Способ определения среднего по трассе показателя преломления воздуха Советский патент 1986 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к исследованиям физических свойств атмосферы с помощью оптических методов и может быть использовано в метрологии, геофизике, геодезии Для редукции свето- дальномерных измерений к свободному пространству.

Цель изобретения - упрощение процесса измерений без ограничений на дальность измерений.

На фиг.1 изображена траектория светового луча в атмосфере; на фиг..2- сутЬчный ход радиационного баланса Rg (кал/см ч) и вертикального гра-ЭТ

диента температуры воздуха на

о L

высоте 2 м над землей; на фиг.З - графики выбора периода изотермами в зависимости от ширЪты Cj, времени года, суток и времени захода (восхо- (да) солнца tg; на фиг.4 - типичные кривые дневного хода угла полной рефракции для коротких (нижняя кривая) и длинных (верхняя кривая) трасс; на фиг.5 - устройство для реализации способа.

При распространении светового луча в атмосфере из-за неоднороднос- тей показателя преломления воздуха -в горизонтальном и вертикальном направлениях возникает искривление траектории, которое характеризуют углом полной рефракции d

f dn

J- dz

dn..Ч

dx - -5--, (1)

dn

где -j- - вертйкальньй градиент покаQ.Z

зателя преломления, зависящий .от координаты X вдоль прямой, соединяющей точки 1 и 2 (фиг.1);

L - длина трассы.

Из физики приземного слоя атмосферы.известно, что 2 раза в сутки, примерно в течение 2 ч после восхода и за 2 ч до захода солнца наступают моменты изотермии атмосферы, когда поток тепла с поверхности земли равен потоку тепла, получаемого земной поверхностью от атмосферы. Эти периоды характеризуются нулевым градиентом температуры.

УГОЛ полной рефракции принимает определенное значение в момент времени изотермии атмосферы и -это .значение б (tо) можно вычислить.

Градиент показателя преломления воздуха опредепяется формулой

.2. 1 р (0,0342 . е-.

(2) Подставляя (2) в (1) получим

.,lolP(0,03A2.-gi).

(3)

где Р - давление; Т - температура. Для момента изотермии t имеем d :Т /dt О и

79.9-10 - F;.0,0342 , G(tJ -«-j-j-- L

10 Р

т

L.

(4)

Зная приближенную длину трассы L, по измерениям метеопараметров на концах трассы можно вьмислить изотермический угол полной рефракции по формуле (4). Если измеренное значение угла полной рефракции принимает вычисленное по формуле (4) значение, то момент изотермии точно известен. В этот момент времени

d п dp , 9с.П7 dT

2,7., .

На фиг.4 показаны утренние и вечерние моменты изотермии, когда рассчитанные по формуле (4) углыб совпадают с измеренными. В момент изотермии зависимость среднего показателя преломления воздуха от высоты

очень слабая и выражается линейной функцией. Так, при разности высот 1 м имеет д п порядка 3 -10. Учитывая, что в горизонтальном направлении по лучу изменение показателя преломления

также определяется высотой луча над земной поверхностью, можно полагать, что существует слабая линейная зависимость показателя преломления возду- за вдоль трассы. Поэтому в момент

изотермии можно определить среднее по трассе значение показателя преломления воздуха, как среднее из его значений, рассчитанных по метеопара- ь Ьтрам, которые измеряют -на концах

трассы в момент времени tg.

На фиг.5 дана схема интерферометра для измерения угла полной реф-- реакции.,

Интерферометр работает следующим образом.

Излучение лазера 3 последова тель- но пр оходит поляроид 4, объектив 5, 6, диафрагму 7, пластинку Я/2-8, поляроиды 9 и 10, диафрагму 11, пластинку Я/2-12, объектив 13, 14. Система поляроидов и пластинок l /2 приводит к тому, что верхний и нижний пучки разделены и при интерференции в точке 2 приема позволяют определить угол б , если измерить разность хода 8 интерферирующих лучей б §/Ь (Ь - база интерферометра).

Предложенный способ осуществляют следуюпщм образом.

