Способ определения внутреннего масштаба атмосферной турбулентности

 

Изобретение относится к области контроля окружающей среды, в частности к дистанционному измерению метеопараметров атмосферы. Сущность: способ основан на регистрации интенсивности прошедшего турбулентную атмосферу излучения и определении дисперсии ее флуктуации. При этом перед регистрацией осуществляют прием излучения от точечного источника, прошедшего турбулентную атмосферу, коллимируют его и спектрально фильтруют. Осуществляют регистрацию пятенного изображения источника на апертуре за время замороженности. Измеряют уровень интенсивности в пятенном изображении. Повторяют измерения через интервалы времени. Определяют среднюю интенсивность и среднее число пятен. После определения дисперсии флуктуации интенсивности определяют внутренний масштаб атмосферной турбулентности. Технический результат: повышение точности и расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области контроля окружающей среды, в частности к дистанционному измерению метеопараметров атмосферы.

Внутренний масштаб атмосферной турбулентности - одна из важнейших характеристик состояния атмосферы и знание ее необходимо для описания распространения оптической волны в атмосфере.

Известен способ определения внутреннего масштаба турбулентности, основанный на просвечивании атмосферы лазерным излучением, регистрации интенсивности прошедшего через атмосферу излучения, определения структурного показателя преломления атмосферы (см. J.W.Strobehn, Gournal of Geoph.Res., v.75, №6, 1970).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ определения внутреннего масштаба атмосферной турбулентности l_o, изложенный в статье А.С.Гурвича и др. Об определении внутреннего масштаба турбулентности по флуктуациям интенсивности света. Изв. АН СССР, серия "Физика атмосферы и океана", т.2, 1966, №7, с.688-694. В указанном способе осуществляют просвет атмосферы лазерным излучением, регистрируют интенсивность прошедшего излучения, по дисперсии флуктуации которой определяют исследуемую величину.

К недостаткам перечисленных способов следует отнести:

- необходимость лазерного подсвета, а значит более сложная приборная реализация,

- большую величину дисперсии флуктуации интенсивности за счет ее искажения как амплитудными, так и фазовыми флуктуациями турбулентной атмосферы,

- требование малости флуктуации сигнала, приводящее к значительным погрешностям их измерения и, соответственно, к ошибкам в определении искомого параметра,

- ограниченность протяженности исследуемых трасс, вытекающая из условия приближения геометрической оптики - ( - длина волны излучения, L - длина трассы),

- в способе-прототипе и американском аналоге требуется измерение структурной характеристики что сопряжено с дополнительными ошибками.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что перед регистрацией осуществляют прием излучения от точечного источника, прошедшего турбулентную атмосферу, коллимируют его, спектрально фильтруют, осуществляют регистрацию пятенного изображения источника на апертуре за время замороженности τ₃, измеряют уровень интенсивности в пятенном изображении путем фотометрирования, повторяют измерения К раз через интервал времени t>τ₃, по результатам фотометрирования К изображений определяют среднюю интенсивность, среднее число пятен N и после определения дисперсии относительно среднего, используя эти величины, определяют внутренний масштаб турбулентности по формуле

где - средняя длина волны излучения в пределах полосы пропускания фильтра,

D - диаметр апертуры телескопа,

L _a - эффективная толщина атмосферы,

L - эффективная длина трассы.

Теоретическое обоснование способа состоит в следующем.

Между искомым параметром l _o и дисперсией относительно среднего существует соотношение (см. А.С.Гурвич и др. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1976.)

где - структурная характеристика диэлектрической проницаемости

- структурная характеристика показателя преломления,

L - эффективная длина трассы.

Эта формула справедлива для излучения узкого спектрального диапазона (например, лазерного излучения). И поскольку предлагаемый способ использует получение пятенных изображений, это условие выполняется (для получения пятенной картины не должно превышать 200 Å).

Из уравнения (1) имеем

С другой стороны,

где r_o - радиус корреляции турбулентной атмосферы.

Кроме того, согласно (Roddier F: 1975. Introduction a l'étude théorique des effets de la turbulence dtmospherique sur la formation des images en Astronomie, Univerité de Nice.)

