Способ определения оптических характеристик атмосферы и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к фотометрии атмосферы и может применяться для измерения оптических параметров атмосферы, а также может быть использовано для контроля уровня аэрозольных загрязнений естественного и искусственного происхождения.

Цель изобретения - повышение точности измерений оптических характеристик атмосферы и упрощение аппаратурной реализации устройства.

, Способ определения оптических характеристик атмосферы реализуется по следующему алгоритму. В условиях вбздействия внешней фоновой засветки на чувствительную площадку приемника поступает сигнал

Р; (R)P(R)+Cl) ,

где P(R) - световой поток, обусловленный полезным сигналом лидара с дальности R; Ф- фоновь1й поток излучения.

Для атмосферы с неизменной индикатриссой рассеяния, в соответствии с лидарным уравнением

P(R) А ba (R) T2(R) R, где а-объемный коэффициент рассеяния; b - индикатриса рассеяния назад (лидарное

R

отношение); T(/R) ехр (J а (R) d R) - про lO .

зрачйость атмосферы; А - аппаратурная константа.

При использовании оптического компенсатора квадрата расстояния, с учетом действия фонового излучения, сигнал на входе фотоприемника будет равен : S(R)m P(R)R + a -Ф где m,a - коэффициенты пропорциональности. Сигнал на выходе фотоприемника Uo(R) (R)R + а Ф, где К - коэффициент преобразования фотоприемника: ( Ф) ko, k(Ф) - фактор фона, учитывающий влияние фоновой засветки. Наличие в ряде случаев сильной зависимости коэффициента преобразования от интенсивности фона приводит к значительным ошибкам определения оптических параметров атмосферы по результатам измерения S(R) или Р т (R). С целью ослабления перегрузки фотоприемника под влиянием интенсивного фона используется стрЬбирование, причем, во-возможности в его первых каскадах (например в ФЭУ), чтобы не допустить перегрузки и насыщения последующих. При достаточно большой скважности стробирования удается значительно ослабить действие фона. Поэтому фактор фона стробируемого приемника Кс(Ф ) значительно меньше, чем К( Ф), и можно считать kc( Ф) k(Ф}/Q, где Q - скважность. Тогда сигнал на выходе стробируемого приемника U(R) koM Ф) Uo(R). Далее, фоновая засветка компенсируется путем вычитания из полезного сигнала (сигнала обратного рассеяния) предварительно измеренного и запомненного уровня фона. Сигнал на выходе блока вычитания имеет вид U (R) k kc(Ф) a(R)T(R), где k-i - коэффициент пропорциональности, включающий k, m. Продифференциировав U по R, разделив на Ui имеем уравнение для определения коэффициента рассеяния а G(R) U1 В результате такой обработки принятых сигналов удается устранить влияние на результат измерений как аддитивной, так и мультипликативной составляющих погрешности измерений, обусловленной фоном. Решение уравнения относительно а имеет вид а (R) 4 ехр (/ G (R) d R) / о //exp(/G(R)dR)dR оо На фиг.1 показана функциональная схема устройства для-определения оптических характеристик атмосферы; на фиг.2 - временные диаграммы сигналов в различных точках устройства. Устройство содержит блок управления 1, вход которого соединен с генератором тактовых импульсов 2, а выходы с излучателем 3, одновибраторами 4 и 5, причем выхо-ды одновибраторов соединены со входами логического элемента ИЛИ 6, выход которого соединен со входом управляющего сигнала 7, выход которого соединен с фотоприемником 8, оптически связанным с устройством компенсации квадрата расстояния 9. Представленные на фиг.1 блоки 4-7 образуют блок регулировки чувствительности и являются одним из вариантов его построения. Выход фотоприемника 8 связан с последовательно соединенными мтробируемым усилителем 10, пиковым детектором 11 и блоком памяти 12, причем управляющий вход стробируемого усилителя 10 соединен с выходом одновибратора 4, а сбросовый вход пикового детектора 11с выходом одновибратора 5. Блоки 10-12, совместно с блоком вычитания 13 на фиг.1 представляют один из вариантов построения блока компенсации фона. Фотоприемник 8 соединен также со входом блока дифференцирования 14 и одним входом блока 13, другой вход которого соединен с выходом блока памяти 12. Выходы блоков дифференцирования 14 и вычитания 13 соединены со входами блока деления 15 выход которого подсоединен к входу блока аналоговой обработки 16, выход которого соединен с регистратором 17, другой вход которого соединен с выходом электронного счетчика 18, который соединен с выходами генератора тактовых импульсов 2, одновибратора 5 и фотоприемника опорного канала 19, оптически связанного с излучателем 3. На фиг.2 обозначено: а) импульс на выходе одновибратора 4 б) импульс на выходе излучателя 3, в) импульс на выходе одновибратора 5, г) сигнал на выходе логического элемента ИЛИ, д) сигнал на выходе фотоприемника 8, е) сигнал на выходе блока запоминания 12, ж) сигнал на выходе блока вычитания 13, з) сигнал на выходе электронного счетчика 18. Устройство для определения оптических характеристик атмосферы работает следующим образом. Синхроимпульсами с генератора тактовых импульсов 2 синхронизуется блок управления 1, задающ,ий режимы работы блоков устройства во времени. Сначала импульсом с блока 1 запускается одновибратор 4, коротким импульсом с выхрда которого отпирается стробируемый усилитель 10 и, через логический элемент ИЛИ 6, формирователь управляющего сигнала 7 отпирается фотоприемник 8, для этого момента запертый. В этот момент времени запуск излучателя 3 еще не происходит, а на выходе фотоприемника 8 и, далее стробирующего усилителя 10 появлется импульс, амплитуда которо го пропорциональна интенсивности фоновой засветки. С помощью пикового детектора 11 и блока памяти 12 уровень фона фиксируется и поступает на первый вход блока вычитания 13. После этого с блока управления 1 проходит команда на запуск излучателя 3 и одновибратора 5. Одновибратор 5 вырабатывает строб-импульс, ширина которого соответствует выбранной длине зондируемой трассы. Этот импульс через логический элемент ИЛИ, и формирователь 7 отпирает фотоприемник 8 на необходимое время, так, что рассеянный исследуемой средой сигнал излучателя 3 преобразуется на выходе приемника 8 в электрический сигнал, который поступает на второй вход блока вычитания 13. В блоке 13 происходит вычиVaниe фона. Задним фронтом строба блока 5 осуществляется сброс пикового детектора 11 и электронного счетчика 18.