В точках 1 и 2 (фиг.1) устанавливают метеорологические приборы для измерения температуры, давления и йлажности, а также устройство для измерения полного угла рефракции (фиг.5). В частности, угол полной рефракции можно измерить с помощью интерферометра (фиг.5). Используя

20 Способ определения среднего по трассе показателя преломления воздуха, включающий измерения давления воздуха и абсолютной температуры п дискретных точках трассы, по которым

график (фиг.З), определяют приближен-25 рассчитывают средний по трассе пок.з- но момент t. В течение часа, симмет- затель преломления воздуха, о т л ич а ю щ и и с я тем, что, с целью упрощения процесса измерений без ограничений на дальность измерений, 30 измерения давления воздуха и абсолютной температуры проводят на концах трассы, при этом в период времени t, симметричный относительно . момента t нулевых вертикальных гра- 35 диентов температуры воздуха, отслеживают угол/полной рефракции О (t), а средний по трассе показатель преломления воздуха определяют в момент

-о рично во времени относительно t,

производят измерение угла полной рефракции при одновременном измерении мётеопараметров, По формуле (3) рассчитывают среднее по трассе значение показателя преломления йоздуха, в момент когда измеренное значение, б совпадает с рассчитанным по формуле (4)

Точность предложенного способа . можно оценить из следующих соображе- ний. Согласно (2) при точности измерения б порядка 4, длине исследуемого участка по вертикали uz 1 м, L 1000 м имеем

... 4..1 йО

о

40

it

L

2 -105-10 м

10

г8

когда измеренный угол полной рефракции совпадает с вычисленным по формуле

б () 2,7 -L,

что вполне I удовлетворяет потребное- , тям метрологии на современном уровне 45

Таким образом, предложенный способ благодаря новым операциям: отслеживанию во времени угла полной рефракции, симметрично во времени

относительно среднего Момента t нулевых вертикальных градиентов трмпе- ратуры воздуха, измерению MeTCH inapa- метров на концах трассы - обладает техническими преимуществами в сравнении с известными, а именно процесс измерения упрощается,, так как метеоизмерения необходимо проводит) только на концах трассы, для измерения

угла рефракции можно использовать простые устройства. Способ относится к дистанционным способам определения показателя преломления воздуха и может быть использован на трассах

со сложным рельефом подстилающей поверхности.

Формула изобретения

Способ определения среднего по трассе показателя преломления воздуха, включающий измерения давления воздуха и абсолютной температуры п дискретных точках трассы, по которым

рассчитывают средний по трассе пок.з- затель преломления воздуха, о т л и

о

40

, 45

когда измеренный угол полной рефракции совпадает с вычисленным по формуле

б () 2,7 -L,

где L - длина трассы, м;

Р - среднее давление воздуха, мбар;

Т - средняя абсолютная температура воздуха, °С.

.

Земли

Фиг. 1

Кдт/дг,(градус/м}-т

0U8.2

Изобретение относится к области измерения расстояний с помощью элек. тромагнитных волн и может быть использован для редукции дальномерных измерений к свободном пространству в метрологии, геофизике, геодезии, машиностроении и т.д. С целью упрощения процесса измерений без ограничений дальности измерений фиксируют наступление момента изотермии атмосферы цутем отслеживания во время угла полной рефракции симметрично во времени относительно среднего момента tg нулевых вертикальных градиентов температуры воздуха, а средний по трассе показатель преломления воздуха определяют расчетным путем, как среднее из его значений, рассчитанных по метеопараметрам, которые изме ряют на концах трассы в момент tg, когда измеренный угол полной рефракции совпадает с вычисленным. 5 ил. с СП С

f fS 29 13 ZJIOZif 8 22 f 13 2 IS 30 If ПЧислО фиъ.З

S to 9 to Ю iz 14 16 tomo Фае, 4L //f/f

Г2 2

9Jue.5

Составитель С.Голубев Редактор А.Допинич Техред М.Ходанич

Заказ 5220/ft Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Ироизводственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Корректор Л.Пилипенко