Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред Советский патент 1993 года по МПК G01N21/47 G01W1/00 

Изобретение относится к области измерения оптических характеристик рассеивающих сред и может быть использовано в метеорологии, гидрологии, а также для контроля загрязнения окружающей среды.

Цель изобретения - определение оптических характеристик по трассам, не совпадающим с направлением движения.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Пусть приемно-излучающее устройство 1 движется со скоростью V и через интервалы времени At A R/V. где A R необходимое пространственное разрешение, с которым требуется получить значения коэффициентов ослабления, посылают зондирующие импульсы одновременно под не

менее чем пятью углами fi к линии направления движения в плоскости, проходящей через направление движения и исследуе- мыетрассы. Для получения общих рассеивающих точек щ, в которых определяются коэффициенты ослабления, (точек пересечения пяти лучей, посылаемых из различных местоположений приемно-излучающего устройства) посылка зондирующих импульсов должна осуществляться под четырьмя углами р в пределах 0° р 90° и углом р5 в пределах 90° р$ 180°. Величина углов р. i 1, 2, 3, 4 выбирается из условия получения постоянного пространственного разрешения (расстояние между двумя соседними общими рассеивающими точками) как по направлению движения (A R). так и в

VI

О 00

о о N

t.jp.T.T,,-7 31798664 4

направлении, перпендикулярном направле-вектором I (углом f i). Так как производ- нию движения (Д Н).ная по направлению равна градиенту, ум- Точки пересечения nj пяти направленийноженному на единичный вектор направле- зондирования (см. фиг. 1) удовлетворяют ус-ния, т. е. . ловию (пяти трасс зондирования, получав-5 д мых при посылке из пяти местоположенийдТ приемно-иэлучающего устройства при егогдеу - оператор градиента, то движении):

10 4-.nS(R..r.Ty.)(x.y) +

m-.te 1 1-2,3, 4; (1) )2 + (v - v)2 .

90° 05 180° +l.ftVlne(x,y)-2l,rt / Јl(XL,+

Vi ®

., ,«, -Vj) . (5)

Из (1) легко найти углы р, под которыми.

необходимо посылка импульсов света для1$ Выражение (5) можно записать следуюполучения точек пересечения rij с постоян-щим образом/

ным пространственным разрешением во

всей плоскости зондирования

д it20

p-arctgj p- (2).-2с (г)

06o3Ha4HB b(7)/b(T) 7)V(7)/E(r)

Выражение для сигналов обратного - -. д -.-.-. -+.+ .+.

рассеяния, полученных под разными углами Ф(г). г г vi) получим,

у (см. фиг. 1), имеет вид:25 что логарифмическая производная сигнала

Р(й:ГТ,);АРо1(Г-Н|2Ь(г)хобратного рассеяния ,.

xexP{-2lrf R-)da}, (3)L(R, г g (г) + $(Г)1 - 2 ,(г) (6)

0 30

В прямоугольной системе координат,

где 1 -единичный вектор направления зон-совпадающей с направлением движения

дирования(ось х). выражение (6) принимает вид:

I - Vfx xf + rv Yf35 ЦР, +1vstn 9 +

Ч |r K1 Vх . J +СУ Y) + l$cos# + 2e(r) (7)

fr .-

x, у - соответственно координаты точек. Учитывая, что IV Vx,. I Ф 1,

трассы зондирования под углом де; X, Y -j Ф Фу- проекции 7, ФнаТи

координаты точек посылки зондирующего40

излучения под углом Р0 - мощность зон-L(R, г, 1) Vxcos рь - Vysin i +

дирующего мпульса: А -аппаратурная по-+ Фх cos y5j + Фу sin fl - 2 к(г) (8) стоянная;В(г)-лидарное отношение в T04Kje

7к{г5-коэффициент ослабления излучения вДля пяти различных углов посылки имточке г; R, г-соответственно радиус-векторы45 пульсов зондирования , задаваемых соточек посылки зондирующего излучения;гласно условию (2), можно записать

а - подынтегральная переменная. Пролога-следующую систему уравнений в каждой из

рифмировав (3), восстановленное на квад-точек П) при заданном ДР и ДН (см. фиг. 1): рат расстояния I.r-Rl получим

.. L(Ri, rij. ) . Vxcosy i +Vysl ny)i +

lnS(R, r, lyj ) + Inb(r) ++ yi + ys.tn ( - If. (rij)

4|ne(T)-- 2 / fifR ayda, (4)L(R,.i, П), ) VxcoST2 + Vysin +

о + lVsin / -2(rij)

