Способ дистанционного оптического зондирования слабо рассеивающей атмосферы

Способ дистанционного оптического зондирования слабо рассеивающей атмосферы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может использоваться, например, для измерения оптических параметров слабо рассеивающей атмосферы лидарными системами при определении аэрозольного загрязнения воздуха.

Известен способ оптического зондирования неоднородной атмосферы [1], при котором осуществляют посылку в атмосферу светового импульса малой длительности и регистрацию рассеянного в обратном направлении света, преобразованного в электрические сигналы. Эти сигналы накапливают в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. При этом обеспечивают усиление принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки импульса в атмосферу.

Этот известный способ обладает низкой точностью, поскольку он основан на предположении о постоянстве отношения коэффициента обратного рассеяния к коэффициенту ослабления на исследуемой трассе зондирования. Это предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ определения прозрачности неоднородной 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 прием эхо сигналов в точках посылки, а характеристики атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул.

В этом известном решении повышена точность определения характеристик загрязнения неоднородной атмосферы благодаря использованию не менее чем трех точек посылки в атмосферу световых импульсов. Однако в решении [2] не учитывается фоновая засветка в процессе измерений характеристик слабо рассеивающей атмосферы.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик атмосферы за счет корректного учета фоновой засветки атмосферы.

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 по неколлинеарным направлениям.

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным трассам, каждая из которых пересекает все предыдущие трассы, с общим числом не менее пяти трасс, и по принятым сигналам определяют характеристики атмосферы.

Оптические характеристики загрязнения неоднородной атмосферы, в частности,

z i = { β ( r i ) }   m , (1)

находят из системы уравнений, записанной для многоугольников, образованных пересечением трасс зондирования по неколлинеарным направлениям

      a   i   ,   i z   i − a   i   ,   i   +   1   z   i   +   1 = b   i     ,           i = 1   ,     2   ,...,         k − 1 (2)

    a   k   ,   k z   k − a   k ,1 z 1 = b k     ,

где a i , j = S i , j g ,

b i = ±   2   m ∫ C   i { S ( R i , r ) }   m d r ,

S i , j = S ( R → i , r → j ) = ( P i , j − P * ( R   i → ) ) / f , ,

S - мощность сигнала обратного рассеяния, скорректированная на геометрический фактор лидара f ,

P i , j - мощность сигнала обратного рассеяния,

f = ( r → j − R → i ) − 2 - геометрический фактор лидара,

β - коэффициент обратного рассеяния,

σ - коэффициент ослабления,

m=1/g, причем определяется и постоянная g в степенной связи коэффициента обратного рассеяния с коэффициентом ослабления β = Dσ^g, (3)

R → i - радиус-вектор точки посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния (i-ой точке расположения приемопередатчика соответствует радиус-вектор R → i , i = 1,   2,   ... ),

r → j - радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента,

r → - текущий радиус-вектор точки прямой, проходящей через точки i, j,

c i - отрезок [ r → i , r → j ] , по которому вычисляются интегралы,

d   r - элемент длины отрезка.

Сущность изобретения пояснена на чертеже. На фиг. 1 представлена схема посылок зондирующих импульсов и приема эхо сигналов для примера 5 приемопередатчиков (лидаров).

Способ реализуют следующим образом.

Приемопередатчики 1 - 5 располагают с разнесением в пространстве в точках R → 1 , R → 2 , R → 3 , R → 4 , R → 5 .

Осуществляют посылку световых импульсов в направлении рассеивающего объема r → 1 из точек R → 1 , R → 2 . Осуществляют посылку световых импульсов из точки R → 3 в направлении рассеивающего объема r → 2 . Трасса, проходящая через точки R → 3 , r → 2 , пересекает две предыдущие трассы, проходящие через точки R → 1 , r → 1 , а также через точки R → 2 , r → 1 . Осуществляют посылку световых импульсов из точки R → 4 в направлении рассеивающего объема r → 3 . Трасса, проходящая через точки R → 4 , r → 3 , пересекает три предыдущие трассы, проходящие через точки R → 1 , r → 1 , через точки R → 2 , r → 1 а также через точки R → 3 , r → 2 . Осуществляют посылку световых импульсов из точки R → 5 в направлении рассеивающего объема r → 4 . Трасса, проходящая через точки R → 5 , r → 4 , пересекает четыре предыдущие трассы, проходящие через точки R → 1 , r → 1 , через точки R → 2 , r → 1 , через точки R → 3 , r → 2 , а также через точки R → 4 , r → 3 .

