Способ определения прозрачности неоднородной атмосферы

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 . Осуществляют посылку дополнительных световых импульсов в тех же направлениях.

Посылают первый и дополнительный импульсы из точки в направлении на точку по трассе, проходящей также через точки , .

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 . Осуществляют посылку дополнительных световых импульсов лидарами по тем же трассам. Осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки, их накопление на отрезках, ограниченных точками , ; , ;…, . По расчетным формулам находят коэффициенты обратного рассеяния и ослабления в точке и степень связи между ними.

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.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к системам метеорологической радиолокации и может быть использовано для мониторинга метеорологических условий. Достигаемый технический результат – уменьшение массогабаритных размеров элементов системы, уменьшение энергопотребления, отсутствие необходимости постоянного обслуживания, возможность получения информации о локальных метеоусловиях через интернет, возможность анализа низких слоев атмосферы, которые обладают более высокой информативностью.

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано в системах мониторинга опасных явлений погоды, а также в исследованиях электрических процессов в атмосфере и геофизических исследованиях.

Группа изобретений относится к метеорологии и может быть использована для измерения скорости ветра и температуры воздуха в атмосферном пограничном слое до высоты 2-3 км.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для дистанционного измерения параметров атмосферы. Сущность: устройство состоит из сканирующего устройства и приемоответчика.

Изобретение относится к исследованиям в области индикации и идентификации химических веществ, в частности к оптимизации способа проведения специального химического контроля.

Способ определения скорости ветра над водной поверхностью, в котором получают при помощи двух оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с разными направлениями визирования два пространственно-временных изображения водной поверхности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при мониторинге атмосферного давления в метеорологии, климатологии и экологии. Способ измерения атмосферного давления заключается в измерении изменения электросопротивления деформируемой части анероидной коробки, которая выполнена из сплава с эффектом памяти формы со сверхупругими свойствами.

Изобретение относится к устройствам контроля параметров окружающей среды преимущественно в производственных помещениях. Сущность: устройство содержит Х метеорологических датчиков (1), Y датчиков (2) экологического мониторинга, Z датчиков (3) измерения показателей производственной среды, интеграторы (4) показаний датчиков (1-3), преобразователи (5) сигнала на каждый интегратор (4), блок (6) измерения, задатчики (7) предельно допустимых показателей на каждый датчик (1-3), блоки (8) сравнения на каждый датчик (1-3) и задатчик (7), блок (9) сопряжения, блок (10) питания, блок (11) управления режимами, блок (12) управления и связи, монитор (13) питания, дополнительный источник (14) питания, буфер (15) питания, блок (16) энергонезависимой памяти, блок (17) ввода-вывода, газоразрядники (18), супрессоры (19), дополнительные газоразрядники (20) и дополнительные супрессоры (21).

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано в авиационной метеорологии при измерении параметров динамики атмосферы в приземном слое для оценки условий взлета и посадки летательных аппаратов, при прогнозировании экологической обстановки в зонах техногенных катастроф, а также на воздушных и морских судах при измерении параметров вектора скорости ветра.

Изобретение предназначено для использования при непрерывном экологическом контроле окружающей среды. Передвижная лаборатория мониторинга окружающей среды содержит автомобиль-носитель, навигационную систему на базе GPS и электронный компас, контрольно-измерительную аппаратуру, лабораторию, автоматизированное рабочее место и технологическое оборудование.

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано в системах мониторинга опасных явлений погоды, а также в исследованиях электрических процессов в атмосфере и геофизических исследованиях.

