Устройство лазерного зондирования атмосферы

Устройство лазерного зондирования атмосферы

Реферат

 

Использование: в технике дистанционного измерения оптико-физических параметров атмосферы. Сущность изобретения: устройство лазерного зондирования атмосферы содержит последовательно соединенные усилитель, амплитудный дискриминатор и формирователь импульсов (ФИ), а также счетчик, адресный счетчик и буферное запоминающее устройство, выход которого подключен к ЭВМ. Особенность устройства состоит в том, что в него введены лазерный передатчик, диссектор с фокусирующе-отклоняющей системой (ФОС) и блоком стробирования питания, блок управления (БУ), блок развертки, счетчик циклов, пороговое устройство, схема совпадения, датчик адреса, одновибратор, элемент НЕ и шесть элементов И. Вход лазерного передатчика соединен с выходом первого элемента И, на первый вход которого заведен сигнал разрешения запуска лазера. Первый выход БУ объединен с вторыми входами первого и шестого элементов И и первым входом буферного запоминающего устройства. Второй вход последнего объединен с выходом датчика адреса и вторым входом схемы совпадения, первый вход которой подключен к выходу адресного счетчика, вход которого объединен с третьим входом БУ и вторым входом пятого элемента И, выход которого соединен со счетным входом датчика адреса, управляющий вход которого объединен с управляющими входами порогового устройства, счетчика и выходом счетчика циклов, вход которого подключен к выходу третьего элемента И, первый вход которого объединен с выходом ФИ и через элемент НЕ - с первыми входами пятого и шестого элементов И. Второй выход БУ подключен к первому входу второго элемента И, выход которого соединен с блоком стробирования питания диссектора. Вход ФИ подключен к первому входу четвертого элемента И, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого объединен с третьим входом буферного запоминающего устройства и счетным входом порогового устройства, выход которого объединен с третьим входом буферного запоминающего устройства и входом одновибратора, инвертирующий выход которого подключен к второму входу третьего элемента И. Выход схемы совпадения объединен с вторыми входами третьего и четвертого элементов И, выход шестого элемента И подключен к входу блока развертки, выход которого соединен с ФОС диссектора, выход которого подключен к усилителю. Благодаря такому техническому решению, повышается информативность собираемых данных и снижается мощность, потребляемая системой. 11 ил.

Изобретение относится к технике дистанционного измерения оптико-физических параметров атмосферы.

Известно устройство для счета фотонов (а.с. 1182277 СССР, МКИ⁴ G 01 J 1/44, - БИ 36, 1985), входящее в состав лидарной системы лазерного зондирования атмосферы. Устройство содержит последовательно соединенные фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), амплитудный дискриминатор (АД) и счетчик, выход которого соединен со счетными входами первого и второго оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), выходы которых подключены к первому входу сумматора, выход которого через третье ОЗУ подключен к второму входу сумматора и входу электронно-вычислительной машины (ЭВМ), которая управляет работой блока управления (БУ), состоящего из последовательно соединенных первого генератора тактовых импульсов (ГТИ) и адресного счетчика. Выход блока управления подключен к управляющим входам третьего ОЗУ и коммутатора адресов, который управляет работой первого и второго ОЗУ. Выход блока синхронизации соединен с входами блока управления, триггера и через второй ГТИ и второй адресный счетчик - с коммутатором. Выход триггера подключен к коммутатору адресов, первому и второму ОЗУ.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются амплитудный дискриминатор, счетчик, адресный счетчик, генератор тактовых импульсов и ОЗУ.

Недостатками известного устройства являются высокая избыточность собираемой информации при потребляемой системой слишком большой мощности.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, состоят в следующем.

По существу известное устройство регистрирует обратное рассеяние лазерного излучения в функции времени для формирования данных об оптико-физических параметрах атмосферы. Оптический импульс излучения, проходя через оптическую схему передатчика лидара, частично отклоняется на приемник блока синхронизации, где преобразуется в электрический импульс для запуска первого ГТИ в блоке управления, второго ГТИ и переброса триггера. Первый ГТИ работает с частотой, обеспечивающей процесс суммирования данных из первого или второго ОЗУ за время, меньшее чем период следования импульсов зондирования. Второй ГТИ обеспечивает необходимое пространственное разрешение, т.к. его частота определяется временем записи данных в одно из первых двух ОЗУ, и это время значительно меньше, чем время, требуемое для считывания, суммирования и записи для третьего ОЗУ.

