Способ идентификации размеров частиц жидкости в атмосфере

 

СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ЖИДКОСТИ В АТМОСФЕ-РЕ, по которому лазерное излучение посылают в атмосферу и принимают рассеянное излучение, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и повышения точности измерений, в атмосферу одновременно дополнительно посылают моноимпульс с другой длиной волны, изменяя его длительность от 10"^ до 10'^ с и интенсивность 10^ до 10® Вт/см'^, соблюдая при этом закономерность51г^=С, где гдлительность импульса;I - интенсивность импульса;С - постоянная, определяющаяся свой- 'ствами материала частицы, измеряют интенсивность рассеянного сигнала на частоте излучения зондирующего пучка и по изменению этой интенсивности в условиях воздействия и отсутствия воздействия мощного излучения судят о параметрах частиц.1^^Изобретение относится к области исс' ледования или анализа жидких, газообраз-' ных или сыпучих веществ с помощью оптических методов и может быть использовано в метеорологии и научных экспериментах.Эффективным способом определения спектра размеров частиц является способ многочастотного зондирования с последующей машинной обработкой результатов ло-кационных измерений по формулам теории Ми.К недостаткам способа следует отнести сложность математического аппарата и большие затраты машинного времени, а также не полная замкнутость задачи, требующая априорного задания некоторых из параметров мнргопараметрической функции распределения частиц по размерам, что приводит к ухудшению точности.00о|Ч>&ел00

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l9) (l1) ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2825335/25 (22) 08.10,79 (46) 15.12.92. Бюл. М 46 (71) Институт оптики атмосферы Томского филиала СО АН СССР (72) Ю.Д, Копытин и С.А. Шишигин (53) 535.242(088.8) (56) Костин Б.С., Наац Н.Э. Обратные задачи аэрозольного светорассеяния в лазерной локации атмосферы. П1 Всесоюзный симпозиум по лазерному зондированию атмосферы. Тезисы докладов, Томск, 1974, с. 147-150.

Тяботов А.E. Определение микроструктуры капельных облаков с использованием лазерной локации. И Всесоюзный симпозиум по лазерному зондированию атмосферы.

Тезисы докладов, Томск, 1976, с. 123-126.

Быковский Ю.А., Маныкин Э.А., Натухин И.Е., Рубежный Ю.Г. Комбинационное рассеяние света на колебаниях формы жидкой сферической частицы. — Квантовая электроника, 1975, т.2, N- 8. (54)(57) СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ЖИДКОСТИ В АТМОСФЕИзобретение относится к области исследования или анализа жидких, газообраз- ных или сыпучих веществ с помощью оптических методов и может быть использовано в метеорологии и научных экспериментах, Эффективным способом определения спектра размеров частиц является способ многочастотного зондирования с последующей машинной обработкой результатов ло(sl)s G 01 N 15/02, G 01 W 1/00

РЕ, по которому лазерное излучение посылают в атмосферу и принимают рассеянное излучение, отличающийся тем, что, с целью увели ения чувствительности и повышения точности измерений, в атмосферу одновременно дополнительно посылают моноимпульс с другой длиной волны, изменяя его длительность от 10 до 10 с и

NHT8HcvIBHocTb 10 до 10 Вт/см, соблюдая при этом закономерность

3= g где z - длительность импульса;

1 — интенсивность импульса;

С вЂ” постоянная, определяющаяся свойствами материала частицы, измеряют интенсивность рассеянного сигнала на частоте излучения зондирующего пучка и по изменению этой интенсивности в условиях воздействия и отсутствия воздействия мощного излучения судят о пара- 2 метрах частиц. кационных измерений по формулам теории

Ми.

К недостаткам способа следует отнести сложность математического аппарата и большие затраты машинного времени, а также не полная замкнутость задачи, требующая априорнога задания некоторых из параметров многопараметрической. функции распределения частиц по размерам, что приводит к ухудшению точности.

81б258

5 .3

1 v R

2Ь 8

Известен также способ определения размеров капель облаков с использованием лазерной локации по величине степени поляризации рассеянного излучения облаком, К недостаткам способа относятся необходимость априорного задания функции распределения частиц по размерам в облаке для определения среднего радиуса облачных частиц, сложность математического аппарата. Все это накладывает ограничение на область применения данного способа и снижает точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения спект-. ра аэрозольных частиц по размерам, в котором используется эффект комбинационного рассеяния на колебаниях формы жидкой сферической частицы, заключающийся в том, что при таком рассеянии света на тепловых колебаниях формы жидкой сферической частицы и роисходит сдвиг частоты рассеянного излучения. По этому способу в атмосферу посылают зондирующее излучение, принимают рассеянное аэрозолем излучение по частоте комбинационного рассеяния и по интенсивности рассеянного излучения судят о спектре аэрозольных частиц.

В силу однозначной связи, между комбинационной частотой и размером аэрозольной частицы эффект рассеяния может быть использован для определения спектра аэрозольных частиц по размерам.

Недостатком способа является необходимость применения спектрометров очень высокой разрешающей способности до

0,001 см иэ-за того, что собственные частоты колебаний атмосферных жидких аэрозолей лежат.в диапазоне 10 — 10 Гц, а

6 8 следовательно, комбинационные частоты незначительно отличаются от частоты зондирующего излучения, которое должно быть строго монохроматическим. Кроме этого, малая интенсивность комбинационного рассеяния света затрудняет применение данного способа для зондирования спектра размеров аэрозольных частиц в атмосфере.