„ L(Ri+2, nj, (рз) Vxcos + Vysin рз +

где S(PT, Т, Ц-) - P(R. Tyj) - сигнал55 + «Kcos + - 2р(щ)

обратного рассеяния, восстановленный наL(Ri+3, nj, po) Vxcos ( + Vysin yJ4 + .:

квадрат расстояния IГ- . + cos. + «Pysin /i - 2;;(nj)

Возьмем производную в точке 1Ггю на-L(Ri--2, Hj. 955) Vxcos f% + Vysi.n у, -fправлению зондирования, задаваемомуч- cos f% + ,- 2(r) (9)t.jp.T.T,, (г)

где Ri, Ri+i, Rn-2, Ri+з, Ri-2 - точки посылки зондирующего излучения;

nj - общая рассеивающая точка для пяти различных направлений посылки зондирующих импульсов, в которой определяется коэффициент ослабления.

Решение системы линейных уравнений (9) относительно к (nj), лежащих в стороне от направления перемещения, таким образом, имеет вид (согласно формулы Крамера)

Ј(nj) Ai/A,

(Ю)

где А- определитель системы (9), AI - определитель, полученный из определителя А заменой последнего столбца столбцом из свободных членов

cos cos р-( sin 1-2

COS (pi Sln$2 COS (fa Sin (pi - 2

A cos рз sin (рз - 2 cos ip/n cos PA sin - 2 cos p5 siny cos p$ sin - 2

cos p cos pi sin L(Rinj, )

COS pi COS (pi Slnyfc L(Rinj, pi} COS p3 COS Sin L(R|r|j, рз) COS рл COS Sin 1(Р|Гц, 4) SlnyJg COS /% Sin (fb L(Ririj, )

35

Очевидно, что изменяя (вращая) плоскость посылки зондирующих импульсов, можно значения коэффициента ослабления получать дистанционно в произвольных точках пространства.

Из (9) легко также определить Vx, Vy, &, 1 а начит, и относительный градиент. (r)/b(r) лидарного отношения и относи- тельныЈ градиент коэффициента ослабления n

®/Е(Г).

Таким образом, предлагаемый способ с использованием движения позволяет расширить функциональные возможности прототипа за счет дистанционного определения значений коэффициентов ослабления для трасс несовпадающих с направлением

45

10

15

0

5

0

5

n

движения (в прототипе значения f определяются только по одной трассе зондирования, совпадающей с направлением движения). При этом резко возрастает объем получаемой измерительной информации. Очень важно и то, что расширение функциональных возможностей (приобретение дистанционности) сопровождается сохранением высокой точности определения коэффициентов ослабления в произвольных точках пространства, удаленных от приёмно-излучающего устройства, т к. при этом не используется ни априорная информация, ни какие-либо допущения о среде.

Формула изобретения Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред путем посылки с перемещающегося приемно-излу- чающего устройства импульсов света малой длительности, преобразования рассеянного в обратном направлении света в электрические сигналы при увеличении усиления принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки импульсов света, отличаю щий с я тем, что, с целью определения оптических характеристик по трассам, не совпадающим с направлением движения, импульсы света посылают через интервалы времени A t A R/V в одной плоскости проходящей через направление движения и исследуемые трассы одновре5

(АШ

мен но под углами y5| arctg г- ,rni

V д к/

90°, и

90° р5 180°, ...4, к линии направления движения, где A R, АН- соответственно заданные пространственные разрешения по направлению движения ив направлении, перпендикулярном направлению движения, V - скорость перемещения приёмно-излучающего устройства, а о величине коэффициентов ослабления по трассам в плоскости посылки импульсов света судят по полученным принятым сигналам и величинам углов (ft .

Использование: область метеорологии и гидрологии, измерение оптических характеристик атмосферы и гидросферы. Сущность изобретения: определение оптических характеристик по трассам, не совпадающим с направлением движения приемно-излучаю- щего устройства. Импульсы света посылают через интервалы времени At Л R/V в одной плоскости, проходящей через направление движения и исследуемые трассы, одновременно под углами 0° fi arctg(j д R ) 90°, 90° у 180°, , .... 4 к линии направления движения, где A R, Л Н соответственно необходимые пространственные разрешения по направлению движения и в направлении, перпендикулярном направлению движения, V - скорость перемещения приемно-излучэю- щего устройства. О величине коэффициентов ослабления по трассам в плоскости посылки импульсов света судят по полученным принятым сигналам и величинам углов р. 1 ил.