СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНОСТИ АТМОСФЕРЫ
METHOD OF DETERMINING ATMOSPHERE TRANSPARENCY

Заявляемое изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно - к способам и устройствам для определения характеристик атмосферы, и может быть использовано, например, для стандартных и специализированных измерений прозрачности атмосферы на станциях сети гидрометеорологической службы.
Известен способ определения прозрачности атмосферы, при котором формируют посылку в атмосферу зондирующего светового импульса малой длительности и регистрируют рассеянный в обратном направлении свет, преобразованный в электрические сигналы [1]. 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 зондирующего импульса [1].
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 атмосферы. Во-вторых, в этом способе неоднозначно определен участок, применительно к которому определяется прозрачность. В-третьих, процедура усиления сигналов пропорционально квадрату текущего времени не всегда оказывается корректной. Кроме того, низкая точность обусловлена тем, что регистрируемый свет, преобразованный в электрические сигналы, содержит наряду с сигналами обратного рассеяния также фоновую засветку.
Наиболее близким к предлагаемому способу является известный способ определения прозрачности атмосферы [2], при котором формируют посылки световых зондирующих импульсов в равнонаправленных коллинеарных направлениях из пунктов размещения приемопередатчиков, разнесенных в пространстве в направлении посылок и смещенных относительно этого направления на расстояние, не превышающее размеров приемопередатчиков. В пунктах размещения приемопередатчиков принимают рассеянные атмосферой в обратном направлении световые сигналы («эхо-сигналы»), преобразуют их в электрические сигналы и усиливают пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки зондирующих импульсов, а прозрачность атмосферы применительно к участку, ограниченному пунктами посылки, определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул [2].
В этом известном решении повышена точность определений благодаря использованию одновременно двух разнесенных в пространстве приемопередатчиков световых импульсов с соответствующим ограничением участка, применительно к которому определяется прозрачность. Однако в решении [2] по-прежнему не учитывается фоновая засветка, которая входит как составная часть в рассеянные атмосферой эхо-сигналы, и изменчивость этой засветки за период выполнения процедуры измерений. Также не учтена возможная некорректность усиления сигналов пропорционально квадрату текущего времени.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определений за счет корректного учета влияющих физических факторов.
В предлагаемом способе используют некоторые существенные признаки прототипа, а именно в нем формируют зондирующие посылки световых импульсов в равнонаправленных коллинеарных направлениях из пунктов расположения двух приемопередатчиков излучения, например лидаров, разнесенных в пространстве по направлению посылок и смещенных относительно этого направления на расстояние, не превышающее размеров приемопередатчика, при этом принимают в пунктах посылки эхо-сигналы от рассеивающих объемов атмосферы и измеряют мощности этих сигналов, а прозрачность атмосферы применительно к участку, ограниченному пунктами посылки, определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул.
Существенными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что предварительно измеряют мощность рассеянного атмосферой излучения в направлении, противоположном направлению посылок зондирующих импульсов, посылки этих импульсов от приемопередатчиков осуществляют последовательно с задержкой во времени, превышающей длительность приема эхо-сигналов, а в процессе измерений изменяют расстояние между пунктами расположения приемопередатчиков излучения и повторяют процедуру измерений до задаваемого уровня совпадения результатов определения прозрачности по мощностям эхо-сигналов и по совокупности мощностей эхо-сигналов и предварительно измеренной мощности рассеянного атмосферой излучения.
Кроме того, существенным отличием заявляемого способа является то, что искомую прозрачность по совокупности мощностей эхо-сигналов и предварительно измеренной мощности рассеянного атмосферой излучения определяют по выражению
,
1,2
где T - коэффициент пропускания атмосферы на участке между пунктами (1 и 2) размещения приемопередатчиков излучения;
1
2
A и A - константы приемопередатчиков;
1*
2*
P и Р - мощности рассеянного излучения, предварительно измеренные обоими приемопередатчиками;
1i
2i
r и r - расстояния от i-го рассеивающего объема до соответствующих приемопередатчиков (1 и 2).
