Способ определения интегрального группового показателя преломления воздуха Советский патент 1985 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к исследо- взнию атмосферы оптическими методами н может быть использовано в геофизике, радиогеодезии. йэаестен дисперсионный способ оп- s ределения интегрального показателя преломления воздуха в радиодиапазоне, оскованн на СВЧ-ре4Фактометрии, согласно которому производят измерения метеопараметров в одной или двух 19 точках на концах трассы, вь исляют средние значения мет опараметров по формуле Фрума7Эссена, находят искомый показатель яреломлёния m. Указанный снособ имеет низку) точ- is ность. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является .способ определения интегрального группового показателя преломления воздуха 20 путём передачи, приема и изьюрения величины девиации несущей- частоты прошедших в воздушной среде модулиронайных ио амплитуде колебаний и послед1 щеро определения по результа- 25 там- измерения показателя преломления воздуха 2 . Известный способ применим для определения интегрального показателя преломления воздуха только в опти- до ческам диапазоне. Это рбъясняется тем что для радиодиапазона дисперсия воздуха ничтожно мaлaJ поэтому фазовая к групповая скорости совпадают и, следовательно, девиация несущей частоты ничтожно мала.. Цель изобретения - расвшреиие частотного диапазона измерений пока- зателя ИЕреломления в область радиочастот, т.е. получение интегрального . показателя преломления воздуха для радиоволн путем зондирования атмосферы в оптическом диапазоне. Особенность такой постановки задачи заключается в том, что чувст- 45 вительность радиометодов зондирования низка, а в оптическом диапазоне разработаны сраанительяо простые и высокочувствительные способы определения интегрального показателя пре- 50 ло14яения. Поэтому целесообразно применить оптические измерения для определения показателя преломления воздуха в радиодиапазоне. Поставленная цель достигается тем ,55 что согласно способу определения интегрального группового показателя преломления воздуха путем передачи. прие несу ной рова ных лени духа ней част перв Jki, мест магй зате дят где . «i.ij k, Л прич ких опре где ма и измерения величины девиации щей частоты прошедших в воздушсреде исследуемой трассы модулинных по амплитуде электромагнитколебаний и последующего опредея по результатам измерения воздополнительно измеряют по краймере еще одну девиацию несущей оты, разнесенной по спектру от ой несущей частоты на величину измеряют температуру воздуха в ах излучения и приема электронтньк колебаний, а искомый покаль преломления воздуха Пр нахопо формуле ь N,|i2-M2/ii :,N,ot2-NгOt, v.|i3-o:.p,T2TU,p,.o6, 32ТгУ(по-;1) (2 r C bAOCi-,t5Cco|) ; fifli - показатель преломления i -и несущей частоты со в стандартных условиях; с - скорость света в вакууме; т - коэффициент амплитудной модуляции; 52 - круговая частота модуля-: ции; Oi W; - йзиеренная девиация -и несущей колебаний; S - длина трассы; и С - дисперсионные коэффициенты формулы Ковди для стандартных условий; Т - средняя температура воздуха на концах трассы; ,- коэффициенты формулы Баррела-Сирса;,и k - коэффициенты формулы Фрума-Эссена, ем величину разнесения оптичеснесувдх колебаний по спектру д| деляют по формуле . УТьНр д{ . - заданная точность определения показателя преломления воздуха в радиодиапазоне частот; ДН; - точность определения индекса преломления в оптическом диапазоне частот; i - средняя длина волны; 3 V - скорость электромагнитных колебаний в воздушной ере Де. На чертеже представлена блок-схе ма устройства для реализации способ Способ осуществляют следунщим образом. Излучение источника 1 проходит через удвоитель 2 частоты, модулято 3, светоделитель 4 и через передающий объектив 5 идет нА дистанцию D После отражения от отражателя 6 излучение проходит через приемный объ ;тив 7 и падает на дихроичное зеркало 8, сквозь которое проходит только излучение частоты Q, . Это излучение проходит через светоделитель 9, на котором сйещивается с опорным пучком от светоделителя 4 и падает на фотоприемник 10, Излученне частоты СО 2 Q отражается от дихроичного зеркала-8, зеркала 11 и на светодели теле 12 смешивается .с опорным излуче нием. На фотоприемниках 10 и 13 опор ные и дистанционные световые пучки смешиваются, а поскольку дистанционные пучки получают при распростра гёнин в воздухе девиации частот UQ, и jiCOg соответственно, то на подключенных к фотоприемникам частотомерах 14 и 15 можно измерить девиации частот.. Способ реализуют при помощи неодимрвого лазера А, 1,06 мкм, вторая длина волны получена путем генерации второй гармоники 0,503 мк Измеренные девиации частот состав;ляют 1,053 и 1,077 кГц. Показатель преломления на трассе 12,8 км имеет значение 1,000271. Сущность изобретения основаиа на следующем. Известно, что в радиодиапазоне влияние влажности на показатель преломления воздуха примерно в 100 раз больше, чем в оптическом диапазоне. Поэтому для точных определе НИИ Необходимо точно измерр1ть влажность вдоль пути распространения .