Какое из первых двух ОЗУ находится в данном цикле измерения в режиме записи, а какое - в режиме считывания, определяется состоянием триггера, управляющего синхронно и направлением передачи потоков адресов в коммутатор адресов.

В первом и втором ОЗУ скорость смены адресов определяется режимом, в котором это устройство работает. Если в данный момент первое ОЗУ находится в режиме записи, то через коммутатор адресов на его адресные входы поступают адреса со второго адресного счетчика. Скорость смены последних определяется длительностью временных интервалов (пространственным разрешением). В это же время второе ОЗУ находится в режиме считывания и на его адресные входы через коммутатор адресов в первого адресного счетчика поступают адреса. Скорость смены этих адресов определяется как быстродействием третьего ОЗУ, так и процессами считывания, суммирования, записи и обмена данными между ОЗУ.

После многократного повторения циклов записи/суммирования в ячейках третьего ОЗУ накапливается информация о числе принятых ОИ, которая передается в ЭВМ.

Из приведенного описания работы известного устройства следует, что устройство измеряет количество ОИ во всех последовательных временных интервалах, длительность которых задается первым ГТИ. В то же время информацию о границе аномалий в атмосфере и ее параметрах несет ограниченное число временных элементов разложения. Такая высокая избыточность собираемой информации потребует большой емкости и быстродействия всех трех ОЗУ и, как следствие, слишком большой мощности потребления.

Известно устройство для счета фотонов с сортировкой по коротким временным интервалам, представляющее основной узел портативного лидара (Кайл Т. , Клементс В. Схема для счета фотонов с сортировкой по коротким временным интервалам //Приборы для научных исследований. 1983, N 12, c. 198-199). Устройство содержит последовательно соединенные ФЭУ, формирователь импульсов (ФИ) и регистр сдвига, выход которого соединен с ЭВМ. Вход лазерного передатчика соединен с выходом первого элемента И-НЕ, на первый вход которого заведен сигнал разрешения запуска лазера. Второй вход первого элемента И-НЕ подключен к инвертирующему выходу одновибратора, неинвертирующий выход которого соединен в первым входом триггера-фиксатора, второй вход которого подключен к выходу адресного счетчика, вход которого объединен с выходом третьего элемента И-НЕ и первым входом четвертого элемента И-НЕ, на второй вход которого заведены импульсы сдвига.

Выход четвертого элемента И-НЕ соединен с управляющим входом регистра сдвига. Выход триггера-фиксатора подключен к первому входу третьего элемента И-НЕ, второй вход которого объединен с выходом ГТИ и вторым входом второго элемента И-НЕ, выход которого подключен к входу одновибратора, а первый вход является входом запуска устройства.

Триггер-фиксатор состоит из пятого и шестого элементов И-НЕ, причем выход пятого элемента И-НЕ подключен к первому входу шестого элемента И-НЕ, второй вход которого является вторым входом триггера-фиксатора, первым входом которого является первый вход пятого элемента И-НЕ, второй вход которого объединен с выходом шестого элемента И-НЕ и является выходом триггера-фиксатора.

Каждый импульс лидара запускается микропроцессором, который посылает соответствующий командный импульс на вход запуска. В момент, когда на второй вход второго элемента И-НЕ воздействует импульс с ГТИ, одновибратор сбрасывает триггер-фиксатор и посылает поджигающий импульс на лазер. Отсутствие сигнала разрешения запуска лазера на первом входе первого элемента И-НЕ блокирует запуск лазера, позволяя контролировать работу всей остальной схемы.

Поступающие с ФЭУ импульсы подаются на формирователь импульсов, который удлиняет их до длительности измерительного интервала. Этот ФИ позволяет регистрировать импульсы, поступившие в течение двух последовательных интервалов, поскольку второй из поступивших импульсов перезапускает его так, как если бы первого импульса не было.

