Устройство для измерения профиля структурной характеристики показателя преломления атмосферы Советский патент 1984 года по МПК G01N21/41 G01W1/00 

Изобретение относится к атмосфё иой оптике и может быть использова но при изучении распространения света в атмосфере и в оптической локации. Известно устройство для измерен структурной характеристики показат преломления по размытию средней дифракционной картины в фокусе лин содержащее источник излучения - ла с коллимируюгцей оптической системо фокусирующую линз.у, которая строит дифракционное изображение удалённого источника в фокальной плоскости , сканирукяцую щель и фотоприемник. По турбулентному уширению размера дифракционного изображения источника судят о значении С tlj Недостатком этого устройства яв ляется невозможность определения профиля структурной характеристики Си вдоль наклонных трасс. Так как метод просвечивания атмосферы пред полагает наличие передающего и приемйого устройств , расположенных на концах изь ерительной трассы. Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения профиля структурной характеристики Показателя преломления ат мосферы, содержащее источник излучения, приемный объектив, в фокусе которого расположен сканирукнций фотодетектор вход которого соединен о выходом генератора цифровой развертки, с входом которого соединен первый выход блока управления сканированием, второй выход которого соединен с входом источника излучения, а так же счетчик, блок памяти и регистрирующий прибор 2} . Принцип действия устройства осно ван на измерении степени изменения средней интенсивности в центре дифракционного изобра1жения удаленного источника в фокальной плоскости линзы. Сканируя щелевой апертурой изображение источника, построенного приемной линзой в плоскости фотокат да диссектора, определяется сечение центра тяжести и измеряется средняя интенсивность Зц,т s этом сечении, а Также средняя интенсивность светового пятна. По измеренным значениям Х и 3. вычисляется значение J |-Г ч -П : . : Устройство измеряет с высокой . точностью структурную характеристику преломления на горизонтальных трассах, но не позволяет определять высотный профиль этой характеристики, так как предполагает наличие передатчика и приёмника на противоположных концах исследуемой трассы и формирование в фокальной плоскости приемной Линзы дифракционного изображения удаленного светового источника. Цель изобретения - обеспечение возможности измерения высотного nipoфиля структурной характеристики показателя преломления атмосферы вдоль трасс с любым наклоном к земной поверхности. Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения про-. филя структурной характеристики показателя преломления атмосферы, содержащее источник излучения, приемный объ.ектив, в фокусе которого расположен сканирующий фотодетектор, вход которого соединен с выходом генератора цифровой развертки, с входом которого соединен первый выход блока управления сканированием, второй выход которого соединен с входом источника излучения, а также счетчик, блок:памяти и регистрирующий прибор, введены пиковый детектор, масштабный усилитель, компаратор, электронный ключ, блок распределения памяти и блок вычисления дисперсии, причем выход сканирующего фотодетектора соединен непосредственно с первьил.входом компаратора и через последовательно соединенные пиковый детектор и масштабный усилитель с вторьол входом компаратора, ВЫХОД компаратора соединен с входом электронного ключа, с первым управляющим входом.счетчика и управляющим входом блока распределения памяти, к выходу которого последовательно подключены блок памяти,блок вычисления дисперсии и регистрирующий прибор, причем выход электронного ключа соединен с вторым входом пикового детектрра, второй упра:вляющий вход счетчика соединен с вторым выходом генератора цифровой развертки. Третий выход блока управления сканированием подключен к третьему управляющему входу счетчика, выход которого соединен с входом блока распределейия памяти. Принцип работы устройства основан на зондировании атмосферы коротким световым импульсом, сформированным коллимирующёй оптической системой источника излучения, причем изоб ражение локализованного в пространст.ве объема, заполненного световым импульсом, анализируется в фокальной плоскости приемной оптической системы. Смещение центра тяжести этого изображения от оптической оси приемной систе1лл определяется Ч в фиксированный момент времени ) степенью турбулентности на трассе от, местоположения светового импульса до приемной апертуры. Осуществляя слежение за центром тяжести изображения объема, заполненного световым импульсом, распространякмцимся по трассе с любым наклоном к земной поверхности, по Измеренному значению дисперсии уг лового смещения координаты центра тяжести судят о профиле параметра С На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 .