RU2473931C1 - Method for optical probing inhomogeneous atmosphere - Google Patents
Method for optical probing inhomogeneous atmosphere Download PDFInfo
- Publication number
- RU2473931C1 RU2473931C1 RU2011129732A RU2011129732A RU2473931C1 RU 2473931 C1 RU2473931 C1 RU 2473931C1 RU 2011129732 A RU2011129732 A RU 2011129732A RU 2011129732 A RU2011129732 A RU 2011129732A RU 2473931 C1 RU2473931 C1 RU 2473931C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- atmosphere
- paths
- points
- inhomogeneous
- light pulses
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 title claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of meteorology, and more specifically to methods for determining the characteristics of atmospheric pollution, and can be used, for example, to measure the transparency of the atmosphere by lidar systems in determining aerosol pollution of the air.
Известен способ оптического зондирования неоднородной атмосферы [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.A known method of optical sensing of a heterogeneous atmosphere [1], in which a light pulse of short duration is sent to the atmosphere and the light scattered in the opposite direction is converted into electrical signals. These signals accumulate over a given period of time depending on the total length of the investigated area. At the same time, the received signals are amplified in proportion to the square of the current time counted from the moment the pulse was sent to the atmosphere.
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.This known method has low accuracy, because it is based on the assumption that the ratio of the backscattering coefficient to the attenuation coefficient on the probing path under study is constant. This assumption is not fulfilled in a real inhomogeneous atmosphere.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ определения характеристик неоднородной атмосферы [2], при котором осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по трассам, пересекающимся в заданной точке, и по дополнительным трассам, пересекающим эти трассы с образованием областей зондирования, ограниченных отрезками между точками их пересечения, приема сигналов, рассеянных в обратном направлении, определения характеристик неоднородной атмосферы по мощностям сигналов, принятых и накопленных, с использованием расчетных формул, уменьшения областей зондирования и повторения процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы.Closest to the proposed invention is a known method for determining the characteristics of an inhomogeneous atmosphere [2], in which light pulses are sent to the inhomogeneous atmosphere from points spaced in space along paths intersecting at a given point and along additional paths intersecting these paths to form sounding areas bounded by the segments between the points of their intersection, receiving signals scattered in the opposite direction, determining the characteristics of the inhomogeneous atmosphere by the rest of the signals received and accumulated, using calculation formulas, reducing the sensing areas and repeating the measurement procedure to a specified level of coincidence of two successively obtained results of determining the atmospheric characteristics.
В этом известном решении повышена точность определения характеристик загрязнения неоднородной атмосферы благодаря использованию точек посылки в атмосферу световых импульсов, разнесенных в пространстве. Однако в решении [2] не учитывается возможность существования в процессе измерений значительной неоднородности атмосферы.In this known solution, the accuracy of determining the characteristics of pollution of an inhomogeneous atmosphere is improved by using points of sending light pulses into the atmosphere, spaced in space. However, the solution [2] does not take into account the possibility of the existence of significant atmospheric inhomogeneity during the measurement process.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик атмосферы за счет корректного учета значительной атмосферной неоднородности.The technical result of the invention is to increase the accuracy of determining the characteristics of the atmosphere due to the correct accounting of significant atmospheric inhomogeneity.
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 трассам, пересекающимся в заданной точке, и по дополнительным трассам, пересекающим эти трассы с образованием областей зондирования, ограниченных отрезками между точками их пересечения, приема сигналов, рассеянных в обратном направлении, определения характеристик неоднородной атмосферы по мощностям сигналов, принятых и накопленных, с использованием расчетных формул, уменьшения областей зондирования и повторения процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы.In the proposed method, some essential features of the prototype are used, namely: it sends light pulses into the inhomogeneous atmosphere from points spaced in space along paths intersecting at a given point and along additional paths intersecting these paths with the formation of sensing areas bounded segments between the points of their intersection, the reception of signals scattered in the opposite direction, determining the characteristics of an inhomogeneous atmosphere by the powers of the signals received and accumulated, using lzovaniem calculation formulas reduce sensing areas and repeating the measurement procedure to a prescribed level of coincidence of two successively received results of determining characteristics of the atmosphere.
Существенными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным трассам, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через заданную точку, в которой определяют характеристики атмосферы.Significant distinguishing features of the proposed method is that they send light pulses along additional paths, alternately, at tilt angles smaller and larger than the tilt angle of the additional path passing through a given point at which the atmospheric characteristics are determined.