На этапе регистрации данных сдвигами в регистре сдвига управляет ГТИ, период следования импульсов которого регистрирует адресный счетчик. Когда содержимое адресного счетчика достигает числа временных каналов, срабатывает триггер-фиксатор. При этом третий элемент И-НЕ блокирует поступление тактовых импульсов на адресный счетчик и регистр сдвига.

К моменту, когда адресный счетчик взводит триггер-фиксатор, данные уже занесены в регистр сдвига. Импульсы сдвига от микропроцессора через четвертый элемент И-НЕ списывают содержимое регистра сдвига в ЭВМ. При этом каждый бит, переносимый из регистра сдвига, добавляется к содержимому соответствующего временного канала в памяти ЭВМ.

Микропроцессор контролирует окончание цикла измерения, вырабатываемого триггером-фиксатором. По окончании считывания содержимого регистра сдвига выдается команда на сброс адресного счетчика и, как следствие, на сброс триггера-фиксатора.

Признаками этого аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения являются лазерный передатчик, адресный счетчик, одновибратор, формирователь импульсов, ГТИ, четыре элемента И (элементы И-НЕ).

Недостатками известного устройства являются низкое отношение сигнал/шум и высокая погрешность измерения оптико-физических параметров атмосферы.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, состоят в регистрации в любом временном (пространственном) канале всего одного фотона. Благодаря этому упрощается структура лидара и уменьшается потребляемая им мощность. Исключение же возможности регистрации во временном канале более одного фотона, естественно, приводит к росту погрешности измерения с увеличением концентрации вредных примесей в атмосфере.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является система с регистрацией временной информации (Витерби М., Адриани А. Система детектирования отдельных фотонов с регистрацией временной информации для применения в лидаре //Приборы для научных исследований. 1987, N10, с. 46-52), содержащая ФЭУ, усилитель, амплитудный дискриминатор (АД), формирователь импульсов (ФИ), первый и второй ГТИ, датчик режима работы, коммутатор, счетчик, хронометр, ОЗУ, адресный счетчик, генератор импульса сброса и блок команд записи, линию задержки (ЛЗ), переключатель, буферное запоминающее устройство (БЗУ) и ЭВМ.

Выход ФЭУ через усилитель и АД подключен к ФИ, выход которого соединен со счетными входами коммутатора и блока команд записи, а также со вторым выходом переключателя, первый вход которого соединен с выходом второго ГТИ. Первый выход коммутатора через счетчик соединен с первым входом ОЗУ, выход которого через БЗУ подключен к ЭВМ. Второй выход коммутатора через хронометр соединен с вторым входом ОЗУ, третий вход которого подключен к выходу блока команд записи, а четвертый - к выходу адресного счетчика, вход которого соединен с выходом генератора импульсов сброса. Выход переключателя подключен к управляющему входу адресного счетчика и через линию задержки - к управляющему входу БЗУ. Выход первого ГТИ соединен с управляющими входами блока команд записи, хронометра, счетчика и ФИ. На вход датчика режима работы заводится синхроимпульс, а выход датчика объединен с управляющими входами коммутатора, генератора импульсов сброса и переключателя.

Работает известное устройство следующим образом (Витерби М., Адриани А. Система детектирования отдельных фотонов с регистрацией временной информации для применения в лидаре //Приборы для научных исследований. 1987, N10, c. 46-52, рис.1).

Одноэлектронные импульсы (ОИ) от ФЭУ после усиления передаются в АД. Сбор данных запускается синхроимпульсом, соответствующим моменту излучения лазера. Вся работа устройства с режиме сбора данных синхронизируется тактовыми сигналами кварцевого первого ГТИ.

В режиме сбора данных поступающие с АД импульсы повторно формируются в ФИ для доведения их длительности до одного тактового периода. Счетчик начинает счет тактовых импульсов. Импульс от следующего фотона останавливает счет и разрешает работу хронометра. После прекращения счета содержимое хронометра заносится в ОЗУ, а затем обнуляется. Информация заносится по адресу, задаваемому адресным счетчиком, по получении команды записи. Адрес увеличивается на единицу при поступлении каждого ОИ.

По окончании режима сбора начинается режим передачи данных. Работа системы в режиме передачи синхронизируется вторым ГТИ. В режиме передачи ОИ не пропускаются на входы счетчика и хронометра. Адресный счетчик сбрасывается и начинает счет тактовых импульсов второго ГТИ.

