Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред

Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистическик

Республик

<1>966639

"l (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 16.0381 (21) 3263373/18-10 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—

Опубликовано 15.10.82. Бюллетень ¹ 38

Дата опубликования описания 15. 10. 82

1 1) М Кл 3

G 01 W 1/00

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (И) УДК 551. 508.. 93 (088. 8) Научно-исследовательский институт приклад проблем им. акад. A.Н. Севченко аявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.

РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД

Изобретение относится к измерению оптических характеристик рассеивающих сред и может быть использовано в метеорологии, гидрологии, а также для контроля загрязнений окружающей.среды °

Известен способ определения оптических характеристик атмосферы, состоящий в том, что Ъидарными устройствами, расположенными в вершинах многоугольника, поочередно направляют зондирующие импульсы вдоль опорных трасс, соединяющих вершины этого многоугольника и принимают сигналы обратного рассеяния, затем излучают и принимают. сигналы обратного рассеяния по трассам, пересекающим опорные, и по величинам сигналов, полученных от рассеивающих объемов, расположенных в месте пересечения трасс .зондирования и опорных, а также величинам сигналов обратного рассеяния, полученных по трассам, судят о величинах коэффициента ослабления оптического излучения в заданных точках (13 °

Однако этот способ позволяет проводить измерения лишь в ограниченной области пространства и характеризуется недостаточной точностью измерения оптических характеристик атмосферы в точках пространства, находящихся на значительных расстояниях от опорных участков из-за разброса зна" чений лидарного отношения по трассе зондирования.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения оптических характеристик рассеивающих сред путем посылки световых импульсов малой длительности, преобразования рассеянных в обратном направлении световых импульсов в электрические сигналы при увеличении усиления принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки светового импульса и одновременного накопления сигналов в течение времени, достаточного для достижения суммарным сигналом максимально возможного значения при существующих атмосферных условиях 12 ).

Недостатком способа является невысокая точность определения коэффициента оптического излучения, обусловленная неточным определением величины максимально возможного значения суммарного сигнала в условиях реальных измерений из-эа чувствитель966639

2 Е(y), (4) где P(R,Ф) В(() = )(R,,e) 2 Е(g). бМ(В) ности приемников излучения и конечной протяженности среды и разбросом значений лидарного отношения по трассе зондирования.

Цель изобретения — повышение точности определения оптических харак- 5 теристик рассеивающих сред для произвольно выбранных точек пространства.

Цель достигается тем, что согласно способу определения оптических ха-10 рактеристик рассеивающих сред путем посылки световых импульсов малой длительности, преобразования рассеянных в обратном направлении световых импульсов в электрические сигналы при увеличении усиления принятых сйгналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки светового импульса, световые импульсы посылают через исследуемый объем рассеивающей среды поочередно не менее, чем трех неколлинеарных направлений„ по каждому из неколлинеарных направлений измеряют сигналы обратного рассеяния, определяют взаимные углы между направлениями посылки зондирующих импульсов, а зтем по величинам логарифмических производных сигналов обратного рассеяния и величинам взаимных углов между направлениями судят о величинах коэффициента ослабления оптического излучения и об относительном градиенте коэффициента обратного рассеяния оптического излучения в исследуемом объеме рассеивающей среды

На фиг.1 и 2 представлены схемы, поясняющие предлагаемый способ.

Исследуемый объем рассеивающей среды 1, находящийся в точке М, зондируется по направлению е лазерным 40 локатором 2 (лидаром), находящимся в точке Кл (фиг.1).

Уравнение сигнала обратного рассеяния, поступающего на лидар 2, имеет вид — мощность светового сигнала обратного рассеяния, принимаемого от ис. следуемого объема при зондировании .лидаром 2 по направлению Г; радиус вектор точки, в 55 которой находится лидар 2; — радиус-вектор точки пространства, в которой определяются оптические характеристики рассеивающей среды; величина коэффициента обратного рассеяния в точке R. 65

B(R) — величина коэффициента ослабления оптического излучения в точке R;

b(R)= -; лидарное отношение в

Я(К) точке LK) > г - текущий радиус-вектор прямой, проходящей через точки Рл и R; (R, Rz ) — оптическая толщина участка(К,КД

К вЂ” постоянная величина, присущая данном лазерному локатору (лидару), определяемая энергетическим потенциалом и не зависящая от внешних условий.

Преобразование рассеянных в обратном направлении световых импульсов в электрические сигналы и усиление этих сигналов пропорционально квадрау текущего времени равнозначно усиению сигнала Р(. е) в J R-Е„ раз

5 (К,, е) = Р (R е) Р-К ), (3) 6(К,Е) =КбВ(%)ЕХР - ) „E.(V)d .

ЖД) Пусть — текущая координата прямой, проходящей через точки К и и и описываемой векторно-параметрическим уравнением е Ф R - R( г = йл л.

- R,(Тогда выражение (3) можно записать в параметрической форме

S(R„ e)=,S(g)=KG (()exp)-2 I е()д));

Учитывая, что производная от интеграла.с переменным верхним пределом равна подинтегральному выражению, величина логарифмической производной (() будет равна

E(() = ins (g ) . аак() где дЖГ () производная по направлению с.

