Способ дистанционного определения параметров атмосферы Советский патент 1992 года по МПК G01W1/04 

Р /П.,о , R) Ро(л,)кЧлН1о)ти,)

Т(Лн,о )Т(Л„гР )1RN,4P(R) x

,

(t)

где Р„ - излучаемая мощность возбуждающего лазерного импульса; R , - расстояние;

Оптимальная разница между частотами лазерного излучения J T V - V, 2213,5 см 1 „ °П

Коэффициентами и постоянными велиК - пропускании всей оптической

системы;

-пространственное разрешение;

-прозрачность атмосферы;

ЛИ Т

IS

,0 чинами, входящими в уравнение (4) для простоты расчета можно пренебречь.

Далее нормируем функцию Z (R) на начальную точку и считаем, что распределение концентрации кислорода в атмосфере является постоянным вдоль горизонтальной трасты зондирования цпи может быть задано априорно для иертикапьной нпи наклонной трассы. ZСЮ Р(Дмго , R) P(oi, Ra) рассеяния назад исследуемого 20 Z(R0) РГЛец, R) Р(Л„„, RJ

Ч м „ - ГгЛ

(4)

Л -пффективпан апертура приемника;

. (t) -геометрический фактор;

N -концентрация;

I d6 1кр

( ДИ Ьференциалыюе сечение

компонента.

Т(ЛЯ)

MH,.)

Уравнение для мощности принимаемого из мучения СГР па моче кучах кислорода i спиной воины , возбуждаемого приучением с длиной ттпны Л имеет следлти им вид

100 Л вносит ошибку менее 17„ (Зуев B.F. Распространение лазерного излучения п атмосфере. - М.: Радио и снизь, 1981).

Оптимальная разница между частотами лазерного излучения J T V - V, 2213,5 см 1 „ °П

Коэффициентами и постоянными велиТ(ЛЯ)

MH,.)

В уравнение (А) входит неопреде- neinu i отношение нрочрачностей Т(Л /ТСА7).

Hdi tneM отнипение B(R)

Изобретсен- е относится к области метоопопогин. Цель изобретения - повышение точности измерения и увеличения числа одновременно измеряемых параметров атмосферы. Способ заключается в посыпке импульсоп монохроматического излучения ультрафиолетового или видимого диапазонов спектра, иэме- решги интенсивности рассеянного назад излучения п полосах спектра „ шип анного комбинационного рассеяния и ня длине волны несмещсн- ного рассеяния. Повышение чувсгвиИзобрстсние относится к метеорологии, оптике атмосферы, методам дис- танциоьного определения профилей температуры, влажности, коэффициентов ослабления и обратного рассеяния ат- мосферы одновременно. Цель изобретения - увеличение числа одновременно измеряем ix параметров и повышение точно-.- мерений. На Лиг1. 1 показаны частотные сдвиги Q-ВРтвей копеблтел1)Но-вращятельтельности и определение всех параметров атмосферы достигается посылкой в атмосферу одновременно с первым второго импульса монохроматического излучения, который находится в следующем соотношении с первым V, - t 2213,5 , и от импульса излучения с большим волновым числом измеряют интенсивность рассеянного излучения в пяти участках спектра: стоксо- вой и антистоксовой полосах чисто вращательного спектра на молекулах комбинированного рассеяния азота и кислорода, колебательно-вращательного спектра комбинационного рассеяния на молекулах азота н паров воды и несмещенное рассеянное излучение, а от импульса излучения с меньшим волновым числом измеряют интенсивность излучения колебатрльно-враща- тельного спектра СКР на молекулах кислорода и по чтим измеренным интен- сивностям рассеянного излучения определяют параметры атмосферы. 2 ил. ньгх спектров КР молекул азота, кислорода и молекул паров воды относительно частоты возбуждающего излучения; на фиг. 2 изображены выделяемые участки спектра и спектральные линии возбуждающего излучения с длинами волн Л1 и А1. Мощность Р притгмаемого излучения СКР на молекулах паров воды с длиной волны / возбуждаемого излучением с длиной волны Л, описывается уравнением с Ј (/) СЛ 00 -J О о

Р( N0j , Ю ГД (Л0, )Г(л,1Т(Лв,р

/ v 1t) ч п тf I I I1

Отношение

.KUn.c ) К (,)

RViR Hni (К).

. - i ° i )

Р(Ло , . РО Р0(Л2)

I A, iiAiliЈ ) . XlЈj L° о,

Т(Л,|

(0,)

.(Ль Г /И.)kp

vd Я н/ d SI ot обозначим черет 7, CR) .

Отношение прозрачностей Т(Лц20) / /Т(Л05) мож}ю считать равным единице, так как участки спектра с цпинамн полны и о в непосрьдствен40

1 Р i s. |R) сумма мощностей при-

шмаемого излучения в стоксовои (8t)

и антистоксовой (ast) полосах чисто нрашагеаьного спектра СКР на молеку- ттах азота и кислорода, возбуждаемых

ной близости Д1эуг от друга в шкапе.ic„,

4D излучением с длшюи волны Л,, длин волн за счет подбора волн возбуждающего излучения.Выделяемые участки спектра чисто

вращательной полосы СКР на молекулах

фиг. 1 показаны частотные сдри- кислорода и азота, возбуждаемого из- ги Q - ветвей колебательпо-вращатель- 5П лучением с длиной волны д,, выбраны ных спектров комбинационного рассеяния таким образом, что интенсивность молекул азота (N), кислорода (Ог) и молекул паров воды (II20 относительно частоты возбуждающего излучения.