Каждый тактовый импульс второго ГТИ вызывает обращение к соответствующему адресу ОЗУ и после задержки содержимое адреса ОЗУ фиксируется в БЗУ и выводится в ЭВМ. После фиксации слова в БЗУ содержимое соответствующей ячейки ОЗУ очищается.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: усилитель, АД, счетчик, адресный счетчик, ФИ, БЗУ и ЭВМ.

Недостатками известного устройства являются: - невысокая помехозащищенность (устойчивость к фоновому излучению). Применение ФЭУ позволяет получить интегральную оценку об оптико-физических свойствах атмосферы, поскольку выходной сигнал фотоприемника (поток ОИ) определяется засветкой всего фотокатода, на который проецируется изображение значительного участка пространства; - высокая избыточность получаемой информации. Из всей собранной информации полезными в ряде случаев являются лишь данные о координатах неоднородности оптико-физических свойств атмосферы и уровне принятого сигнала, отражаемого от этой неоднородности; - большие временные затраты для предварительной обработки данных перед проведением анализа.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем. В атмосфере выделяются ряд одинаковых слоев, число и толщина которых задаются заранее. Измерение относительной доли фотонов, претерпевших упругое обратное рассеяние на аэрозольных частицах и молекулах атмосферных газов, дает информацию об оптико-физических параметрах атмосферы: содержание аэрозолей в атмосфере, концентрация молекул и температурный профиль. Описанная система подсчитывает общее количество рассеянных обратно фотонов во всех исследуемых слоях в счетчике и формирует в хронометре массив данных об интервалах времени между моментами появления фотонов в исследуемых слоях. Хронометр обеспечивает занесение в ОЗУ выделенных АД событий, зарегистрированных в течение времени измерения. При этом, число заполненных адресов представляет количество зарегистрированных фотонов, а содержание адресов дает информацию о временном распределении эхо-сигналов лидара. Обработка же полученных данных производится в ЭВМ программным способом.

При измерении интервалов между импульсами для двух соседних фотонов важно, чтобы ошибки были минимальны. Поэтому необходимо иметь возможность обрабатывать импульсы с ФИ, поступающие с частотой до 100 МГц. В реальных условиях работа системы синхронизируется тактовым сигналом первого ГТИ с частотой 75 МГц. При этом максимальная скорость счета хронометром достигает 25 МГц. При проведении измерений с высоким разрешением получаются большие объемы данных, поступающих с высокими скоростями.

Заметим, что в режиме передачи данных в ЭВМ применяется второй ГТИ с частотой следования импульсов, обеспечивающей прямой доступ к памяти ЭВМ. В реальной системе эта частота составляет 200 кГц и обеспечивает передачу 4096 слов.

Таким образом, для минимизации погрешностей измерений емкость ОЗУ должна быть велика, предполагая тем самым значительные временные затраты для считывания информации в ЭВМ.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении пространственного разрешения пограничного слоя атмосферы при снижении избыточности собираемой информации на этапе предварительной обработки данных.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, позволяет перейти к более мелкомасштабным исследованиям пограничного слоя атмосферы. В частности, тот же участок атмосферы, что и в прототипе, может быть спроектирован на фотокатод диссектора и затем дискретно просмотрен элементом разложения (определяющим пространственное разрешение). Благодаря чему удается в 1000 и более раз повысить пространственное разрешение системы.

Реализация в изобретении пространственно-временного алгоритма поиска пограничного слоя атмосферы позволяет анализировать и накапливать данные о "подозрительном" подслое, в котором произошла регистрация хотя бы одного фотона. Это резко сокращает объем данных, обрабатываемых в устройстве и передаваемых в ЭВМ. Емкость ОЗУ может быть сокращена минимум в N_п раз, где N_п - количество анализируемых подслоев атмосферы.

Помимо этого избыточность получаемой информации невелика, поскольку весь пространственно-временной поиск ориентирован на сбор данных только о нижней границе аномалий в атмосфере.