Оптические характеристики загрязнения неоднородной атмосферы, в частностиOptical characteristics of inhomogeneous atmosphere pollution, in particular
находят в общих точках многоугольников из систем уравнений, записанных для сторон многоугольников, образованных пересечением трасс зондированияfound at the common points of the polygons from systems of equations written for the sides of the polygons formed by the intersection of sensing paths
где Where
мощность сигнала обратного рассеяния, скорректированная на геометрический фактор лидара,backscatter signal power corrected for the lidar geometric factor,
Pi,j - мощность сигнала обратного рассеяния,P i, j is the power of the backscatter signal,
- геометрический фактор лидара, - geometric factor of lidar,
β - коэффициент обратного рассеяния,β is the backscattering coefficient,
σ - коэффициент ослабления,σ is the attenuation coefficient,
m□=□1/g, причем определяется и постоянная g в степенной связи коэффициента обратного рассеяния с коэффициентом ослабленияm □ = □ 1 / g, and the constant g is also determined in the power-law relationship of the backscattering coefficient with the attenuation coefficient
- радиус-вектор точки посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния (i-ой точке расположения приемопередатчика соответствует радиус-вектор , i=1,2,…), - the radius vector of the point of sending light pulses and receiving backscattering signals (the i-th location point of the transceiver corresponds to the radius vector , i = 1,2, ...),
- радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента, is the radius vector of the probed scattering element,
- текущий радиус-вектор точки прямой, проходящей через точки i, j, is the current radius vector of the point of the line passing through points i, j,
сi - отрезок , по которому вычисляются интегралы,with i - segment by which the integrals are calculated,
dr - элемент длины отрезка.dr is the element of the length of the segment.
Сущность изобретения пояснена на чертеже. На фиг.1 представлена схема посылок зондирующих импульсов и приема эхо-сигналов для примера трех приемопередатчиков (лидаров).The invention is illustrated in the drawing. Figure 1 presents the scheme of sending probe pulses and receiving echo signals for an example of three transceivers (lidars).
Способ реализуют следующим образом.The method is implemented as follows.
Приемопередатчики 1, 2 и 3 располагают с разнесением в пространстве в точках , и .The transceivers 1, 2, and 3 are spaced apart at points , and .
Осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек , , разнесенных в пространстве, по трассам, пересекающимся в заданной точке .Light pulses are sent to the atmosphere from points , spaced in space along paths intersecting at a given point .
Осуществляют посылку импульсов из точки по дополнительным трассам, пересекающим эти трассы с образованием областей зондирования, ограниченных отрезками между точками их пересечения : областей зондирования, которые ограничены, например, точками i=1, 2, 3, i=2, 4, 5, i=2, 6, 7.Send pulses from a point along additional routes intersecting these routes with the formation of sounding areas bounded by segments between the points of their intersection : sounding areas that are limited, for example, by points i = 1, 2, 3, i = 2, 4, 5, i = 2, 6, 7.
При этом осуществляют посылку импульсов, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через и заданную точку , например, соответственно, область зондирования, ограниченная точками i=1, 2, 3, и область зондирования, ограниченная точками i=2, 6, 7.In this case, the sending of pulses is carried out, alternately, at tilt angles smaller and larger than the tilt angle of the additional path passing through and given point for example, respectively, the sounding region bounded by points i = 1, 2, 3, and the sounding region bounded by points i = 2, 6, 7.
Принимают сигналы (5), рассеянные в обратном направлении, определяют характеристики неоднородной атмосферы по мощностям сигналов, принятых и накопленных в соответствии с формулой (4) с использованием расчетных формул (1)-(6). Уменьшают области зондирования, например область зондирования, ограниченную точками i=1, 2, 3, уменьшают до области зондирования, ограниченной точками i=2, 4, 5. Повторяют процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы z2 в заданной точке , что означает достижение требуемой точности.Signals are received (5), scattered in the opposite direction, the characteristics of the inhomogeneous atmosphere are determined from the powers of the signals received and accumulated in accordance with formula (4) using calculation formulas (1) - (6). The sensing regions are reduced, for example, the sensing region limited by points i = 1, 2, 3, reduced to the sensing region limited by points i = 2, 4, 5. Repeat the measurement procedures to the specified level of coincidence of two successively obtained results of determining atmospheric characteristics z 2 in given point , which means achieving the required accuracy.
Указанные существенные отличия позволяют повысить точность из-за учета значительной неоднородности атмосферы.These significant differences can improve accuracy due to the significant inhomogeneity of the atmosphere.
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.The physical principles on which measurements are based on the proposed method are that the measured echo power is related to the optical characteristics of an inhomogeneous atmosphere by the known lidar equation. Based on this equation, new, previously unused computational algorithms for determining optical characteristics are developed. In these algorithms, influencing factors are correctly taken into account.
