Способ выделения оптических неоднородностей в рассеивающих средах

Способ выделения оптических неоднородностей в рассеивающих средах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Область использования: оптическое приборостроение, метеорология. Сущность изобретения: для обеспечения возможности , дополнительно к определению наличия границ раздела различных по составу сред, определения качественного состава рассеивающих сред, соотношение qi сигналов Si рассеянного обратно излучения находят по приводимой зависимости. О наличии границ раздела различных по составу сред судят по превышению величины отклонения соотношения qi от порогового уровня, равного единице, на величину 6(5S (где д$ - погрешность измерения сигналов, рассеянного обратно излучения), а об изменении качественного состава судят по абсолютной величине соотношения сц.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) м1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4817305/10 (22) 23,04.90 (46) 15.01.93. Бюл. М 2 (71) Белорусский государственный университет им. В.И. Ленина (72) M.М. Кугейко, И.А. Малевич и Д.3. Шиперко (56) Молебный B.Â. Оптико-локационные системы. M. "Машиностроение", 1981, с. 27.

Авторское свидетельство СССР

N 288586, кл. G 01 W 1/00, 1970. (54) СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ

НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В РАССЕИВАЮЩИХ СРЕДАХ (57) Область использования: оптическое приборостроение, метеорология. Сущность

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для определения границ и величин изменения качественного состава рассеивающих сред, для выделения границ поглощающих сред и т.п.

Известны способы выделения неоднородностей, например, объектов в атмосфере, по сигналам обратного рассеяния, Признаком наличия неоднородности (объекта) во всех случаях служит превышение сигналом обратного рассеяния порогового значения, установление которого — трудная задача, так как величина порога зависит как от параметров среды, так и от характеристик приемно-излучающих устройств. Изменение этих параметров требует изменения порогового значения, что существенно влияет на вероятность выделения неоднородностей.

„„5U„„1788485 А1 изобретения: для обеспечения возможности, дополнительно к определению наличия границ раздела разллчных по составу сред, определения качественного состава рассеивающих сред, соотношение q сигналов $ рассеянного обратно излучения находят по приводимой зависимости. О наличии границ раздела разлйчйых по составу сред судят па превышению величины отклонения соотношения qt от порогового уровня, равного единице, на величину 6 8> (где д,— погрешность измерения сигналов, рассеянного обратно излучения), а об изменении качественного состава судят по абсолютной величине соотношения ць

Наиболее близким к предлагаемому является способ выделения оптических неоднородностей, заключающийся в облучении . рассеивающей среды короткими импульсами оптического излучения; фотодетектировании рассеянного назад излучения с временным разрешением Ахи 2 Лх, в котором о наличии оптической неоднородности судят по принятию задаваемой функцией фотодетектируемых сигналов значений больше 1 или меньше О, Недостатксм данного cnocoGa является то, что он не различает, произошло ли изменение рассеивающих свойств среды за счет изменения концентрации рассеивающего вещества или изменения состава рассеивающих веществ, т.е. изменения рассеивающих свойств за счет появления новых рассеивающих компонентов или видоизменения функции распределения частиц по размерам.

1788485

К- — AT (0;zi 2Лг), 1

zI! P (z) dz};

zi — Л7

Ьз4 = ехр (-2

20 zi — Лz ,/ P (Z) dZ};

zi +2 Л2 (1-Ь12) (2) 35

Известны способы, в том числе и прототип, не позволяют определить достаточно точно и абсолютную величину изменения сигнала, обусловленную изменение качественного состава среды,,т,е. какую часть изменения сигнала составляют изменения количественного состава от общего изменения, обусловленного изменение как концентрации, так и качественного состава, Целью изобретения является повышение точности и информативности эа счет дополнительного ойределения качественного состава рассеивающих сред.

Предлагаемь!й способ выделения оптических неоднородностей в рассеивающих средах реализуется следующим образом, В исследуемую неоднородную рассеивающую среду лидаром пось!лается зондирующее излучение. Величина принимаемого сигнала обратного рассеяния P(z) описывается лидарным уравнением

P{z) =Az2ф (г)ехр -2 fp (z) dz (1) о где А — annaратурная постоянная, /Ь (г)— коэффициент обратного рассеяния в точке

z, P (z) — коэффициент ослабления в точке

z, p < {z) = ц-(z )/3 (z), à g (z) — лидарное отношение, равное

g (z)=Ù(ð1 ) f(a)da/ fP (р1 ) f(a) da

1 . 1 и не зависящее от концентрации рассеивающих частиц, а1, а2- минимальный и максимальный радиусы частиц, р =-2к/А,л, длина волны зондирующего излучения, In— показатель преломления, p+(ð1 m), p (p, rn ) — соответственно факторы эффективности ослабления и рассеяния в обратном направлении, . Из уравнения (1) для сигналов обратного рассеяния, отраженных от участков (z; z+

Лг), можно записать следующие функционалы, +Л 1

S(z)= f P(z)z dz= — Ац (г;г+Лг)Т (0;z)

