Устройство для измерения оптических характеристик атмосферы при выпадении осадков Советский патент 1993 года по МПК G01N21/47 G01N1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области атмосферной оптики и метеорологии и может быть использовано для дистанционного бесконтактного определения оптической толщи осадков и структурного параметра флуктуации показателя преломления атмосферы в момент выпадения осадков.

Цель изобретения - увеличение точности измерения оптической толщи осадков.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения характеристик атмосферы, содержащее два источника оптического излучения (лазеры), коллиматор, два фотоприемника с точечными диафрагмами, два квадратора и вычислительное устройство, дополнительно введены последовательно соединенные коллиматор и зеркальный отражатель, расположенный на противоположном конце измерительной трассы перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения, причем

источник оптического излучения и принимающий его излучение фотоприемник с точечной диафрагмой должны располагаться на одинаковом расстоянии от отражателя, а расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и передающей оптической системы должно быть не более VAL/10, где Я- длина волны оптического излучения; L - расстояние от источника оптического излучения до отражателя, что обеспечивается размещением дополнительного зеркального отражателя перед коллиматором под углом к оптической оси источника оптического излучения и полупрозрачной плоскопараллельной пластины перед точечной диафрагмой фотоприемника параллельно дополнительному зеркалу. В предлагаемом устройстве использование зеркального отражателя (при соответствующем размещении одного из источников оптического излучения и одного из фотоприемников) позволяет разделить

Ё

00

о о

CJ

ю

CJ

вклады атмосферной турбулентности и осадков во флуктуации интенсивности оптического излучения.

Атмосферная турбулентность и осадки дают аддитивные вклады во флуктуации интенсивности оптического излучения, распространяющегося в атмосфере во время выпадения осадков. В силу этого дисперсия флуктуации интенсивности пучка оптического излучения на прямой трассе (источник излучения расположен на одном конце трассы, фотоприемник - на другом) можно записать следующим образом

оо О

О пр гидр

(1)

где ai тур - дисперсия флуктуации интенсивности пучка оптического излучения, обусловленная турбулентностью, на прямой трассе;

сп гидр - дисперсия флуктуации интенсивности пучка оптического излучения, обусловленная осадками (гидрометеорами), на прямой трассе.

Дисперсия флуктуации интенсивности пучка оптического излучения на трассе с отражением (источник оптического излучения и приемник расположены на одном конце трассы, а зеркальный отражатель - на другом) имеет вид

« tfjoic У тур (р ) ffl ур +

+ Угидр(-с4идр. (2)

где у тур (р} и у гидр О) - коэффициенты увеличения уровня флуктуации интенсивности пучка оптического излучения, обусловленных соответственно турбулентностью и осадками, на трассе с отражением по сравнению с прямой трассой, как функция расстояния р от оптической оси фотоприемника до оптической оси передающей оптической системы.

Для широкого коллимированного пучка

Кя2

( в° 1 , где К 2jr/A; а0 - начальный радиус пучка оптического излучения) при

р Ш1/10 УтУР(/) 1,,

УгидРО) 1.

Кроме того, в этом случае

сг1туР 1,2К 7/6

1V& Г2

1 п ,

О гидр 7(

где С п - структурный параметр флуктуации показателя преломления атмосферы; т- оптическая толща осадков. Таким образом, разность дисперсий флуктуации интенсивности пучков оптического излучения ((1) и (2)) равна:

15

22 а fflnon fflnp -

0,6K7/6L1 C2n Cr;. (3)

Значение С п позволяет по дисперсии флуктуации интенсивности пучка оптического излучения на прямой трассе (1) с высокой точностью определить оптическую толщу осадков.

Отличительные признаки являются существенными по следующим причинам.

Зеркальный отражатель, расположенный на противоположном конце измерительной трассы перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения, причем источник оптического излучения и принимающий его излучение фотоприемник с точечной диафрагмой должны располагаться на одинаковом расстоянии от отражателя. Как следует из анализа формул (1), (2) и (3) для

эффективного разделения вкладов атмосферных осадков и турбулентности в дисперсию флуктуации интенсивности оптического излучения необходимо реализовать одновременные измерения на двух трассах: прямой и локационной (т.е. трассе с отражателем). Для организации локационной трассы необходим зеркальный отражатель и соответствующее расположение других элементов. Введен коллиматор.

