RU1800323C - Устройство дл измерени оптических характеристик атмосферы при выпадении осадков - Google Patents

Abstract

Использование: область атмосферной оптики, метеорологии при определении оптической толщи осадков и показател  преломлени  атмосферы в момент выпадени  осадков. Сущность изобретени : в один из каналов устройства введен на конце измерительной трассы зеркальный ответвитель, при этом источник оптического излучени  и соответствующий фотоприемник с точечной диафрагмой расположены на одинаковом рассто нии от зеркального отражател , а рассто ние между оптическими ос ми точечной диафрагмы и осью этого канала не более VXL /10, гдеЯ -длина волны оптического излучени , L - рассто ние от источника оптического излучени  до зеркального отражател . 1 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относитс  к области атмосферной оптики и метеорологии и может быть использовано дл  дистанционного бесконтактного определени  оптической толщи осадков и структурного параметра флуктуации показател  преломлени  атмосферы в момент выпадени  осадков .

Цель изобретени  - увеличение точности измерени  оптической толщи осадков.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в устройство дл  измерени  характеристик атмосферы, содержащее два источника оптического излучени  (лазеры), коллиматор, два фотоприемника с точечными диафрагмами , два квадратора и вычислительное устройство , дополнительно введены последовательно соединенные коллиматор и зеркальный отражатель, расположенный на противоположном конце измерительной трассы перпендикул рно к оптической оси источника оптического излучени , причем

источник оптического излучени  и принимающий его излучение фотоприемник с точечной диафрагмой должны располагатьс  на одинаковом рассто нии от отражател , а рассто ние между оптическими ос ми точечной диафрагмы и передающей оптической системы должно быть не более VAL/10, где Я- длина волны оптического излучени ; L - рассто ние от источника оптического излучени  до отражател , что обеспечиваетс  размещением дополнительного зеркального отражател  перед коллиматором под углом к оптической оси источника оптического излучени  и полупрозрачной плоскопараллельной пластины перед точечной диафрагмой фотоприемника параллельно дополнительному зеркалу. В предлагаемом устройстве использование зеркального отражател  (при соответствующем размещении одного из источников оптического излучени  и одного из фотоприемников) позвол ет разделить

Ё

00

о о

CJ

ю

CJ

вклады атмосферной турбулентности и осадков во флуктуации интенсивности оптического излучени .

Атмосферна  турбулентность и осадки дают аддитивные вклады во флуктуации интенсивности оптического излучени , распростран ющегос  в атмосфере во врем  выпадени  осадков. В силу этого дисперси  флуктуации интенсивности пучка оптического излучени  на пр мой трассе (источник излучени  расположен на одном конце трассы, фотоприемник - на другом) можно записать следующим образом

оо О

О пр гидр

(1)

где ai тур - дисперси  флуктуации интенсивности пучка оптического излучени , обусловленна  турбулентностью, на пр мой трассе;

сп гидр - дисперси  флуктуации интенсивности пучка оптического излучени , обусловленна  осадками (гидрометеорами), на пр мой трассе.

Дисперси  флуктуации интенсивности пучка оптического излучени  на трассе с отражением (источник оптического излучени  и приемник расположены на одном конце трассы, а зеркальный отражатель - на другом) имеет вид

« tfjoic У тур (р ) ffl ур +

+ Угидр(-с4идр. (2)

где у тур (р} и у гидр О) - коэффициенты увеличени  уровн  флуктуации интенсивности пучка оптического излучени , обусловленных соответственно турбулентностью и осадками, на трассе с отражением по сравнению с пр мой трассой, как функци  рассто ни  р от оптической оси фотоприемника до оптической оси передающей оптической системы.

Дл  широкого коллимированного пучка

К 2

( в° 1 , где К 2jr/A; а0 - начальный радиус пучка оптического излучени ) при

р Ш1/10 УтУР(/) 1,,

УгидРО) 1.

Кроме того, в этом случае

сг1туР 1,2К 7/6

1V& Г2

1 п ,

О гидр 7(

где С п - структурный параметр флуктуации показател  преломлени  атмосферы; т- оптическа  толща осадков. Таким образом, разность дисперсий флуктуации интенсивности пучков оптического излучени  ((1) и (2)) равна:

15

22 а fflnon fflnp -

0,6K7/6L1 C2n Cr;. (3)

Значение С п позвол ет по дисперсии флуктуации интенсивности пучка оптического излучени  на пр мой трассе (1) с высокой точностью определить оптическую толщу осадков.