Технический результат достигается тем, что в устройство лазерного зондирования атмосферы, содержащее последовательно соединенные усилитель, амплитудный дискриминатор и формирователь импульсов, а также счетчик, адресный счетчик и БЗУ, выход которого подключен к ЭВМ, введены лазерный передатчик, диссектор с фокусирующе-отклоняющей системой (ФОС) и блоком стробирования питания, блок управления (БУ), блок развертки, счетчик циклов, пороговое устройство, схема совпадения, датчик адреса, одновибратор, элемент НЕ и шесть элементов И, причем вход лазерного передатчика соединен с выходом первого элемента И, на первый вход которого заведен сигнал разрешения запуска лазера, первый выход БУ объединен с вторыми входами первого и шестого элементов И и первым входом БЗУ, второй вход которого объединен с выходом датчика адреса и вторым входом схемы совпадения, первый вход которой подключен к выходу адресного счетчика, вход которого объединен с третьим входом БУ и вторым входом пятого элемента И, выход которого соединен со счетным входом датчика адреса, управляющий вход которого объединен с управляющими входами порогового устройства, счетчика и выходом счетчика циклов, вход которого подключен к выходу третьего элемента И, первый вход которого объединен с выходом ФИ и через элемент НЕ - с первыми входами пятого и шестого элементов И, второй выход БУ подключен к первому входу второго элемента И, выход которого соединен с блоком стробирования питания диссектора, вход ФИ подключен к первому входу четвертого элемента И, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого объединен с четвертым входом БЗУ и счетным входом порогового устройства, выход которого объединен с третьим входом БЗУ и входом одновибратора, инвертирующий выход которого подключен к второму входу второго элемента И, выход схемы совпадения объединен с вторыми входами третьего и четвертого элементов И, выход шестого элемента И подключен к входу блока развертки, выход которого соединен с ФОС диссектора, выход которого подключен к усилителю.

Анализ существующих признаков прототипа и заявляемого объекта выявил следующие новые существенные признаки для заявляемого объекта: - диссектор с ФОС и блоком развертки, выход которого соединен с ФОС; благодаря этому удается производить пространственный (угловой) просмотр атмосферы без изменения углового положения как приемной, так и передающей аппаратуры: при этом применение диссектора позволяет по сравнению с ФЭУ на несколько порядков уменьшить уровень шумов, повысив отношение сигнал/шум; БУ с тремя выходами; импульсы запуска лазерного передатчика формируются на первом выходе БУ; на втором выходе БУ с задержкой t₀ относительно момента генерации зондирующего импульса формируется видеосигнал прямоугольной формы с длительностью N_пT_т.и, определяющей время приема рассеянного излучения от анализируемого слоя атмосферы; где N_п - количество подслоев внутри анализируемого слоя атмосферы, а T_т.и - период следования тактовых импульсов; на третьем выходе БУ формируется серия тактовых импульсов, соответствующих временным меткам начала и конца подслоев; - блок стробирования питания диссектора, что обеспечивает чувствительность диссектора к потоку фотонов только в определенный временной интервал, соответствующий приему обратного рассеяния лазерного излучения от заданного слоя атмосферы: - выход ФИ соединен через элемент НЕ с первым входом пятого элемента И, второй вход которого подключен к третьему выходу БУ, а выход подключен к счетному входу датчика адреса; благодаря этому при регистрации первого ОИ формирователь генерирует импульс длительностью (N_ц-1)T_сл, где N_ц - число циклов проверки выявленного подслоя атмосферы, T_сл - период следования импульсов зондирования лазера; сформированный сигнал запрещает поступление импульсов с третьего выхода БУ на счетный вход датчика адреса, в котором на время проверок фиксируется номер анализируемого подслоя атмосферы; - элемент НЕ, вход которого подключен к ФИ, а выход - к первому входу шестого элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом БУ, а выход подключен к входу блока развертки; это исключает перевод диссектора к обзору нового пространственного элемента разрешения при регистрации ОИ в анализируемом слое атмосферы; - схема сравнения и четвертый элемент И обеспечивают подсчет ОИ в течение N_ц циклов проверок только во временном интервале, соответствующем анализируемому подслою атмосферы; - третий элемент И и счетчик циклов; появление импульса на выходе счетчика циклов проверок сигнализирует об окончании заданного количества N_ц циклов проверок анализируемого подслоя атмосферы; - пороговое устройство позволяет вынести решение о наличии аномалий в оптико-физических свойствах атмосферы и тем самым сократить объем передаваемой в ЭВМ информации; - одновибратор и второй элемент И позволяют при обнаружении аномалии в оптико-физических свойствах атмосферы в i-ом подслое исключить анализ в остальных (i+1)... N_п подслоях.

