Способ оптико-акустического зондирования атмосферы Советский патент 1992 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к технической физике и может найти применение для дистанционного измерения спектральной акустической прозрачности, а также одновременно измерения температуры и относительной влажности в атмосфере.

Известен способ дистанционного измерения параметров атмосферы путем создания на заданной высоте с помощью лазерного излучения пробоя и приема возникшего акустического излучения. Для измерения спектральной акустической прозрачности в данном способе измеряют спектральную мощность принятого акустического сигнала, а об искомом параметре судят путем сравнения ее со спектральной мощностью калибровочного сигнала. Для одновременного измерения температуры и влажности измерения проводят одновременно для трех частот, а об искомых параметрах судят путем сравнения сигналогз для двух из зтих частот относительно третьей.

Недостатком зтого способа является малая дальность, обусловленная тем, что

О 00 при посылке лазерного излучения на заданном расстоянии от передатчика возможно получение пробоя а воздухе, когда значение

|оо

Н |м интенсивности лазерного излучения превышает некоторую пороговую величину, что - накладывает ограничения на дальность данного способа зондирования, а также большие потери акустической энергии за счет сферической расходимости звуковой волны. Кроме того, источник звука в данном способе зондированиия имеет широкий спектр излучаемых звуковых частот, и спектральное разрешение определяется полосой пропускания приемной системы.

Наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является способ дистанционного зондирования атмосферы

одновременно дпух монохроматических перекрывающихся на заданной высоте лазерных пучков излучений с параллельными осями, разность частот которых равна частоте звукового диапазона и приема возникшего акустического излучения, когда по временному интервалу между посылкой лазерного и приемом акустических сигналов судят об атмосферной температуре.

Однако этим способом невозможно измерить влажность и спектральную прозрачность атмосферы;

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых параметров, т.е. создание возможности измерения кроме температуры влажности спектральной акустической прозрачности.

Цель достигается тем, что в способе оптико-акустического зондирования атмосферы путем посылки в исследуемую область атмосферы одновременно двух монохроматических перекрывающихся на заданной высоте лазерных излучений с параллёль Ыми осями, разность частот которых равна частоте звукового диапазона и приема воз.никщих акустических сигналов, плавно изменяют частоту по крайней мере одного из посылаемых излучений при сохранении значения разности частот в пределах частот звукового диапазона и по мощности принятых акустических сигналов на разных часто тах судят о температуре, олажиости и спектральной прозрачности атмосферы.

В атмосфере при одновременном распространении двух параллельных монохроматических лазерных излучений с близкими частотами fi и h в области их перекрытия в результате нелинейного их взаимодействия генерируется мощное акустическое излучение частот (fi-fa)-fax, направление распространения которого перпендикулярно оси лазерных пучков, а фронт волны цилиндрический. Осуществляя посылку лазерных импульсов под углом а к поверхности земли, можно зеретистрировать спектральную мощность акустического сигнала, возникшего на дальности I посылки лазерного импульса и прошедшего через атмосферу, помещая акустический приемник не некотором расстоянии hi от лазерного передатчика и ориентируя егр приемную антенну перпендикулярно оси лззерных пучков. При этом мощность возникающего акустического сигнала 1о пропорциональна произведению амплитуд лазерных излучений и может быть рассчитана по формулам. Измеряя спектральную мощность 1 пришедшего сигнала на данной частоте fax, можно измерить спектральную акустическую прозрачность Р атмосферы, которая, с учетом того, что во.п

на цилиндрическая, ослабляется с расстоянием ц I/R раз, и равна:

р.1Л1о

Управляя расстройкой частот лазерных

излучений в пределах звукового диапазона, можно изменить частоту возникающего акустического излучения и измерять акустическую прозрачность для разных частот.

Генерация двухчастотного лазерного излучения возможна путем измерения частоты излучения одного посылаемого лазерного излучения или путем одновременного изменения частоты обоих лазерных излучений,

Boз.oжнa также дополнительная посылка монохроматического лазерного излучения другой частоты.

