Способ выделения оптических неоднородностей в рассеивающих средах Советский патент 1993 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для определения границ и величин изменения качественного состава рассеивающих сред, для выделения границ поглощающих сред и т.п.

Известны способы выделения неодно- родностей, например, объектов в атмосфере, по сигналам обратного рассеяния. Признаком наличия неоднородности (объекта) во всех случаях служит превышение сигналом обратного рассеяния порогового значения, установление которого - трудная задача, так как величина порога зависит как от параметров среды, так и от характеристик приемно-излучающих устройств. Изменение этих параметроЁ требует изменения порогового значения, что существенно влияет на вероятность выделения йеоднород- ностей.

Наиболее близким к предлагаемому является способ выделения оптических нео- днородностей, заключающийся в облучении рассеивающей среды короткими импульсами оптического излучения, ф.отодетектировании рассеянного назад излучения с временным разрешением Аги 2 А.т1 в котором о наличии оптической неоднородности судят по принятию задаваемой функцией фотодетектируемых сигналов значений больше 1 или меньше 0. Недостатком данного способа является то, что он не различает, произошло ли изменение рассеивающих свойств среды за счет изменения концентрации рассеивающего вещества или изменения состава рассеивающих веществ, т.е. изменения рассеивающих свойств за счет появления новых рассеивающих компонентов или видоизменения функции распределения частиц по размерам.

Известны способы, в том числе и прото- ется точкой раздела слоев соответственно тип, не позволяют определить достаточно со средними значениями показателя ослаб- точно и абсолютную величину изменения ления fi и j$i и лидарных отношений сигнала, обусловленную изменение качест- Введем обозначения: . венного состава среды,.т.е. какую часть из- 5

менения сигнала составляют измененияк - дт2ГП- 1-9Л V количественного состава от общего измене- 2 z Лг ния, обусловленного изменение как концентрации, так и качественного состава, zf-Az

Целью изобретения является повыше- 10 bi2 ехр {-2 / (3 (z) dz} : ехр {-2 ние точности и информативности за счет . дополнительного определения качественного состава рассеивающих сред. Zf и мнЧ- .Предлагаемый способ выделения опти- - Л ческих неоднородностей в рассеивающих 15 z| средах реализуется следующим образом,

В исследуемую неоднородную рассей-i+A вающую среду лидаром посылается зонди- Ьз4 ,2 г о dz, ехр , 2 рующее излучение. Величина Г . ., принимаемого сигнала обратного рассея- 20 ния P(z) описывается лидарным уравнением J fi (z) dz}; . . ... ;. .. . . zi +2Д2 .. ..

P(z) Az-2/3r(z)exP-2J :(z)d2 (1)gji; i(zi-2 A z; ZT Az)-g(zi-Az; Zi);

о25 K 3. . .

где A - аппаратурная постоянная, 7 лГ7 /Тл-- ол

коэффициент обратного рассеяния в точке %(а: а+ Дг) %(а+Дг: а+2Дг

г, (г) - коэффициент ослабления в точкес етом вннш обозначений для

pSJ(HO й- S й ЛИЯаРНОе 30 ФУ« ионаЛов вида (3) получаем

%И . ) f (a)da/ /(р,п, ) ffa) daS Д 2 % д. P(dz k

a1. : a1 . , .

(i-bi2);

v. / (2) 35« . :

: Si+i S(zi-Az) / P(z) k. о 612(1-biz);

и не зависящее от концентрации рассеива-Z - Дг

ющихчаетиц, ai, 32-минимальный й макси- .

мальный радиусы частиц, / 2jr/A Д - /

длина волны зондирующего излучения, m

показатель преломления, (pi m),zi+Az

$jp(p, m ) - соответственно факторы эф-SH2 S(zi) / P(z)z2dz k.g b:-i2 (1-Ьз4):

фективности ослабления и рассеяния в об-Z|

ратном направлении,45 -Н2А

Из уравнения (1) для сигналов обратно-Sj+3 ( Z| j z p(z) Z2 dz : K b2

ro рассеяния, отраженных от участков z; z +zi - Az W

Az, можно записать следующие функциона-Ьз4(1-Ьз4).

