Способ измерения структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы

 

Изобретение относится к области лазерной локации атмосферы. Технический результат заключается в повышении точности путем измерения профиля структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы. Сущность изобретения состоит в том, что в способе, основанном на пропускании импульсного лазерного излучения через турбулентную атмосферу и фильтрации принимаемого излучения, фильтруют излучение обратного рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях, усиленное при прохождении крупномасштабных неоднородностей, измеряют коэффициенты усиления обратного рассеяния одиночных импульсов, частоты следования которых не превышают частоты флуктуации турбулентной атмосферы, определяют коэффициент усиления обратного рассеяния импульсного излучения усреднением коэффициентов обратного рассеяния одиночных импульсов и восстанавливают профиль структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы обратным преобразованием коэффициента усиления обратного рассеяния импульсного излучения.

Изобретение относится в области лазерной локации атмосферы и может быть использовано при построении систем измерения параметров атмосферы.

Известен способ измерения коэффициента преломления, заключающийся в том, что модулируют луч света, преломленный в среде, и непреломленный луч света при отсутствии преломляющей среды на пути прохождения света, осуществляют фотоэлектрическое преобразование принятых сигналов и сравнивают полученные в результате электрические сигналы, величины которых зависят от места падения непреломленного и преломленного световых лучей.

К недостаткам известного способа следует отнести невозможность измерения показателя преломления на расстоянии или какую-либо его характеристику в зависимости от расстояния.

Известен также принятый за прототип способ измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы, в соответствии с которым пропускают импульсное лазерное излучение через турбулентную атмосферу, фильтруют принимаемое излучение, усредняют интенсивность отфильтрованного излучения по флуктуациям турбулентной атмосферы и регистрируют распределение усредненной интенсивности.

Данный известный способ не позволяет получить зависимость структурной характеристики показателя преломления атмосферы по длине трассы, а дает возможность получения только усредненного по трассе значения этого параметра, что существенно снижает точность измерений в локационных системах, использующих предварительное измерение параметров атмосферы.

Целью изобретения является повышение точности путем измерения профиля структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы.

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы, основанном на пропускании импульсного лазерного излучения через турбулентную атмосферу, фильтрации принимаемого излучения, рассеянного на неоднородностях турбулентной атмосферы и его последующей регистрации, в соответствии с изобретением, фильтруют излучение обратного рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях, усиленное при прохождении крупномасштабных неоднородностей турбулентной атмосферы, измеряют коэффициенты усиления обратного рассеяния одиночных импульсов, частота следования которых не превышает частоты флуктуации турбулентной атмосферы, определяют коэффициент усиления обратного рассеяния импульсного излучения усреднением коэффициентов обратного рассеяния одиночных импульсов, восстанавливают профиль структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы обратным преобразованием коэффициента усиления обратного рассеяния импульсного излучения.

Возможность достижения поставленной цели в изобретении основывается не следующем.

Каждый импульс излучения при распространении в турбулентной атмосфере искажается крупномасштабными неоднородностями и рассеивается на мелкомасштабных неоднородностях. Рассеянное назад излучение проходит через те же крупномасштабные неоднородности, что и при прямом прохождении, вследствие чего усредненная интенсивность сигнала обратного рассеяния в направлении на излучатель в N раз выше, чем в среднем по остальным направлениям.

Коэффициент усиления обратного рассеяния равен:

где Z₀ - расстояние до рассеивателя;

Cп²(z) - структурная характеристика показателя преломления атмосферы;

f(z, z ₀) - функция, зависящая от геометрических особенностей передающей системы.

При распространении короткого импульса в турбулентной атмосфере происходит перемещение вдоль трассы эффективного объема, внутри которого сосредоточена энергия излученного импульса. Другими словами, расстояние до рассеивателя является функцией времени z₀=cτ, где с - скорость света, τ - время, прошедшее с момента излучения импульса.

Сигнал обратного рассеяния, сформированный на частицах аэрозоля, расстояние до которых z₀=cτ, достигнет излучателя (приемника) в момент времени t=2τ и соотношение (1) может быть представлено в виде:

Коэффициент усиления обратного рассеяния является средней величиной, поэтому для его определения необходимо измерить зависимость отношения интенсивности обратного рассеяния в направлении на излучатель I_изл(t) к интенсивности обратного рассеяния в другом направлении I_др(t) для одиночного импульса:

где: N_ед(t) - величина коэффициента усиления обратного рассеяния единичного импульса.

Усреднением по последовательности импульсов измеряют коэффициент усиления обратного рассеяния N(t) импульсного излучения и, решая численными методами уравнение (2) с измеренным N(t) в левой его части, получают профиль Cп²(z).

Такое решение, в частности, может быть получено при помощи соотношения:

Использование способа, соответствующего изобретению, позволяет оперативно получать профили структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы на вертикальных и наклонных трассах, используемые в системах оперативного измерения параметров атмосферы и в системах подготовки данных для лазерных систем различного назначения.

Формула изобретения

Способ измерения структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы, основанный на пропускании импульсного лазерного излучения через турбулентную атмосферу, фильтрации принимаемого излучения, рассеянного на неоднородностях турбулентной атмосферы и его последующей регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем измерения профиля структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы, фильтруют излучение обратного рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях, усиленное при прохождении крупномасштабных неоднородностей турбулентной атмосферы, измеряют коэффициент усиления обратного рассеяния одиночных импульсов, частота следования которых не превышает частоты флуктуации турбулентной атмосферы, определяют коэффициент усиления обратного рассеяния импульсного излечения усреднением коэффициентов усиления обратного рассеяния одиночных импульсов, восстанавливают профиль структурной характеристики показателя преломления турбулентной атмосферы обратным преобразованием коэффициента усиления обратного рассеяния импульсного излучения.