Существенным отличием заявляемого способа является также то, что положение дальнего от объектов рассеяния приемопередатчика фиксируют, а расстояние между приемопередатчиками изменяют перемещением ближнего к объектам рассеяния приемопередатчика дискретно с постоянным шагом, при этом измерения мощности рассеянного атмосферой излучения в направлении, противоположном направлению посылок зондирующих импульсов, повторяют после каждого изменения расстояния, а прозрачность по совокупности мощностей эхо-сигналов и предварительно измеренной мощности рассеянного атмосферой излучения определяют по выражению
,
1*i
2*i
где Pи Р - значения мощности рассеянного атмосферой излучения в направлении, противоположном направлению посылок зондирующих импульсов, зарегистрированные приемопередатчиками (1 и 2) перед i-тым зондированием.
Сущность изобретения пояснена на чертежах. На фиг.1 представлена схема расположения приемопередатчиков, например лидаров, по отношению к направлению зондирования. На фиг.2 показана схема посылок зондирующих импульсов и приема рассеянного атмосферой излучения (эхо-сигналов) при дискретных изменениях расстояния между приемопередатчиками.
Способ реализуют следующим образом.
Приемопередатчики световых импульсов малой длительности, например лидары 1 и 2 (фиг.1), располагают с разнесением в пространстве по требуемому направлению 3 посылок зондирующих импульсов. При этом приемопередатчик 1 смещен относительно направления посылок импульсов от приемопередатчика 2 на расстояние, не превышающее поперечного размера этого приемопередатчика 2. Это позволяет исключить взаимные помехи в приемопередатчиках при процедуре измерений. Одновременно обеспечивается максимально возможная близость трасс зондирования 4 и 5 и, соответственно, близость учитываемых рассеивающих объемов атмосферы 6.
Перед посылкой зондирующих импульсов в приемопередатчиках 1 и 2 измеряют мощность рассеянного атмосферой излучения в направлении, противоположном направлению посылок зондирующих импульсов, то есть со стороны учитываемых рассеивающих объемов атмосферы 6. Вслед за этим формируют зондирующие посылки световых импульсов в равнонаправленных коллинеарных направлениях 4 и 5 из пунктов расположения приемопередатчиков 1 и 2 (фиг.2). При этом посылки импульсов осуществляют последовательно, вначале посылают импульс 7 от приемопередатчика 1, а через промежуток времени, превышающий длительность приема эхо-сигналов, импульс 8 от приемопередатчика 2. В пунктах посылки 1 и 2 принимают эхо-сигналы 9 от рассеивающих объемов атмосферы 6 и измеряют мощности этих сигналов, а прозрачность атмосферы применительно к участку, ограниченному пунктами 1 и 2, определяют по мощностям этих сигналов с использованием расчетных формул.
Далее изменяют расстояния между приемопередатчиками и повторяют процедуру измерений.
Расчетная формула в данном способе включает предварительно измеренную мощность рассеянного атмосферой излучения и выглядит следующим образом:
,
1,2
где Т - коэффициент пропускания атмосферы (прозрачность) на участке между пунктами (1 и 2) размещения приемопередатчиков излучения;
1
2
A и A - константы приемопередатчиков;
1*
2*
P и Р - мощности фонового рассеянного излучения, предварительно измеренные обоими приемопередатчиками;
1i
2i
P и P - мощности эхо-сигналов, принятые обоими приемопередатчиками (1 и 2) после соответствующих посылок зондирующих импульсов;
1i
2i
r и r - расстояния от i-го рассеивающего объема до соответствующих приемопередатчиков (1 и 2).
1*i
2*i
Изменения расстояния между приемопередатчиками производят дискретно с постоянным шагом, причем положение дальнего от объекта рассеяния приемопередатчика 1 фиксируют, а перемещают ближний приемопередатчик 2, соответственно, в положения 10, 11, 12. При этом после каждого изменения расстояния перед посылкой зондирующих импульсов измеряют мощность фонового рассеянного излучения обоими приемопередатчиками. Расчетная формула при этом видоизменяется и включает результаты определений мощности фонового излучения Р и Р при каждом положении приемопередатчика 2:
.