Температура и влажность определяются по относительному изменению пришедшего сигнала для двух пар звуковых частот fi и f2 fi и f3, при этом измеряются li , l2 If2/lf2o; з 1гз/1(зо-относительт ные изменения амплитуд сигнала на частотах fi, fa и f3 и вычисляются

А1 М|/111; д.И

Величины AI и А2 связаны известной аналитической зависимостью с температурой Т и относмтельной влажности U атмосферы.. . : . : На фиг,1 показана схема, поясняющая данный способ; на фиг.2 - блок-схема устройства, реализующего способ..

На фиг. изображены лазерные с управляемой растройкойпередатчики 1 и 2-, оси излучений которых параллельны, а диаграммы перекрываются в заштрихованной области, остронаправленный приемник-З,

антенна которого ориентирована перпендикулярно осям лазерных передатчиков, hi расстояние между лазерным передатчиком (Л акустическим приемником. Из геометрии фиг,1 следует: R - hi sin а .При осуществлеНИИ одновременных разнесенных в пространстве измерений возможно измерение профилей температуры и влажности, если поместить остронаправленные акустические приемники на различных расстояниях

hi от лазерных Г1ере,цатчиков. .

Источником звука в данном способе зондирования будет одновременно вся области перекрытия лазерных излучений, и можно считать, что цилиндрическая звуковая волна возникает одновременно вдоль всей оси области перекрытия лазерных пучков. ;, . . ,

Монохроматическое лазерное излуче. ние с близкими частотами и управляемой расстройкой можно получить с помощью СОг-лазероо с регулируемой частотой излучения или одного лазера на рубине с однородно-уширенным контуром линии генерации, в центре которой методом внутрирезонаисного поглощения выжигается провал, ширина которого изменяется путем изменения давления поглощающего и буферного газов в резонаторе. При этом формируется двухчастотное лазерное излучение с управляемой расстройкой. Работа способа осуществляется с помощью устройства, приведенного на фиг.2, В исследуемую область атмосферы от лазерных передатчиков 1 и2суправляемой растройкой посылают одновременного два монохроматических перекрывающихся на заданной высоте лазерных пучка излучения с параллельными осями, разность частрт которых равна частоте звукового диапазона, и плавно изменяют частоту обоих лазерных излучений, Принимают возникшие акустические сигнал ы остронаправленной антенной акустичёского-приемника 3, в качестве которой можно использовать решетку и электроакуйстические преобразователи. С помощью анализатора спектра 4 и вычислительного устройства 5 определяют спектральную акустическую прозрачность атмосферы, температуру и влажность. Синхронизируюся пучки излучения синхронизатором 6. Преимуществом описанного способа по сравнению с аналогом является большая точность измерений, обусловленная тем. что источник звука в прототипе имеет широкий частотный спектр, и спектральное разрешение определяется полосой пропускания приемной системы. В описанном способе генерируется монохроматическое акустическое излучение на разностной частоте, что позволяет проводить спектральное измерение с более высоким частотным разрешением, и тем самым повышает точность измерений. Кроме того, данный способ позволяет в нес1 :олько раз увеличить дальность зондирования и упростить измерения, т.к. он не требует про ведения калибровки. Мощность генерируемого акустического излучения может быть рассчитана аналитически.

А/«.2

СПОСОБ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ путем посылки в исследуемую область атмосферы одновременно двух монохроматических перекрывающихся на заданной высоте лазерных пучков излучений и параллельными осями, разность частот которых равна частоте звукового диапазона, и приема возникших акустических сигналов, отличающийся тем, что. с целью расширения диапазона . измеряемых параметров, плавно изменяют частоту по крайней мере одного из посылаемых излучений при сохранении значения разности частот в пределах частот звукового диапазона и по мощности принятых акустических сигналов- на разных частотах судят о температуре, влажности и спектральной прозрачности атмосфе|эы.