Теоретическое доказательство наличия причинно-следственной связи совокупности заявляемых существенных признаков с указанным техническим результатом заключается в следующем.

В основу изобретения положен пространственно-временной поиск границы неоднородности атмосферы, который основан на том, что согласно фиг.4 каждой высоте соответствует ряд точек во временной области, располагающихся с периодичностью T_сл, равной периоду следования зондирующих импульсов лазерного передатчика. В течение времени t[T₀,T₀+T] фиксируется подслой k, в котором произошла регистрация хотя бы одного ОИ. По временной оси k-му подслою соответствует временной интервал.

[T₀ + (k-1)T_т.и, T₀ + kT_т.и].

Анализ выделенного k-го подслоя (и только его) производится в последующие циклы, количеством N_ц - 1. Следовательно, решение об обнаружении границы неоднородности производится на основании подсчета количества ОИ за N_ц циклов.

Регистрация N 1 ОИ в момент обзора k-го подслоя во временном интервале [T₀ + (k-1)T_т.и, Т₀ + kТ_т.и] переводит систему в ждущий режим, при котором канал не реагирует на поток ОИ в течение временного интервала [T₀ + kT_т.и, T₀ + (k-1)T_т.и + T_сл.].

Пусть во время j-го цикла проверок k-го подслоя зафиксировано N_j, j=2, N_ц импульсов. Суммарное число ОИ за все циклы проверок k-го подслоя со счетчика 13 (фиг.1) сравнивается с пороговым уровнем N_пор в пороговом устройстве 16.

При выполнении условия N_ОИ > N_пор выносится решение о наличии неоднородности в анализируемом подслое атмосферы.

В дальнейшем будем полагать, что каждый фотоэлектрон полезного и фонового излучений вызывает превышение уровня дискриминации, выбор оптимальной величины которого обеспечивает полную дискриминацию ОИ темнового тока. Последнее предположение может быть снято посредством увеличения интенсивности потока фотоэлектронов фонового излучения на среднюю скорость поступления импульсов темнового тока с выхода АД 7.

Определим вероятность ложных срабатываний при обследовании 1-го подслоя атмосферы (k=1) где P{ n=N_ф, k=1} - вероятность, определяющая возможность зарегистрировать в первом подслое ровно N_ф фоновых ОИ во временном интервале [T₀, T₀+T_т.и]; P{n > N_пор-N_ф, j= вероятность, характеризующая возможность зарегистрировать в течение последующих N_ц-1 проверок не менее N_пор - N₀+1 фоновых ОИ для срабатывания порогового устройства 16. Наконец, первое слагаемое - вероятность P{ n > N_пор, k=1} - определяет возможность принятия ложного решения вне зависимости от итогов последующих проверок.

В случае пуассоновского потока ОИ фонового излучения с интенсивностью S_ф выражение (1) преобразуется к виду (2) - среднее количество фоновых ОИ, принимаемых за время одной проверки подслоя; - среднее количество фоновых ОИ, регистрируемых за последующие (N_ц-1) проверки подслоя.

Вероятность принятия ложного решения о наличии неоднородности во втором подслое преобразуем к виду P_ЛТ{k=2} = (1-P_п)P_п Используя метод математической индукции, легко доказать, что в общем случае вероятность принятия ложного решения о неоднородности в k-м подслое равна: P_ЛТ{k} = (1-P_п)^k-1P_п Откуда результирующая вероятность ложной тревоги Поскольку на практике необходимо, чтобы P_п << 1, то (1 - P_п)^Nп 1 - N_п P_п Откуда P_ЛТ = N_пP_п (4) В таблице на фиг. 9 приведены значения вероятности P_п, рассчитанные по формуле (2).

Для описанного алгоритма пространственно-временного поиска границы неоднородности при приеме фонового излучения среднее время наблюдения пространственного (временного) элемента разложения может быть оценено по приближенной формуле Для пуассоновского потока ОИ Результаты расчета по формуле (5) сведены в таблицу на фиг.10.