Пример реализации способа.An example implementation of the method.
В пунктах , и , 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.In points , and located on one straight line, place lidars 1, 2 and 3 on the basis of LIVO. The radiation of the probe pulses is carried out at a working wavelength of 0.69 μm in the window of transparency of water vapor. Pulse energy 0.07-0.1 J. Pulse duration 30 ns. The distance between lidars 1, 2 and 2, 3 does not exceed 0.5 km. Sounding of the inhomogeneous atmosphere is carried out in a vertical plane passing through the line of lidar placement.
Осуществляют посылку световых импульсов лидаром 1 по трассе, проходящей через точки , лидаром 2 - через точки , ; лидаром 3 - через точки с образованием треугольной области зондирования под углами наклона, меньшими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через и заданную точку .Light pulses are sent by lidar 1 along the path passing through the points , lidar 2 - through the points , ; lidar 3 - through the dots with the formation of a triangular sensing region at inclination angles smaller than the inclination angle of the additional path passing through and given point .
Осуществляют посылку световых импульсов лидаром 1 по трассе, проходящей через точки , , лидаром 2 - через точки , ; лидаром 3 - через точки , с образованием дополнительной треугольной области зондирования под углами наклона, большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через и заданную точку .Light pulses are sent by lidar 1 along the path passing through the points , , lidar 2 - through the points , ; lidar 3 - through the dots , with the formation of an additional triangular sensing region at angles of inclination greater than the angle of inclination of the additional path passing through and given point .
Осуществляют посылку световых импульсов лидаром 1 по трассе, проходящей через точки , , лидаром 2 - через точки , ; лидаром 3 - через точки , с образованием дополнительной треугольной области зондирования под углами наклона, меньшими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через и заданную точку .Light pulses are sent by lidar 1 along the path passing through the points , , lidar 2 - through the points , ; lidar 3 - through the dots , with the formation of an additional triangular sensing region at inclination angles smaller than the inclination angle of the additional path passing through and given point .
Эти треугольные области зондирования имеют общую точку .These triangular sensing areas have a common point. .
Продолжают осуществлять посылку импульсов, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через и заданную точку They continue to send pulses, alternately, at tilt angles smaller and larger than the tilt angle of the additional path passing through and given point
В точках посылки осуществляют прием эхо-сигналов:At the points of sending receive echoes:
в точке от отрезков, ограниченных точками: и , , а также , ;at the point from segments bounded by points: and , , as well as , ;
в точке от отрезков, ограниченных точками: , и , , а также , ;at the point from segments bounded by points: , and , , as well as , ;
в точке от отрезков, ограниченных точками: , и , , а также , ;at the point from segments bounded by points: , and , , as well as , ;
Принятые эхо-сигналы накапливают в соответствии с формулой (4).Received echoes accumulate in accordance with the formula (4).
Продолжают осуществлять прием эхо-сигналов.Continue to receive echoes.
Определяют характеристики неоднородной атмосферы z2 из уравнений (2).The characteristics of the inhomogeneous atmosphere z 2 are determined from equations (2).
Измерения имеют требуемую точность в случаях, когда результаты, полученные по расчетным формулам (2), отличаются друг от друга для последовательных измерений в пределах величины заданной погрешности, в данном случае ±30%.The measurements have the required accuracy in cases where the results obtained by the calculation formulas (2) differ from each other for successive measurements within the specified error, in this case ± 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.Justification of the materiality of the signs. As follows from the description, each of these signs is necessary, and their entire inextricable combination is sufficient to achieve a technical result - to increase the accuracy of measurements due to a more correct consideration of the influencing factors.
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 посыпок в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, достигается технический результат способа [3]. В заявляемом же способе общий рассеивающий объем атмосферы принадлежит областям зондирования, имеющим общие трассы и рассеивающие объемы на них, разнесенные на сравнительно большое расстояние за счет посылки импульсов, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через заданную точку.Justification of inventive step. The inventive method was analyzed for compliance with the criterion of "inventive step". To this end, close features of known solutions have been investigated both in this and related fields of technology. So, according to the source [3], a sign of receiving echo signals from the total scattering volume of the inhomogeneous atmosphere was revealed. However, in this well-known solution [3], the total scattering volume of the atmosphere belongs to sensing paths passing in at least three noncollinear directions. It is thanks to this implementation of sprinkling light pulses into the atmosphere from points spaced in space that the technical result of the method is achieved [3]. In the inventive method, the total scattering volume of the atmosphere belongs to the sensing areas, which have common paths and scattering volumes on them, spaced apart by a relatively large distance due to the sending of pulses, alternately, at tilt angles smaller and larger than the tilt angle of the additional path passing through the given point.
