Способ многопозиционного определения оптических характеристик атмосферы

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может быть использовано для измерения прозрачности неоднородной атмосферы лидарными системами при определении аэрозольного загрязнения воздуха. Согласно способу в неоднородную атмосферу излучают световые импульсы малой длительности и принимают эхо-сигналы. Эхо-сигналы корректируют на геометрический фактор лидара. Скорректированные сигналы накапливают в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. Отклоняют световые импульсы не менее чем в двух точках трассы зондирования в направлениях на общий рассеивающий объем. Для определения прозрачности атмосферы учитывают оптическую толщину участка, заключенного между точками, в которых отклоняют импульсы. Технический результат - повышение точности определений за счет корректного учета влияющих факторов. 1 ил.

 

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

Известен способ оптического зондирования неоднородной атмосферы [1], при котором осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов по пересекающимся трассам зондирования, проходящим по неколлинеарным направлениям, осуществляют прием эхо-сигналов, а характеристики атмосферы определяют по мощностям эхо-сигналов с использованием расчетных формул.

Этот известный способ обладает низкой точностью, поскольку он основан на предположении о возможности дифференцирования эхо-сигналов. Данное предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ оптического зондирования неоднородной атмосферы [2], при котором осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности и прием эхо-сигналов; обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара; накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка.

В этом известном решении повышена точность определения характеристик загрязнения неоднородной атмосферы благодаря тому, что эхо-сигналы накапливают в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. Однако решение [2] основано на предположении о постоянстве отношения коэффициента обратного рассеяния к коэффициенту ослабления на исследуемой трассе зондирования. Это предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик атмосферы за счет корректного учета связи коэффициента обратного рассеяния и коэффициента ослабления.

В предлагаемом способе используют некоторые существенные признаки прототипа, а именно: в нем осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности и прием эхо-сигналов; обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара; накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка.

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что световые импульсы отклоняют не менее чем в двух точках трассы зондирования в направлениях на общий рассеивающий объем, а для определения прозрачности атмосферы учитывают оптическую толщину участка, заключенного между точками, в которых отклоняют импульсы.

Оптические характеристики загрязнения неоднородной атмосферы, в частности оптические толщины

τ 1 = R 1 R 1 + Δ 1 σ d R , ( 1 )

τ 2 = R 1 R 2 + Δ 2 σ d R ( 2 )

где σ - коэффициент ослабления,

Ri - расстояние от лидара до точки отклонения импульса,

Δi - расстояние от точки отклонения импульса до рассеивающего объема,

находят из системы уравнений:

S 1 ( R 1 ) g σ 1 S 1 ( R 1 + Δ 1 ) g σ = 2 g R 1 R 1 + Δ 1 S 1 g d R ( 3 )

S 2 ( R 1 ) g σ 1 S 2 ( R 2 + Δ 2 ) g σ = 2 g R 1 R 2 + Δ 2 S 2 g d R ( 4 )

S 2 ( R 2 ) g σ 2 S 2 ( R 2 + Δ 2 ) g σ = 2 g R 2 R 2 + Δ 2 S 2 g d R ( 5 )

S 2 ( R 1 ) S 2 ( R 2 ) g = σ 1 σ 2 exp ( 2 g R 1 R 2 σ d R ) ( 6 )

S 1 ( R 1 ) S 1 ( R 1 + Δ 1 ) g = σ 1 σ exp ( 2 g τ 1 ) ( 7 )

S 2 ( R 2 ) S 2 ( R 2 + Δ 2 ) g = σ 1 σ exp ( 2 g τ 2 ) ( 8 )

где S - мощность сигнала обратного рассеяния, скорректированная на геометрический фактор от лидара.

При этом определяется и постоянная g в степенной связи коэффициента обратного рассеяния с коэффициентом ослабления

β = D σ g . ( 9 )

Указанные существенные отличия позволяют повысить точность за счет корректного учета связи коэффициента обратного рассеяния и коэффициента ослабления.

Физические принципы, на которых основаны измерения предлагаемым способом, состоят в том, что измеренные мощности эхо сигналов связаны с оптическими характеристиками неоднородной атмосферы известным лидарным уравнением. 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 (см. чертеж).

В пункте 0 размещают лидар на основе ЛИВО. Излучение зондирующих импульсов осуществляется в горизонтальном направлении на рабочей длине волны 0,69 мкм в окне прозрачности водяного пара. Энергия в импульсе 0.07 - 0.1 Дж. Длительность импульса 30 нс. Расстояние R1 от лидара до точки отклонения импульса не превышает 0,3 км. Расстояние между точками отклонения R1 и R2 составляет 0,1 км. Зондирование неоднородной атмосферы осуществляется в вертикальной плоскости. Посылают световые импульсов, которые отклоняют в точке R1 в направлении на рассеивающий объем 1, принимают эхо-сигналы, которые корректируют на геометрический фактор от лидара и накапливают. Посылают световые импульсы, которые отклоняют в точке R2 в направлении на рассеивающий объем 2, принимают эхо-сигналы, которые корректируют на геометрический фактор от лидара и накапливают.

По принятым, скорректированным и накопленным эхо-сигналам определяют характеристики неоднородной атмосферы τ1, τ2 из системы уравнений (3) - (8).

Измерения имеют требуемую точность в случаях, когда результаты определения постоянной g, полученные по расчетным формулам (3) - (8), не зависят значимо от положения рассеивающего объема 1.

Обоснование существенности признаков. Как следует из описания, каждый из указанных признаков необходим, а вся их неразрывная совокупность достаточна для достижения технического результата - повышения точности измерений за счет более корректного учета влияющих факторов.

