СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ Российский патент 1995 года по МПК G01N1/00 

Преимущественная область применения метеорология, в частности дистанционно однопозиционное зондирование атмосферы.

В настоящее время широко применяется дистанционное однопозиционное определение параметров атмосферы, при котором окрестность заданной точки в атмосфере зондируют узконаправленным лучом, а информацию о параметрах атмосферы извлекают из излучения, рассеянного в обратном направлении на аэрозолях, находящихся в облучаемом объеме. Для выделения излучения, рассеянного в конкретном объеме, применяют пространственное стробирование рассеянного излучения.

Известен способ определения параметров атмосферы, при котором пространственное стробирование рассеянного излучения осуществляется путем фокусировки излучения в окрестность заданной точки [1] Недостатком данного способа является существенное снижение точности пространственного стробирования с увеличением дальности до зондируемой точки (размер стробируемого объема растет пропорционально квадрату дальности зондирования).

Известен также способ определения параметров атмосферы [2] принятый в предлагаемом решении за прототип, при котором пространственное стробирование рассеянного излучения осуществляют путем посылки в направлении зондируемого объема импульсного излучения на время, за которое импульс проходит до заданного объема рассеивания и обратно. Точность пространственного стробирования рассеянного излучения при таком способе является высокой (может достигать десятков метров), однако потребность в задержке приема рассеянного излучения уменьшает скорость обзора воздушного пространства.

Предлагаемый способ определения параметров атмосферы предназначен для решения задачи дистанционного однопозиционного определения параметров атмосферы путем зондирования ее узконаправленным лучом.

Технический результат, который может быть достигнут за счет изобретения, заключается в высокой точности стробирования излучения, рассеянного на атмосферных аэрозолях и содержащего информацию о параметрах атмосферы, при одновременном обеспечении высокой скорости обзора пространства.

Существенные признаки предлагаемого способа: 1) зондирование атмосферы узконаправленным лучом, формируемым излучателем; 2) прием совмещенным пространственно с излучателем приемником пространственно стробируемого излучения, рассеянного в обратном направлении на атмосферных аэрозолях, находящихся в стробируемом объеме атмосферы; 3) измерение содержащих информацию о параметрах атмосферы параметров принятого излучения; 4) выделение параметров атмосферы.

От прототипа предлагаемый способ определения параметров атмосферы отличается вторым существенным признаком, а именно: прием пространственно стробируемого излучения, рассеянного в стробируемом объеме, обеспечивается не путем посылки импульсного зондирующего и задержки приема рассеянного излучения на время, за которое импульсное излучение проходит расстояние до заданного объема и обратно, а путем вращения зондирующего луча и линии визирования приемника, угол между которыми и определяет расстояние до зондируемого объема атмосферы.

Зондирующий луч, сформированный в результате вращения в коническую спираль, пересекается линией визирования приемника на определенной высоте, задаваемой параметрами приемо-передающей системы. При измерении параметров атмосферы необходимо иметь в виду, что несущая частота рассеянного излучения может быть смещена на доплеровский сдвиг, обусловленный движением носителя измерителя параметров атмосферы и наличием в зондируемом районе атмосферы ветра.

При таком способе зондирования атмосферы происходит совмещение во времени поступательно-возвратного распространения излучения (в обратном направлении распространяется излучение, рассеянное на аэрозолях) и вращательного движения в горизонтальной плоскости разнесенных по направлению зондирующего луча и линии визирования приемника.

При выполнении равенства
, где h_изл высота расположения излучателя. h_зонд высота расположения зондируемого объема атмосферы, с скорость света в атмосфере, α угол между горизонтальными проекциями линий визирования излучателя и приемника, ω угловая скорость вращения относительно вертикальной оси системы "луч-линия визирования приемника", β половина центрального угла конуса вращения, образованного системой "луч линия визирования приемника", на вход приемника будет поступать отраженное излучение только с высоты h_зонд. Излучение, отраженное от атмосферных аэрозолей с высоты h_d, превышающих заданную промежуточную высоту зондирования h_зонд(т.е. сигналы с расстояния l₁ < l_зонд, будут возвращаться к системе "луч линия визирования приемника" через интервалы t₁ < t_зонд (еще до того, как линия визирования приемника повернется на угол отставания от линии визирования излучателя) и, следовательно, не будет восприниматься приемником. Аналогично сигналы, отраженные с высот h_j < < h_зонд (т.е. при l_j > l_зонд), будут возвращаться к системе "луч линия визирования приемника" через интервалы времени t_j > t_зонд (уже после того, как линия визирования приемника повернется на угол отставания ее от линии визирования излучателя).

Диапазон высот, с которых принимается отраженный сигнал, содержит заданную высоту h_зонд и будет тем меньше, чем уже зондирующий луч (угол θ_р), выше угловая разрешающая способность приемника (угол Δα_пр) и больше скорость вращения h линий визирования системы "луч линия визирования приемника".

Частота вращения линий визирования системы "луч линия визирования приемника" может достигать тысячи оборотов в секунду, как, например, в английской тепловизионной системе 2000А. Очевидно, что может быть применено и электронное сканирование линий визирования излучателя и приемника.

При достигнутом уровне лазерной техники погрешность привязки результатов измерений по высоте при предлагаемом способе зондирования атмосферы, в отличие от известных способов дистанционного измерения параметров, весьма невелика и не превышает 50 м.

Как показали результаты расчетов, выполненных заявителем, с учетом реальных ограничений по энергетике излучения обеспечивается диапазон зондирования атмосферы по промежуточным высотам от 10000 м до нескольких десятков метров.

На чертеже изображена схема образования стробирующего объема.

Параметры атмосферы определяют следующим образом. Известными способами измеряют навигационные параметры подвижного или неподвижного зондирующего устройства, рассчитывают положение зондируемого участка по высоте, зондируют атмосферу вращающейся системой "излучатель приемник", определяют параметры атмосферы, доступные по измерениям с использованием зондирования атмосферы излучением на всех представляющих интерес высотах, и при необходимости высоты зондирования варьируют, для чего изменяют величину угла α или скорости вращения h, а для изменения объема зондируемого участка изменяют угол β.

Область использования: метеорология, при оперативном метеорологическом обеспечении основными данными о сдвигах ветров в атмосфере в районе аэродрома. Сущность изобретения. Зондироване атмосферы производят вращающейся системой узконаправленных источника и приемника излучения, периодически изменяя, для регулирования объема и высоты зондируемого участка, угол наклона оси источника и приемника излучения к оси вращения, а также угол между плоскостями, проходящими через ось вращения и оси излучения и приема. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ, включающий зондирование атмосферы с помощью узконаправленного источника излучения, вращающегося вокруг оси и ориентированного к этой оси под углом β_i прием пространственно-стробируемого излучения, рассеянного на атмосферных аэрозолях в исследуемых участках атмосферы, и обработку результатов измерений с определением высот h_yi исследуемых участков, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, прием пространственно-стробируемого излучения осуществляют синхронно вращающимся с источником излучения узконаправленным приемником излучения, ориентированным под углом β_i к оси вращения, изменяют при этом угол ориентации источника и приемника излучения и угол между плоскостями, проходящими через ось вращения и оси излучения и приема соответственно источника и приемника излучения, а значение h_yi, определяют из выражения

где h_и высота расположения источника и приемника излучения;
c скорость распространения излучения;
w угловая скорость вращения источника и приемника излучения;
c_i угол между плоскостями, проходящими через ось вращения и оси излучения и приема, рад.