Способ определения возвышений и градиентов морской поверхности и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01C13/00 

Изобретение относится к дистан- и нонной волнометрии и предназначено для использования в метеорологии и океанологии для неконтактного дистанционного определения распределения плотности вероятности воззышений и градиентов морской поверхности с авианосителей.

Цель изобретения - расширение информационных возможностей за счет обеспечения возможности определения законов распределения возвышений и наклонов морской поверхности.

На фиг. 1 приведена геометрия зон дирования морской поверхности пучками малой (а) и большой (б) расходимости; на фиг. 2 - блок-схема лида- ра для проведения измерений с изме-г няющейся диаграммой направленности излучателя; на фиг.З - импульсы,регистрируемые лидаром,исходный импульс системы (ц.), импульс (б ), отраженный от морской поверхности пучком малой расходимости Р (t) , и импульс, отраженный от морской поверхности при зондировании пучком большой расходимости Pj (г.) , импульсная функция (6) морской поверхности при облучении ее вертикальным лучом большой расходимости; на фиг. 4 - импульсная функ- 1.ЩЯ (о.) морской поверхности при облучении ее вертикальным пучком собственной расходимости g&(t) и закон распределения (ft) возвьш1е ний морской поверхности W(), импульсная функция (б) S, описывающая угаирение отраженных исключительно за счет распределения отражающих элементов поверхности моря по наклонам ge(t) и закон (б) распределения наклонов (градиентов) морС кой поверхности Q()j на фиг. 5 - квантование аналогового сигнала в процессе обработки в измерительном блоке.

Устройство располагают на авианосителе „ Зондирующие импульсы направляются на морскую поверхность по вертикали. При зондировании пучком собственной расходимости (фиг. 1а.) сиг- НсШ обратного рассеяния можно представить в виде (фиг. 36):

) I(t )), (1)

где I(t) - исходный-импульс системы

(фиг. За);

g &(t) - импульсная характеристика участка морской поверхности, описываемая выражением

-1

%Ш Г р

с 2t 1 I. t(to)J

-J г. где j - дисперсия возвьшгений,

t - врем;я,

to - время пробега света до сред- него уровня морской поверхности,

с -- скорость света. При зондировании широко расходя- ищмся пучком (фиг. 1б) получаемый сиг- нал обратного рассеяния (фиг. 35)

(3)

можно представить в виде Р, (t) Kf ) G(/),

где G(t) - импульсная характеристика участка морской поверхности, облучае- koro широко расходящимся пучком 1(45-60°), имеющая вид (фиг. Зв) :

G(t) : ges(t ) go(t), (4)

где gQ(t ) - функция, описывающая

уширения отраженных импульсов исключительно за счет распределения отражающих элементов морской поверхности по наклонам, определяемая выражением

С-Р S лр

5

(1 + t/to) 2toti 1

-5

exp

f-ii

I 2t,

Cje

(5)

где P - коэффициент отражения от граниЦы раздела воздух-водаJ S пр - площадь входного отверстия

приемника излучения, Н - высота, с которой осуществля- ется зондирование, Gg - дисперсия градиентов возвы- И1ений морской поверхности

(наклонов),

Л.- телесньш угол, занимаемый расходяпщмся пучком.

Информация об исходном импульсе системы хранится в помяти вычислительного блока лидара. Законы распределений возвышений и градиентов морской поверхности определяются по известным импульсам I(t) и Р;, (t), Pj (t) следующим образом.

Находится фурье-преобразование ис:- .ходного импульса системы

fcCT) t it C i(t) dt,

где - Фурье-образ исходного импульса системы,

Т t-- его аргумент,

Находится Фурье-преобразование импульса обратного рассеяния Рц(t)

PU L) je it Xp t) dt , (7)

Фурье-образ импульсной характеристики g(t) находится как отношение фурье-преобразованного сигнала обратного рассеяния Pi С . к фурье-преоб- разованному исходному импульсу системы ге-Сг) :

Е(Г)

P l ф

1Г(

Обратным преобразование,Фурье находится импульсная.характеристика участка морской поверхности (при зондировании пучком собственной расходимости) :

Г; R() d. (9)

gvf(t) () d4

которая с точностью до коэффициента определяет закон распределения возвышений:

W(f) K,.g(t);(10)

где К рг .

cos 8

Закон распределения возвьщгений вычисляют по формуле

W(f) Kijexp

Jexp (JtY) P (t )dt Jexp (Lt )I(t )dt

di:, (11)

I(t)

,t,t t

где К -1 - аппаратурная константа P4(t i) - форма отраженного импульса при зондировании лучом собственной расходимости, форма исходного импульса системы излучатель-приемник; текущие времена задержки, время задержки, обусловленное - возвьщ1ением: отражающего участка морской поверхности.

Закон распределения градиентов морской поверхности определяется следующим образом.

