Способ определения коэффициента ослабления рассеивающей среды Советский патент 1993 года по МПК G01W1/00 G01N21/47 

Изобретение относится к области метеорологии и гидрологии, охраны окружающей среды и может быть использовано для определения оптических характеристик рассеивающих сред.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, заключающийся в посылке импульсов света малой длительности, преобразовании рассеянного в обратном направлении света в электрические сигналы, накопление этих сигналов в течение заданного времени, в зависимости от местоположения калибровочной точки и точки определения коэффициента ослабления,

при увеличении усиления принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки зондирующего импульса и определении независимым способом калибровочного (опорного значения коэффициента ослабления.

Недостатком данного способа является то, что реализация данного способа требует постоянства лидарного отношения по трассе зондирования, Более того, при зондировании по наклонным трассам, а также на большом удалении от лидара практически невозможно получение значения коэффицисо о ю

о

00

ента ослабления в удаленной от лидара калибровочной (опорной) точке.

При решении задач климатического мониторинга и охраны окружающей среды возникает задача определения коэффициента ослабления рассеивающих сред в многослойных слоисто-неоднородных средах с резкими границами раздела, например, чистая атмосфера - искусственные дымообра- зования - чистая атмосфера, чистая атмосфера - облачность и т.д. При этом при переходе от одного рассеивающего слоя к другому, наряду с изменением концентрации рассеивающих частиц происходит изменение их микрофизических характеристик (показателя преломления,распределения частиц по размерам), что в свою очередь приводит к изменению лидарного отношения. Поскольку в абсолютном большинстве случаев априорная информация о величине изменения микрофизических характеристик отсутствует, то известные способы (в том числе и прототип) восстанавливают оптические характеристики в предположении о постоянстве лидарного отношения по трассе зондирования, что в свою очередь приводит к большим ошибкам восстановления.

Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента ослабления в средах с резкими границами раздела путем учета изменения лидарного отношения на границах раздела.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В исследуемую среду с границей раздела посылается зондирующее импульсное излучение и производится регистрация сигналов обратного рассеяния, накопленных на участках от калибровочной точки до границы раздела, от границы раздела до точки определения коэффициента ослабления и на двух равных участках, прилегающих к границе раздела с двух сторон. Производится также регистрация сигнала обратного рассеяния из исследуемой точки среды.

Для величины сигнала обратного рассеяния в исследуемой точке Zj можно записать следующее выражение:

P(Zj) AZj-2T2(0;Zo) fa (Zj)T2(Zo:Zj), (1)

где P(Zj) - регистрируемый сигнал обратного . рассеяния в исследуемой точке Zj; A - аппаратурная константа лидара, (Zj) 55 g (Zj)/(Zj)- коэффициент обратного рассеяния в исследуемой точке Zj; g(Zj),/3 (Zj) - соответственно лидарное отношение и коэффициент ослабления в точке Zj; T (0;Zo),

Т (Zo:Zj) - прозрачность участков трассы зондирования 6;Zo, Zo;Zj, где Zo. Zj - точки по трассе зондирования. Из (1) следует. что для решения уравнения необходимо использовать какие-либо допущения о среде или априорную информацию ввиду многопараметрической зависимости. Решение уравнения (1) относительно ft (Zj) для экспериментально определяемой функции

0

-V

г-2/,

(Zj)P(Zj)Zj/Ag-n(Zj)T(0;Zo). как показано имеет вид:

7|

/3(Zj) V(2,(Z)dZ, (2)

г Zk

где i/ (ZK) P(ZK)2K2Ag-1(ZK)T2(0;Zo) - экспериментально определяемая функция в точке ZK, которая является калибровочной (опорной), В этой же точке ZK другим независимым способом определяют и значение коэффициента ослабления / (ZK). Удобнее всего точку ZK располагать вблизи лидара, так как на удалении от него (особенно для наклонных или вертикальных трасс) измерять /(ZK) затруднительно или даже невозможно.

