования, имеющей общий рассеивающий объем с первой областью, накапливают эхо-сигналы на отрезках, образующих области, осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки, определяют характеристики атмосферы по эхо-сигналам, принятым из точек пересечения трасс и накопленным, а прозрачность атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул, отличающийся тем, что осуществляют посылку в атмосферу дополнительных световых импульсов по тем же трассам зондирования, принимают дополнительные эхо-сигналы и уменьшают обе области зондирования, определяют характеристики атмосферы по парам эхо-сигналов от первой и уменьшенной области зондирования для первых и дополнительных световых импульсов и повторяют процедуру до задаваемого уровня совпадения пар полученных результатов определения характеристик атмосферы, по которым находят прозрачность атмосферы.