При << 1 имеем Расчеты показывают правомочность использования приближенной формулы (6).

Пусть в обследуемом пространстве неоднородность присутствует в K-м подслое. Условная вероятность правильного обнаружения неоднородности где P{n=N, k} - вероятность, определяющая возможность зарегистрировать в K-м подслое ровно N сигнальных и фоновых ОИ во временном интервале [T₀ + (k-1)T_т.и., T₀ + kT_т.и] Полагая распределение чисел ОИ, обязанных приему полезного излучения, подчиненным закону Пуассона со средним числом ОИ n_с за длительность светового импульса, находим - количество ОИ, зарегистрированных за последующие (N_ц-1) проверки подслоя.

Обозначим выражение в скобках Тогда P_обн{K} = (1-P_п)^K-1P_сф. Вероятность правильного обнаружения неоднородности находится усреднением P_обн{K} по закону распределения p(K) появления сигнала в K-м подслое При равномерном распределении случайной величины k имеем Заметим, что при условии N_пP_п<<1 справедливы предположения P_обн P_сф На фиг. 11 представлены результаты расчета вероятности правильного обнаруживания P_сф в элементе разложения по формуле (9).

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства лазерного зондирования атмосферы.

Вариант структурной схемы БУ показан на фиг. 2, а эпюры, поясняющие ее работу - на фиг. 3. Эпюры напряжений показаны на выходах ГТИ 26 (а), счетчики 28 (б), ФИ 29 (в), ФИ 30 (г), элемента И 31 (д), счетчика 32 (е) и элемента И 27 (ж).

На фиг. 4 представлен высотный профиль атмосферы (а) и сопоставимая ей временная функция регистрации рассеянного назад эхо-сигнала (б).

Конструкция диссектора представлена на фиг. 5, где ФК - фотокатод, УК - ускоряющее кольцо, ФОС - фокусирующе-отклоняющая система, Д - диафрагма, ВЭУ - вторично-электронный умножитель, К - коллектор.

Стратегия пространственно-временного поиска показана на фиг. 6. Диссектор осуществляет последовательное дискретное сканирования контролируемого кадра размером l x r строками, а строки элементами разложения размером a x b.

На фиг. 7 представлены эпюры напряжений в устройстве для случая отсутствия аномалий в анализируемом пространственном элементе разложения. Эпюры показаны в наиболее характерных точках схемы: первый (а), второй (б) и третий (в) выходы БУ 3, выходы адресного счетчика 17 (г), датчика 23 адреса (д), схемы 18 совпадения (е) и шестого элемента И 22 (ж).

На фиг. 8 представлены эпюры напряжений в устройстве для ситуации, при которой аномалия присутствует в k-м подслое атмосферы, т.е. ОИ принят во временном интервале между k-м и (k+1)-м тактовыми импульсами с третьего выхода БУ 3. Эпюры показаны на первом (а), втором (б) и третьем (в) выходах БУ 3, а также на выходах АД 7 (г), ФИ 6 (д), четвертого элемента И 12 (е), третьего элемента И 11 (ж), адресного счетчика 17 (з), датчика 23 адреса (л), схемы 18 совпадения (м), счетчика 15 циклов (н), счетчика 13 (о), порогового устройства 16 (п), одновибратора 19 (р), второго элемента И 4 (с) и шестого элемента И 22 (т).

На фиг. 9 в таблицу сведены значения вероятности P_п ложных срабатываний при обследовании первого подслоя атмосферы, рассчитанные для ряда значений среднего количества фоновых ОИ принимаемых за время одной проверки подслоя. Результаты расчета среднего времени наблюдения пространственного (углового) элемента разложения сведены в таблицу на фиг. 10.

На фиг. 11 представлены зависимости вероятности правильного обнаружения P_сф в элементе разложения устройства от среднего числа принимаемых ОИ сигнала и фона для числа циклов проверки N_ц равном 4 (а), 8 (б), 16 (в) и 32 (г).

