RU2441261C1 - Способ оптического зондирования атмосферы - Google Patents

Способ оптического зондирования атмосферы Download PDF

Info

Publication number
RU2441261C1
RU2441261C1 RU2010143286/28A RU2010143286A RU2441261C1 RU 2441261 C1 RU2441261 C1 RU 2441261C1 RU 2010143286/28 A RU2010143286/28 A RU 2010143286/28A RU 2010143286 A RU2010143286 A RU 2010143286A RU 2441261 C1 RU2441261 C1 RU 2441261C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
points
atmosphere
echo signals
probing
paths
Prior art date
Application number
RU2010143286/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Дмитриевич Егоров (RU)
Александр Дмитриевич Егоров
Полина Александровна Блакитная (RU)
Полина Александровна Блакитная
Ирина Александровна Потапова (RU)
Ирина Александровна Потапова
Юлия Борисовна Ржонсницкая (RU)
Юлия Борисовна Ржонсницкая
Надежда Александровна Саноцкая (RU)
Надежда Александровна Саноцкая
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет"
Priority to RU2010143286/28A priority Critical patent/RU2441261C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2441261C1 publication Critical patent/RU2441261C1/ru

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области метеорологии, а именно к способам определения характеристик загрязнения. Согласно способу осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим не менее чем по трем неколлинеарным направлениям; с образованием области зондирования отрезками между точками их пересечения, и осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки. Характеристики загрязнения атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул, и осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов по дополнительным трассам с образованием дополнительных областей зондирования, имеющих трассы, общие с трассами первой области, и рассеивающие объемы на них, разнесенные на расстояние, не меньшее пространственной протяженности зондирующего светового импульса, накапливают эхо-сигналы на отрезках, образующих области, определяют характеристики загрязнения атмосферы по эхо-сигналам, принятым и накопленным с учетом и без учета характеристик загрязнения атмосферы дополнительных областей зондирования, и осуществляют определение характеристик атмосферы при задаваемом уровне совпадения двух последовательно полученных результатов. Технический результат - повышение точности определений за счет корректного учета влияющих факторов. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области метеорологии, а именно 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 по авторскому свидетельству №390401 [1], при котором осуществляют посылку в атмосферу светового импульса малой длительности и регистрацию рассеянного в обратном направлении света, преобразованного в электрические сигналы. Эти сигналы накапливают в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. При этом обеспечивают усиление принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки импульса в атмосферу.
Этот известный способ обладает низкой точностью, поскольку он основан на предположении о постоянстве отношения коэффициента обратного рассеяния к коэффициенту ослабления на исследуемой трассе зондирования. Это предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ определения прозрачности неоднородной атмосферы [2] (авторское свидетельство №1597815), при котором осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим не менее чем по трем неколлинеарным направлениям; с образованием области зондирования отрезками между точками их пересечения, осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки, а характеристики атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул.
В этом известном решении повышена точность определения характеристик загрязнения неоднородной атмосферы благодаря использованию не менее чем трех точек посылки в атмосферу световых импульсов. Однако в решении [2] не учитывается возможность существования в процессе измерений значительной неоднородности атмосферы в пределах пространственной протяженности зондирующего светового импульса.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик атмосферы за счет корректного учета атмосферной неоднородности.
В предлагаемом способе используют некоторые существенные признаки прототипа, а именно: в нем осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим не менее чем по трем неколлинеарным направлениям; с образованием области зондирования отрезками между точками их пересечения, осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки, а характеристики загрязнения атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул.