Отличительные признаки  вл ютс  существенными по следующим причинам.

Зеркальный отражатель, расположенный на противоположном конце измерительной трассы перпендикул рно к оптической оси источника оптического излучени , причем источник оптического излучени  и принимающий его излучение фотоприемник с точечной диафрагмой должны располагатьс  на одинаковом рассто нии от отражател . Как следует из анализа формул (1), (2) и (3) дл 

эффективного разделени  вкладов атмосферных осадков и турбулентности в дисперсию флуктуации интенсивности оптического излучени  необходимо реализовать одновременные измерени  на двух трассах: пр мой и локационной (т.е. трассе с отражателем). Дл  организации локационной трассы необходим зеркальный отражатель и соответствующее расположение других элементов. Введен коллиматор.

формула (2) применима дл  широкого коллимированного пучка оптического излучени . Дл  расход щегос  пучка оптического

Ка2

излучени  ( L° «1 ) у гидр О)1

искома  величина г будет определ тьс  устройством с ошибкой более 50%.

Рассто ние между оптическими ос ми точечной диафрагмы и передающей оптиче- ской системы должно быть не более р - тЩУЮ. Если это рассто ние больше, то у тур (р) - 1 и, следовательно, устройство будет определ ть т с ошибкой более 50%, т.е. с такой же как и прототип.

Размещение дополнительного зеркального отражател  перед коллиматором под углом к оптической оси источника оптического излучени  и полупрозрачной плоскопараллельной пластины перед точечной диафрагмой фотоприемника параллельно дополнительному зеркалу. Наличие этого признака св зано с тем, что размещение приемной и передающей аппаратуры непосредственно на рассто нии/) друг от друга невозможно, т.к. обычно р& 5 мм. Каждый из этих признаков  вл етс  необходимым дл  достижени  поставленной задачи , а вс  совокупность этих признаков позвол ет добитьс  более высокой точности измерени  оптической толщи осадков, чем это. было возможно в прототипе.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство дл  измерени  оптических характеристик атмосферы при выполнении осадков состоит из двух лазеров 1,2,  вл ющихс  источниками оптического излучени , и двух коллиматоров 3, 4, формирующих пучки оптического излучени  с заданными параметрами волнового фронта и проектирующие их через атмосферу 5 соответственно на диафрагмы с точечными отверсти ми б, 7, причем в одном случае оптическое излучение посылаетс  в атмосферу после отражени  от дополнительного зеркального отражател  8, размещенного перед коллиматором под углом к оптической оси источника оптического излучени , и полупрозрачной плоскопараллельной пластины 9, расположенной перед фотоприемником с точечной диафрагмой 7 параллельно дополнительному зеркалу 8 таким образом, чтобы обеспечить рассто ние р между оптической осью 10 точечной деформации 7 и оптической осью передающей оптической системы 11 & Ш1/10 . На противоположном конце измерительной трассы установлен зеркальный отражатель 12 перпендикул рно к оптической оси источника оптического излучени  2, причем источник оптического излучени  2 и принимающий его излучение фотоприемник 14 с точечной диафрагмой 7 должны располагатьс  на одинаковом рассто нии от отражател  12. За точечными диафрагмами 6, 7 расположены фотоприемники 13, 14, преобразующие оптические сигналы в электрические , которые поступают на квадраторы 15, 16, осуществл ющие вычисление нормированной дисперсии флуктуации интенсивности . Вычислительное устройство 17, куда поступают сигналы от квадраторов 15, 16, вычисл ет искомые параметры

0

С 2 п

Устройство работает следующим образом . Пусть в исходном состо нии осадков нет. Тогда, с одной стороны, оптическое из- лучение от лазера 1 через коллиматор 3 посылаетс  в атмосферу 5, после прохождени  в ней рассто ни  L, принимаетс  фотоприемником 13 через точечную диафрагму 6, а затем квадратором 15 вычисл етс  дисперси  флуктуации интенсивности пучка оптического излучени  на пр мой трассе (1)

( 0 ) . другой стороны, оптическое излучение от лазера 2 через коллиматор 4,

5 зеркала 8 и плоскопараллельную пластину 9 посылаетс  в атмосферу 5, отражаетс  от зеркального отражател  10, вновь проходит через тот же слой атмосферы 5 и принимаетс  фотоприемником 14через точечную ди0 афрагму 7, а квадратор 16 проводит вычисление дисперсии флуктуации интенсивности пучка оптического излучени  на трассе с отражением (2) ( 0 ) . С выхода вычислительного устройства 17 посту5 пает сигнал т 0 .

