Способ определения параметров атмосферы Советский патент 1993 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к метеоро логии и может найти применение для одновременного измерения температуры, давления и относительной влажности в атмосфере.

Известен способ определения параметров атмосферы, включающий посыпку и прием акустического излучения и определение искомого параметра путем регистрации момента излучения и приема звуковой волны. С целью увеличения дальности источник излучения и приемник поднимают с помощью дополнительных устройств (самолетов, планеров, аэродинамических аппаратов) 11.

С помощью.данного способа невозможно одновременно измерять температуру, давление и относительную

-влажность воздуха.

Наиболее близким ,по технической I сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ определения параметров атмос феры, по котЬрому и атмосферу посылают два П1араллельных перекрывающихся на за-, данной высоте лазерных импульса, частоты KOToiHiix отличаются на частоту звукового диапазона, принимают возникший акустический импульс. По нзмереиному времени црихода акустического импульса судят ов иском(1 параметре 21.

зарегистрировать.акустический импульс, С помощь данного способа невоэножз5 возникший на дальности посылки лазерно. одн.овременное измерение темпера - туры, давления и относительной влажности в атмосфере, поскольку отсутст . вует аналитическая зависимость между давлением, относительной влажностью 40 воздуха и измеряемой величиной.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем одновременного дистанционного измерения температуры, давления и 45 относительной влажности в атмосфере.

Для достижения поставленной цели в известном способе определения параметров атмосферы путем посылки в заданную область атмосферы двух 50 параллельных перекрываювснхся пучков лазерного излучения с частотами, отличающимися на частоту звукового диапазона, и приема возникшего акустического импульса, в заданную-об- 55 ласть атмосферы одновременно с двумя пучками лазерного излучения посыпают третий лазерный пучок, параллельный- и перекрывающийся с двумя Первьеш

ных импульсов S и проведший через атмосферу, помещая акустический приемник на некотором расстоянии h от лазерных передатчиков и ориентируя его приемную антенну перпёндикуляр- JHO оси лазерных пучков. При этом иоц- ность возникшего акустического излучения пропорциональна произведению :амплитуд лазерных излучен }. При наихудаопс условиях распространения лазерного И акустического излучений дальность зондирования будет не менее 9 км при , - 500 Гц и d 45 (« - угол посылки лазерных излучений, отсчитываемый от поверхности земпи).

При распространении акустического импульса через атмосферу будет проис- . ходить его частотный сдвиг вследствие частотной зависимости атмосферног го поглощения, поскольку различные компоненты частотного спектра акустического импульса поглощаются по-разному. Величина этого сдвига записы

с частотой, отличающейся от частот двух пучков на частоты ззукового диапазона, из принятого сигнала выделяют три частоты акустического излучения, соответствующие максимумам спектра принятого звукового сигнал 1, и по сдвигам этих частот относительно разностей между частотами лазерных пучков определяют параметры атмосферы..

На фиг. 1 приведена схема способа; на фиг. 2 - структурная схема устройства, 1 еализующего предлагаемый способ.

На фиг. 1 цифрами 1, 2, 3 обозначены лазерные источники, 4 - акустическая остронаправлённая антенна; h - расстояние от акустической антенны до лазерных источников.

В атмосфере при одновременном распространении мощных параллельных монохроматических лазерных излучений с близкими частотами в области их перекрытия в результате нелинейного их взаимодействия будет генерировать- ся мощное акустическое излучение частоты и), в и)о ( if) - круговая Или циклическая частота,о)ai,«2), направление распространения которого перпендикулярно оси лазерных пучков, а фронт волны цилиндрический. Осуществляя посылку лазерных импульсов ,под углом tt- к поверхности земли,можно

ных импульсов S и проведший через атмосферу, помещая акустический приемник на некотором расстоянии h от лазерных передатчиков и ориентируя его приемную антенну перпёндикуляр- JHO оси лазерных пучков. При этом иоц- ность возникшего акустического излучения пропорциональна произведению :амплитуд лазерных излучен }. При наихудаопс условиях распространения лазерного И акустического излучений дальность зондирования будет не менее 9 км при , - 500 Гц и d 45 (« - угол посылки лазерных излучений, отсчитываемый от поверхности земпи).

При распространении акустического импульса через атмосферу будет проис- ходить его частотный сдвиг вследствие частотной зависимости атмосферног го поглощения, поскольку различные компоненты частотного спектра акустического импульса поглощаются по-разному. Величина этого сдвига записывается для прямоугольного звукового импульса длительности Т в виде:

12и)г., гтг-(7 ajuJ + 1)

ь . (а,и + 1) 5

д€ а,1 (4,2425-10%8,8168-10 -Т + - ,4834-10 r)/(.30560-h )} (2)

СЗ)

а 1/(2Л-30560-P-h -);

al 1,7-Iff V( 1+0,00366-Т)

«4л ь-Р);

а 2,77-10 /(4) - aj 9.12-10 1+0,001-Т)/Р.;

h 2()-(273,15+Т)

„(eo,S -9939/(5Ti,i5 Т) «10

(4) (5) (6)

(7)