2+62 (1-ехр (-2 f P (z) й}) (3)

z где

Z среднее значение лидарнОго отношения на участке (z; z+ hz);

z

Т (О,z) = exp (-2 f P (z) dz}. Пусть точка zi я вл яо ется точкой раздела слоев соответственно со средними значениями показателя ослабления р1 и р2 и лидарных отношений glTMgf

Введем обозначения:

zI — Л2

10 b12 = exp {-2 f p (z) dz} -= ехр (-2

zi — 2 Л7

2!+ Л7

P (z) dz} = ехр (-2

ggj =$(zi 2hz, zi Лг) = gg (zi-Лг, zi);

g = Я „(г1; zi+ Лг) = g (zj+Az; г!+2Ьг).

Я /

С учетом введенных обозначений для функционалов вида (3) получаем

zi — 2 Ь2

SI = S(zi-2 Ьг) = ) P{z)z dz = k g>

zj Ь2 4zj

Si+1 = S(zi-Й) = f P(z)z dz = k. q Ь12(1-Ь12); — г!е

zj +Л2

Si+2 = S(zi) = f P(z)z dz = k b 12(1 Ь34)

zi 3//

45 zi +2 А2

Sj+g = S(zj+ Az) = P(z) z dz:= К Я Ь 12

Z.i — Ь2

Ьза (1-Ьз4).

Решая систему уравнений (4), имеем:

50 g 8!+2 z Si — Si+1

g (Si+1 ) Si+2 — Я!+з

Значение параметра qi показывает изменение величины сигнала обратного рассеяния, вызванное изменением микрофизических характеристик среды, например, изменением показателя преломления или поглощения, спектра размера частиц и т,д, При одновременном изменении как микрофизических характеристик среды, так и

1788485 сигналов обратного рассеяния от устанавливаемого уровня (единицы), За счет возможности дополнительного определения границ и степени изменения качественного состава рассеивающих сред предлагаемый способ значительно расширяет свою информативность по сравнению с известными, При этом значительно возрастает и точность выделения границ качественногоо изменения неоднородностей (иэ-за устранения зависимости от концентрации).

10

Формула изобретения

Dqi = = 2 (д Si+2 + д Si+1) + д (Ян-1)+

Лq;

Ц

+(S i+3-S i+a), (6)

ASi+i где BSi+x =, К = 0,3 получаем;

Si+k дц = бди (7)

Таким образом, критерий выделения неоднородности с учетом погрешностей измерения сигнала имеет вид: ! ць11 > бди (8) и сводится к определению величины отклонения функции qi отсчетов S;, Si+1, Si+2, Si+g

S i+2 г - и — S l — 1

S i+1 S i+2 S! +3

Составитель М,Кугейко

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор А,Мотыль

Редактор

Заказ 72 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 концентрации рассеивающих частиц, как видно иэ выражений (4) и (5), параметр qi показывает только ту часть относительного изменения сигнала обратного рассеяния, которая обусловлена изменением качественного состава. Это вытекает из того, что в систему уравнений (4), которая используется для определения qi, входят параметры Ь1г и Ьз4, характеризующие перепад показателя ослабления по границе раздела сред, и никаких предположений о значениях Ь1г и Ьз4 для получения (5) не делалось, а выражение для

qi не содержит параметров bn u Ьз4.

Использование выражения (5) позволяет выделять и гракицы качественного изменения неоднородностей, так как только в этом случае величина;о; становится отличной от i (при изменении концентрации q;--1, т.к, согласно (2) не зависит от нее). Использование же прототипа для обнаружения неоднородности в случае изменения качественного состава приводило бы к ложным срабатываниям, так как он реагирует на изменения качественного состава, так и на изменения концентрации.

Так как измерение сигналов производится с некоторой погрешностью, то необходимо установить степень отклонения параметра qi от единицы, при превышении которого делается вывод о наличии неоднородностей. Выражение для величины относительной погрешности определения параметра q;, получеккое методом конечных приращений, имеет вид:

Способ выделения оптических неоднородностей в рассеивающих средах, включающий зондирование рассеивающей среды короткими импульсами оптического излучения, фотодетектирование рассеянного обратно излучения с временным разрешением

< z нахождение соотношений qi сигналов $ этого излучения, сравнение этих соотношений с пороговым уровнем, равным единице с учетом погрешности измерения сигналов рассеянного обратно излучения д$, и обработку результатов измерений с определением наличия границ раздела различных по составу сред, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и информативности путем дополнительного определения качественного состава рассеивающих сред, при сравнении соотношения gi с пороговым уровнем, равным единице, определяют отклонекие этого соотношения от поротового уровня, а о наличии границ раздела различных по составу сред и изменении их качественного состава судят соответственио по превышению отклокения соотношения ql от порогового уровня ка величину 6 @и абсолютному значению этого соотношения на границах неоднородностей, прлчем соотношение q; сигналов Si находят из выражеHNg;