СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ АЭРОЗОЛЬНЫМ СЛОЕМ Российский патент 2024 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для измерения прозрачности атмосферы или искусственно созданных аэрозолей.

Известен способ измерения показателя ослабления оптического излучения для наклонной трассы [Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. - Минск: Наука и техника, 1969. - 592, стр. 499-500], основанный на формировании измерительной системы, состоящей из устанавливаемых на одной линии источника направленного оптического излучения (ИНОИ) между двух идентичных одноэлементных фотоприемных устройств (ФПУ), при этом оси полей зрения одноэлементных ФПУ и ось излучения ИНОИ направлены на выбранную точку аэрозольного слоя (АС), в которой будет производиться измерение, также ось излучения ИНОИ является биссектрисой угла, образованного осями полей одноэлементных ФПУ при вершине в точке АС, облучении излучением ИНОИ выбранной точки в АС, приеме рассеянного АС в выбранной точке оптического излучения ИНОИ каждым одноэлементным ФПУ и измерении их выходных сигналов, определении по значениям выходных сигналов и геометрических параметров измерительной системы относительно выбранной точки АС показателя ослабления оптического излучения аэрозольной средой.

Недостатком способа является сложность юстировки одноэлементных ФПУ, а также необходимость ее проведения с перестроением базы измерения при каждом изменении местоположения выбранной точки в АС.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности измерения показателя ослабления оптического излучения аэрозольной средой.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения показателя ослабления оптического излучения АС, основанном на формировании измерительной системы, состоящей из устанавливаемых на одной линии ИНОИ между двух идентичных ФПУ, используют ФПУ матричного типа, плоскости апертур которых лежат в одной плоскости перпендикулярной плоскости, образованной линией установки измерительной системы и осью излучения ИНОИ, при этом второе матричное фотоприемное устройство (МФУ) удалено от ИНОИ на расстояние 0,5R, где R - расстояние между первым МФУ и ИНОИ, ограничивают местоположения точек измерения АС линией полуокружности радиусом R, проведенной из точки на линии установки ИНОИ и МФУ на расстояние R от точки установки ИНОИ в направлении второго МФУ, выбирают на линии полуокружности N точек измерения для N толщин АС, облучают n-ю точку n-й толщины АС излучением ИНОИ и формируют МФУ изображения рассеянного АС луча излучения ИНОИ, где определяют на полученных изображениях рассеянного АС излучения ИНОИ фоточувствительные элементы (ФЭ) матриц МФУ, местоположения которых характеризуют, что ось излучения ИНОИ является биссектрисой угла при вершине в n-й точке n-й толщины АС, образованного линиями, проведенными из центров входных апертур МФУ к n-й точке n-й толщины АС, определяют по значениям выходных сигналов выбранных ФЭ матриц МФУ, геометрических параметров их местоположения и геометрических параметров измерительной системы относительно n-й точки n-й толщины АС показатель ослабления оптического излучения АС n-й толщины, определяют показатель ослабления оптического излучения АС между n-й и n+1 точками измерения через разницу показателей ослабления оптического излучения АС для n-й и n+1-й толщин.

Сущность способа заключается в использовании координатного анализа рассеянного АС оптического излучения МФУ, позволяющего сохранить неизменность построения измерительной системы показателя ослабления оптического излучения аэрозольной средой при изменении трассы измерения и соответственно снизить требования по юстировке к измерительной системе в целом.