При выпадении осадков с квадратора 15 поступает сигнал-afnp (1), с квадратора 16

rt

-Ст|лок(2), а с выхода вычислительного устрой0 ства т.

Пример конкретного выполнени  устройства . Источники оптического излучени  (лазеры) - гелий-неоновые Л Г - 79, 78, 53 и т.п. Коллиматоры могут быть вз ты любые

5 стандартные с требуемым размером выходного зрачка 5-10 см. Фотоприемники - стандартные ФЗУ, размер отверсти  диафрагмы должен не превышать 0,1 мм. Квадраторы - стандартные с соответствующим

0 динамическим диапазоном. Например, при А 0,63 мкм и L 100 м р м. Таким образом, устройство работоспособно как при совпадении оптических осей точечной диафрагмы и передающей оптической системы (р 0), так и при р 10 3м .Случай р 0 соответствует минимуму систематической погрешности способа, заложенного в основу предлагаемого устройства. При р

-,-3

0

10 м систематическа  погрешность составл ет 25% . При р 10 м (конкретно, при р м) Утур(р) 1, т.е. измерени  г будут осуществл тьс  с погрешностью больше 50% и устройство будет иметь точ- 5 ность не выше прототипа. Угол под которым устанавливаетс  дополнительный отражатель относительно оптической оси источника оптического излучени  может принимать значение из диапазона от 0 до 90° (исключа  значени  0 и 90°). Наиболее подход щим

значением этого угла  вл етс  45°, т.к. обеспечивает максимальный коэффициент отражени  от плоскопараллельной пластины.

Увеличение точности измерени  оптической толщи осадков достигаетс  в предлагаемом устройстве по сравнению с устройством, описанным в прототипе, по следующей причине. В прототипе посылают один коллимированный и один сфокусированный пучок. По дисперсии флуктуации ин- тенсивности в сфокусированном пучке

суд т о С п.

Оценку точности устройства - прототипа можно провести следующим образом. Известно, что в сфокусированном пучке почти всегда реализуетс  режим насыщени  флуктуации интенсивности, а ошибка определени  Сп будет больше 50%. Например, дл  сфокусированного пучка с длиной волны А 0,63 мкм и размером излучающей апертуры равным 10 см на трассе длиной 100 м режим насыщени  наступает при значении С п - , что может реализоватьс  в большинстве случаев. В то врем  как, в предлагаемом устройстве используютс  два коллимированных пучка, а как известно в этом случае режим насыщени  наступает гораздо реже, дл  этого при самой сильной

турбулентности (при больших С п ) необхо- димы трассы длиной в несколько километров . Это позвол ет повысить точность

измерени С п , а следовательно, и г.

Дополнительным преимуществом пред- латаемого устройства  вл етс  возможность попутного измерени  во врем  выпадени  осадков структурной характери

0

5

0

5

0

5

стики флуктуации показател  преломлени  воздуха.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  измерени  оптических характеристик атмосферы при выпадении осадков , содержащее два канала, каждый из которых содержит источник излучени , последовательно установленные по ходу излучени  точечную диафрагму и фотоприемник, при этом в первом канале по ходу излучени  за источником излучени  установлен коллиматор , а фотоприемники соединены через квадраторы с вычислительным устройством, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерений оптической толщи осадков , во второй канал введены последовательно установленные по ходу излучени  и оптически св занные дополнительный коллиматор, первый зеркальный отражатель, установленный под углом к оптической оси источника оптического излучени , полупрозрачна  плоскопараллельна  пластина, установленна  параллельно первому зеркальному отражателю , второй зеркальный отражатель, установленный в конце измерительной трассы перпендикул рно к оптической оси источника оптического излучени , причем источник оптического излучени  и фотоприемник с точечной диафрагмой второго канала расположены на одинаковом рассто нии от второго зеркального отражател , а рассто ние между оптическими ос ми точечной диафрагмы и второго канала не более VO-/10, где А- длина волны оптического излучени , L - рассто ние от источника оптического излучени  до второго зеркального отражател .

   Г

   .---,