Способ определения влажности в атмосфере с развитой турбулентностью Советский патент 1991 года по МПК G01W1/02 

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано при дистанционном зондировании свободной атмосферы, в частности при определении влажности атмосферы с развитой турбулентностью воздушных потоков.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - пример экспериментально получаемых спектров плотности мощных эхо-сигналов в двойном логарифмическом масштабе; на фиг.З - экспериментально наблюдаемая частотная зависимость отношения спектров плотности мощности.

Устройство содержит лазерный источник 1, блок 2 формирования пучка излучения с заданным диаметром сечения, поворотное зеркало 3, зеркальный телескоп 4, отражающее зеркало 5, устройства 6-9 разделения по длинам волн, фотоприемники 10, блоки 11 фильтрации, Фурье-анализаторы 12 интегрирующие блоки 13, вычислительное устройство 14 и индикатор 15.

Выбранную для измерения трассу облучают импульсами электромагнитного излучения, например импульсами монохроматического излучения от лазерного источника 1. Длина волны импульсов излучения изменяется путем дискретного переключения на две длины волны Ai и fa.. При этом одна из длин волн излучения i ± ДЯ где

о

00

о со ю

ЛЯ полуширина линии излучения, попада ет в контур резонансной линии поглощения водяного пара Время переключения выбирается таким, чтобы выполнялось условие замороженное атмосферы - для импульсов с длинами волн AI и А2 флуктуации метеопараметров атмосферы должны быть идентичными. Это время имеет величину 103 с. Излучаемый источником импульс формируется в блоке 2 так чтобы пучки излучения с длинами волны AI и fa пространственно совмещались и проходки по одной и той же трассе зондирования а поперечный диаметр пучков устанавливают соизмеримым с внутренними масштабами турбулентности, т е d 10 мм В качестве формирователя 2 используются линзовый коллиматор и поворотное зеркало 3, отраженное излучение поступает в зеркальный телескоп 4 В зависимости от решаемой задачи отражательным элементом на трассе может служить зеркало 5 либо топографический отражатель, либо рассеивающее обра- зование в атмосфере -аэрозольные частицы Эхо-сигнал фильтруется по длинам волн на линиях поглощения fa и пропускания AI Для этого служат устройства 6-9

Устройство 6 представляет собой ограничивающую диафрагму Далее излучение разделяется на два канала при помощи полупрозрачного зеркала 7 В каждом из каналов установлены интерференционные фильтры 8 и 9 соответственно для длины волн излучения AI или fa Отфильтрованное по длинам волн излучение попадает на фотоприемники 10 где преобразуется в электрические сигналы соответствующие интенсивности излучения на длинах волн AI и fa, которые подвергаются электриче ской фильтрации в блоках 11, где из поступающих электрических сигналов выделяют флуктуирующие во времени стохастические составляющие эхо-сигнала Выделенная стохастическая составляющая эхо-сигнала подвергается Фурье-частотному анализу в реальном масштабе времени, т е за время одной реализации Для этого применяются Фурье-анализаторы 12 спектра отдельно для длин волн эхо-сигнала на AI и fa Спектральные составляющие Фурье частотного анализа или Фурье-образца, пол ученные для каждой реализации интегрируются или накапливаются в течение цикла измерения в блоках 13 Полученная информация о спектральных плотностях флуктуации поступает в вычислительное устройство 14, где производится расчет измеряемого параметра Результат выводится на индикатор 15

В свободной атмосфере с развитой турбулентностью под действием локальной температуры и плотности водяного пара существует пространственная зависимость

диэлектрической проницаемости В случайном поле г (t, r) электромагнитное излучение испытывает стохастические модуляции, глубина и спектр которых определяются условиями распространения излучения и

0 флуктуации метеопараметров

Такие оптические параметры среды как показатель преломления n Vf и коэффициент ПОГЛОЩРНИЯ водяным паром являет ся функциями давления Р температуры в,

5 плотности водяного пара е Малые стохости- ческие флуктуации оптических параметров пропорциональны производным по локальным значениям Р(Р; в(г) и е(г) и зависят от них Статистические характеристики

0 флуктуации такие как спектр и корреляционная функция отличаются для электромагнитной волны прошедшей трассу зондирования без поглощения водяным паром и для волны частично поглощающейся