Существенными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов по дополнительным трассам с образованием дополнительных областей зондирования, имеющих трассы, общие с трассами первой области, и рассеивающие объемы на них, разнесенные на расстояние, не меньшее пространственной протяженности зондирующего светового импульса, накапливают эхо-сигналы на отрезках, образующих области, определяют характеристики загрязнения атмосферы по эхо-сигналам, принятым и накопленным с учетом и без учета характеристик загрязнения атмосферы дополнительных областей зондирования, и осуществляют определение характеристик загрязнения атмосферы при задаваемом уровне совпадения двух последовательно полученных результатов.
Оптические характеристики загрязнения неоднородной атмосферы, в частности,
Figure 00000001
находят из системы уравнений, записанной для многоугольников, образованных пересечением трасс зондирования по неколлинеарным направлениям
Figure 00000002
и из системы уравнений
Figure 00000003
Figure 00000004
где
Figure 00000005
,
Figure 00000006
Figure 00000007
мощность сигнала обратного рассеяния, скорректированная на геометрический фактор лидара,
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
Pi,j - мощность сигнала обратного рассеяния,
Figure 00000011
- геометрический фактор лидара,
с - скорость света,
τ - длительность зондирующего импульса,
β - коэффициент обратного рассеяния,
σ - коэффициент ослабления,
m=1/g, причем определяется и постоянная g в степенной связи коэффициента обратного рассеяния с коэффициентом ослабления
Figure 00000012
Figure 00000013
- радиус-вектор точки посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния (i-й точке расположения приемопередатчика соответствует радиус-вектор
Figure 00000014
, i=1, 2, …),
Figure 00000015
- радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента,
Figure 00000016
- текущий радиус-вектор точки прямой, проходящей через точки i, j,
ci - отрезок
Figure 00000017
, по которому вычисляются интегралы,
dr - элемент длины отрезка.
Сущность изобретения пояснена на чертеже.
На чертеже представлена схема посылок зондирующих импульсов и приема эхо-сигналов для примера трех приемопередатчиков (лидаров).
Способ реализуют следующим образом.
Приемопередатчики 1, 2 и 3 располагают с разнесением в пространстве в точках
Figure 00000018
,
Figure 00000019
и
Figure 00000020
.
Осуществляют посылку световых импульсов в направлении области зондирования, которая ограничена точками
Figure 00000021
(i=1, 2, 3) и в направлении дополнительных областей зондирования, которые ограничены точками
Figure 00000022
(например, i=3, 4, 5, i=3, 6, 7). Эти области зондирования имеют трассы, общие с трассами первой области (проходящие через точки
Figure 00000023
,
Figure 00000024
, а также через точки
Figure 00000025
,
Figure 00000026
), и рассеивающие объемы на них, расстояния между которыми задаются не меньше пространственной протяженности зондирующего светового импульса:
Figure 00000027
,
Figure 00000028
, на трассе, проходящей через точки
Figure 00000029
,
Figure 00000030
, а также
Figure 00000031
,
Figure 00000032
, на трассе, проходящей через точки
Figure 00000033
,
Figure 00000034
.
Количество дополнительных трасс определяется числом протяженностей зондирующего светового импульса, укладывающихся на участке, ограниченном точками
Figure 00000035
,
Figure 00000036
.
В точках посылки осуществляют прием эхо-сигналов от отрезков образованных областей зондирования атмосферы.
Принимают сигналы в точке
Figure 00000037
от отрезков, ограниченных точками:
Figure 00000038
,
Figure 00000039
и
Figure 00000040
,
Figure 00000041
, а также
Figure 00000042
,
Figure 00000043
. Принимают сигналы в точке
Figure 00000044
от отрезков, ограниченных точками:
Figure 00000039
,
Figure 00000036
и
Figure 00000041
,
Figure 00000036
, а также
Figure 00000028
,
Figure 00000036
. Принимают сигналы в точке
Figure 00000045
от отрезков, ограниченных точками:
Figure 00000038
,
Figure 00000036
и
Figure 00000036
,
Figure 00000040
, а также
Figure 00000032
,
Figure 00000036
. Принятые эхо-сигналы, скорректированные на геометрический фактор лидара, накапливают в соответствии с формулами (4), (5). Результат пропорционален:
b1 на отрезке, ограниченном точками
Figure 00000038
,
Figure 00000039
;
b2 на отрезке, ограниченном точками
Figure 00000039
,
Figure 00000036
;
b3 на отрезке, ограниченном точками
Figure 00000038
,
Figure 00000036
;
b4 на отрезке, ограниченном точками
Figure 00000040
,
Figure 00000041
;
b5 на отрезке, ограниченном точками
Figure 00000041
,
Figure 00000036
;
b6 на отрезке, ограниченном точками
Figure 00000046
