Способ определения влажности в атмосфере с развитой турбулентностью

Способ определения влажности в атмосфере с развитой турбулентностью

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к метеорологии, а именно к дистанционному зондированию атмосферы с развитой турбулентностью воздушных потоков. Для повышения точности определения влажности в данном способе по сравнению с известными посылают в атмосферу пучок излучения с диаметром сечения равным характерному масштабу внутренней турбулентности, выделяют флуктуирующее во времени стохастические составляющие эхо-сигналы путем пространственно-временной фильтрации и Фурьеанализа отдельно для длин волн поглощения и пропускания водяным паром, и по отношению их спектральных плотностей флуктуации определяют содержание водяного пара. Способ позволяет использовать источники излучения малой мощности, а также исключить погрешности, связанные с деформациями и сдвигами контуров линий поглощения водяного пара, и избежать необходимости калибровки характеристик отражателей . (Л С

союз советских социАлисти IEcKMx

РЕСПУБЛИК (st)s 6 01 W 1/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4711823/10 (22) 29.06,89 (46) 23.10.91, Бюл. %39 (71) Одесский гидрометеорологический институт (72) С.С.Михайловский, П,М.Гусак и

В.А.Саркисянц (53) 551,508.21 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 325579, кл, G 01 W 1/11, 1969.

Журнал прикладной спектроскопии, 1986, т, 45, М 3, с 468. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ В АТМОСФЕРЕ С РАЗВИТОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТЬЮ (57) Изобретение относится к метеорологии, а именно к дистанционному зондированию атмосферы с развитой турбулентностью воздушных потоков. Для повышения точноИзобретение относится к метеорологии и может быть использовано при дистанционном зондировании свободной атмосферы, в частности при определении влажности атмосферы с развитой турбулентностью воздушных потоков.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг,1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 — пример экспериментально получаемых спектров плотности мощных эхо-сигналов в двойном логарифмическом масштабе; на фиг.3 — экспериментал ь но набл юдаемая частотная зависимость отношения спектров плотнОСТи мощнОСти. Ы, „1686391 Al сти определения влажности вданном способе по сравнению с известными посылают в атмосферу пучок излучения с диаметром сечения равным характерному масштабу внутренней турбулентности, выделяют флуктуирующее во времени стохастические составляющие эхо-сигналы путем пространственно-временной фильтрации и Фурьеанализа отдельно для длин волн поглощения и пропускания водяным паром, и по отношению их спектральных плотностей флуктуаций определяют содержание водяного пара. Способ позволяет использовать источники излучения малой мощности, а также исключить погрешности, связанные с деформациями и сдвигами контуров линий поглощения водяного пара, и избежать необходимости калибровки характеристик отражателей, Устройство содержит лазерный источник 1, блок 2 формирования пучка излучения с заданным диаметром сечения, поворотное зеркало 3, зеркальный телескоп 4, отражающее зеркало 5, устройства 6 — 9 разделения по длинам волн, фотоприемники 10, блоки

11 фильтрации, Фурье-анализаторы 12, интегрирующие блоки 13, вычислительное устройство 14 и индикатор 15.

Выбранную для измерения трассу облучают импульсами электромагнитного излучения, например импульсами монохроматического излучения от лазерного источника 1, Длина волны импульсов излучения изменяется путем дискретного переключения на две длины волны h u Л . При этом одна иэ длин волн излучения Л2 +. ЛЛ. где

1686391

ЛА — полуширина линии излучения, попадает в контур резонансной линии г1оглощения водяного пара. Время переключения выбирается таким, чтобы вь1полняг1ось условие

"замороженное атмосферы" — для импул ьСОВ с длинами волн А1 и А2 флуктуации метеопараметров атмосферы должны быть идентичными. 3То время имеет величину

10 с. Излучаемый источником импульс

-э формируется в блоке 2 так, чтобы пучки излучения с длинами волны л.i и,4 прсстранственно совмещались и проходки по одной и той же трассе зондирования, а поперечный диамета пучков устанавливают соизмеримым с внутренними масштабами турбулентности, т.е. cI = 10 мм, В качестве формирователя 2 используются линзовый коллиматор и поворотное зеркало 3, отраженное излучение поступает в зеркальный телескоп 4. В зависимости от решаемой задачи отражательным элементом на трассе может служить зеркало 5 либо топографический отражатель, либо рассеивающее образование в атмосфере — аэрозольные частицы, Эхо-сигнал фильтруется подлинам волн на линиях поглогцения Лр и пропускэHHA il). Для 3Т010 служат устройства 6 — 9.

Устройство 6 представляет собой ограничивающую диафрагму, Далее излучение разделяется на два канала при помощи полупрозрачного зеркала 7. В каждом из каналов установлены интерференционнь.е фильтры 8 и 9 соответственно для длины волн излучения 11 или 1,;, Отфильтрованное по длинам волн излучение попадает на фотоприемники 10, где преобразуется в электрические сигналы, соответствующие интенсивности излучения wB длинах волн

Л1 и i, которые подвергаются электрической фильтрации в блоках l1, где из поступающих электрических сигналов выделяют флуктуирующие во времени стохэстические составляющие эхо-сигнала. В ыделенная стохастическая составляющая эхо-сигнала подвергается Фур1 е-частотному анаг1изу в реальном масштабе времени, т.е, за время одной реализации. Для этого применяк1ТСЯ

Фурье-анализаторы 12 спектра отдельно для длин волн эхо-сигнала на А1 и Ар.