временные диаграммы, поясняющие работу устройства. : Устройство содержит источник излучения 1, приемный объектив 2, в фокусе которого расположён сканирующий фотодетектор 3, выхЬд которо го соединен с последовательно соеди венными пиковым детектором 4, мас штабным усилителем 5 и первым входо компаратора 6, а также непосредстве н.о с вторым входом компа ратора 6, блок управления сканированием 7, первый выход которого подключен к генератору цифровой развертки 8,; выходы которого подключены соответственно к сканирующему фотодетектор 3 и к второму управляющему входу .счетчика 9, второй выход блока у:правления сканированием 7 соединен с входом источника излучения 1, а его третий выход подключен к третье му управляняцему входу счетчика 9. Выход счетчика 9 пoдkлючeн к последовательно соединенным блоку распределения памяти 10, блоку памяти 11, блоку вычисления диспер сии 12 и регистрирующему прибору : 13, причем выход компаратора 6 подключен к первому управляющему входу счетчика 9, к второму -вкоду блока распределения памяти 10 и к входу электронного ключа 14, выход которого подключен к второму входу пикового детектора 4. Устройство работает следующим образом. Последовательность световых импульсов , сформированных источником излучения 1, посылается в атмосферу. Приемный ;Объекти в 2 строит в фокальной плоскости изображение сечения рассеивающего объема, образованного световым импульсом при его распространении в атмосфере. Анализ светового фокального пятна . производится сканирующим фотодетектором 3, например диссектором с прямоугольным вырезывающим отверсти ем, причём размер формируемого изоб ражения меньше вырезывающего отверстия . Сканирова;ние осуществляется краем вырезывающего отверстия. При .этом интегрирование реализуетсяг непосредственно в диссекторе, а на выходе диссектс1ра формируется видео импульс, форма и длительность которого определяются распределением интенсивности в фокальном изображении и его размером. . Рассмотрим работу устройства в фиксированный момент времени, т.е. предположим, что импульс неподвижен в точке измерительной трассы. Макси мальная амплитуда видеоимпульса за поминается пиковым детектором 4, делится масштабным усилителем 5 пополам и прступает на вход компаратора 6. При сканировании краем вырезывакицего отверстия видеосигнал, пропорциональный интенсивности светового пятна, поступает на второй вход компаратора бив течение второй половины кадра сравнивается с полейиной записанного в пиковом детекторе 4 видеосигнала. На фиг. 2 представлены временн1ле диаграммы сигналов: на выходе сканирующего фотодётектора 3 -15, пикойом детекторе 4 - 16, счетчике 9 - 17, и синхроимпульсы 18 и 19 в Случае использования генератора треугольной цифровой развертки. До момента равенства напряжений на входах компара тора 6 счетчик 9 считает число так Т к тов с момента времени -. При равенстве сигналов на входах компаратора 6 на его выходе формируется логичеС кий перепад - команда запрета на счет, которая поступает на первый управляющий вход счетчика 9, а также на электронный ключ 14, который счищает пиковый детектор 4. Число тактовых импульсов N, равное координате центра тяжести светового пятна, с выхода счетчика 9 поступает в блок распределения памяти 10, который предназначен для распределения информации по ячейкам блока памяти 11. Блок памяти 11 представляет собой матрицу ячеек памяти с tn строками и R столбцами. При прохозкдении последовательности (пакета) импульсов в каждой из К ячеек строкн записывается значение координаты центра тяжести светового пятна для определенной фиксированной точки m измерительной трассы. В блоке вычисления дисперсии 12 вычисляется дисперсия отклонения центра тяжести светового пятна и по вычисленному значению дисперсий в регистрирующем приборе 13 определяется значение структурной характеристики С . Блок управления 7 служит для синхронизации запуска источника излучения 1 и формирования/тактовых импульсов запуска генератора цифровой развертки 8 и кадровых синхроимпульсов. Частота развертки выбрана такой чтобы за время распространения светового импульса вдоль измерительной трассы можно просканироватькраем вырезывающего отверстия: -нескольво раз изображение рассеивающего объема, т.