Устройство для определения параметров атмосферы Советский патент 1992 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к измерительной технике в метеорологии и может быть использовано для исследования атмосферы с орбиты космических летательных аппаратов.

Известно устройство для определения параметров атмосферы, а именно спектральный озонометр, включающий осветительный объектив, двойной монохроматор, выполненный по модифицированной схеме Эберта-Фаста и имеющий входную щель, приемник излучения и блок регистрации и обработки, в котором за счет оптимизации взаимного расположения элементов моно- хроматора достигают повышения точности

измерений общего содержания атмосферного озона вследствие увеличения динамического диапазона регистрируемых сигналов.

Недостатком известного устройства является отсутствие контроля влияния рефракции на результаты измерений, что осложняет привязку наблюдений к оптической трассе, и снижает точность измерений.

Известно устройство для определения параметров атмосферы, а именно содержания озона и аэрозоля в атмосфере, методом затменноТо зондирования, которое содержит осветительный объектив, установленный перед входной

2

О

СО

4 Ч

)

щелью монохроматора, приемник излучения, исполнительный механизм системы наведения и блок регистрации и обработки данных, Монохроматор выполнен четы- рехканальным, в устройстве предусмотрена установка чувствительности. Прибор позволяет одновременно измерять содержание озона и аэрозоля, однако не дает возможности учесть влияние рефракции в ходе измерений. Рефракция солнечных лучей в атмосфере Земли приводит к тому, что высота Солнца над горизонтом увеличивается на угол у, величина которого тем больше, чем ниже над горизонтом находится Солнце, т.е., чем глубже погружение оптической трассы в атмосферу Земли. Поэтому по мере приближения Солнца к горизонту возрастает погрешность измерения вертикальных профилей содержания исследуемых газовых компонент в силу возрастания погрешности определения высоты трассы, причем угол рефракции при этом может достигать 2-5°.

Кроме этого, система наведения устанавливает оптическую ось монохроматора в направлении на центр яркости Солнца, который совпадает с геометрическим центром лишь в случае практически полного отсутствия рефракции солнечных лучей в атмосфере Земли, т.е. в начале измерений на заходе и в конце измерений при восходе Солнца относительно КЛА.

Рефракция солнечных лучей в атмосфере Земли приводит к искажению формы солнечного диска, при этом центр яркости Солнца смещается относительно геометрического и занимает неопределенное положение. Уменьшение вертикального углового размера Солнца может достигать десятков минут. За счет расхождения ярко- стного и геометрического центров Солнца возникает дополнительная погрешность определения высоты трассы. Таким образом, недостатком известного устройства является малая точность измерений, обусловленная неконтролируемым наведением на центр диска Солнца, и ограниченность функциональных возможностей за счет отсутствия определения величины атмосферной рефракции во время измерений.

Известно устройство для определения параметров атмосферы, а именно ультрафиолетовый спектральный озонометр, содержащий осветительный объектив, установленный перед входной щелью монохроматора, приемник излучения, блок регистрации и обработки данных измерений, причем осветительный объектив выполнен в виде набора идентичных оптических элементов, разделенных

непрозрачными прослойками и расположенных по высоте входной щели монохроматора, при этом каждый оптический элемент выполнен в Риде части линзы с

прямоугольным поперечным сечением и сферической фронтальной поверхностью, фокусное расстояние связано с угловым размером Солнца. Подобное выполнение объектива снижает влияние

0 рассеяния излучения в атмосфере, но из- за неучета рефракции возникает дополнительная погрешность определения высоты трассы.

Таким образом, недостатком известно5 го устройства являются малая точность, обусловленная неконтролируемым наведением на центр диска Солнца, и ограниченность функциональных возможностей за счет отсутствия определения величины ат0 мосферной рефракции во время измерений. Целью изобретения является повышение точности за счет контроля наведения на центр солнечного диска и расширение функциональных возможностей за счет одно5 временного определения величины атмосферной рефракции,

Цель достигается тем, что устройство для определения параметров атмосферы, включающее осветительный объектив,

0 установленный перед входной щелью монохроматора, приемник излучения, исполнительный механизм системы наведения и блок регистрации и обработки данных, в соответствии с изобретением,

5 снабжено светоделителем и двумя идентичными фотоприемными каналами, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных блока управления, дискретной фотоприемной линейки, ограничителя

0 амплитуды сигнала и интегратора, выходы интеграторов каждого канала соединены с соответствующими входами введенных сумматора, выход которого подключен к блоку регистрации и обработки данных, и диффе5 ренциального усилителя, выход которого подключен к исполнительному механизму системы наведения, причем дискретные фотоприемники линейки оптически сопряжены со светоделителем, установлены-между

0 осветительным объективом и входной щелью монохроматора.