,
Figure 00000040
;
b7 на отрезке, ограниченном точками
Figure 00000028
,
Figure 00000032
;
b8 на отрезке, ограниченном точками
Figure 00000047
,
Figure 00000028
;
b9 на отрезке, ограниченном точками
Figure 00000048
,
Figure 00000032
.
Величины zi находят из системы уравнений (2). Для рассматриваемого конкретного примера находят решение систем уравнений:
Figure 00000049
Figure 00000050
Figure 00000051
Накапливают эхо-сигналы, принятые в точках
Figure 00000052
,
Figure 00000053
в соответствии с формулами (6), (7) с учетом найденных величин zi. Аналогичную процедуру используют для эхо-сигналов, принятых в точке
Figure 00000054
. Величины
Figure 00000055
находят из системы уравнений
Figure 00000056
Определяют характеристики атмосферы при задаваемом уровне совпадения величин
Figure 00000057
, zi, найденных из систем уравнений (9), (12), означающем достижение требуемой точности приближения коротких зондирующих импульсов.
Указанные существенные отличия позволяют повысить точность из-за учета возможной неоднородности атмосферы в пределах пространственной протяженности зондирующего светового импульса.
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 для светового импульса конечной пространственной протяженности. 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.
В пунктах
Figure 00000058
,
Figure 00000059
и
Figure 00000060
, находящихся на одной прямой, размещают лидары 1, 2 и 3 на основе ЛИВО. Излучение зондирующих импульсов осуществляется 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 между лидарами 1, 2 и 2, 3 не превышает 0.5 км. Зондирование неоднородной атмосферы осуществляется в вертикальной плоскости, проходящей через линию размещения лидаров. Осуществляют посылку световых импульсов лидаром 1 по трассе, проходящей через точки
Figure 00000061
,
Figure 00000062
, лидаром 2 - через точки
Figure 00000063
,
Figure 00000064
; лидаром 3 - через точки
Figure 00000065
,
Figure 00000066
с образованием треугольной области зондирования. Осуществляют посылку световых импульсов лидаром 1 по трассе, проходящей через точки
Figure 00000067
,
Figure 00000068
, а также через точки
Figure 00000069
,
Figure 00000070
с образованием дополнительных треугольных областей зондирования. Эти треугольные области зондирования имеют трассы, общие с трассами первой области (проходящие через точки
Figure 00000071
,
Figure 00000072
, а также через точки
Figure 00000073
,
Figure 00000074
), и рассеивающие объемы на них, расстояния между которыми задаются не меньше пространственной протяженности зондирующего светового импульса:
Figure 00000075
,
Figure 00000076
на трассе, проходящей через точки
Figure 00000077
,
Figure 00000078
, а также
Figure 00000079
,
Figure 00000080
на трассе, проходящей через точки
Figure 00000081
,
Figure 00000082
.
В точках посылки осуществляют прием эхо-сигналов:
в точке
Figure 00000083
от отрезков, ограниченных точками:
Figure 00000084
,
Figure 00000085
и
Figure 00000086
,
Figure 00000087
, а также
Figure 00000088
,
Figure 00000089
;
в точке
Figure 00000090
от отрезков, ограниченных точками:
Figure 00000091
,
Figure 00000092
и
Figure 00000093
,
Figure 00000094
, а также
Figure 00000095
,
Figure 00000096
;
в точке
Figure 00000097
от отрезков, ограниченных точками:
Figure 00000098
,
Figure 00000099
и
Figure 00000100
,
Figure 00000101
, а также
Figure 00000102
,
Figure 00000103
.
Принятые и скорректированные эхо-сигналы накапливают в соответствии с формулами (4), (5) а также в соответствии с формулами (6), (7).
Определяют характеристики неоднородной атмосферы
Figure 00000104
, zi из систем уравнений (9), (12).
Измерения имеют требуемую точность в случаях, когда результаты, полученные по расчетным формулам (9), (12), отличаются друг от друга в пределах величины заданной погрешности, в данном случае ±30%.
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 областям зондирования, имеющим общие трассы и рассеивающие объемы на них, разнесенные на расстояние, не меньшее пространственной протяженности зондирующего светового импульса.
Таким образом, по мнению заявителя и авторов, предлагаемое изобретение способа определения прозрачности 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. №390401. Способ определения прозрачности атмосферы / Ковалев В.А. - Бюллетень изобретений №30, 1973.
2. А.с. №1597815 А1, МКИ 5 G01W 1/00. Способ определения показателя ослабления атмосферы // Егоров А.Д., Емельянова В.Н. - Опубл. 07.10.90, Бюлл. изобр. №37 (прототип).
3. А.с. №966639. Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред / Сергеев Н.М., Кугейко М.М. Ашкинадзе Д.А. Бюллетень изобретений №38, 1982.

