Способ дистанционного оптического зондирования неоднородной атмосферы
METHOD OF DISTANT OPTICAL PROBING OF INHOMOGENEOUS ATMOSPHERE

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно к способам определения оптических характеристик атмосферы, и может использоваться, например, для измерения прозрачности атмосферы лидарами при определении аэрозольного загрязнения воздуха.
Известен способ дистанционного 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. В этом способе осуществляют посылку в 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.
Этот известный способ обладает недостаточной точностью, поскольку он основан на предположении о существовании связи коэффициента обратного рассеяния и коэффициента ослабления на исследуемой трассе зондирования. Это предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы.
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 путем осуществления посылки световых импульсов по дополнительным трассам, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через заданную точку, и повторения процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы.
В этом известном решении повышена точность определения характеристик загрязнения неоднородной атмосферы благодаря использованию точек посылки в атмосферу световых импульсов, разнесенных в пространстве, и осуществлению посылки световых импульсов по дополнительным трассам, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через заданную точку.
Однако в решении [2] не учитывается возможность существования в процессе измерений значительной неопределенности связи коэффициента обратного рассеяния и коэффициента ослабления.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик атмосферы за счет корректного установления 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 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 путем осуществления посылки световых импульсов по дополнительным трассам, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона на заданную точку, и повторения процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы.
Существенными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным третьим трассам из точек посылки импульсов, проходящим через точки проходящим через точки пересечения трасс, в которых определяют характеристики атмосферы.
Оптические характеристики загрязнения неоднородной атмосферы, в частности,
находят в общих точках многоугольников из систем уравнений, записанных для сторон многоугольников, образованных пересечением трасс зондирования
где
мощность сигнала обратного рассеяния, скорректированная на геометрический фактор лидара,
i, j
P - мощность сигнала обратного рассеяния,
- геометрический фактор лидара,
β - коэффициент обратного рассеяния,
σ - коэффициент ослабления,
m=1/g, причем определяется и постоянная g в степенной связи коэффициента обратного рассеяния с коэффициентом ослабления,
- радиус-вектор точки посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния (i-й точке расположения приемопередатчика соответствует радиус-вектор ),
- радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента,
- текущий радиус-вектор точки прямой, проходящей через точки i, j,
i
c - отрезок , по которому вычисляются интегралы,
dr - элемент длины отрезка.
Сущность изобретения пояснена на чертеже. На фиг. 1 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 ,  и.
Осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, ,  разнесенных в пространстве, по трассам, пересекающимся в заданной точке .
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, 5, 6.
При этом осуществляют посылку импульсов, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона, зависящего от точек , , например, соответственно, область зондирования, ограниченная точками i=1, 2, 3, и область зондирования, ограниченная точками i=2, 5, 6.
2
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)-(5). Уменьшают области зондирования, например, область зондирования, ограниченной точками i=1, 2, 3. Повторяют процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы z в заданной точке , что означает достижение требуемой точности. Посылают дополнительный третий импульс из точки  на объем  и дополнительный третий импульс из точки  на объем . Таким образом, посылают дополнительные импульсы в направлении на точки пересечения трасс, в которых определяют искомые характеристики. При этом формируются дополнительные области, например, , , , что позволяет повысить точность определения искомых характеристик.
Указанные существенные отличия позволяют повысить точность из-за учета возможности существования в процессе измерений значительной неопределенности 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
В пунктах ,  и , находящихся на одной прямой, размещают лидары 1, 2 и 3 на основе ЛИБО. 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 ,  и, дополнительно, через точку , лидаром 2 - через точки ,  и, дополнительно через точки, , ; лидаром 3 - через точки , , , , ,  с образованием треугольной области зондирования под углами наклона, меньшими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через  и заданную точку .
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 .
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 , а также дополнительных треугольных областей с вершинами в точках 1, 2, 4 и 2, 5, 6, а также 1, 5, 7, что позволяет повысить точность определения искомых характеристик.
Эти треугольные области зондирования общую точку . Кроме того, имеется возможность определить оптические характеристики, например, в точке .
Продолжают осуществлять посылку импульсов, поочередно, под углами наклона, меньшими и большими угла наклона дополнительной трассы, проходящей через  и заданную точку
В точках посылки осуществляют прием эхо-сигналов:
в точке  от отрезков, ограниченных точками: ,  и , ;
в точке  от отрезков, ограниченных точками: ,  и , , а также ,  и , ;
в точке  от отрезков, ограниченных точками: ,  и , , а также , ;
Принятые эхо-сигналы накапливают в соответствии с формулой (4). Продолжают осуществлять прием эхо-сигналов.
2
Определяют характеристики неоднородной атмосферы z из уравнений (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%.
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 лишь 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 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. При этом осуществляют посылку световых импульсов по дополнительным третьим трассам, проходящим через точки пересечения трасс, в которых определяют характеристики атмосферы.
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.
Источники информации
5
1. АС №1597815 А1, МКИ G01W 1/00. Способ определения показателя ослабления атмосферы // Егоров А.Д., Емельянова В.Н. - Опубл. 07.10.1990, бюл. изобр. №37.
2. Патент №2473931. Способ оптического зондирования неоднородной атмосферы // Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б., Саноцкая Н.А. - Опубликовано: 27.01.2013, бюл. №3 (прототип).
3. АС №966639. Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред / Сергеев Н.М., Кугейко М.М. Ашкинадзе Д.А. Бюллетень изобретений №38, 1982.