Окончательно, подставив выражения (3) и (4) в (2), имеем

То есть для определения внутреннего масштаба атмосферной турбулентности l_o необходимо знать дисперсию относительно среднего и число пятен N. Поскольку, согласно предлагаемому способу, регистрируется распределение интенсивности в плоскости апертуры (для чего и используется коллимирование), где отсутствуют фазовые флуктуации интенсивности, то измерение дисперсии амплитудных флуктуаций интенсивности (которые и определяют l_o) осуществляется в чистом виде. Тогда как в прототипе измеряется дисперсия суммарного вклада амплитудных и фазовых флуктуаций, что снижает точность определения l _o. Что касается используемого в предлагаемом способе числа пятен N, то измерение его можно выполнять гораздо точнее, чем определяемая 20% ошибка измерения в прототипе.

Сравним предлагаемый способ с прототипом по точности.

В прототипе внутренний масштаб определялся по формуле

то есть погрешность измерения l_оп определяется погрешностью измерения структурной характеристики показателя преломления и дисперсии . В предлагаемом способе

то есть погрешность измерения l_o определяется погрешностью измерения дисперсии δ² и числа пятен N.

Чтобы оценить погрешности измерения найдем дифференциалы величин l _o и l_оп.

Найдем отношение

Проведем численные вычисления для следующих типичных значений величин

L_a=10⁴ м

D=0,5 м

N=4

dN=0.1

C _n ²=10^-16 м ^-2/3

dC_n ² =0.2×10^-16 м^-2/3

dδ²=0,064

Соотношение между dδ_п ² и dδ² составляет порядка 3:1 (см. Дж.Стробен. Распространение волн в турбулентной атмосфере в пределах прямой видимости. ТИИЭР, №8).

В результате получаем

или

dl_оп=6 dl _o, т.е. точность предлагаемого способа в 6 раз выше, чем точность прототипа.

На чертеже представлена функциональная схема возможного устройства, реализующего предлагаемый способ. Здесь

1 - точечный источник излучения (звезда),

2 - турбулентная атмосфера,

3 - телескоп,

4 - коллимирующая система,

5 - светофильтр,

6 - регистрирующая среда (фотопленка),

7 - микрофотометр,

8 - запоминающее устройство,

9 - ЭВМ.

Принцип действия устройства заключается в следующем. Излучение от точечного источника 1, прошедшее через турбулентную атмосферу 2, при помощи телескопа 3, коллимируют коллиматором 4, пропускают через светофильтр 5, регистрируют полученное пятенное изображение на фотопленке 6, далее с помощью микрофотометра 7 фотометрируют К зарегистрированных изображений и полученную информацию о средней интенсивности, дисперсии относительно среднего и среднем числе пятен N вводят в запоминающее устройство 8, а затем проводят вычисления, используя ЭВМ 9.

Положительный эффект от использования предложенного способа заключается в том, что он позволяет повысить точность и диапазон измерений внутреннего масштаба атмосферной турбулентности. Повышение точности достигается за счет того, что в способе измеряется дисперсия амплитудных флуктуаций в чистом виде, которая и определяет l_o и, значит, фазовые флуктуации интенсивности не искажают картину. Кроме того, используемое для вычисления l_o число пятен N определяется с большей точностью, чем структурная характеристика показателя преломления в прототипе. Расширение диапазона измерений достигается за счет возможности проводить измерения на трассах разного наклона.

Формула изобретения

Способ измерения внутреннего масштаба атмосферной турбулентности, основанный на регистрации интенсивности прошедшего турбулентную атмосферу излучения и определении дисперсии ее флуктуаций, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, перед регистрацией осуществляют прием излучения от точечного источника, прошедшего турбулентную атмосферу, коллимируют его, спектрально фильтруют, осуществляют регистрацию пятенного изображения источника на апертуре за время замороженности τ₃, измеряют уровень интенсивности в пятенном изображении, повторяют измерения через интервалы времени t>τ₃, определяют среднюю интенсивность и среднее число пятен N и после определения дисперсии δ флуктуаций интенсивности определяют внутренний масштаб атмосферной турбулентности по формуле

где - средняя длина волны излучения в пределах полосы пропускания;

D - диаметр апертуры;

L_a - эффективная толщина атмосферы;

L - эффективная длина трассы.

РИСУНКИ