е. частота развертки должна - . т удовлетворять условию:t tn-2,где Т - период кадровой развёртки; ПИ Определяет число точек вдоль измерительной трассы. За время распрост ранения одного импульса в каждой из этих mточек определяются коорди- . наты центра тяжести светового пятна числовые коды N которых поступают через блок распределения памяти 10 в соответствующие m ячеек первого столбца матрицы блока памяти 11 . При распространении второго и последующих К световых импульсов заполняются соответственно второй и последующие К столбцов матрицы ячеек блока памя ти 11, причем по m -и строке записы ваются значения координат: т т{у;-л1 J ) Т.е. определяется приращение координаты на участке ГП измерительной трассы для выполнения условия однородности турбулентности по трассе при вычислении структурной постоянной показателя преломления cj В блоке вычисления дисперсии 12 по формуле .r( (.J-TA k(K-V) где f - фокусное расстояние приемно го объектива, определяется дисперсия отклонения координаты центра тяжести для участ ка m измерительной трассы. Проделав такие вычисления дйспёр сии отклонения для каждого участка трассы, получаем профиль дисперсии (j(h) вдоль всей трассы. В регистрирующем приборе вычисляются значения С для участков изМерительной трассы по формуле п.Л 6у„1- % длина измерительной трассы; диаметр светового пучка на выходе передатчика. Проделав вычисления во всех w точках измерительной трассы,получаем распределения С(h) вдоль трассы или высокий профиль структурной постоянно показателя преломления турбулентной атмосферы. Таким образом,, зондируя последовательностью световых импульсов измеряемую трассу и отслеживая флуктуации центра тяжести изображения рассеивающего объема, заполненного световым импульсом, при его распространении в атмосфере в точках трассы, получаем высотный профиль структурной характеристики С, причем с высокой точностью. Приведем расчет некоторых параметров устройства для конкретной трассы. При зондировании турбулентности по трассе длиной 5 км время распространения импульса до приемной апертуры 30 -МКС. Число участков трассы выбирается равным 10,т.е. по 500 м каждый участок, что определяет величину кадровой частоты кГц. Величина тактовой частоты определяется выбором длины развертки, связанной с размером фокального изображения светягтегося объема. При выбранной трассе этот размер близок к дифракционному и на практике не превышает 150 мкм. В этом случае длина развертки с запасом должна быть равной +300 мкм, что при организации восьмиразрядного генератора цифровой развертки (на половину кадрового периода ) составляет линейное смещение вырезывающего отверстия на один тактовый импульс 1,1 мкм, а тактовая частота IT 170 мГц. Точность измерения координаты центра тяжести равна 1,1 мкм, что при фокусе объектива F 2м и определйет угловое разрешение устройства 0,1 и диапазон измерений +25. Этот диапазон и точность вполне удовлетворяют условиям реальной атмосферы. Изобретение позволяет реализовать возможность оперативного измерения профилей структурной характеристики показателя преломления атмосферы вдоль трасс с любым наклоном к земной поверхности.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ СТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее источник излучения, приемный объектив, в фокусе которого расположен сканирующий фотодетектор, вход которого соединен с выходом генератора цифровой развертки, с входом которого соединен, первый выход блока управления сканированием, второй выход которого соединен с входом источника излучения, а также счетчик, блок памяти и регистрирующий прибор, отличающеес я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения высотного профиля структурной характеристики показателя преломления атмосферы вдоль трасс с любым наклоном к земной поверхности, в него ведены пиковый детектор, масштабный усилитель, компаратор, электронный ключ, блок распределения памяти и блок вычисления дисперсии, причем выход сканирую щего фотодетектора соединен непосредственно с nepBfcjM входом компаратора и через последовательно соединенные пиковый детектор и масштабный усилитель - с вторым входом компарато|за, выход компаратора соединен с входом электронного ключа, с первым управляющим входом счетчика и управляющим входом блока распределения памяти, к выходу которо(Л го последовательно подключены блок памяти, блок вычисления дисперсии с и регистрирующий прибор, причем выход электронного ключа соединен с втором входом пикового детектора, второй управлякяций вход счетчика соединен с вторым выходом генератора цифровой развертки, третий вк- I ход блока управления сканированием i подключен к TpeTbei iy управляющему ; входу счетчика, выход которого i соединен с входом блока рйспределе ния памяти.