На фигуре 1 представлена схема, поясняющая существо способа (где приняты следующие обозначения (для упрощения представлена двухмерная схема): 1 - ИНОИ; 2 - МФУ, 3 - АС; 4 - выбранная точка АС, в которой будет производиться измерение; 5 - ось излучения ИНОИ; 6 -линия, проведенная из центра входной апертуры МФУ к выбранной точке АС; 7 - объектив МФУ; 8 - матрица ФЭ МФУ; 9 - выбранный ФЭ матрицы МФУ; 10 - линия (полуокружность) местоположения точек измерения в АС; 11 - точка местоположения центра окружности, ограничивающая местоположения точек измерения в АС (α_n, α_n+1 - угол между осью излучения ИНОИ и линией, проведенной из центра входной апертуры МФУ к выбранной точке АС при n-м и n+1-м измерении соответственно; α - расстояние между оптическими осями МФУ (база измерения); R - расстояние между оптическими осями первого МФУ и ИНОИ, между точкой местоположения центра окружности, ограничивающей местоположение точек измерения в АС, и оптической осью ИНОИ, а также радиус самой окружности соответственно; b - расстояние между оптическими осями второго МФУ и ИНОИ; ƒ - фокусное расстояние объектива МФУ; d_1n, d_1n+1, d_2n, d_2n+1 - расстояние между выбранным ФЭ матрицы МФУ и оптической осью МФУ при n-м и n+1-м измерении соответственно; γ_n, γ_n+1 - угол между осью излучения ИНОИ и линией установки ИНОИ и МФУ (базой измерительной системы) при n-м и n+1-м измерении соответственно; ϕ_1n, ϕ_1n+1, ϕ_2n, ϕ_2n+1 - угол между оптической осью МФУ и направлением на выбранный ФЭ матрицы МФУ при n-м и n+1-м измерении соответственно; h_n, h_n+1 - толщина АС при n-м и n+1-м измерении соответственно; Δh - толщина АС между n-й и n+1-й точками измерений соответственно).

В соответствии со схемой порядок действий, в предлагаемом способе, следующий. Формируют измерительную систему путем установки на одной линии на расстоянии а между собой двух МФУ 2 и ИНОИ 1 между ними на расстояниях R и b=0,5R соответственно. При этом плоскости апертур МФУ 2 лежат в одной плоскости перпендикулярной плоскости, образованной линией установки измерительной системы и осью излучения ИНОИ 1. Ограничивают местоположения точек измерения в АС 3 линией полуокружности радиусом R 10, проведенной из точки 11 на линии установки ИНОИ 1 и МФУ 2 на расстояние R от точки установки ИНОИ 1 в направлении второго МФУ 2. Выбирают на полуокружности 10 N точек 4 измерения для N толщин АС 3 (на фигуре 1: N=2, h_n и h_n+x1).

Ориентируют ось 5 луча ИНОИ 1 (на фигуре угол γ_n) в n-ю точку n-й толщины АС 3 и облучают ее излучением источника ИНОИ 1. Формируют МФУ 2 изображения рассеянного АС 3 луча 5 излучения ИНОИ 1, где (на фигуре 1: Определяют на полученных изображениях рассеянного АС 3 излучения ИНОИ 1 ФЭ 9 матриц МФУ 2, местоположения которых характеризуют, что ось 5 излучения ИНОИ 1 является биссектрисой угла 2α_n при вершине в n-й точке n-й толщины АС 3, образованного линиями 6, проведенными из центров входных апертур 7 МФУ 2 к n-й точке 4 n-й толщины АС 3. Определяют по значениям выходных сигналов выбранных ФЭ 9 матриц МФУ 2, геометрических параметров их местоположения d_1n, d_2n и геометрических параметров измерительной системы a, R и b показатель ослабления оптического излучения АС 3 n-й толщины.

Ориентируют ось 5 луча ИНОИ 1 (на фигуре угол γ_n+1) в n+1-ю точку n+1-й толщины АС 3 и выполняют действия аналогично, как для предыдущей n-й точки.

При этом расстояния d_1n, d_1n+1, d_2n, d_2n+1 могут быть получены с использованием фокусных расстояний ƒ объективов 7 МФУ 2 и геометрических параметров α_n, α_n+1 и γ_n, γ_n+1 измерительной системы для n-го и n+1-го измерения соответственно, как

По значениям выходных сигналов U_1jn, U_1mn+1, U_2in, U_2kn+1. выбранных ФЭ 9 матриц 8 МФУ 2, геометрических параметров их 9 местоположения d_1n, d_1n+1, d_2n, d_2n+1 и геометрических параметров измерительной системы а, b и R относительно выбранной точки АС 4 вычисляют показатели ослабления ε_n, ε_n+l оптического излучения аэрозольным средой для n-го и п+1-го измерения соответственно, используя выражение (вывод выражения не приводится)

где (фигура 1); U_1jn, U_1mn+1 - выходные сигналы j-го и m-го ФЭ 9 матрицы 8 первого МФУ 2 при n-м и n+1-м измерении соответственно;