Выполнение фотоприемных устройств в виде дискретных линеек и введение последовательно с линейками ограничителей ам5 плитуды сигнала и интегратора в каждом оптическом канале позволяет при приеме оптического излучения выработать сигнал, пропорциональный числу засвеченных дискретных элементов каждой линейки, причем ведением ограничителя амплитуды достигают выравнивания сигнала по амплитуде. Поэтому формируемый сигнал разбаланса используют для компенсации искажений формы диска Солнца из-за вариации рефракции по углу места, что позволяет уточ- нить параметр трассы. Сумматор необходим для измерения вертикального размера диска Солнца, при этом, зная истинный размер источника (Do 32 угл.мин), можно определить рефракцию на любой трассе, что дает возможность измерить рефракцию непосредственно при приеме сигнала на любой трассе. Введением дифференциального усилителя добиваются того, что сигнал разбаланса, подаваемый на исполнительные механизмы, не зависит от яркости Солнца и пропорционален разности засвеченных дискретных элементов в каждой линейке.

На фиг.1 приведена функциональная схема прибора; на фиг.2 - эскиз датчика наведения (по одной оси).

Устройство содержит подвижное зеркало 1, отклоняющее пучок лучей на осветительный объектив 2, установленный за ним светоделитель 3, и входную щель монохро- матора 4. Светоделитель 3 оптически связан с двумя фотоприемными каналами, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных блока 5 и 6 управления, фотоприемной дискретной линейки 7 и 8, ограничителя 9 и 10 амплитуды сигнала и интегратора 11 и 12, выходы интеграторов подключены к соответствующим входам сумматора 13 и дифференциального усилителя 14, выход сумматора 13 подключен к входу блока 15 регистрации и обработки данных, другой вход которого соединен с приемником 16 излучения, вход которого сопряжен с монохроматором 4, выход дифференциального усилителя 14 соединен с исполнительным механизмом системы 17 наведения, управляющим поворотным зеркалом 1.

Блоки 5 и 6 управления в простейшем случае представляют собой кольцевой генератор управляющих импульсов на сдвиговом регистре. Осветительный объектив 2, светоделитель 3, входная щель монохрома- тора 4, а также фотоприемные дискретные линейки 7 и 8 образуют оптический блок, работающий, как датчик наведения.

При эксплуатации устройства на заходе или восходе Солнца относительно спутника система наведения устанавливает входное подвижное зеркало 1 так, чтобы оптическая ось прибора была направлена на геометрический центр Солнца, при этом световой поток из осветительного обьектива 2 попадает как на входную щель монохроматора 4,

так и на светоделитель 3. Сигнал на выходе монохроматора 4 усиливается приемником 16 излечения, причем блок усиления состоит из первого каскада усиления переменного

напряжения частотой 1000 Гц, полосового фильтра с полосой 300 Гц, второго каскада усиления переменного напряжения частотой 1000 Гц, синхронного детектора и низкочастотного фильтра. С выхода приемника

0 16 сигнал поступает на вход блока 15 регистрации и обработки данных. Одновременно производят измерения вертикального углового размера диска Солнца с использованием светового потока от светоделителя

5 3, поступающего на фотоприемные дискретные линейки 7 и 8 в оба оптических канала. Датчик наведения, в качестве которого выступает оптический блок из элементов 2-3- 4-7 (8), вырабатывает сигнал разбаланса в

0 зависимости от разности потоков, падающих на фотоприемные дискретные линейки 7 и 8 от светоделителя 3. При равенстве потоков на элементы 7 и 8 сигнал разбаланса отсутствует, т.е. изображение Солнца на5 ходится на входной щели монохроматора 4. Сигнал разбаланса формируется в зависимости от разности числа засвеченных площадок фотоприемных дискретных линеек 7 и 8, которые представляют собой стандарт0 ные ПЗС-преобразователи.

Выходные сигналы фотоприемных дискретных линеек 7 и 8 через ограничители амплитуды сигнала 9 и 10, уравнивающие уровни сигналов, подаются на интеграторы

5 11 и 12 и далее на дифференциальный усилитель 14. Тем самым устраняется разброс по чувствительности между элементами фотоприемных дискретных линеек 7 и 8 и разброс параметров самих фотоприемных

0 дискретных линеек, позволяя формировать управляющий сигнал, подаваемый на ис- . полнительный механизм системы 17 наведения только как функцию разности изображений Солнца на фотоприемных ли5 нейках 7 и 8.