Находится Фурье-преобразование сигнала обратного рассеяния (в случае зондирования широко расходящимся пучком) :

Рг(Т) ,(t)dt

(12)

1242714

5

Фурье-образ импульсной характеристики ga(t) находится как отношение фурье-преобразованных сигналогз обратного рассеяния Р CL) и Р С) :

УГТЛ - 2 С О ,

(13)

Обратным преобразованием Фурье находится импульсная характеристика участка морской поверхности

,сГ

ga(t) ) dT,

(14)

JQ

15

которая дает закон распределения градиентов морской поверхности

20

9(9) Kj- gB(t), 45Z.H3

(15)

де К, -- :р: пГсоз

Закон распределения градиентов вычисляют по формуле

Q(e) Kjexp -it (Q)

S exp()P, (t )dt JS exp(it T)P(t) dt

dt.

(16)

30

35

40

45

;е50

)

где Рг (t ) - форма отраженного импульса при зондировании широкорасходящимся пучком;

t - текущее время задержки; t - время задержки, обусловленное наклоном участка морской поверхности. Устройство состоит из импульсного лазера 1 с коллектором, делителя 2 луча, фотоэлектрического преобразователя 3 тракта альтиметрии, оптического переключателя, состоящего из дополнительного делителя 4 луча на три канала с оптическими затворами 5-7 по каждому из каналов, оптического элемента излучателя для формирования конусной диаграммы направленности, выполненного в виде сферичес- . кого отражателя 8, дефлектора 9, оптической системы приемника - входной оптики 10, фотоэлектрического преобразователя 11 основного тракта, измерительного блока, содержащего тракт 12 альтиметрии и основной тракт, состоящий из нормирующего усилителя 13, соединенного с входами 128 параллельных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных дифференциального дискриминатора 14, аналогового преобразователя 15 время - время, преобразователя 16 время - код и запоминающего блока 17, а выходы соединены с входами мультиплексора 18, выход которого соединен с вычислительным блоком 19. Выход тракта альтиметрии соединен с вычислительным блоком 19.

Способ осуществляется двукратным зондированием.

Устройство работает следующим об- разом.

С помощью лазера 1 импульс нано- секундной длительности подается чере делитель 2 луча на оптический переключатель, состоящий из делителя 4 на три луча и оптических затворов 5-7, а часть энергии подается также на фотоэлектрический преобразователь 3 тракта альтиметрии.

При первом зондировании пучком собственной расходимос ти оптические затворы 6 и 7 открыты, а затвор 5 закрыт. Лазерный импульс подается через делитель 4, затвор 6 и дефлектор 9 на морскую поверхность..Одновремен но через затвор 7 импульс подается на входную оптику 10 и далее на фотоэлект- рический преобразователь основного тракта, где сигнал преобразуется в электрический и подается в измерител ный блок для измерения исходного импульса системы. Отраженньм от морско поверхности сигнал обратного рассеяния собирается входной оптикой 10 и поступает на фотоэлектрический пре- образователь 11, где преобразуется ,в электрический сигнал и далее поступает в измерительный блок для измерения сигнала обратного рассеяния Р (t). Большая временная задержка сигнала обратного рассеяния Pi(t), отраженного от морской поверхности, по сравнению со временем обработки исходного импульса в регистрирующем тракте I(t) (за счет разности опти- ческой длины) обеспечивает раздельную регистрацию последних измерительньм шоком.

При вторичном зондировании морско поверхности расходящимся в широком конусе (угол раствора 45-60 ) лазерным импульсом оптические затворы 5 и 7 открыты, а 6 .закрыт. . Лазерный импульс 8 подается через делитель , затвор 3 и сферический отражатель 8 на морскую поверхность. Аналогично 5дновременно через затвор 7 импульс подается на входную оптику 10 и даю

js

0 5 о е 0 5

лее на фотоэлектрический преобразователь 11, где он преобразуется и поступае Т в измерительный тракт. Собранный входной оптикой отраженный от морской поверхности сигнал поступает на фотоэлектрический преобразователь 11 и далее электрический сигнал поступает Е; основной тракт и тракт 12 альтиметрии, где определяется высота зондирования и аппаратурная оптическая длина хода луча, информация о которых поступает в вычислительный блок 19. В основном тракте принятый сигнал усиливается и нормируется линейным нормирующим усилителем 13 и далее поступает на входы 128 параллельных каналов для квантования и оцифровки сигнала. В i-канале сигнал поступает на вход дифференциального дискриминатора 14 с заданным (для каждого канала своим) динамическим диапазоном, с выхода дифференциального дискриминатора 14 стандартный сигнал поступает на вход аналогового преобразователя 15 время - время для преобразования короткого временного интервала в более длинный (например, с коэффициентом преобразования длительности К t4(t J, 100). Далее растянутый .по вр.емени сигнал поступает на вход пре образователя 16 время - код, с выхода которого цифровой код поступает в запоминающий блок 17. Мультиплексор 18 опрашивает за два просмотра 128 запоминающих блоков 17. Причем при прямом просмотре он выбирает информацию о фронте импульса об- ратного рассеяния, а при обратном - о спаде. С выхода мультиплексора 18 информация подается в вычислительный блок 19, .где определяются законы распредех ений возвышений и градиентов морской поверхности, а также сравниваются исходные импульсы системы при первом и втором зондированиях, В случае различия последних измерения повторяются.