волн. Применение дисперсионного способа для достижения указанной цели, ; т.е. изменение разности оптических путей (фаз) для двух волн даже в полосах поглощения водяного пара малоэффективно, так как при больших длинах волн (радиодиапазон) разность - фаз мала, а точность фазовых измереНИИ в радиодиапазоне ограничена 0,02 рад. С другой стороны, нормальная дисперсия показателя преломления 33 воздуха в радиодиапазоне мала, что вообще не позволяет использовать дисперсионный способ вне полос поглощения . Таким образом, кроме метеорологического, способа, т.е. определения Ир по измерениям метеопараметров, в радиодиапазоне нет другой возможности вьтолнить коррекцию измерений к свободному пространству. Ввиду непредставительности метеопараметров, которые измеряют на концах трассы, точность измерений составляет порядка 10 (в относительных единицах). В оптическом диапазоне cHTyavfia обратная, так как дисперсия показателя преломления достаточно велика и можно использовать дисперсионный способ в сочетании со способом, основанным на измерении девиации опти(ческой частоты. Измерение девиации частоты по крайней мере для двух оптических несущих частот дает возможность решить обратную задачу, т.е. определить средние по трассе значе- НИН метеопараметров, а затем по известным метеопараметрам определить искомьш показатель преломления в радиодиапазоне, Возможно использовать несколько оптических несущих, при этом рабочие формулы будут иметь аналогичньй вид для любой пары длин волн,а окончательнь1Й результат следует получать с использованием :eтoдa наименьших квадратов. Однако увеличение числа длин волн приводит к резкоьгу усложнению технической реализации способа, Пределы разноса оптических частот по спектру определяются требованиями к точности определения показателя преломленр1Я воздуха в радиодиапазоне. Дифференцируя основную формулу для показателя преломления Пр в радиодиапазонеN,p2-N2/3, / k, Н. np-lV|O Np k,- 4,| j-COj/ Of,2-OC2/i, и полагая . получим ц itl; h (vp;де лМ; - точность измерений индекса преломления в оптическом диапазоне; 1 - средняя длина волны. 5 Отсюда для диапазона разности оптических длин волн имеем Ы. При 0,5 мкм, К, N 10-2 дУ р 1 , получим Д 0,6 мкм. С увеличением требований к точно ти определения показателя преломления воздуха в радиодиапазоне необхо димо увеличить разнос оптических длин волн или увеличить точность из мерений в оптическом диапазоне. 3 Использование изобретения позволит одним и тем же устройством определять показатель преломления как в оптическом, так и в радиодиапазоне. Это особенно важно для радиодивпазона, так как в указанной области существующие технические решения сложны в осуществлении и недостаточно чувствительны. Использование изобретения в морской геодезии позволит значительно повысить точность привязочных работ в районах шельфа.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЯЬИОГО ГРУППОВОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЗДУХА путем передачи, приема н измерения величины девиации несущей частоты прошедших в воздушной среде исследуемой трасры модули:роваиных по амплитуде электромагнитных колебаний и последующего определения по результатам измерения показатели, преломления воздуха, о т л ичаюй(ийся тем что, с целью расширения частотного диапазона измерений Показателя преломления в область радиочастот, дополнительно измеряют, по крайней мере еще одну девиацию несущей частоты, разнесенной по спектру оТ первой несущей частот на величину U i , измеряют температуру воздуха в местах излучения и приема электромагнитньк колебаний, а искомый показатель преломления воздуха ftp находят по формуле , . Л .t.,-N,., Ч «./ z-ota/i, Г т 1 «, где «.nVCfioi-VfO ico; N: mSEMl2Tr c5&iOH5cu где Пд - показатель преломления i -и несущей частоты со; в стандартных условиях; С - скорость света в вакууме; m - коэффициент амплитудной модуляции; Q - круговая частота модуляции; AGJ; - измеренная девиация i i -и несущей; D - длина трассы; ВиС - дисперсионные коэффициенты формулы Коши для стандартных условий; Т - средняя температура воздуха (Л на концах трассы; oi,, коэффициенты формулы Баррела-Сирса; k jkjHk-)- коэффициенты формулы Фрума Эссена, причем величину разнесения оптических несущих колебаний по спектру 4 ui определяют по формуле О У-Т-дНр .дЬ СО 00 где &NP - заданная точность определения показателя преломления ; воздуха в радиодиапазоне частот; AN; точность определения индекса преломления в оптическом диапазоне частот; I V средняя длина волны; скорость электромагнитных колебаний в воздушной среде.