В блоке дифференциирования 14 вычисляется производная сигнала по времени. Полученный результат нормируется в блоке деления 15 на сигнал разности с блока 13. Сигнал с выхода бл,ока деления подается в блок аналоговой обработки 16, включающий в себя интеграторы 20 и 22, экспоненциальныйфункциональныйпреобразователь 21 И блок деления 23, и далее на регистратор 17.

Часть энергии излучателя 3 отводится на фотоприемник опорного канала 19, сигналом с выхода которого запускается счетчик 18. Выход счетчика 18 соединен с регистратором 17 для привязки измеренных значений коэффициента рассеяния к шкале дальности.

Формула изобретения 1. Способ определения оптических характеристик атмосферы, состоящий в том, что в исследуемую область атмосферы при нЭличии фонового излучения направляют электромагнитное излучение, рассеянное назад излучение преобразуют в электрический сигнал, определяют зависимость этого сигнала от времени, по которой вычисляют исходную оптическую характеристику, отличающийся тем, НТО, с целью повышения точности измерений при воздействии фоновой засветки, предварительно преобразуют с селекцией во времени фоновое излучение в электрический сигнал

фоновой засветки, из электрического сигнала рассеянного назад излучения вычитают электрический сигнал фоновой засветки, а оптические характеристики вычисляют из отношения производной по времени от электрического сигнала принятого рассеянного назад излучения и результата вычитания.

2.Устройство для определения оптических характеристик атмосферы, содержащее блок управления, соединенный с излучателем, электронный счетчик, и последовательно соединенные оптический компенсатор дальности и фотоприемник, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при воздействии фоновой засветки и упрощения устройства, фотоприемник выполнен стробируемым, дополнительно введены

блок регулировки чувствительности фотоприемника, блок компенсации фона, блок дифференциирования, блок деления, блок аналоговой обработки, второй фотоприемник, генератор тактовых импульсов и регистратор, причем выход стробируемого фотоприемника соединен с входами блока дифференциирования и блока компенсации фона, выход которого соединен с входом блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока дифф,еренциирования, выход блока деления через блок аналоговой обработки соединен с регистратором, вход блока управления соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход его - с

входом блока регулировки чувствительности фотоприемника, выходы которого связаны с управляющим входом стробируемого фотоприемника, блоком компенсации, а также с входом сброса электронного счетчика, излучатель оптически связан с вторым фотоприемником, выход которого соединен с входом запуска электронного счетчика, тактовый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход

электронного счетчика соединен с регистратором.

3.Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок аналоговой обработки

состоит из последовательно соединенных интегратора, экспоненциального преобразователя, второго интегратора и блока деления, причем второй вход блока деления соединен с выходом экспоненциального преобразователя.

Изобретение Относится к фотометрии атмосферы и позволяет повь1сить точность измерений оптических характеристик, а также упростить аппаратурную реализацию устройства. Блок управления 1 запускает одновибраторы 4 и 5 импульсами с которых управляют стробирую.щий усилитель 10 и фотоприемники 8. В блоке памяти 12 фиксируют значение сигнала фоновой засветки, который предварительно детектируют с пиковым детектором 11. В блоке вычитания 13 сигнал обратного рассеяния электромагнитного импульса, излучаемого в атмосферу блоком 3, компенсируют на величину фона. Сигнал обратного рассеяния дифференции- руют в блоке 14 и нормируют в блоке деления 15. Значения ослабления атмосферы получают, обрабатывая сигнал в блоке 16. 2 с., 1 з.п.ф-лы, 2 ил.(Лс