Из фиг. 1 видно, что лля А, можно подобрать такую ,г, что .1Нг

55

tlOO А и ДСа- НПО Л.

Пренебрежение пектрлпьчым ходом прозрачности и интервале длин BOiJi

стоксового участка падает с ростом температуры, а антистоксового - растет, сумма же интенсивностей стоксового и антистоксового участков вра- щательной полосы СКР на молекулах азота и кислорода от температуры не зависит.

R итоге имеем

iLl.s.

R)

тчл

Ряр(Л01, N,, R)

B(R) B(Rn)

где

35

40

pt Лм , К) - мощность принимаемого излучения CICP на молекулах азота (N,) с длиной волны д N , возбуждаемого излучением с длиной волны

л,;

N,, R) - Р(Л5017, N,, R) +

1 Р i s. |R) сумма мощностей при-

шмаемого излучения в стоксовои (8t)

и антистоксовой (ast) полосах чисто нрашагеаьного спектра СКР на молеку- ттах азота и кислорода, возбуждаемых

(

.ic„,

кислорода и азота, возбуждаемого из- лучением с длиной волны д,, выбраны таким образом, что интенсивность

стоксового участка падает с ростом температуры, а антистоксового - растет, сумма же интенсивностей стоксового и антистоксового участков вра- щательной полосы СКР на молекулах азота и кислорода от температуры не зависит.

R итоге имеем

1)

T(M Г(Х,., R) rf -°

.J)

, , R; (5)

С учетом урявнення (5) уравнение (Ь) примет следующий вид:

W в ЈОЧо JO P(Agl R0 ) NM10(R0) P(AHt0R0)

, PQWR) (,)

,R. )

(6)

15

20

параметров атмосферы, осиовлниый и; посылке п атмосферу нмпуяьсл монохроматического излучения ультрафиолетового или видимого диапазона спектра, намерении интеигтгвностей рассеянного излучения в полосах чисто вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния света, по которым определяют распределение температуры, о т-JT и ч а ю п и П с я тем, что, с целью ПОРЫ;МГЧ;ИЯ точности измерений и увеличения числ.з игмерчРМ1-1Г пара- петров, в атмосферу одновременно лают второй импульс монохроматического тчучения, волновое число которого находится в следующем соотношении с волновым числом первого импульса V,- V 2213,5 см 1, интенсивность излучения чисто врапательного спектра

Таким образом, распределение концентрация паров воды пдоль трассы зондирования относительно начапьной точки описывается уравнением ff. в правую часть которого иходпт все измеряемые величины.

Температура атмосферы определяется из отношения интенсивностей рассеянного излучения в стоксовой и антистоксовой полосах чисто вращательного спектра спонтанного хомГншашюн- 25 спонтанного комбинационного рассеяния ного рассеяния спета.„а мочекулах азота и кислорода

Коэф1})ицн1гчт обратного рассеяния ют от излучения импульса с большим на ЛГТННР воины гплучения передатчи- волновым числом, от этого же импуль- ка Л, измеряется по отношению сигнала ;са измеряют интенсивность колебат ель™ несмещенного рассеяния к сигналу чис- 30 )0 прал1ател1 Ного спектра спонтанного то вращательной полосы CKF.комбинационного рассеяния на молекуИспользопаипе способа обеспечивает следующие пре гмутдестпа: возможность определения большего числа атмосфер™ ных параметров одновременно -за счет использования аэрочоаьного рассеяния и спектров комбинационного рассеяния атмосферных газов; увеличение точности измерений зл счет учета прозрач- ности атмосферы, определчемой в процессе самих измерений; позволяет работать с фиксированными по частоте лазерами не требующими настройки на

35

40

лах азота, паров воды и несмещенное рассеянное излучение, а от 1тмпульса излучения с меньшим волновым числом измеряют интенсивность излучения колебательно-вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния на молекулах кислорода, и по этим измеренным значениям интеиснвностей рассеянного излучения определяют распределение температуры, влажности, коэффициенты ослабления и обратного рассеяния.

h

Ш

15

20

7МПО6

конкретнее линии и перестройки члсто- ты в процрсгг тмерений. Формула и ч о 0 р г т г н и л

СиоСОб ДИСТаНЦИОННОГО ОПрРГРЛ ННЯ

параметров атмосферы, осиовлниый и; посылке п атмосферу нмпуяьсл монохроматического излучения ультрафиолетового или видимого диапазона спектра, намерении интеигтгвностей рассеянного излучения в полосах чисто вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния света, по которым определяют распределение температуры, о т-JT и ч а ю п и П с я тем, что, с целью ПОРЫ;МГЧ;ИЯ точности измерений и увеличения числ.з игмерчРМ1-1Г пара- петров, в атмосферу одновременно лают второй импульс монохроматического тчучения, волновое число которого находится в следующем соотношении с волновым числом первого импульса V,- V 2213,5 см 1, интенсивность излучения чисто врапательного спектра

- 25 спонтанного комбинационного рассеяния „а мочекулах азота и кислорода

лах азота, паров воды и несмещенное рассеянное излучение, а от 1тмпульса излучения с меньшим волновым числом измеряют интенсивность излучения колебательно-вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния на молекулах кислорода, и по этим измеренным значениям интеиснвностей рассеянного излучения определяют распределение температуры, влажности, коэффициенты ослабления и обратного рассеяния.