5 водяным паром

На фиг 2 представлены полученные экспериментально спектральные плотности мощности флуктуации эхо-сигналов двух лазерных n/чков с длиной волны излучения

0 AI 1 08 мкм - не поглощаемого водяным паром и fa - 1 15 мкм - частично поглощаемого водяным паром и распространяющихся одновременно по одной и той же трассе длиной L 250 м

5Спектры плотности мощности флуктуации эхо-сигналов и их зависимости от частоты ш (f) и d)2 (0 соответствующих AI и fa отличаются друг от друга Конкретный пример экспериментально получаемых спектров Ig a) (f) и Ig Mi(i) в двойном логарифмическом масштабе представлен на фиг 2 Экспериментально наблюдаемая зависимость соотношения Ig от частоты при различных метеопараметрах на трассе измеряемых независимыми методами, представлена на фиг 3 По трассе устанав- ливаются датчики скорости ветра V, температуры 0°С и абсолютной влажности ё Затем определяются частоты, соответствующие экстремуму зависимости и на основании полученного максимального значения fm определяют вл госодержание по формуле

igfm - Igf0 + Ва

где а Y+(tfffi660

Возможны два подхода к использова нию этой зависимости для решения обратной задачи измерения средней величины

5

0

5

абсолютной влажности на трассе по экспериментально определенным величинам а: теоретический расчет зависимости Ig (Wi/ftJ2 и экспериментальное построение калибровочной зависимости lgfm Igfo + Ba с независимыми измерениями а,

Использование данного технического решения позволит повысить точность определения влажности свободной атмосферы с развитой турбулентностью ветровых пото- ков при достижении следующих положительных эффектов. Дисперсия амплитуды эхо-сигнала может быть соизмерима со средней величиной эхо-сигнала в цикле измерений. При этом открывается возмож- ность использования маломощных источников излучения. Неконтролируемые деформации и сдвиги контура линий поглощения водяного пара, возникающие в зоне зондирования с изменением метеоусловий, не являются критическими параметрами способа, и поэтому не отражаются на точности измерений в широких пределах вариаций метеоусловий. Селективные свойства отражательных устройств или образований не влияют на стохастический характер эхо- сигнала, поэтому отпадает необходимость калибровки отражательных характеристик отражателей, а в процессе измерений отра

жатель может изменять свои свойства пример адсорбировать влагу

на

Формула изобретения Способ определения влажности в атмосфере с развитой турбулентностью заключающийся в посылке пучков излучения с дискретно изменяемой длиной волны, приеме в течение цикла измерений и фильтрации эхо-сигнала с длиной волны поглощения и пропускания водяного пара, определении дальности до элементарных рассеивающих объемов, по которым судят о величине средней влажности на трассе измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, посылаемый пучок излучения формируют с поперечным сечением, соизмеримым внутреннему масштабу турбулентности, дополнительно проводят пространственно-временную фильтрацию и выделение стохастических составляющих эхо-сигнала, производят Фурье-частотный анализ, накапливают спектральные составляющие эхо-сигнала в течение цикла иэ- мерений отдельно для длин волн поглощения и пропускания водяного пара, а о величине средней влажности на трассе измерений судят по отношению спектральных плотностей составляющих эхо-сигнала.

Изобретение относится к метеорологии, а именно к дистанционному зондированию атмосферы с развитой турбулентностью воздушных потоков. Для повышения точности определения влажности в данном способе по сравнению с известными посылают в атмосферу пучок излучения с диаметром сечения равным характерному масштабу внутренней турбулентности, выделяют флуктуирующее во времени стохастические составляющие эхо-сигналы путем пространственно-временной фильтрации и Фурье- анализа отдельно для длин волн поглощения и пропускания водяным паром, и по отношению их спектральных плотностей флуктуации определяют содержание водяного пара. Способ позволяет использовать источники излучения малой мощности, а также исключить погрешности, связанные с деформациями и сдвигами контуров линий поглощения водяного пара, и избежать необходимости калибровки характеристик отражателей. (Л С

Фиг.1

l . M . 3.

iO

0,5 OJ

0.7

/

ч

45

V

/

X

s....

1иг. 3

Составитель Е.Трофимов

Техред М.МоргенталКорректор М.Кучерявая

Редактор И.Горная

Заказ 3596ТиражПодписное

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

° 4/, Гц

s

,/

x

( 54/,Ги