Способ определения структурной характеристики показателя преломления атмосферы Советский патент 1989 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано для дистанционного измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы для обеспечения работы лазерных связных и дальномет- рических систем.

Целью изобретения является повышение точности измерений и увеличения диапазона длин исследуемых трасс.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 - маска, устанавливаемая перед фотоприемниками; на фиг.З - временные диаграммь, поясняющие работу устройства.,

Устройство содержит одномодовый лазер 1, электрооптический модулятор 2, блок 3 формирования напряжения для модулятора, приемную оптическую систему, состоящую из объек-тива 4 и

микроскопа 5 с микрофотонасадкой, полупрозрачные зеркала 6 и 7., маски

.8 и 9, фотоприемники 10 - 12, резонаторы 13 - 15, усилители 16 - 18,, детектирующие устройства 19 - 21, устройства 22 - 24 выборки хранения, аналого-цифровой преобразователь 25.

.HSi.

СП

3149

блок 26 управления, микро-ЭВМ 27, регистрирующее устройство 28.

Способ осуществляют следующим образом,

Непрерывное излучение одномодово- го лазера 1 модулируется по интенсивности в электрооптическом моду,11я- торе 2 с частотой и глубиной моду,ля- ции, задаваемыми блоком 3 формирова- ния иапряжения, Модулированное излу- чение посылается в исследуемую среду в направлении приемной части устройства. Прошедшее через среду излучение фокусируется объективом 4, фокальная плоскость которого совмещена с предметной плоскостью микроскопа 5 с мик- рофотонасадкой. В плоскости изображения микроскопа 5 с микрофотонасад- кой установлен фотоприемник 11.,

Кроме того, на оптической оси приемной оптической системы, состоящей из объектива 4 и MiiKpocKona 5 с микро фотонасадкой, между микроскопом 5 с микрофотонасадкой и фотоприемником 1 расположены два полупрозрачных зеркала 6 и 7 под углом 45° к главной оптической фокальной оси, а в плоскости, образованной приемной оптической системой совместно с полупрозрачшлми зеркалами 6 и 7, помещены маски 8 к

9.Световой поток, прошедший через маску В, поступает на фстоприе.мник

10,а через маску 9 - на фото1 :рие пник 12.

При этом маски 8 и 9 выполнены с коэффициентом пропускания, который изменяется по линейному закону по одной координате и постоянным по другой

о (%- а), --i), ,

де 0 %

коэффициент пропускания, величина которого теоретичес- 45 ки может достигать значения 1 ;

размер маски;

координата, изменяющаяся от О до а;,Q

И 1(х,у)

11 ITJT

.

k,

сигн резо моду лазе усил ванн щими ступ ки -х ваем ния ющих в со 24 в чени лого цифр ЭВМ числ энер

xdxdy

j I(x,y) dxdy

t - минимальный коэффициент пропускания ;

,- градиент коэффициента пропускания маски.

При этом, если микроскоп 5 с микрофотонасадкой формирует изображение системы координат хоу, то маска 8 имеет переменное пропускание по оси X, а маска 9 по оси у.

Токи фотоприемников 10 - 12 i,, i, ij соответственно определяются следующими выражениями:

а а i, k,J{ I(x,y,t) dx dy;

act

i, I(x,y,1:)((x-a)t,-i-to) dx dy;

00

на

,jj I(x,y,t)((y-a)1. +oj dx dy,

о О

где I(x,y,t) - значение освещенности в плоскости изображения в точке с координатами (х,у) в момент времени t;.

k,,k, k - постоянные коэффициенты, учитывающие поглощение света в оптических элементах и квантовую эффективность фотоприемников 10-12о

С выходов фотрприемников 10 - 12 сигналы поступают на соответствующие резонаторы 13 - 15, настроенные на модуляции интенсивности излучения лазера 1 . Усиленные соответствувощими усилителями 16 - 18 и продетектиро-. ванные соответствующими дет.ектирую- щими устройствами 19-21 сигналы поступают на устройства 22 - 24 выбор- ки -хранения о В моменты времени, задаваемые блоком 26 управления, значения напряжений на выходах .детектиру-. ющих устройств 19-21 запоминаются в соответствующих устройствах 22 - 24 выборки-хранения о Затем эти значения напряжений преобразуются ана- лого-цифровьгм преобразователем 25 в цифровую форму и передаются в микро- ЭВМ 27, в которой осуществляется вычисление значений координат ,у энергетического центра изображения

xdxdy

dxdy

.- R-Л;

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы. Цель изобретения - повышение точности измерений и увеличение диапазона длин исследуемых трасс. Исследуемую трассу зондируют лазерным излучением, прошедшее излучение фокусируют, выделяют из него два потока излучения, которые пропускают через маски с линейноизменяющимся светопропусканием в одном направлении и постоянным - в другом. Маски повернуты одна относительно другой на 90°. Регистрируя несколько раз величины основного и выделенных световых потоков, вычисляют значение дисперсии перемещений энергетического центра изображения источника излучения, по которой судят об искомой величине. 3 ил.