Число каналов в измерительном блоке определяется числом уровней оцифровки п или интервалов квантования 2п и зависит от требуемой точности воспроизведения сигнала. Удобство ввода преобразованного сигнала в вы- числитешьный блок и требуемая точ-,, ность обеспечиваются при п 128 каналов, или 256 афонией квантования (восемь двоичных битов).

71

Формула изобретени 1. Способ определения возвышений и градиентов морской поверхности, заключающийся в облучении ее с авианосителя вертикально направленным широко расходящимся импульсом света наносекундной длительности, приеме отраженного излучения в месте расположения излучателя и определении по характеристикам сигнала обратного рассеяния параметров морской поверхности, отличающийся тем, что, с целью расширения информационных возможностей за счет обеспечения возможности определения законов расT, V с г ./ечсг 1 Wp(itT)Pi(t ) dt С7W(9 К фхр -It () L Jfc4(it T)l (t O dF-

r.f { Г -. ,QN4-l(exp()P () cr

Q(B),,((.,/;;;,) , di.

25

30

де W(), Q(B) - законы распределений возвышений ., и градиентов tg 9 соот- ветственно, P/i(t ) .- форма отраженного

импульса при зондировании лучом собственной расходимости, I(t ) - форма исходного импульса системы излучатель-приемник , Pj(t ) форма отраженного

импульса при зондировании широко рас- 35 ходящимся импульсом, Т t ,t , - переменные интегрирования (текущие времена задержки), t - время задержки,обус-. ловленное возвьш1ени- ем отражающего участка морской поверхности;

t-i - время задержки.

обусловленное наклоном участка морской поверхности,

К, Kj - аппаратурные константы.50

2. Устройство для определения воз- и градиентов морской поверхности, содержащее импульсный лазер с коллектором, делитель луча, опти- 55 ческий элемент излучателя для формирования конусной диаграммы направлен427148

пределения возвышений и нарспонов морской поверхности, вначале одновременно регистрируют форму исходного импульса системы излучатель-приемник,

5 направляя часть излучаемого лазером импульса непосредственно в приемник, и форму отраженного импульса при вертикальном зондировании морской поверхности лазерным лучом собственной

10 расходимости, затем регистрируют фор му отраженного импульса при зондировании морской поверхности широко расходящимся импульсом, а возвышения и градиенты морской поверхности вычис15 ляют по формулам

5

0

5 5

0

5

ности, оптическую систему приемника, фотоэлектрический преобразователь основного тракта, установленный на вы- ходе оптической системы приемника, фотоэлектрический преобразователь тракта альтиметрии, установленный после делителя луча, выходы фотоэлектрических преобразователей основного тракта и тракта альтиметрии через тракт гшьтиметрии измерительного блока соединены с входом вычислительного блока, отличающееся тем, что, с целью расширения информационных возможностей за счет обеспечения возможности определения законов распределения возвьш ений и наклонов морской поверхности, оно снабжено дополнительным делителем луча на три канала с оптическими затворами по каждому из каналов, дефлектором, ус- .тановленным за оптическим затвором в вертикальном канале, а основной тракт измерительного блока выполнен в виде нормирующего усилителя, соединенного с входами 128 параллельных каналов, состоящих из последовательно соединенных дифференциального дискриминатора, аналогового преобразователя время - время, преобразователя время - код и запоминающего блока, выходы которых соединены с входами мультиплексора, выход которого соединен с вторым входом вычислитель- koro блока,а вход нормирующего усилителя соединен свыходом фотоэлектрического преобразователя основного тракта.

Фие.1

Изобретение относится к дистан- 1Д10ННОЙ волнометрии и предназначено для использования в метеорологии и океанологии для неконтактного дистанционного определения распределения плотности вероятности возвьпиенйй и градиентов морской поверхности с авианосителей. Цель изобретения - расширение информационных возможностей за счет обеспечения возможности определения законов распределения возвышений и наклонов морской поверхности. С помощью лазера 1 импульс на- носекундной длительности подается через делитель 2 луча на оптический переключатель, состоящий из делителя 4 на три луча и оптических затворов 5-7, а часть энергии подается также на фотоэлектрический преобразователь 3 тракта 12 альтиметрии, где определяется высота зондирования и аппаратурная оптическая длина хода луча, информация о которой поступает в вычислительный блок 19. Устройство содержит также входную оптику 10, фотоэлектрический преобразователь 11, усилитель 13, дискриминатор 14, преобразователь и время - время 15 и время - код 16, запоминакяций блок 17 и мультиплексор 18.2 с.п. ф-лы, 5 ил. а (Л .J-ffOffa KZ CI {IIHIIH /г 19 л-канал Н И-ZH-Н h 1г Ф(/г.2

3(t)

a

6(i)

фиг.З

i-fa(i) z-(iw

2л- интервалов /ieaf//7 o&7/ i/ff

фиг. 5

Редактор Н.Тупица

Составитель В.Агапова

Техред Н.Бонкало Корректор М.Максимишинец

Заказ 3688/36Тираж 670Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Про..ктная, 4