Claims (1)

  1. Способ оптического зондирования атмосферы, при котором осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по пересекающимся трассам зондирования, проходящим не менее чем по трем неколлинеарным направлениям, с образованием области зондирования отрезками между точками их пересечения, осуществляют прием эхо-сигналов в точках посылки, а характеристики загрязнения неоднородной атмосферы определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул, отличающийся тем, что осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов по дополнительным трассам с образованием дополнительных областей зондирования, имеющих трассы, общие с трассами первой области, и рассеивающие объемы на них, разнесенные на расстояние, не меньшее пространственной протяженности зондирующего светового импульса, накапливают эхо-сигналы на отрезках, образующих области, определяют характеристики загрязнения атмосферы по эхо-сигналам, принятым и накопленным с учетом и без учета характеристик загрязнения атмосферы дополнительных областей зондирования, и осуществляют определение характеристик загрязнения атмосферы при задаваемом уровне совпадения двух последовательно полученных результатов.
RU2010143286/28A 2010-10-22 2010-10-22 Способ оптического зондирования атмосферы RU2441261C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010143286/28A RU2441261C1 (ru) 2010-10-22 2010-10-22 Способ оптического зондирования атмосферы

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010143286/28A RU2441261C1 (ru) 2010-10-22 2010-10-22 Способ оптического зондирования атмосферы

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2441261C1 true RU2441261C1 (ru) 2012-01-27

Family

ID=45786567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010143286/28A RU2441261C1 (ru) 2010-10-22 2010-10-22 Способ оптического зондирования атмосферы

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2441261C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2538028C1 (ru) * 2013-06-11 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" Способ многопозиционного определения оптических характеристик атмосферы

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2538028C1 (ru) * 2013-06-11 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" Способ многопозиционного определения оптических характеристик атмосферы

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2439626C2 (ru) Способ определения прозрачности атмосферы
CN108445471B (zh) 一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法
Diao et al. All fiber pulsed coherent lidar development for wind profiles measurements in boundary layers
CN110006848B (zh) 一种获取气溶胶消光系数的方法和装置
US4502782A (en) Method and laser apparatus for measuring visual range, slant visual range and cloud altitude
CN103344611B (zh) 基于ccd成像技术的侧向激光雷达测量气溶胶参数的方法
CA2619095A1 (en) High-speed laser ranging system including a fiber laser
CN101581786A (zh) 一种半导体激光雷达能见度仪
CN103076290A (zh) 确定云的液态水含量的方法
CN106291590A (zh) 基于激光雷达测量数据计算整层大气气溶胶光学厚度的方法
CN105044039B (zh) 一种根据激光雷达数据自动反演水平能见度的方法
CN104007088B (zh) 后向散射激光雷达几何因子的测量方法
JP2013083467A (ja) 光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法とその装置
CN106383207A (zh) 应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法
CN102508225B (zh) 双轴激光遥感仪器地面检测定标系统及检测定标方法
RU2441261C1 (ru) Способ оптического зондирования атмосферы
CN205845308U (zh) 一种基于激光阵列测距的车型识别系统
Banakh et al. Determination of optical turbulence intensity by atmospheric backscattering of laser radiation
RU2538028C1 (ru) Способ многопозиционного определения оптических характеристик атмосферы
RU2650797C1 (ru) Способ определения прозрачности неоднородной атмосферы
RU2473931C1 (ru) Способ оптического зондирования неоднородной атмосферы
RU2495452C2 (ru) Способ дистанционного оптического зондирования слабо рассеивающей атмосферы
RU2624834C2 (ru) Способ дистанционного оптического зондирования неоднородной атмосферы
RU2547474C1 (ru) Способ дистанционного зондирования неоднородной атмосферы
RU2560026C1 (ru) Способ дистанционного определения прозрачности участка неоднородной атмосферы

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181023