, лI (Xiy) ydxdy

°« ., . , , + k5 f C-- л

.-, + ((,(,-,,).

it Kx.y) dxdy

k,

Вторые слагаемые в фррмулах имеют постоянное значение и компенсируются

k5

k,

программным способом., Через инуер- . вал времени, задаваемый программой

с микро-ЭВМ 27, блок 26 управления выдает импульс управления на устройства 22 - 24 выборки-хранения и

процесс повторяется (фи ЭВМ 27 вычисляет дисперс ний энергетического цент жения

-ГМЗ.

шмм.. itiEjia:

N

где N - число циклов определения положения энергетического центра изоб- рггжения;

...N - номер измерення величин интенсивностей потоков излучения. Значение структурной характеристики показателя преломления С определяется по формуле

о 1

р1

5,68

где DQ - диаметр приемной апертуры;

F - фокусное расстояние приемной оптической системы, равное произведению фокусного расстояния объектива и увеличения микроскопа с микро- фотонасадкой;

L - дпина исследуемой трассы. Вычисленное значение Ср выдается на регистрирующее устройство 28, например электрифицированную печатающую машинку.

В конкретном варианте реализации способа использовался лазер типа ЛГ-79-1, работающий в одномодовом - режиме с выходной мощностью мВт. Для уменьшения влияния фоновой засветки излучение лазера пропускалось через электрооптический модулятор типа МЛ-102, в котором осуществлялась модуляция интенсивности лазерного излучения по синусоидальному закону с частотой 465 кГц В качестве приемной оптической системы использовался объектив Юпитер-б. , Изображение источника излучения в фокусе объектива анализировалось с помощью Оптико-электронного блока.Обработка выходных сигналов оптико-электронного блока производилась с помощью специально разработанного электронного блока приемной части, вычисление измеряемого параметра С„ производилось микро-ЭВМ Электрони- ка-60 „

процесс повторяется (фиг,3).Микро- ЭВМ 27 вычисляет дисперсию перемещений энергетического центра изображения

N

Измерительная трасса имела длину 300 м. Результат измерений

с;; 7,2 10 G.i 0,6 10

- м

-

-U . -2/3

Таким образом, предлагаемый способ определения структурной характеристики показателя преломления атмосферы по сравнению с известными способами позволяет повысить точность измерения за счет устранения погрешностей приближений метода плавных возмущений для интенсивности и более полного использования излучения лазера на приемной стороне, так как на входной диаметр приемной.оптической системы ограничений нет Кроме того, иапазон турбулентньгх толщ, которые огут исследоваться, неограничен.

Формула изобретения

0

0

Способ определения структурной характеристики показателя преломления атмосферы, включающий зондирование лазерным источником излучения исследуемой трассы атмосферы и фокусир/о- вание приемной оптической системой прошедшего через исследуемую трассу излучения с формированием изображед ния источника излучения, по которому судят о структурной характеристике показателя преломления атмосферы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и увеличения диапазона длин исследуемых трасс, при фокусировании прошедшего исследуемую трассу излучения выделяют из него два дополнительных световых потока излучения, линейно

g ослабляют интенсивность излуг1ения по площади сечения дополнительных потоков в одном из направлений, причём указанные направления для кшкдого из дополнительных потоков излучения ортогональны между собой, регистрируют N раз величины интенсивностей основного и дополнительных потоков излучения, а затем вычисляют значение дисперсии G перемещений энергетического центра изображения источника излучения по зависимости

|(ilL)4(ilL))

i ffij:::iiL: iiL

/ N - 1

( ) . j -j

N2 1

где о - градиент ослабления интенсивностей излучения по площади сечения;

Фиг.1

,...,N - порядковый номер измерения величин интенсивностей потоков излучения; i(, i - величины интенсивностей

дополнительных потоков излучения ; i, - величина интенсивности

основного потока излучения,

и определяют структурную характеристику показателя преломления атмосферы Cj по формуле

. . C-JDf. п 5,68 F2L

где DIJ - диаметр апертуры приемной

оптической системы; F - фокусное расстояние приемкой оптической системы; L- - длина исследуемой трассы.

фиг. 2

ч

-ю

.

«NJ

t-5

Составитель С«Голубев Редактор Ю Середа Техред м.Дидык Корректор Т.Малец

Заказ 4436/44

Тираж 789

ВНИИТШ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

-io

Ю

-fo

40

tn

A)

:э &

Й f CM

5 ::з

h

CNl CM

3 :з

Подписное