лы: . , , .Решая систему уравнений (4), имеем:

W-- / pwAh- IW5° «Ч-(

z+AzЗначение параметра qs показывает изме 1-ехр{-2 J (z)dz} (3)нение величины сигнала обратного рассея- ч

zния, вызванное изменением

где -;-7---;г-г-г- - среднее значение ли-55 микрофизических характеристик среды, на93И, z , z - z;пример, изменением показателя преломледарного отношения на участке г, z+ Az :Ния или поглощения, спектра размера частиц

T2(0,z) ехр {-2 }ш dz}. Пусть точка zi явля- и Т Д- ПРИ одновременном изменении как омикрофизическмх характеристик среды, так и

концентрации рассеивающих частиц, как видно из выражений (4) и (5), параметр qi показывает только ту часть относительного изменения сигнала обратного рассеяния, которая обусловлена изменением качественного состава. Это вытекает из того, что в систему уравнений (4), которая используется для определения qi, входят параметры bi2 и Ьз4, характеризующие перепад показателя ослабления по границе раздела сред, и никаких предположений о значениях bi2 и для получения (5) не делалось, а выражение для qi не содержит параметров bi2 и Ьз4.

Использование выражения (5) позволяет выделять и границы качественного изменения неоднородностей, так как только в этом случае величина, становится отличной от I (при изменении концентрации , т.к. согласно (2) не зависит от нее). Использование же. прототипа для. обнаружения неоднородности в случае изменения качественного состава приводило бы к ложным срабатываниям, так как он реагирует на изменения качественного состава, так и на изменения концентрации.

Так как измерение сигналов производится с некоторой погрешностью, то необходимо установить степень отклонения параметра qi от единицы, при превышении которого делается выводе наличии неоднородностей. Выражение для величины относительной погрешности определения параметра qi, полученное методом конечных приращений, имеет вид:

dqi -Ј&- 2 (б Si+2 + д Si-и) + д (8н-0+

{Si+3-Si+2), где 5Sn-K

ASi +k

(6) К 0,3 получаем:

Si +k

(5q (7) Таким образом, критерий выделения неоднородности с учетом погрешностей измерения сигнала имеет вид:

Iqnl (8) и сводится к определению величины отклонения функции qi отсчетов Si, Si+i, Si+2, Si+з

сигналов обратного рассеяния от устанавливаемого уровня (единицы).

За счет возможности дополнительного определения границ и степени изменения

5 качественного состава рассеивающих сред предлагаемый способ значительно расширяет свою информативность по сравнению с известными. При этом значительно возрастает и точность выделения границ качест0 венного изменения неоднородностей (из-за устранения зависимости от концентрации).

Формула изобретения А .

5Способ выделения оптических неоднородностей в рассеивающих средах/включающий зондирование рассеивающей среды короткими импульсами оптического излучения, фотодетектирование рассеянного об0 .ратно излучения с временным разрешением т нахождение соотношений qi сигналов Si этого излучения, сравнение этих соотношений с пороговым уровнем, равным единице с учетом погрешности измерения сигналов

5 рассеянного обратно излучения «5S, и обработку результатов измерений с определением наличия границ раздела различных по составу сред, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности и информатив0 ности путем дополнительного определения качественного состава рассеивающих сред, при сравнении соотношения gi с пороговым уровнем, равным единице, определяют отклонение этого соотношения от поротового

5 уровня, а о наличии границ раздела различных по составу сред и изменении их качественного состава судят соответственно по превышению отклонения соотношения ql от порогового уровня на величину б д$ и

0 абсолютному значению этого соотношения на границах неоднородностей, причем соотношение qi сигналов Si находят из выражения:

45

qi(

S | +2 ч2S| - S 1 - ч

Si + i Si+2 -Si+з

Область использования: оптическое приборостроение, метеорология. Сущность изобретения: для обеспечения возможности, дополнительно к определению наличия границ раздела различных по составу сред, определения качественного состава рассеивающих сред, соотношение qi сигналов Si рассеянного обратно излучения находят по приводимой зависимости. О наличии границ раздела различных по составу сред судят по превышению величины отклонения соотношения qi от порогового уровня, равного единице, на величину 6(5S (где д$ - погрешность измерения сигналов, рассеянного обратно излучения), а об изменении качественного состава судят по абсолютной величине соотношения сц.