- номера ФЭ 9 матрицы 8 первого МФУ 2, местоположения которых характеризует, что ось излучения 5 ИНОИ 1 является биссектрисой угла при вершине в выбранной точке АС 4, образованного линиями 6, проведенными из центров входных апертур 7 МФУ 2 к выбранной точке АС 4, при n-м и n+1-м измерении соответственно; М - число ФЭ в матрице 8 МФУ 2; U_2in, U_2kn+1 выходные сигналы i-го и k-го ФЭ 9 матрицы 8 второго МФУ 2 при n-м и n+1-м измерении соответственно; - номера ФЭ 9 матрицы 8 второго МФУ 2, местоположения которых характеризует, что ось излучения 5 ИНОИ 1 является биссектрисой угла при вершине в выбранной точке АС 4, образованного линиями 6, проведенными из центров входных апертур 7 МФУ 2 к выбранной точке АС 4, при n-м и n+1-м измерении соответственно; S₁, S₂ - калибровочные значения выходных сигналов ФЭ 9 МФУ 2, снижающие погрешность их не идентичности (в случае полной идентичности МФУ 2 S₁=S₂).

Определяют показатель ослабления оптического излучения АС 3 между n-й и n+1 точками 4 измерения Δh через разницу показателей ослабления оптического излучения АС 3 для n-й и n+1-й толщин

Δε=ε_n+1-ε_n.

На фигуре 2 представлена блок - схема устройства, с помощью которого может быть реализован способ. Блок - схема устройства содержит: блок индикации, блок вычисления 13, подвижный блок управления лучом ИНОИ 12 (часть обозначений соответствуют фигуре 1).

Устройство работает следующим образом. Формируют установкой МФУ 2 базу измерения. Выбирают точку измерения в АС. Подвижным блоком управления лучом ИНОИ 12 устанавливают ИНОИ 1 и направляют его луч в точку измерения ε АС. Геометрические параметры установки МФУ 2, их оптических систем и матриц, а также ИНОИ 1 предают в блок вычисления 13. Принимают рассеянное АС изучение ИНОИ 1 МФУ 2, сигналы которых передают в блок вычисления 13. Блок вычисления 13 осуществляет вычисление и индикацию показателя ослабления ε оптического излучения аэрозольной средой. Направляют ИНОИ луч в следующую точку измерения ε АС и т.д. Блок вычисления 13 осуществляет вычисления и индикацию Δε.