Все остальные обозначения в этом выражении соответствуют описанным выше.
Указанные существенные отличия позволяют еще больше повысить точность из-за учета возможной изменчивости фонового рассеянного излучения, например, в условиях переменной облачности.
Физические принципы, на которых основаны измерения предлагаемым способом, состоят в том, что измеренные мощности сигналов обратного рассеяния связаны с оптическими характеристиками атмосферы известным оптико-локационным уравнением. На основе этого уравнения в заявляемом способе разработаны новые, ранее не использовавшиеся расчетные формулы для определения прозрачности. В этих формулах корректно учтены влияющие факторы.
Пример реализации способа. В пунктах 1 и 2 размещены модернизированные лидары типа ЛСА, при этом лидар в пункте 1 установлен фиксировано, а лидар в пункте 2 установлен на автомобиле. Лидар 1 смещен относительно направления зондирования на расстояние не более 1 м. Изначальное расстояние между лидарами по направлению зондирования задано не менее 1 км. Излучение зондирующих импульсов осуществляется на рабочей длине волны 532 нм при энергии импульса 40-50 мДж. Длительность импульса задана не более 0,01 с. В качестве приемника использован фотоэлектронный умножитель ФЭУ-100 с квантовой эффективностью фотокатода 10%.
Предварительно с помощью обоих лидаров измеряют мощность фонового рассеянного атмосферой излучения на рабочей длине волны 532 нм. Затем формируют зондирующие световые импульсы на этой длине волны, вначале от лидара 1, а через 0,1 с от лидара 2. Регистрируют мощности рассеянного атмосферой излучения каждого лидара в течение промежутка времени не менее 0,05 с. Перемещают установленный на автомобиле лидар 2 на дискретное расстояние, в частности на 100 м, и повторяют процедуру измерений.
Измерения заканчивают полностью после того, как результаты, полученные по расчетным формулам, перестают отличаться друг от друга в пределах величины заданной погрешности, в данном случае ±0,5%.
Обоснование существенности признаков. Как следует из описания, каждый из указанных признаков заявляемого способа 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 предварительного измерения полной интенсивности рассеянного атмосферой солнечного излучения. Однако в этом известном решении [3] полная интенсивность определяется как совокупность продольной и поперечной составляющих - именно благодаря такому разделению на составляющие достигается технический результат способа [3]. В заявляемом же способе предварительные измерения интенсивности производятся в направлении, противоположном направлению посылок зондирующих импульсов без разделения на составляющие.
По источнику [4] выявлен признак изменения размеров, а именно - размеров области зондирования, но этот признак в решении [4] реализуют оптическими средствами - изменениями трасс зондирования, то есть без изменения расстояния между приемопередатчиками. Также в решении [4] выявлен признак повторения процедуры измерений. Но этот признак в решении [4] использован в неразрывной совокупности с признаком изменения трасс зондирования. В заявляемом же способе повторение процедуры измерений производят в неразрывной совокупности с признаком изменения расстояния между приемопередатчиками.
Таким образом, по мнению заявителя и авторов, предлагаемое техническое решение 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 / В.А.Ковалев. - Бюл. изобр. №30, 1973.
2. Егоров А.Д. Зондирование атмосферы оптическими средствами. // Труды Главной геофизической обсерватории им. Воейкова. - Вып. 462, 1982. - С.68-70 (прототип).
3. Патент РФ №2167440 С2, МПК 7 G01W 1/00. Способ дистанционного определения водности облачной и безоблачной атмосферы // Бобров В.Н.; Ус Н.А. - Опубл. 20.05.2001.
4. А.с. №1597815 А1, МКИ 5 G01W 1/00. Способ определения показателя ослабления атмосферы // Егоров А.Д., Емельянинова В.Н. - Опубл. 07.10.90, Бюл. изобр. №37.