Обоснование изобретательского уровня. Заявляемый способ был проанализирован на соответствие критерию «изобретательский уровень». Для этого были исследованы близкие признаки известных решений как в данной, так и в смежных областях техники. Так по источнику [3] был выявлен признак приема эхо-сигналов от общего рассеивающего объема неоднородной атмосферы. Однако в этом известном решении [3] общий рассеивающий объем атмосферы принадлежит трассам зондирования, проходящим не менее чем по трем неколлинеарным направлениям. Именно благодаря такому осуществлению посылок в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, достигается технический результат способа [3]. В заявляемом же способе общий рассеивающий объем атмосферы принадлежит двум трассам зондирования, а для определения прозрачности атмосферы учитывают оптическую толщину участка, заключенного между точками, в которых отклоняют импульсы.

Таким образом, по мнению заявителя и авторов предлагаемое техническое решение ″Способ многопозиционного определения оптических характеристик атмосферы″ в своей неразрывной совокупности признаков является новым, явным образом не следует из уровня техники и позволяет получить важный технический результат - повышение точности определений за счет более корректного учета влияющих факторов.

Источники информации

1. А.с. №966639. Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред / Сергеев Н.М., Кугейко М.М., Ашкинадзе Д.А. Бюллетень изобретений №38, 1982.

2. А.с. №390401. Способ определения прозрачности атмосферы / Ковалев В.А. - Бюллетень изобретений №30, 1973 (прототип).

3. Патент №2439626. Способ определения прозрачности атмосферы / Егоров А.Д., Потапова И.А. Бюллетень изобретений №1, 2012.

Способ многопозиционного определения оптических характеристик атмосферы, при котором осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности и прием эхо-сигналов; обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара; накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка, отличающийся тем, что световые импульсы отклоняют не менее чем в двух точках трассы зондирования в направлениях на общий рассеивающий объем, а для определения прозрачности атмосферы учитывают оптическую толщину участка, заключенного между точками, в которых отклоняют импульсы, определяют характеристики загрязнения атмосферы по принятым и накопленным эхо-сигналам.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к экологическим системам сбора и обработки информации и может быть использовано для прогнозирования распространения загрязнения атмосферного воздуха на территории горнопромышленной агломерации.

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа определения общего балла облачности. Для определения общего балла облачности получают цветное полутоновое изображение всего небосвода в видимой области спектра и для всех точек изображения проводят сравнение значений цветовых компонент.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам определения характеристик слабо рассеивающей атмосферы. Согласно способу осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим по неколлинеарным направлениям.

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн. .

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для дистанционного контроля прироста толщины снежного покрова на лавиноопасных склонах. .

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения. .

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано при определении характеристик атмосферы. .

Изобретение относится к метеорологическим приборам и может быть использовано для обеспечения работы наземных оптических средств и астрономических установок в автоматическом режиме.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн. .

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения прозрачности атмосферы. .
В наблюдаемое облако с установленного на поверхности Земли или вблизи этой поверхности лазерного излучателя в тело облака посылают импульсное лазерное излучение с длительностью импульсов излучения 10-20 нс и с промежутком времени между импульсами не более 2 с.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам определения характеристик слабо рассеивающей атмосферы. Согласно способу осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим по неколлинеарным направлениям.

Изобретение относится к метеорологии, к способам для определения физических параметров атмосферы, и позволяет определять направление и скорость движения нижней границы облачности (НГО).

Изобретение относится к измерениям турбулентностей атмосферы с помощью лидарной системы, в частности на борту летательных аппаратов. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в прикладной метеорологии для оперативного дистанционного определения скорости и направления ветра.

Изобретение относится к области систем оптической локации для метеорологических целей и может быть использовано для бесконтактного измерения профилей температуры пограничного слоя атмосферы.

Изобретение относится к способу обнаружения и определения местонахождения лесных пожаров на ранней стадии с использованием лидара. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению. .

Оптический блок может быть использован для измерения характеристик облачности, преимущественно, на аэродроме с целью метеообеспечения взлета/посадки информацией о высоте нижней границы облаков. Оптический блок содержит линзовый объектив и полупроводниковый импульсный лазер, установленный в его фокусе, установленные перед зеркальным объективом соосно с ним, первый фотоприемник, установленный в фокусе зеркального объектива, содержащего главное и вторичное зеркала, полупрозрачное плоское зеркало размещено в центральном отверстии главного зеркала. Второй фотоприемник установлен соосно с первым за дополнительной фокальной поверхностью зеркального объектива, образованной полупрозрачным плоским зеркалом. Блок содержит блок обработки фотоэлектрических сигналов на два входа и один выход, один вход которого сопряжен с полупроводниковым импульсным лазером, второй - с первым фотоприемником, и сумматор фотоэлектрических сигналов на два входа и один выход, выход которого подключен ко второму входу блока обработки фотоэлектрических сигналов, а первый и второй входы - к выходам первого и второго фотоприемников соответственно. Технический результат - компенсация уменьшения эхо-сигнала в ближней зоне и расширение диапазона измерения в сторону низких значений высоты нижней границы облаков. 1 ил.

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может быть использовано для измерения прозрачности неоднородной атмосферы лидарными системами при определении аэрозольного загрязнения воздуха. Согласно способу в неоднородную атмосферу излучают световые импульсы малой длительности и принимают эхо-сигналы. Эхо-сигналы корректируют на геометрический фактор лидара. Скорректированные сигналы накапливают в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. Отклоняют световые импульсы не менее чем в двух точках трассы зондирования в направлениях на общий рассеивающий объем. Для определения прозрачности атмосферы учитывают оптическую толщину участка, заключенного между точками, в которых отклоняют импульсы. Технический результат - повышение точности определений за счет корректного учета влияющих факторов. 1 ил.

Наверх