формула (2) применима для широкого коллимированного пучка оптического излучения. Для расходящегося пучка оптического

Ка2

излучения ( L° «1 ) у гидр О)1

искомая величина г будет определяться устройством с ошибкой более 50%.

Расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и передающей оптиче- ской системы должно быть не более р - тЩУЮ. Если это расстояние больше, то у тур (р) - 1 и, следовательно, устройство будет определять т с ошибкой более 50%, т.е. с такой же как и прототип.

Размещение дополнительного зеркального отражателя перед коллиматором под углом к оптической оси источника оптического излучения и полупрозрачной плоскопараллельной пластины перед точечной диафрагмой фотоприемника параллельно дополнительному зеркалу. Наличие этого признака связано с тем, что размещение приемной и передающей аппаратуры непосредственно на расстоянии/) друг от друга невозможно, т.к. обычно р& 5 мм. Каждый из этих признаков является необходимым для достижения поставленной задачи, а вся совокупность этих признаков позволяет добиться более высокой точности измерения оптической толщи осадков, чем это. было возможно в прототипе.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения оптических характеристик атмосферы при выполнении осадков состоит из двух лазеров 1,2, являющихся источниками оптического излучения, и двух коллиматоров 3, 4, формирующих пучки оптического излучения с заданными параметрами волнового фронта и проектирующие их через атмосферу 5 соответственно на диафрагмы с точечными отверстиями б, 7, причем в одном случае оптическое излучение посылается в атмосферу после отражения от дополнительного зеркального отражателя 8, размещенного перед коллиматором под углом к оптической оси источника оптического излучения, и полупрозрачной плоскопараллельной пластины 9, расположенной перед фотоприемником с точечной диафрагмой 7 параллельно дополнительному зеркалу 8 таким образом, чтобы обеспечить расстояние р между оптической осью 10 точечной деформации 7 и оптической осью передающей оптической системы 11 & Ш1/10 . На противоположном конце измерительной трассы установлен зеркальный отражатель 12 перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения 2, причем источник оптического излучения 2 и принимающий его излучение фотоприемник 14 с точечной диафрагмой 7 должны располагаться на одинаковом расстоянии от отражателя 12. За точечными диафрагмами 6, 7 расположены фотоприемники 13, 14, преобразующие оптические сигналы в электрические, которые поступают на квадраторы 15, 16, осуществляющие вычисление нормированной дисперсии флуктуации интенсивности. Вычислительное устройство 17, куда поступают сигналы от квадраторов 15, 16, вычисляет искомые параметры

0

С 2 п

Устройство работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии осадков нет. Тогда, с одной стороны, оптическое из- лучение от лазера 1 через коллиматор 3 посылается в атмосферу 5, после прохождения в ней расстояния L, принимается фотоприемником 13 через точечную диафрагму 6, а затем квадратором 15 вычисляется дисперсия флуктуации интенсивности пучка оптического излучения на прямой трассе (1)

( 0 ) . другой стороны, оптическое излучение от лазера 2 через коллиматор 4,

5 зеркала 8 и плоскопараллельную пластину 9 посылается в атмосферу 5, отражается от зеркального отражателя 10, вновь проходит через тот же слой атмосферы 5 и принимается фотоприемником 14через точечную ди0 афрагму 7, а квадратор 16 проводит вычисление дисперсии флуктуации интенсивности пучка оптического излучения на трассе с отражением (2) ( 0 ) . С выхода вычислительного устройства 17 посту5 пает сигнал т 0 .

При выпадении осадков с квадратора 15 поступает сигнал-afnp (1), с квадратора 16

rt

-Ст|лок(2), а с выхода вычислительного устрой0 ства т.