Спектральные составляющие Фурье-частотного анализа или Фурье-образца, получен н ые для каждой реализации, интегрируются или накапливаются в течение цикла измерения. в блоках 13.

Полученная информация о спектральньх плотностях флуктуаций поступает в вычислительное устройство 14, где производится расчет измеряемого параметре, РеЗульт т выводится на индикатор 15, 5

i0

Г" 5

В свободной атмосфере с развитой турбулентностью под действием локальной температуры и плотности водяного пара существует пространственная зависимость диэлектрической проницаемости. В случайном поле я (Т, r) электромагнитное излучение испытывает стохэстические модуляции, глубина и спектр которых определяются условиями распространения излучения и флуктуации метеопараметров.

Такие оптические параметры среды. как показатель преломления и - я и коэффициент поглощения водяным паром, является функциями давления Р. температуры 0, плотности водяного пара е. Малые стохостические флуктуации оптических параметров пропорциональны производным по локальным значениям Р(г1л 0(г) и е(г) и зависят от них. Статистические характеристики флуктуаций, такие как спектр и корреляционная функция, отличаются для электромагнитной волны, прошедшей трассу зондирования без поглощения водяным паром, и для волны, частично поглощающейся

ВОДЯНЫМ ПаРОМ, На фиг.2 представлены полученные экспериментально спектральные плотности мощности флуктуаций эхо-сигналов двух лазерных пучков с длиной волны излучения

А1 = 1,08 мкм — не поглощаемого водяным паром и il2 = 1,15 мкм — частично поглощаемого водяным паром и распространяющихся одновременно по одной и той же трассе длиной L = --250 м.

Спектры плотности мощности флуктуаций эхо-сигналов и их зависимости от частоты N< (f3 и 012 (f) соответствующих А1 и отличаются друг от друга. Конкретный пример экспериментально получаемых спектров Ig A@1 (f) и tg o (f) в двойном логарифмичес ком масштабе п редставлен на фиг,2. Экспериментально наблюдаемая зависимость соотношения Ig в1/в2 от частоты при различных метеопараметрах на трассе, измеряемых независимыми методами, представлена на фиг.3, По трассе устанавливаются датчики скорости ветра V, температуры 00С и абсолютной влажности е, Затем определяются частоты, соответствующие экстремуму зависимости и на основании полученного максимального значения

f определяю влагосодержание по формуле

194 = 1ф0+ Ва, О,Я1 е

1 ".- О,003660

Возможны два подхода к использованию этой зависимости для решения обратной задачи — измерения средней величины

1686391 абсолютной влажности на трассе по экспериментально определенным величинам а: теоретический расчет зависимости Ig в /ж и экспериментальное построение калибровочной зависимости Igf = Igfo + Ва с независимыми измерениями а.

Использование данного технического решения позволит повысить точность определения влажности свободной атмосферы с развитой турбулентностью ветровых потоков при достижении следующих положительных эффектов. Дисперсия амплитуды эхо-сигнала может быть соизмерима со средней величиной эхо-сигнала в цикле измерений. При этом открывается возможность использования маломощных источников излучения. Неконтролируемые деформации и сдвиги контура линий поглощения водяного пара, возникающие в зоне зондирования с изменением метеоусловий, не являются критическими параметрами способа, и поэтому не отражаются на точности измерений в широких пределах вариаций метеоусловий. Селективные свойства отражательных устройств или образований не влияют на стохастический характер эхосигнала, поэтому отпадает необходимость калибровки отражательных характеристик отражателей, а в процессе измерений отражатель может изменять свои свойства. например адсорбировать влагу, Формула изобретения

5 Способ определения влажнос и в атмосфере с развитой турбулентностью, заключающийся в посылке пучков излучения с дискретно изменяемой длиной волны, приеме в течение цикла измерений и филь10 трации эхо-сигнала с длиной волны поглощения и пропускания водяного пара, определении дальности до элементарных рассеивающих объемов, по которым судят о величине средней влажности на трассе иэмере15 ний, отличающийся тем, цто, с целью повышения точности, посылаемый пучок излучения формируют с поперечным сечением, соизмеримым внутреннему масштабу турбулентности, дополнительно проводят

20 пространственно-временную фильтрацию и выделение стохастических составляющих эхо-сигнала, производят Фурье-частотный анализ, накапливают спектральные составляющие эхо-сигнала в течение цикла из25 мерений отдельно для длин волн поглощения и пропускания водяного пара, а о величине средней влажности на трассе измерений судят по отношению спектральных плотностей составляющих эхо-сигнала, 30 l686391 риац . pg, + +

1 95Г

20 бу, Гь

4,0

0,7

Фиг. 2

0,5 г

07 О /

I,S

4иг. 3

Составитель Е.Трофимов

Техред M. Моргентал Корректор М,Кучерявая

Редактор И,Горная

Заказ 3596 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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