Все это обусловливает недостаточную точность и чувствительность способа.

Целью изобретения является увеличение чувствительности и повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе идентификации размеров частиц жидкости в атмосфере, по. которому лазерное излучение посылают в атмосферу и принимают рассеянное излучение, в атмосферу одновременно дополнительно посылают моноимпульс на другой длине волны, изменяя его длительность до 10 е до 10 с и интенсивность от 10 до 10 Вт/см, соблюдая при этом закономерность где т- длительность импульса; ! — интенсивность импульса;

С вЂ” постоянная, определяющаяся свойствами материала частоты, измеряют интенсивность рассеянного сигнала на частоте излучения зондирующего пучка и по изменению этой интенсивности в условиях воздействия и отсутствия воздействия мощного излучения судят о параметрах частиц.

При этом принимают рассеянное излучение не на комбинационной частоте зондирующего луча, а аэрозольное рассеяние излучения зондирующего луча, а об искомом параметре судят по скачку интенсивности рассеянного излучения зондирующего луча в присутствии импульса и без него, зная связь между длительностью импульса и радиусом деформированной частицы где р- плотность частицы; у — коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Известно, что по действием электромагнитного излучения на поверхности жидкой частицы возникают как сжимающие, так и растягивающие поверхностные усилия, которые придают жидкой частице несферическую форму в присутствии мощности лазерного импульса.

Причем, характерное время изменения формы частицы зависит от ее размера и для частиц радиуса от 1 до 10 мкм соответственно лежит в пределах от 10 до 10 с. Кроме того, для изменения формы частице необходима тем большая интенсивность, чем меньше размер частицы, и для аналогичных частиц находится в пределах от 10 до 10

Вт/см .

Таким образом, изменением длительности дополнительного импульса от 106 до

10 с и одновременное изменение его интенсивности от10 до 10 Вт/см приведет к последовательному приданию несферической формы частицам одного заданного размера, так как частицы больших размеров облучаются длинным импульсом, но с малой для более мелких частиц интенсивностью, а короткий импульс действует только на мел816258 где Wp — энергия флюктуаций рассеяннолаб го излучения в определенном угле а, поступающего на фстоприемник;

) лаб(Й) — ИЗВЕСтНаЯ ФУНКЦИЯ РаСПРЕДЕЛЕ5 ния частиц по размерам в искусственном тумане.

Следовательно, изменяя длительность посылаемого импульса то 10 до 10 с и интенсивность его от 10 до 10 Вт/см; по

7 9

10 величине скачков рассеянного зондирующего излучения можно определить распределение частиц по размерам согласно полученному выражению, зная связь между длительностью импульса т и радиусом де15 формированной частицы (1).

Для реализации способа посылают через исследуемую среду излучение аргонового лазера и мощный импульс рубинового лазера. Рассеянное излучение аргонового

20 лазера аэрозолем принимается фотоприемником.

Производится изменение ллительности рубинового импульса от 10 до 10 с и его интенсивности от 10 до 10" Вт/см и по )5 изменениям сигнала рассеянного зондирующего пучка света определяется распределение частиц по размерам согласно полученной формуле, зная связь радиуса капли с ее временем реагирования на мощ30 ный импульс..

Одной из важных характеристик атмосферного аэрозоля, определяющего его оптические свойства в широком спектральном интервале частот является функция распре35 деления по размерам. Процессы образования облаков и туманов связаны с многообразием меняющихся в широких пределах факторов, определяющих рост капель (зависимость скорости роста от кон40 центрации, распределения по размерам и природы ядерной конденсации от температуры и скорости охлаждения воздуха, от масштабов турбулентности и ее интенсив ности). Все это не позволило пока теорети45 чески решить вопрос о функциях распределения частиц по размерам. Поэтому большое значение имеет экспериментальное измерение функции распределения аэрозоля по размерам.

50 Способ повышает достоверность прогноза погоды при изучении облаков и туманов, опытин нтал Корректор В.Петраш кие частицы, а большие частицы не успевают видоизменяться за короткое время.

Рассеяние ориентированными эллипсоидальными частицами по сравнению со сферическими частицами того же обьекта может превышать более чем в 1,5 раза, что говорит о высокой чуЬствительности данного способа.

Дополнительное зондирующее излучение, проходя сквозь аэрозольную среду. рассеивается на деформированных в поле мощного источника частицах, а следовательно, в рассеянном сигнале возникает скачок сигнала в присутствии мощного импульса и по сравнению с ситуацией, когда оптическое воздействие отсутствует.

Энергия скачка рассеянного света под углом а к распространениюзондирующего луча можно записать в виде

W, = В (R)if(R)tu, где — интенсивность зондирующего излучения;

f(R) — функция распределения частиц по размерам;

N — концентрация частиц;

 — const;

<ра(К) — калибровочная функция от радиуса частиц, учитывающая изменения индикатриссы рассеяния, сечения рассеяния от радиуса частиц и формы.

Из данного уравнения выразим функцию распределения частиц по размерам, авах применив условие нормировки j f(R)dR=1, ап) 1и получим,®. W/ðà(R)

amax

JW р/iрр(В)б R (2) ат(п

Калибровочная функция уфопределяется в лабораторных условиях по рассеянию света возбужденными каплями искусственного тумана с известной функцией распределения частиц по размерам по формуле: ж(л) =+(л)

Составитель Ю.К

Редактор О.Филиппова Техред М.Морге

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 563 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5