Принимают сигналы в точках посылки от отрезков, ограниченных рассеивающими объемами. Принятые эхо сигналы «скорректированы» на геометрический фактор лидара. Результат пропорционален:

b₁ - на отрезке, ограниченном точками: r → 1 , r → 2 ;

b₂ - на отрезке, ограниченном точками: r → 2 , r → 3 ;

b₃ - на отрезке, ограниченном точками: r → 3 , r → 4 ;

b₄ - на отрезке, ограниченном точками: r → 1 , r → 5 ;

b₅ - на отрезке, ограниченном точками: r → 5 , r → 6 ;

b₆ - на отрезке, ограниченном точками: r → 6 , r → 7 ;

b₇ - на отрезке, ограниченном точками: r → 2 , r → 5 ;

b₈ - на отрезке, ограниченном точками: r → 5 , r → 8 ;

b₉ - на отрезке, ограниченном точками: r → 8 , r → 9 ;

b₁₀ - на отрезке, ограниченном точками: r → 3 , r → 6 ;

b₁₁ - на отрезке, ограниченном точками: r → 6 , r → 8 ;

b₁₂ - на отрезке, ограниченном точками: r → 8 , r → 10 ;

b₁₃ - на отрезке, ограниченном точками: r → 4 , r → 7 ;

b₁₄ - на отрезке, ограниченном точками: r → 7 , r → 9 ;

b₁₅ - на отрезке, ограниченном точками: r → 9 , r → 10 .

Величины z_i находят из системы уравнений (2). Для рассматриваемого конкретного примера находят решение систем уравнений:

    a 11 z 1 − a   12 z 2 = b 1     ,

    a 12 z 2 − a   13 z 3 = b 2     ,

    a 13 z 3 − a   14 z 4 = b 3     ,

    a 21 z 1 − a   25 z 5 = b 4     ,

    a 25 z 5 − a   26 z 6 = b 5     ,

    a 26 z 6 − a   27 z 7 = b 6     ,

    a 32 z 2 − a   35 z 5 = b 7     , (4)

    a 35 z 5 − a   38 z 8 = b 8     ,

    a 38 z 8 − a   39 z 9 = b 9     ,

    a 43 z 3 − a   46 z 6 = b 10     ,

    a 46 z 6 − a   48 z 8 = b 11     ,

    a 48 z 8 − a   4,10 z 10 = b 12     ,

    a 54 z 4 − a   57 z 7 = b 13     ,

    a 57 z 7 − a   59 z 9 = b 14     ,

    a 59 z 9 − a   5,10 z 10 = b 15     ,

причем указанные существенные отличия позволяют повысить точность из-за учета 5 неизвестных мощностей фоновой засветки из замкнутой системы из 15 уравнений относительно них и 10 неизвестных оптических характеристик атмосферного аэрозоля.

Физические принципы, на которых основаны измерения предлагаемым способом, состоят в том, что измеренные мощности эхо сигналов связаны с оптическими характеристиками атмосферы известным лидарным уравнением с учетом фоновой засветки. 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 R → 1 , R → 2 , R → 3 , R → 4 , R → 5 , находящихся на одной прямой, размещают лидары 1 - 5 на основе ЛИВО. Излучение зондирующих импульсов осуществляется на рабочей длине волны 0,69 мкм в окне прозрачности водяного пара. Энергия в импульсе составляет 0.07 - 0.1 Дж. Длительность импульса 30 нс. Расстояние между соседними лидарами не превышает 0.5 км. Зондирование неоднородной атмосферы осуществляется в вертикальной плоскости, проходящей через линию размещения лидаров. Осуществляют посылку световых импульсов лидаром 1 по трассе, проходящей через точки R → 1 , r → 1 , лидаром 2 - через точки R → 2 , r → 1 ; лидаром 3 - через точки R → 3 , r → 2 ; лидаром 4 - через точки R → 4 , r → 3 ; лидаром 5 - через точки R → 5 , r → 4 .

Трасса, проходящая через точки R → 3 , r → 2 , пересекает две предыдущие трассы, проходящие через точки R → 1 , r → 1 , а также через точки R → 2 , r → 1 . Трасса, проходящая через точки R → 4 , r → 3 , пересекает три предыдущие трассы, проходящие через точки R → 1 , r → 1 , через точки R → 2 , r → 1 , а также через точки R → 3 , r → 2 . Трасса, проходящая через точки R → 5 , r → 4 , пересекает четыре предыдущие трассы, проходящие через точки R → 1 , r → 1 , через точки R → 2 , r → 1 , через точки R → 3 , r → 2 , а также через точки R → 4 , r → 3 .

В точках посылки осуществляют прием эхо сигналов:

в точке R → 1 от отрезков, ограниченных точками: r → 1 , r → 2 и r → 2 , r → 3 , а также r → 4 , r → 3 ;

в точке R → 2 от отрезков, ограниченных точками: r → 1 , r → 5 и r → 5 , r → 6 , а также r → 6 , r → 7 ;

в точке R → 3 от отрезков, ограниченных т