Следует отметить, что решение (2) для практической реализации требует предположения о неизменности лидарного отношения вдоль трассы зондирования. В случае зондирования слоисто-неоднородных сред, в которых наряду с изменением концентрации рассеивающих частиц по трассе зондирования происходит изменение их микрофизических характеристик, а значит и лидарного отношения g(Z), использование алгоритмов, основанных на неизменнрсти g(Z) становится некорректным. Очевидно и следствие из этого - рост ошибки определения ft (Z). Данного недостатка можно избежать, если произвести корректировку экспериментально измеряемой функции, на перепад лидарного отношения после границы раздела. Действительно, запишем функцию (Z) для точки Zi, лежащей до границы раздела, и точки Zi+i, лежащей после границы раздела;

V (Zi) S(Zi)Ci,

iff (ZH-i) S(Zi-H)Ci+i S(Zi+i)Ciqi.i:fi, (3)

где S(Zi) P(Zi)Zi2; S(Zi+i) P(Zi+i)Zi+i2 - сигналы обратного рассеяния, восстановленные на квадраты расстояний Zi и ZJ+L

Ci A-1r2(0;Zo)g(Zi)-1, См A 1r2(0;Zo)g(Zi+i)1.

Как видно из (3), при переходе от точки I к точке i + 1 (переходе через границу раздела) происходит изменение функции р (Z) за счет изменения лидарного отношения. Величина этого изменения равна qi,i+i, так как Сн-1 Ci.qi.n-i, где qi.i-n gi/gn-i. А это означает, что при расчете ft (Z) в точке ZI-H необходимо производить корректировку в константе Ci, используемой в точке Zi на величину qi.i-н. Физический смысл необхо- димости корректировки состоит в испольэо- вании одной константы для всей многослойной трассы зондирования, что означает сведение алгоритма к модели с постоянством лидарного отношения по всей трассе. Другими словами, для более корректного использования методик, требующих предположения g(Z) const, в случае многослойных сред необходима подстройка (корректировка) сигнала обратного рассеяния под используемое предположение.

С учетом (3) выражение (2) можно переписать в виде: .,

(lK| + lijqi.H-ir1, (4)

№) S(Zj)

Zi

где IK / S(Z)dZ - сигнал, накопленный на

ZK

участке от калибровочной точки 2К до границы раздела. Точка 2К выбирается из-за удоб- ства вблизи лидара и в ней определяется опорное значение коэффициента ослабления /3(ZK), lij - сигнал, накопленный на участке от границы раздела Zi до исследуемой точки Zj.

Для определения же величины коэффициента коррекции qu+1 необходимо измерение накопленных сигналов на двух участках произвольной ширины AZi до границы раздела Zi и двух участках шириной AZ no- еле границы раздела. Запишем выражение для накопленных сигналов в виде функционала I, который, имеет вид

I (Z, Z + A Z) Ag(Z,Z + AZ)T2(0;Z) х

Z+AZ

х 1-ехр{-2 / /3(Z)dz}.

При выполнении на участках AZi, AZ условий:

g(Zj - 2 AZi, .Zrgi) g(Zi - AZi. Zi) qi g(Zi, Zi + AZ) - g(Zi+ AZ. Zi + 2 AZ) gVi T(Zi - 2 AZi, Zi - AZi) - T(Zi - AZ.Zi) T( AZi) T(Z|, Z + AZ) T(Zi + AZ, Zi + 2 AZ) T(AZ)(5)

для измеряемых накопленных сигналов до границы раздела i-2 l(Zi - 2 AZi; Zi - AZi),

h-1 l(Zi - AZc Zi) и после границы раз h l(Zi; Zi + AZ), lj+i l(Zi + AZ; Zi + 2 можно записать систему уравнений

Ii-2 AgiT2(0;Zi-2 AZiXl-T2(AZ,)1

In - AgiT2(0; Zi - 2 AZi)T2( AZi) 1 -T2(AZ,)1

h AgVlT2(0; Zi - 2 Д Zi)T4(A ZiX 1 -T2(AZ)

IH-I Agi+iT2{0; Zi - 2 AZi)T4(AZi)T2 x

x(AZ) 1-r(AZ),

5 0 5 0

5

о 5

0

5

5

где черта над g означает усреднения на участках накопления Zi - 2 AZi: Zi - AZi, Zi - -AZi; Zi, прилегающих к границе раздела слева, и Zi; Zi + AZ, Zi + AZ, Zi + 2 AZ - прилегающих к границе раздела справа.