Поскольку сигналы на выходах интеграторов 11 и 12 пропорциональны размерам изображения Солнца на фотоприемных дискретных линейках 7 и 8, то сумма этих

0 сигналов на выходе сумматора 13 пропорциональная угловому размеру Солнца. Сигнал с выхода сумматора 13 поступает на блок 15 регистрации и обработки данных. Таким образом, в процессе спект5 ральных измерений характеристик светового потока регистрируют и угловой размер диска Солнца, по измеренным данным восстанавливают профиль показателя преломления атмосферы и по нему рассчитывают термодинамические параметры атмосферы и вертикальные профили этих параметров.

Рефракция солнечных лучей в атмосфере существенно затрудняет решение задач восстановления вертикального профиля содержания исследуемого газа: из-за искажения формы солнечного диска и ухода яркостного центра от геометрического на неопределенную величину (до 10 угл. мин при аномальном состоянии атмосферы), а также из-за смещения положения диска Солнца на небосводе, которое может достигать нескольких градусов, причем первая составляющая погрешности не превосходит 200-300 м для восстанавливаемого вертикального профиля содержания газа, а вторая может достигать 5 км. Работа устройства не зависит от положения яркостного центра Солнца, а регистрация угловых размеров Солнца дает возможность построить по известной методике профиль коэффициента преломления и учесть вариации атмосферной рефракции при определении вертикального распределения содержания исследуемого газа.

Прибор в конкретном выполнении содержит в качестве фотоприемных дискретных линеек 7 и 8 два линейных преобразователя типа 1200 ЦЛ1, представляющих собой многоэлементный фотоэлектрический прибор с самосканированием на принципе переноса заряда. Фотоприемные линейки имеют по 1024 фотодиода, установленных с шагом 12 мкм. При диаметре изображения Солнца на входной щели монохроматора 4, равном 7,2 мм, световой поток от осветительного объектива 2 разделяется на три части. Центральная часть потока шириной 1,2 мм освещает входную щель монохроматора 4, а две другие части потока, формируемые светоделителем 3, освещают фотоприемные дискретные линейки 7 и 8, причем на каждой линейке засвечено до 200 фотодиодов. центральная часть эквивалентна 100 фотодиодам. Если считать, что измерения производятся с точностью ± 5 ячеек, то

погрешность в определении диаметра солнечного диска составляет ±1% (или 0,32 угл.мин), что обеспечивает требуемую точность восстановления термодинамического профиля параметров и профиля коэффициента рефракции атмосферы1.

Формула изобретения Устройство для определения параметров атмосферы, включающее осветительный объектив, установленный перед входной щелью монохроматора, приемник излучения, исполнительный механизм системы наведения и блок регистрации и обработки данных,отличающееся тем,что,

с целью повышения точности за счет контроля наведения на центр солнечного диска и расширения функциональных возможностей за счет одновременного определения величины атмосферной рефракции, оно

снабжено светоделителем и двумя идентичными фотоприемными каналами, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных блока управления, дискретной фотоприемной линейки, ограничителя

амплитуды сигнала и интегратора, выходы интеграторов каждого канала соединены с соответствующими входами введенных сумматора, выход которого подключен к блоку регистрации и обработки данных, и дифференциального усилителя, выход которого подключен к исполнительному механизму системы наведения, причем дискретные фотоприемные линейки оптически сопряжены со светоделителем, установленным между

осветительным объективом и входной щелью монохроматора.

shir. I

Изобретение относится к измерительной технике и метеорологии и может быть X использовано для исследования атмосферы с орбиты космического летательного аппарата. Целью изобретения является повышение точности за счет контроля наведения на центр солнечного диска и расширение функциональных возможностей за счет одновременного определения величины атмосферной рефракции. В устройство вводят два фотоприемных канала, каждый из которых состоит из блока управления, дискретной фотоприемной линейки, ограничителя амплитуды сигнала и интегратора. Выходы интеграторов соединены с входами сумматора и дифференциального усилителя. Сигнал с выхода последнего управляет работой исполнительного механизма системы наведения. С сумматора на вход блока регистрации и обработки данных поступает сигнал, по уровню которого судят о величине атмосферной рефракции. 2 ил. Cfi с