Так как производная по направлению равна скалярному произведению единичного вектора е заданного направления на градиент скалярного поля grad G Â(g ), выражение (4) можно записать в виде

При зондировании по произвольному направлению, определяемому единичным вектором е, величина логарифми-Ф ческой производной t(,,e) сигнала обратного рассеяния восстановленного

966639 пропорционально квадрату текущего времени описывается уравнением

1(Р,е) =.ь Я"д (Р) 2Е(Р) (5)

<;-В(Р)

Граднент, как и всякий другой вектор, можно представить в виде суммы его проекции на базисные вектора в данном пространстве. Следовательно, при зондировании в и-мерном пространстве в выражение (5) входит

n + 1 независимая переменная (коэффициент ослабления g (R) и и проек ций вектора относительно градиента

Ч(R), где

+ га0Юс(R) Ч(К) = — 9—

ОЮ(Р)

Таким образом, при определении оптических характеристик рассеивающей среды необходимо использовать и + 1 линейно независимых уравнений.

Рассмотрим случай определения оптических характеристик в двухмерном пространстве, т.е. на плоскости.

Для этого необходимо провести зондирование исследуемого объекта с трех неколлинеарных направлений и решить систему из трех уравнений с тремя неизвестными (коэффициентом ослабления и двумя проекциями Y> „ вектора относительного градиента V(R)).

Произвольный вектор е, задающий направление зондирования, в полярной .системе координат можно представить следующим образом

e = i cosf + j sin !)

Тогда выражение (5 ) для плоскости можно переписать в виде 1(R,е) = 1$R, 9) = gi cosy+

+ j sin V ) V(g) — 2 Е (R) = i -Ч(Р)

cos г + jV(R) s in М вЂ” 2 6 (R) .

Учитывая что скалярные произведения V() = V„(R) и j Ч(Р) = (R) являются прое кциями вектора J (Р ) на базисные векторы i и 1, для величины E(R, г )), полученной при зондировании исследуемого объема под углом, можно записать следующее выражение

1(Р, (г ) = Vx(R)cos g + Ч (R)

sin(! —.2Е (Я).

Таким образом, при зондировании исследуемого объема по трем различным неколлинеарным направлениям е„, е и е>,, задаваемым, соответственно, углами af р и у, получаем систему из трех линейных независимых уравнений с тремя неизвестными V> (R), V (R) ь (Р) (фиг.2) .

1 (Р, Ы) = Vx(R) cos + V (R)

s i n Я- - 2 f. (R )

1 (R, Pr ) = V„(R) cos P + Ч (R)

sin 5- 2 Д(Р) (б)

l (R, у) =- Vx(R) cosy + V (Р)

sin у — 2 f.(R) Главный определитель 4 этой системы

cos a(s!и 6! - 2

4 = cos pi sIn p - 2 соз у sin - 2 — Вsiп - -,- sin + - - sin

2 2 2 (7) не равен нулю, при условии, что !

"о ф о1-, I) g P, о ф Я-, т.е. в случае зондирования по неколлинеар10 ным направлениям. зная величины взаимных углов между направлениями посылки зондирующих импульсов A =

=у-р; в= !. -у; c=p (фиг.2), получаем выражение для ве15 личины коэффициента ослабления оптического излучения

Р С(Р„e,)чиА+8Я„Е,)МиЬ+Е(Р,е )з)и С

° А ° В ° С

8 8Ми — 61и 5sn

20 2.

Величины проекций вектора относительного градиента Ч(R) будут равны

-+ 1

V (R) = j l (R, t) (cos pp- cosI) p

+ 1 (Rр,Pi ) (cosф cos c() + 1 (R )

-Ы 4 (coc a/. coc I) )} )Б \и Б и

2 ° 2 зо

))z (в) = fI()(, c. ) (cin ã- sic I))t

Ф (35

+ 1(R, P)(sind.- sing) + 1(Р, д )

Pi -d. 8г-Р (sing — sin+)j (sin sin х

)(S I n (9)

40 Следовательно, зная величины 0 (!1у) и взаимные углы А, В и С между направлениями зондирования исследуемого объема, можно определить его оптические«характеристики без априор45 ных сведений о характере рассеивающей

;греды. аналогично легко получить выраже,ние для коэффициента ослабления С(R) и величин проекций вектора относи50 тельного градиента в трехмерном простраистве. В этом случае необходимо решить. систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными E.(R). и проекциями V, V, V вектора относитель5 ного градиента на базисные вектора

R декартовой системы координат.

Предлагаемый способ не требует максимально возможного значения сум(марного сигнала, а значит, не требует проведения зондирования на большие расстояния, и позволяет проводить .измерения оптических характерис. тик при помощи лидаров, имеющих относительно невысокий энергетический .потенциал. Возрастает точность оп966639

ВНИИПИ Заказ 7838/64 Тираж 717 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, .ул.Проектная, 4 ределения коэффициента ослабления оптического излучения по сравнению с известным.

Формула изобретенияСпособ определения оптических характеристик рассеивающих сред путем посылки световых импульсов малой длительности, преобраэованйя рассеянных s обратном направлении световых импульсов в электрические сигналы при увеличении усиления принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки светого импульса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, световые импульсы посылают через исследуемый объем рассеивающей срЕды поочередно не менее, чем с трех неколлинеарных направлений, по каждому из неколлинеарных направлений измеряют сигналы обратного рассеяния, опреде- ляют взаимные углы между направлениями посылки зондирующих импульсов, а затем по величинам логарифмических производных сигналов обратного рассеяния и величинам взаимных углов между направлениями судят о величинах коэффициента ослабления оп>О тического излучения и об относительном градиенте коэффициента обратного рассеяния оптического излучения в исследуемом объеме рассеиваю.щей среды.

35 . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 873785, кл. G 01 W 1/00, 15. 10.81, 2. Авторское свидетельство СССР

2О 9 390401, кл. G 01 W 1/00, 11.07. 73 (прототип).