Решение системы (6) относительно gi/gi-н имеет вид:

2

- /- f -Л ii -ii + 1 ,-

qi.n-1 - g./9Hi - (-jj-J ()

Параметр корректировки qij+i -зависит только от микрофизических характеристик рассеивающей среды и не зависит ни от концентрации рассеивающих частиц, ни от аппаратурных констант. Даже если одновременно со скачком лидарного отношения на границе раздела происходит и скачкообразное изменение коэффициента ослабления (концентрации), то и в этом случае величина qi,1+1 показывает, какую часть в изменении сигнала обратного рассеяния составляет величина изменения лидарного отношения g(Z), т.е. изменение качественного состава, т.к. выражение (7) не содержит Т (AZi) и Т (A Z) и при выводе (7) никаких .предположений о поведении перепада T2(AZi) и T2(AZ) не делалось.

Таким образом, как следует из (4), (7), измеряя накопленные сигналы от калибровочной точки до границы раздела, от границы раздела до точки определения коэффициента ослабления и на двух равных участках, прилегающих к границе раздела с двух сторон определяется значение коэффициента ослабления в исследуемой точке с использованием корректировки сигналов обратного рассеяния на перепад лидарного . отношения. Устранение при этом используемого в известных способах предположения g const приводит к исключению погрешностей, обусловленной этим.

Формула изобретения Способ определения коэффициента ослабления рассеивающей среды путем облученил исследуемой области среды импульсами 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, накопления этих сигналов в течение заданного времени, а также задания вблизи источника света калибровочной точки ZK на пути распространения импульсов света и определения калибровочного значения коэффициента ослабления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения в средах с резкими границами раздела путем учета изменения лидарного отношения на границе раздела, накопление сигналов обратного рассеяния ведут от калибровочной точки до границы раздела, от границы раздела до точки определения коэффициента ослабления и на двух равных участках, прилегающих к границе раздела с двух сторон, а о величине коэффициента ослабления в исследуемой точке судят из выражения:

. Ј(Zj) - S( ||rj - 2(к. + lijqu-иГ1. Zj

где IK / S(Z)dz - сигнал, накопленный от

Zlt

калибровочной точки Z до границы раздела Zi;

S(Z) P(Z)Z2 - сигнал обратного расстояния от точки Z;

ZJ и / S(Z)dZ- сигнал, накопленный от

Zi границы раздела 2; до исследуемой точки Zj;

S(Z) P(Z)Z2; S(Z) P(ZK)ZK2

P(Zj), P(ZK) - сигналы обратного рассеяния соответственно из точек Zj и ZK;

qu+1

li-if (li-li-H)

zi - Azi

ii ; (ii-2-h-i)

Z|

li-2 - / P(Z)Z2dZ; IM / P(Z)Z2dZ zi-2Azizi-Aziсигналы обратного рассеяния, накопленные на двух участках длиной AZi до границы раздела;

Z|+AZZ|+2AZ

h / P(Z)Z2 dZ; IK-I / P(Z)Z2dZzizi +AZ

сигналы обратного рассеяния, накопленные на двух участках длиной AZ после границы раздела;

Z, ZK - расстояния до рассеивающего объема и калибровочной точки соответственно;

/ (ZK) - коэффициент ослабления в калибровочной точке.

Начало

Использование: изобретение относится к метеорологии и гидрологии, охраны окружающей среды и может быть использовано для определения оптических характеристик рассеивающих сред. Сущность изобретения: повышение точности определения коэффициентов ослабления в средах с резкими границами раздела путем коррекции сигнала обратного рассеяния на величи- ну перепада лидарного отношения. Сигналы обратного рассеяния дополнительно накапливают на двух равных участках до границы раздела и двух равных участках после границы раздела, по измеренным величинам сигналов до и после границы раздела определяют коэффициент коррекции сигналов обратного рассеяния от участков среды после границы раздела и о величине коэффициента ослабления/ судят по значениям сигналов обратного рассеяния в точке определения Д накопленным значениям сигналов от калибровочной точки до точки определенияД опорным значениям/ и зна-. чениям коэффициента коррекции сигналов от участков после границы раздела. 4 ил. ел с

Считывание fatten fa foil

tuffaiM)

КГ/,

ft-r/A/j

bt + tty

. JW

;)7Жы

(Конёц

Фиг. 2

Считывание lkt y

t + tty

Считыбание ft&kSfatetyi