Таким образом, по мнению заявителя и авторов, предлагаемое техническое решение способа оптического зондирования неоднородной 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.Thus, in the opinion of the applicant and the authors, the proposed technical solution to the method of optical sensing of a heterogeneous atmosphere in its inextricable combination of features is new, does not explicitly follow from the prior art and allows one to obtain an important technical result - improving the accuracy of determinations due to more correct consideration of influencing factors.
Источники информацииInformation sources
1. А.с. №390401. Способ определения прозрачности атмосферы / Ковалев В.А. - Бюллетень изобретений №30, 1973.1. A.S. No. 390401. The method for determining the transparency of the atmosphere / Kovalev V.A. - Bulletin of inventions No. 30, 1973.
2. А.с. №1597815 А1, МКИ5 G01W 1/00. Способ определения показателя ослабления атмосферы // Егоров А.Д., Емельянова В.Н. - Опубл. 07.10.90, Бюлл. изобр. №37 (прототип).2. A.S. No. 1597815 A1, MKI 5 G01W 1/00. The method for determining the attenuation of the atmosphere // Egorov A.D., Emelyanova V.N. - Publ. 10/07/90, Bull. fig. No. 37 (prototype).
3. А.с. №966639. Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред / Сергеев Н.М., Кугейко М.М. Ашкинадзе Д.А Бюллетень изобретений №38, 1982.3. A.S. No. 966639. A method for determining the optical characteristics of scattering media / Sergeev N.M., Kugeiko M.M. Ashkinadze D.A. Bulletin of inventions No. 38, 1982.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2473931C1 true RU2473931C1 (en) | 2013-01-27 |
Family
ID=
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2538028C1 (en) * | 2013-06-11 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" | Method for multi-position determination of optical atmospheric characteristics |
RU2624834C2 (en) * | 2015-12-29 | 2017-07-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" | Method of distant optical probing of inhomogeneous atmosphere |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2538028C1 (en) * | 2013-06-11 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" | Method for multi-position determination of optical atmospheric characteristics |
RU2624834C2 (en) * | 2015-12-29 | 2017-07-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" | Method of distant optical probing of inhomogeneous atmosphere |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108445471B (en) | A kind of range accuracy appraisal procedure under the conditions of single-photon laser radar multi-detector | |
RU2439626C2 (en) | Method of determining atmospheric characteristics | |
ES2313345T3 (en) | LASER RADAR DEVICE AND METHOD. | |
CN110006848B (en) | Method and device for obtaining extinction coefficient of aerosol | |
CN106383207A (en) | Computing method applied to atmospheric aerosol mass concentration horizontal route distribution | |
CN101581786A (en) | Semiconductor laser radar visibility meter | |
CN106918820B (en) | A kind of processing method and processing device of multiple-reflection echoes | |
US20170167470A1 (en) | Methods and systems for controlling a wind turbine | |
CN108490451A (en) | A method of utilizing atmospheric extinction coefficient inverting slant visibility | |
CN103344611A (en) | Method for measuring aerosol parameters by lateral laser radar based on CCD (charge-coupled device) imaging technology | |
Banakh et al. | Measurements of wind velocity and direction with coherent Doppler lidar in conditions of a weak echo signal | |
CN105043983A (en) | Optical path multiplying opening type novel absorption pool based on combined prism | |
Evans et al. | The effective height of a two-wavelength scintillometer system | |
CN104007088B (en) | The measuring method of back scattering laser radar geometric factor | |
Banakh et al. | Determination of optical turbulence intensity by atmospheric backscattering of laser radiation | |
CN106706566B (en) | A kind of calculation method of laser radar detection SEQUENCING VERTICAL visibility | |
RU2473931C1 (en) | Method for optical probing inhomogeneous atmosphere | |
RU2441261C1 (en) | Method for optical atmospheric probing | |
Zhou et al. | Improvement of detection probability and ranging performance of Gm-APD LiDAR with spatial correlation and adaptive adjustment of the aperture diameter | |
RU2538028C1 (en) | Method for multi-position determination of optical atmospheric characteristics | |
RU2650797C1 (en) | Method for determining transparency of inhomogeneous atmosphere | |
RU2624834C2 (en) | Method of distant optical probing of inhomogeneous atmosphere | |
CN107784261B (en) | Road surface state detection method and device | |
RU2495452C2 (en) | Method for remote optical probing of weakly scattering atmosphere | |
RU2560026C1 (en) | Method for remote determination of transparency of region of inhomogeneous atmosphere |