Таким образом, за счет использования координатного анализа рассеянного АС оптического излучения МФУ у заявляемого способа появляются свойства повышения эффективности измерения показателя ослабления оптического излучения аэрозольной средой путем обеспечения неизменности построения измерительной системы измерения показателя ослабления оптического излучения аэрозольным средой при изменении трассы измерения и снижения требований по юстировке к измерительной системе в целом. Тем самым, предлагаемый авторами способ, устраняет недостатки прототипа.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестен способ измерения показателя ослабления оптического излучения АС, основанный на формировании измерительной системы, состоящей из устанавливаемых на одной линии ИНОИ между двух идентичных ФПУ, использовании ФПУ матричного типа, плоскости апертур которых лежат в одной плоскости перпендикулярной плоскости, образованной линией установки измерительной системы и осью излучения ИНОИ, при этом второе МФУ удалено от ИНОИ на расстояние 0,5R, где R - расстояние между первым МФУ и ИНОИ, ограничении местоположений точек измерения АС линией полуокружности радиусом R, проведенной из точки на линии установки ИНОИ и МФУ на расстояние R от точки установки ИНОИ в направлении второго МФУ, выборе на линии полуокружности N точек измерения для N толщин АС, облучении n-й точки n-й толщины АС излучением ИНОИ и формировании МФУ изображений рассеянного АС луча излучения ИНОИ, где , определении на полученных изображениях рассеянного АС излучения ИНОИ ФЭ матриц МФУ, местоположения которых характеризуют, что ось излучения ИНОИ является биссектрисой угла при вершине в n-й точке n-й толщины АС, образованного линиями, проведенными из центров входных апертур МФУ к n-й точке n-й толщины АС, определении по значениям выходных сигналов выбранных ФЭ матриц МФУ, геометрических параметров их местоположения и геометрических параметров измерительной системы относительно n-й точки n-й толщины АС показателя ослабления оптического излучения АС n-й толщины, определении показателя ослабления оптического излучения АС между n-й и n+1 точками измерения через разницу показателей ослабления оптического излучения АС для n-й и n+1-й толщин.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые электротехнические узлы и устройства.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения показателя ослабления оптического излучения аэрозольным слоем. Сущность: формируют измерительную систему из установленных на одной линии источника (1) направленного оптического излучения (ИНОИ) между двумя идентичными фотоприемными устройствами (2). При этом используют фотоприемные устройства матричного типа (МФУ), плоскости апертур которых лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной линией установки измерительной системы и осью излучения ИНОИ. Причем второе МФУ удалено от ИНОИ на расстояние 0,5R, где R - расстояние между первым МФУ и источником направленного оптического излучения. Ограничивают местоположения точек измерения в аэрозольном слое линией полуокружности радиусом R, проведенной из точки установки ИНОИ в направлении второго МФУ на расстояние R. Выбирают на линии полуокружности N точек измерения для N толщин аэрозольного слоя. Облучают n-ю точку n-й толщины аэрозольного слоя излучением ИНОИ. Формируют посредством МФУ изображения рассеянного аэрозольным слоем луча излучения ИНОИ. Определяют на полученных изображениях фоточувствительные элементы матриц матричных фотоприемных устройств, местоположения которых характеризуют, что ось излучения ИНОИ является биссектрисой угла при вершине в n-й точке n-й толщины аэрозольного слоя, образованного линиями, проведенными из центров входных апертур МФУ к n-й точке n-й толщины аэрозольного слоя. Определяют по значениям выходных сигналов выбранных фоточувствительных элементов МФУ, геометрических параметров их местоположения и геометрических параметров измерительной системы относительно n-й точки n-й толщины аэрозольного слоя показатель ослабления оптического излучения аэрозольным слоем n-й толщины. Определяют показатель ослабления оптического излучения аэрозольного слоя между n-й и n+1-й точками измерения через разницу показателей ослабления оптического излучения аэрозольным слоем для n-й и n+1-й толщин. Технический результат: повышение эффективности измерения показателя ослабления оптического излучения аэрозольным слоем. 2 ил.

Способ измерения показателя ослабления оптического излучения аэрозольным слоем, основанный на формировании измерительной системы, состоящей из устанавливаемых на одной линии источника направленного оптического излучения между двумя идентичными фотоприемными устройствами, отличающийся тем, что используют фотоприемные устройства матричного типа, плоскости апертур которых лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости, образованной линией установки измерительной системы и осью излучения источника направленного оптического излучения, при этом второе матричное фотоприемное устройство удалено от источника направленного оптического излучения на расстояние 0,5R, где R - расстояние между первым матричным фотоприемным устройством и источником направленного оптического излучения, ограничивают местоположения точек измерения в аэрозольном слое линией полуокружности радиусом R, проведенной из точки на линии установки источника направленного оптического излучения и матричных фотоприемных устройств на расстояние R от точки установки источника направленного оптического излучения в направлении второго матричного фотоприемного устройства, выбирают на линии полуокружности N точек измерения для N толщин аэрозольного слоя, облучают n-ю точку n-й толщины аэрозольного слоя излучением источника направленного оптического излучения и формируют матричными фотоприемными устройствами изображения рассеянного аэрозольным слоем луча излучения источника направленного оптического излучения, где определяют на полученных изображениях рассеянного аэрозольным слоем излучения источника направленного оптического излучения фоточувствительные элементы матриц матричных фотоприемных устройств, местоположения которых характеризуют, что ось излучения источника направленного оптического излучения является биссектрисой угла при вершине в n-й точке n-й толщины аэрозольного слоя, образованного линиями, проведенными из центров входных апертур матричных фотоприемных устройств к n-й точке n-й толщины аэрозольного слоя, определяют по значениям выходных сигналов выбранных фоточувствительных элементов матриц матричных фотоприемных устройств, геометрических параметров их местоположения и геометрических параметров измерительной системы относительно n-й точки n-й толщины аэрозольного слоя показатель ослабления оптического излучения аэрозольным слоем n-й толщины, определяют показатель ослабления оптического излучения аэрозольного слоя между n-й и n+1-й точками измерения через разницу показателей ослабления оптического излучения аэрозольным слоем для n-й и n+1-й толщин.