Пример конкретного выполнения устройства. Источники оптического излучения (лазеры) - гелий-неоновые Л Г - 79, 78, 53 и т.п. Коллиматоры могут быть взяты любые

5 стандартные с требуемым размером выходного зрачка 5-10 см. Фотоприемники - стандартные ФЗУ, размер отверстия диафрагмы должен не превышать 0,1 мм. Квадраторы - стандартные с соответствующим

0 динамическим диапазоном. Например, при А 0,63 мкм и L 100 м р м. Таким образом, устройство работоспособно как при совпадении оптических осей точечной диафрагмы и передающей оптической системы (р 0), так и при р 10 3м .Случай р 0 соответствует минимуму систематической погрешности способа, заложенного в основу предлагаемого устройства. При р

-,-3

0

10 м систематическая погрешность составляет 25%. При р 10 м (конкретно, при р м) Утур(р) 1, т.е. измерения г будут осуществляться с погрешностью больше 50% и устройство будет иметь точ- 5 ность не выше прототипа. Угол под которым устанавливается дополнительный отражатель относительно оптической оси источника оптического излучения может принимать значение из диапазона от 0 до 90° (исключая значения 0 и 90°). Наиболее подходящим

значением этого угла является 45°, т.к. обеспечивает максимальный коэффициент отражения от плоскопараллельной пластины.

Увеличение точности измерения оптической толщи осадков достигается в предлагаемом устройстве по сравнению с устройством, описанным в прототипе, по следующей причине. В прототипе посылают один коллимированный и один сфокусированный пучок. По дисперсии флуктуации ин- тенсивности в сфокусированном пучке

судят о С п.

Оценку точности устройства - прототипа можно провести следующим образом. Известно, что в сфокусированном пучке почти всегда реализуется режим насыщения флуктуации интенсивности, а ошибка определения Сп будет больше 50%. Например, для сфокусированного пучка с длиной волны А 0,63 мкм и размером излучающей апертуры равным 10 см на трассе длиной 100 м режим насыщения наступает при значении С п - , что может реализоваться в большинстве случаев. В то время как, в предлагаемом устройстве используются два коллимированных пучка, а как известно в этом случае режим насыщения наступает гораздо реже, для этого при самой сильной

турбулентности (при больших С п ) необхо- димы трассы длиной в несколько километров. Это позволяет повысить точность

измеренияС п , а следовательно, и г.

Дополнительным преимуществом пред- латаемого устройства является возможность попутного измерения во время выпадения осадков структурной характери

0

5

0

5

0

5

стики флуктуации показателя преломления воздуха.

Формула изобретения Устройство для измерения оптических характеристик атмосферы при выпадении осадков, содержащее два канала, каждый из которых содержит источник излучения, последовательно установленные по ходу излучения точечную диафрагму и фотоприемник, при этом в первом канале по ходу излучения за источником излучения установлен коллиматор, а фотоприемники соединены через квадраторы с вычислительным устройством, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений оптической толщи осадков, во второй канал введены последовательно установленные по ходу излучения и оптически связанные дополнительный коллиматор, первый зеркальный отражатель, установленный под углом к оптической оси источника оптического излучения, полупрозрачная плоскопараллельная пластина, установленная параллельно первому зеркальному отражателю, второй зеркальный отражатель, установленный в конце измерительной трассы перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения, причем источник оптического излучения и фотоприемник с точечной диафрагмой второго канала расположены на одинаковом расстоянии от второго зеркального отражателя, а расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и второго канала не более VO-/10, где А- длина волны оптического излучения, L - расстояние от источника оптического излучения до второго зеркального отражателя.

Использование: область атмосферной оптики, метеорологии при определении оптической толщи осадков и показателя преломления атмосферы в момент выпадения осадков. Сущность изобретения: в один из каналов устройства введен на конце измерительной трассы зеркальный ответвитель, при этом источник оптического излучения и соответствующий фотоприемник с точечной диафрагмой расположены на одинаковом расстоянии от зеркального отражателя, а расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и осью этого канала не более VXL /10, гдеЯ -длина волны оптического излучения, L - расстояние от источника оптического излучения до зеркального отражателя. 1 ил.

Г

.---,