СПОСОБ МНОГОПОЗИЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРЫ
METHOD FOR MULTI-POSITION DETERMINATION OF OPTICAL ATMOSPHERIC CHARACTERISTICS

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.
Известен способ оптического зондирования неоднородной атмосферы [1], при котором осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов по пересекающимся трассам зондирования, проходящим по неколлинеарным направлениям, осуществляют прием эхо-сигналов, а характеристики атмосферы определяют по мощностям эхо-сигналов с использованием расчетных формул.
Этот известный способ обладает низкой точностью, поскольку он основан на предположении о возможности дифференцирования эхо-сигналов. Данное предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ оптического зондирования неоднородной атмосферы [2], при котором осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности и прием эхо-сигналов; обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара; накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка.
В этом известном решении повышена точность определения характеристик загрязнения неоднородной атмосферы благодаря тому, что эхо-сигналы накапливают в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. Однако решение [2] основано на предположении о постоянстве отношения коэффициента обратного рассеяния к коэффициенту ослабления на исследуемой трассе зондирования. Это предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик атмосферы за счет корректного учета 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 малой длительности и прием эхо-сигналов; обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара; накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка.
Существенными отличительными признаками предлагаемого способа является то, что световые импульсы отклоняют не менее чем в двух точках трассы зондирования в направлениях на общий рассеивающий объем, а для определения прозрачности атмосферы учитывают оптическую толщину участка, заключенного между точками, в которых отклоняют импульсы.
Оптические характеристики загрязнения неоднородной атмосферы, в частности оптические толщины
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mi>σ</mi><mi>d</mi><mi>R</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mi>σ</mi><mi>d</mi><mi>R</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
где σ - коэффициент ослабления,
i
R - расстояние от лидара до точки отклонения импульса,
i
Δ - расстояние от точки отклонения импульса до рассеивающего объема,
находят из системы уравнений:
<mrow><mfrac><mrow><mroot><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>g</mi></mroot></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><mroot><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>g</mi></mroot></mrow><mi>σ</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>g</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mroot><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mi>g</mi></mroot><mi>d</mi><mi>R</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mroot><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>g</mi></mroot></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><mroot><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>g</mi></mroot></mrow><mi>σ</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>g</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mroot><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mi>g</mi></mroot><mi>d</mi><mi>R</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mroot><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>g</mi></mroot></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><mroot><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>g</mi></mroot></mrow><mi>σ</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>g</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mroot><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mi>g</mi></mroot><mi>d</mi><mi>R</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mroot><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mi>g</mi></mroot><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>2</mn><mi>g</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mi>σ</mi><mi>d</mi><mi>R</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mroot><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mi>g</mi></mroot><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow /></msub></mrow></mfrac><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>2</mn><mi>g</mi></mfrac><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mroot><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>Δ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mi>g</mi></mroot><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow /></msub></mrow></mfrac><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>2</mn><mi>g</mi></mfrac><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где S - мощность сигнала обратного рассеяния, скорректированная на геометрический фактор от лидара.
При этом определяется и постоянная g в степенной связи коэффициента обратного рассеяния с коэффициентом ослабления
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mi>D</mi><msup><mi>σ</mi><mi>g</mi></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Указанные существенные отличия позволяют повысить точность за счет корректного учета 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 (см. чертеж).
1
1
2
1
2
В пункте 0 размещают лидар на основе ЛИВО. Излучение зондирующих импульсов осуществляется в горизонтальном направлении 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 R от лидара до точки отклонения импульса не превышает 0,3 км. Расстояние между точками отклонения R и R составляет 0,1 км. Зондирование неоднородной атмосферы осуществляется в вертикальной плоскости. Посылают световые импульсов, которые отклоняют в точке R в направлении на рассеивающий объем 1, принимают эхо-сигналы, которые корректируют на геометрический фактор от лидара и накапливают. Посылают световые импульсы, которые отклоняют в точке R в направлении на рассеивающий объем 2, принимают эхо-сигналы, которые корректируют на геометрический фактор от лидара и накапливают.
1
2
По принятым, скорректированным и накопленным эхо-сигналам определяют характеристики неоднородной атмосферы τ, τ из системы уравнений (3) - (8).
Измерения имеют требуемую точность в случаях, когда результаты определения постоянной g, полученные по расчетным формулам (3) - (8), не зависят значимо от положения рассеивающего объема 1.
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 трассам зондирования, а для определения прозрачности атмосферы учитывают оптическую толщину участка, заключенного между точками, в которых отклоняют импульсы.
Таким образом, по мнению заявителя и авторов предлагаемое техническое решение ″Способ многопозиционного определения оптических характеристик 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. №966639. Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред / Сергеев Н.М., Кугейко М.М., Ашкинадзе Д.А. Бюллетень изобретений №38, 1982.
2. А.с. №390401. Способ определения прозрачности атмосферы / Ковалев В.А. - Бюллетень изобретений №30, 1973 (прототип).
3. Патент №2439626. Способ определения прозрачности атмосферы / Егоров А.Д., Потапова И.А. Бюллетень изобретений №1, 2012.