Предложен способ определения скорости ветра над водной поверхностью, в котором получают более двух пространственно-временных изображений водной поверхности из оптических изображений, полученных с помощью более чем двух оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, синхронизированных между собой единым задающим генератором и установленных с разными направлениями визирования в заданном угловом секторе, определяемом азимутальным углом между крайними линейками ПЗС-фотодиодов, причем каждая линейка ПЗС-фотодиодов регистрирует одномерные оптические изображения с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами наблюдения, стыкуют по дальности два полученных с соседних линеек ПЗС-фотодиодов изображения по дальности, определяют направления распространения ветровых порывов (определяют углы между направлениями визирования соседних линеек ПЗС-фотодиодов и направлением движения полос ветровых порывов между соседними линейками ПЗС-фотодиодов) и скорость ветровых порывов для соседних линеек ПЗС-фотодиодов по углам наклона полос ветровых порывов на пространственно-временных изображениях, полученных соседними линейками ПЗС-фотодиодов, и известному углу между направлениями визирования соседних линеек ПЗС-фотодиодов, скорость ветра определяют над каждой точкой водной поверхности в направлении визирования каждой линейки ПЗС-фотодиодов из известной модельной зависимости дисперсии уклонов волн от скорости ветра с учетом направления ветровых порывов, а значение дисперсии уклонов волн в направлении визирования в каждой точке водной поверхности получают решая задачу «обращения» зависимости яркости водной поверхности от дисперсии уклонов волн с учетом углового распределения яркости неба, причем для решения задачи «обращения» используют в каждой точке водной поверхности в направлении визирования каждой линейки ПЗС-фотодиодов сравнение измеренной яркости водной поверхности, нормированной на яркость неба у горизонта, зарегистрированной в оптическом изображении водной поверхности, и модельной (расчетной) нормированной яркости водной поверхности, при этом в формуле для яркости водной поверхности используют либо аналитическое выражение для углового распределения яркости неба в зависимости от условий освещения, либо используют угловое распределение яркости неба и окологоризонтного участка водной поверхности, зарегистрированное в цифровом виде в случае необходимости достижения высокого пространственного разрешения на водной поверхности в направлении визирования линеек ПЗС-фотодиодов либо с помощью двух взаимно откалиброванных видеокамер, на объективы которых установлены поляроиды с вертикально и горизонтально расположенными осями пропускания, либо с помощью одной видеокамеры, на объектив которой, как и на объективы линеек ПЗС-фотодиодов, установлены поляроиды или с вертикально, или с горизонтально расположенной осью пропускания, при этом в линейках ПЗС-фотодиодов используют длиннофокусные узкоугольные объективы, а в случае необходимости достижения широкой полосы обзора - с помощью самих линеек ПЗС-фотодиодов с установленными на них широкоугольными объективами и установленными на объективах поляроидами с вертикально или горизонтально расположенной осью пропускания.

Способ дистанционного оптического зондирования неоднородной атмосферы содержит этап 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.
Изобретение относится к метеорологии, а именно к способам обнаружения штормовой погоды в океане. Согласно способу обнаружения шторма в океане со спутника облучают поверхность океана оптическим излучением и принимают отраженный сигнал.

Предложен способ определения атмосферного потенциала обледенения. Способ содержит испускание (304) допплеровским гетеродинным лидаром (прибором светового обнаружения и определения дальности) (108а, 108b) электромагнитного излучения в атмосферу и прием излучения, обратнорассеянного от аэрозоля, в частности, от облака.
Изобретение относится к технике измерения оптических характеристик атмосферы. Одновременно с первым зондирующим импульсом производят включение фотоприемника излучения первым стробом-импульсом питания.

Оптический блок может быть использован для измерения характеристик облачности, преимущественно, на аэродроме с целью метеообеспечения взлета/посадки информацией о высоте нижней границы облаков.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может быть использовано для измерения прозрачности неоднородной атмосферы лидарными системами при определении аэрозольного загрязнения воздуха.
В наблюдаемое облако с установленного на поверхности Земли или вблизи этой поверхности лазерного излучателя в тело облака посылают импульсное лазерное излучение с длительностью импульсов излучения 10-20 нс и с промежутком времени между импульсами не более 2 с.

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.

Изобретение относится к способу контроля воздушной подушки под летательным аппаратом. Для контроля воздушной подушки на борту летательного аппарата устанавливают лазерный излучатель, направляют лазерный луч под углом к вертикали в сторону поверхности земли, регистрируют угол прихода отраженного от поверхности земли луча, по изменению угла прихода отраженного луча определяют изменения плотности воздушной среды под летательным аппаратом. Обеспечивается контроль воздушной среды под летательным аппаратом на малых высотах полета. 3 ил.

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.

Наверх