Способ оптического зондирования атмосферы Советский патент 1992 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к атмосферной оптике и может быть использовано для измерения оптических характеристик атмосферы, например в интересах метеорологического, обеспечения авиации.

Известен способ оптического зондирования атмосферы, согласно которому в гетеродинном приемнике Линия излучения лазера подстраивается на максимум спектральной линии соответствующего спектрального излучения в атмосфере.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ оптического зондирования атмосферы путем излучения световой энергии в атмосферу, часть которой является лучом гетеродина, гетеродинного приема обратно

о

рассеянного светового излучения с последующим преобразованием световой энергии в

СА) электрические сигналы, регистрации электС Ю рических сигналов и вычисления искомой величины.

сл

Измерение параметров атмосферы вдоль всей трассы в заданном диапазоне частот мржно производить лишь с помощью серии измерений с последовательной перестройкой частоты источника от измерения к измерению, что ухудшает оперативность работы и сужает функциональные возможности. Во-первых, ввиду дискретности перестройки частоты теряется часть информации об исследуемом объекте, во-вторых, увеличивается время регистрации, и втретьих, для реализации метода требуется

допплеровское смещение частоты и рассеянного излучения на движущихся частицах. Последний фактор требует наличия в исследуемом объеме частиц с некоторой требуемой составляющей вектора скорости по оси зондирующего луча, что ограничивает область применения метода.

Целью изобретения является повышение оперативности измерений.

Для достижения поставленно.й цели в известном способе оптического зондирования атмосферы путем излучения в атмосферу световой энергии, часть которой используют в качестве гетеродинного луча, гетеродинного приема обратно рассеянной световой энергии с последующим преобразованием световых сигналов в электрические, усиления на промежуточной частоте, регистрации электрических сигналов и вычисления искомой величины, перестраивают монотонно частоту непрерывного излучения источника, а усиление производят на промежуточной частоте, равной разности частоты принятого обратно рассеянного излучения и текущей частоты гетеродина, причем изменяют промежуточную частоту гетеродинного приёмника и вычисляют профиль искомой величины по трассе луча, а также перестраивают излучение источника по линейному закону с перемен ной скоростью и вычисляют профиль искомой величины по трассе луча. -, Частота излучения источника за время прохождения сигнального луча по трассе зондирования изменяется, изменяется ичастота гетеродинного луч а,т.е. создается сдвиг.частоты между сигнальным лучом и лучом гетеродина. При этом гетеродинным приемником регистрируется только та часть рассеянного излучения, разность частот которого и текущей частоты гетеродина попадает в полосу усиления усилителя промежуточной частоты гетеродинного приемника, что будет соответствовать сигналу, рассеянному объемом с определенного расстояния, соответствующего величине задержки частоты рассеянного излучения от текущей частоты гетеродина.

Селекция сигнала по объему проводится автоматически выбором промежуточной частоты, следовательно, отпадает необходимость в введении коммутации, что, в свою очередь, дает выигрыш во времени, так как отпадает необходимость в последовательном извлечении информации из каждого импульса в отдельности.

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующая данный способ.

Устройство г,одер.жит источник излучения 1. светоделитепьную пластину 2. зеркало 3, оптическую систему 4 и приемное устройство 5.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 с перестройкой частоты попадает на светоделительную пластину 2, где часть излучения отводится на зеркало 3 и, отраженная от него, используется в качестве луча гетеродина, а оставшаяся часть формируется оптической системой 4 и направляется в атмосферу. Рассеянное и отраженное излучение попадает в оптическую систему 4 и направляется на светоделительную пластину 2, где совмещается с лучом гетеродина и попадает на приемное устройство 5.

Допустим, что частота устройства перестраивается монотонно по линейному закону

О) 0)0+ 4e,t.(1)

dO)

где Vj, -7 - скорость перестройки частоты dt источника,

t - текущее время,

Ofe - значение частоты в начальный момент времени.

За время прохождения луча по трассе излучатель - отражающий объем - гетеродинный приемник частота источника изменится и станет равной

ш Шо -bVj-jti,(2)

где ti - время пробега луча.

Такой становится и частота гетеродинного луча, таккак в качестве него служит часть излучения источника.В гетеродинном приемнике происходит смешение сигнального и гетеродинного лучей и усилителем промежуточной частоты усиливается сигнал, равный разности частот, причем усиливается сигнал, отраженный только от объема, удаленного на расстояние

(3)

1 t4 г - г -

где Шпр промежуточная частота гетеродинного приемника,

С - скорость света,

Ч;)- скорость перестройки частоты.

За время пробега луча по трассе зондирования до ртражающего объема и обратно частота источника излучения изменяется, а разность частот йл - а)о становится такой, что попадает в полосу усиления усилителя промежуточной частоты гетеродинного приемника, т.е. гетеродинный приемник в данном случае проводит селекцию по отражающему объему и пропадает необходимость в коммутации. При этом величина отражающего объема определяется соотношением:S i(t)np f, p AV AL 7ГТГ i где ЛоМр ширина фильтра промежуточной частоты гетеродинного приемника, S - площадь сечения зондирующего луча, С - скорость света, скорость перестройки частоты. Для изменения трассы зондирования необходимо изменять направление угла зрения приемной и излучающей систем и вносить изменения в систему коммутации, чтобы принимался сигнал именно с данного обьема. удаленного на данное расстояние. В предлагаемом способе длину трассы зондирования можно легко изменить, как видно из формулы I 2 VoJ . изменяя скорость перестройки частоты источника Уй.либо частоты усилителя промежуточной частоты гетеродинного приемника - Кроме того, частота источника в базовом обьекте перестраивается скачками. Для получения же информации по всему диапазону измерения частот источника, а не через определенный интервал изменения частоты необходимо в применяемых схемах зондирования использовать отражающее зеркало, что не позволяет оперативно изменять направление зондирования и вести измерения на наклонных трассах. В предлагаемом способе возможно оперативно изменять направление зондирования и вести оперативное измерение на горизонтальных, наклонных и вертикальных трассах. Причем длина трассы может легко перестраиваться в процессе эксперимента. При использовании данного изобретения увеличиваются функциональные возможности метода: возможность измерения параметров линий поглощения и их изменений по трассе луча (благодаря непрерывной г ерестройке частоты источника), что позволяет определять профили температуры, концентрации газов и плотности атмосферы. кроме того, увеличивается точность измерений, так как последние производятся для непрерывных сигналов, а известно, что точность измерения непрерывных сигналов значительно выше, чем импульсных.

J