Р - давление, атм; Т - температура,С; RH - относительная влажность, %; г - расстояние, проходное звуковым импульсом, r h-sin о/i(8) ы) - частота возникшего акустического импульса. Измеряя сдвиг частотьц соответст 5 (что соответствует /| 10,6 мкм); 2 - COj-лазер, работающий на част «х OL), + 3140, 3 - COj-лазер, рабо ющий на частоте u)j а и),+цУ и) ч- + 4396, 5 - синхронизатор; 4 - ос

20 направленная аитеина акустическог приемника, в качестве которой мож быть использована решетка электро акустических преобразователей; 6 аналого-цифровой преобразователь,

вуюш максимуму в спектре принятого 25 пример, Ф4222; 7 - вычислительное

акустического импульса относительно частоты возиикшего акустического импульса, можно определить сдно из неизвестных уравнения (1), Т, Р или RIt, инея априорное знание о двух других. .Дня одновременного определения Р, Т, Ш( необходимо наличие, как минимум, трех акустических частот, для чего в атмосферу посылается дополнительно, как Мйяимум, один лазерный импульс, Частота которого «J отличается от частот первых лазерных импульсов на частоты звукового диапазона

U):

и), -tt,-o), uJj-tt), -

Измеряя сдеиги частот, соотве тст- вунцнх максимумам в спектре частоты принятого акустического импульса относительно возникших частот и), ,

35 ватели антенны 4. Возникающий в электроакустических преобразователях ан- тениы 4 электрический сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6, где преобразуется в 40 цифровую форму. С выхода аналого-цифрового преобразователя 6 на вход вы- , числительного устройства 7 поступает оцифрованньп сигнал. В вычислительном устройстве 7 производится расчет

Я решая систему из трех уравнений 45 спектра частот принятого акустическо- тийа уравнения (1) для каждого из измеренных сдвигов, можно получить информацию однороеменно о Т, Р и RH.

)Ъ1Нимапьная дпительность возникшего акустического импульса в направ- 50 излучения лазерных источников. Данные Ленин 90

го сигн;ала и определение максимумов этого спектра. С синхронизатора 5 в вычислительное устройство 7 поступает информация о длительности импульсов

относительно посылаемых лазерных пучков будет определяться шириной области перекрытия лазерных пучков на данной высоте Н от поверхности зеняи.55 , Максимальная длительность возникшего акустического импульса будет определяться длительностью посылки лазеро возникших акустических частотах закладываются в вычислительное устрой (Ство 7 как известные, исходя из известных частот излучения лазерных источников о) , oJj,, (j Окончательный расчет проводится по системам из трех уравнений типа (1-8) в вычислительном устройстве 7.

-

ных излучений. Звуковой импульс в об-, ласти перекрытия лазерных пучков возникает и оканчивается с моментом на- чала и прекращения посылки лазерных излучений. Поскольку скорость звука много меньше скорости света, то передний и задний фронты возникающего звукового импульса будут достаточно крутыми, 4тобы считать форму возникJO шего звукового импульса прямоугольной; Работа способа осуществляется с помощью устройства, изображенного на фиг. 2, где 1 - COj-лазер, работающий на частоте «, 18,22 10 рад/с

5 (что соответствует /| 10,6 мкм); 2 - COj-лазер, работающий на частоте «х OL), + 3140, 3 - COj-лазер, работа- ющий на частоте u)j а и),+цУ и) ч- + 4396, 5 - синхронизатор; 4 - остро20 направленная аитеина акустического приемника, в качестве которой может быть использована решетка электроакустических преобразователей; 6 - аналого-цифровой преобразователь, на5 пример, Ф4222; 7 - вычислительное

устройство, в качестве которого можно использовать мини-ЭВМ Злектронн- ка-60.

Лазерные источники им30 пульс энергии в узкие параллельные пучки, перекрывающиеся между собой. Возникший акустический импульс, проходя через слой атмосферы, действует на электроакустические преобразо35 ватели антенны 4. Возникающий в электроакустических преобразователях ан- тениы 4 электрический сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6, где преобразуется в 40 цифровую форму. С выхода аналого-цифрового преобразователя 6 на вход вы- , числительного устройства 7 поступает оцифрованньп сигнал. В вычислительном устройстве 7 производится расчет

спектра частот принятого акустическо-

излучения лазерных источников. Данные

го сигн;ала и определение максимумов этого спектра. С синхронизатора 5 в вычислительное устройство 7 поступает информация о длительности импульсов

излучения лазерных источников. Данные

о возникших акустических частотах закладываются в вычислительное устрой (Ство 7 как известные, исходя из известных частот излучения лазерных источников о) , oJj,, (j Окончательный расчет проводится по системам из трех уравнений типа (1-8) в вычислительном устройстве 7.

512892366

Таким образом, предлагаемый пературы и относительной влажности способ позволяет оперативно еле- атмосферы вплоть до высот дить за величинами давления, тем 9 км.

фиг.1

L-J

Редактор Т. Зубкова

Составитель В. Агапова

Техред А.Кравчук Корректор М. Пожо

Заказ 1958Тираж Подписное

ВНИШт Государственного комитета СССР

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

Проиэводственно-прлигрвфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

9ut.t

IZJ