Устройство содержит (см. фиг. 1) первый элемент И 1, лазерный передатчик 2, БУ 3, второй элемент И 4, блок 5 стробирования, ФИ 6, АД 7, усилитель 8, диссектор 9 с ФОС 10, третий 11 и четвертый 12 элементы И, счетчик 13, блок 14 развертки, счетчик 15 циклов, пороговое устройство 16, адресный счетчик 17, схему 18 совпадения, одновибратор 19, элемент НЕ 20, пятый 21 и шестой 22 элементы И, датчик 23 адреса, БЗУ 24 и ЭВМ 25.

Сигнал разрешения запуска лазера подается на первый вход первого элемента И 1, выход которого подключен к лазерному передатчику 2. Первый выход БУ 3 объединен с вторыми входами первого 1 и шестого 22 элементов И и первым входом БЗУ 24, выход которого подключен к ЭВМ 25, второй выход БУ 3 подключен к первому входу второго элемента И 4, выход которого соединен с входом блока 5 стробирования питания диссектора 9 с ФОС 10. Третий выход БУ 3 объединен с входом адресного счетчика 17 и вторым входом пятого элемента И 21, первый вход которого объединен с первым входом шестого элемента И 22 и выходом элемента НЕ 20, вход которого подключен к выходу ФИ 6 и первому входу третьего элемента И 11, выход которого через счетчик циклов 15 подключен к управляющим входам счетчика 13, порогового устройства 16 и датчика 23 адреса, выход которого объединен с вторыми входами БЗУ 24 и схемы 18 совпадения. Выход диссектора 9 через усилитель 8 и АД 7 подключен к входу ФИ 6 и первому входу четвертого элемента И 12, выход которого соединен со счетным входом счетчика 13, выход которого объединен со счетным входом порогового устройства 16 и четвертым входом БЗУ 24, третий вход которого объединен с выходом порогового устройства 16 и входом одновибратора 19, инвертирующий выход которого соединен с вторым входом второго элемента И 4. Выход шестого элемента И 22 через блок 14 развертки подключен к ФОС 10 диссектора 9. Выход адресного счетчика 17 соединен с первым входом схемы 18 совпадения, выход которой объединен с вторыми входами третьего 11 и четвертого 12 элементов И. Выход пятого элемента И 21 подключен ко входу датчика 23 адреса.

БУ 3 содержит (см. фиг. 2) ГТИ 26, элемент И 27, счетчик 28, ФИ 29 и 30, элемент И 31 и счетчик 32. Выход ГТИ 26 объединен с первыми входами элементов И 27 и 31 и счетным входом счетчика 28, выход которого через ФИ 29 и 30 подключен к второму входу элемента И 31, выход которого через счетчик 32 соединен с управляющим входом счетчика 28 и является вторым выходом БУ. Выход элемента И 27 является третьим выходом БУ.

Принцип работы устройства основан на активном лазерном зондировании атмосферы, пространственно-временном поиске рассеянного атмосферного излучения и использовании диссектора.

Лазерный передатчик посылает импульсы и регистрирует рассеянное назад лазерное излучение в функции времени для формирования данных об оптико-физических параметрах атмосферы. Применение счетной аппаратуры позволяет при вертикальном зондировании анализировать атмосферу выше аэрозольного слоя (более 35 км).

Пусть предусматривается проанализировать слой атмосферы толщиной H на высоте H₀ ... H₀+H от поверхности Земли (фиг. 4, а). Если лазерный передатчик излучает импульсы с периодом следования T_сл, то временной интервал T₀ .. . T₀+T будет соответствовать приему эхо-сигнала от анализируемого слоя (фиг. 4, б). Здесь T₀=2H₀/c соответствует моменту начала анализа нижней границе слоя, T = 2H/c - временному интервалу анализа выделенного слоя, c = 310⁸ м/с - скорость света. Выбор величины периода T_сл обычно должен удовлетворять условию H_в=cT_сл/2>H₀+H При этом H_з=H_в-(H₀+H) представляет толщину некоторого защитного слоя атмосферы.

Для повышения точности определения высотных координат аномалии оптико-физических свойств атмосферы анализируемый слой разбивается на N_п подслоев толщиной h. На временной оси (фиг. 4, б) анализу обратного рассеяния с подслоя соответствует временной интервал длительностью T_т.и=2h/c.

Обеспечение необходимой временной привязки к высотному профилю атмосферы осуществляется БУ 3 (фиг. 1), вариант структурной схемы которого