Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред Советский патент 1982 года по МПК G01W1/00 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК, РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД

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

Известен способ определения оптических характеристик атмосферы, состоящий в том, что 1идарными устройствами, расположенными в вершинах многоугольника, поочередно направляют зондирующие импульсы вдоль опорных трасс, соединяющих вершины этого многоугольника и принимают сигналы обратного рассеяния, затем излучают и принимают сигналы обратного рассеяния по трассам, пересекающим опорные, и по величинам сигнгшов. Полученных от рассеивающих объемов, расположенных в месте пересечения трасс.зондирования и опорных, а также величинам сигналов обратного рассеяния, полученных по трассам, судят о величинах коэффициента ослабления оптического излучения в заданных 1,

Однако этот способ позволяет проводить изтиерения лишь в ограниченной области пространства и характер изуется недостаточной точностью измереНИН оптических характеристик атмосферы в точках пространства, находящихся на значительных расстояниях от опорных участков из-за разброса значений лидарного отношения °по трассе зондирования.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения оптических харак10теристик рассеивающих сред путем посылки световых импульсов малой длительности, преобразования рассеянных в обратном направлении с.ветовых импульсов в электрические сигналы

15 при увеличении усиления принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки светового импульса и одновременного накопления сигналов

20 в течение времени, достаточного для достижения суммарным сигналом максимально возможного значения при существующих атмосферных условиях 2.

Недостатком способа является не25высокая точность определения коэффициента оптического излучения, обусловленная неточным определением величины максимально возможного значения суммарного сигнала в условиях

30 реальных измерений из-за чувствительности приемников излучения и конечной протяженности среды и разбросом значений лидарного отношения по тра се зондирования. Цель изобретения - повышение точ ности определения оптических характеристик рассеивающих сред для произвольно выбранных точек пространства. Цель достигается тем, что соглас но способу определения оптических х рактеристик рассеивающих сред путем посылки световых импульсов малой длительности, преобразования рассеянных в обратном направлении световы импульсов в электрические сигналы при увеличении усиления принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки светового импульса, световые импульсы посылают через исследуемый объем рассеивающей среды поочередно не менее, чем трех неколлинеарных направлений,, по каждому из неколл1 неарных направлений измеряют сигналы обратного рассеяния, определяют взаимные углы между направ лениями посылки зондирующих импульсов, а зтем по величинам логарифмических производных сигналов обратно го рассеяния и величинам взаимных углов между направлениями судят о величинах коэффициента ослабления о тического излучения и об относитель ном градиенте коэффициента обратног рассеяния оптического излучения в и следуемом объеме рассеивающей, среды На фиг.1 и 2 представлены схемы, поясняющие предлагаемый способ. исследуемый объем рассеивающей среды 1, находящийся в точке , зон дируется по направлению е лазерным локатором 2 (лидаром), находящимся в точке К (фигЛ) . Уравнение сигнала обратного рассеяния, поступающего на лидар 2, имеет вид Prt,J)-K|f expj-y|(), ) J где Р ,) - мощность светового сигнала обратного рассеяния, принимаемого от ис следуемого объема при зондировании - лидаром 2 , по направлению €; R - радиус-вектор точки, в которой находится ли- дар 2 г R - радиус-вектор точки пространства, в которой определяются оптические характеристики рассеи вающей среды; ffiUR} - величина коэффициента обратного рассеяния в точке R.; 6(R) величина коэффициента ослабления оптического -, Gfi;() излучения в точке ; R) . L- - лидарное отношение в g(B) точке t) ; г - текущий радиус-вектор прямой, преходящей че рез точки и R { R , R ) - оптическая толщина участка Д ; К - постоянная величина, присущая данном лазерному локатору (лидару, определяемая энергетическим потенциалом и не зависящая от внешних условий. Преобразование рассеянных в обратм направлении световьк импульсов электрические сигналы и-уснление их сигналов пропорционально квадратекущего времени равноздачноусинию сигнала Р( ) в ( раз Й;.) Р (R.1) , (3) s(R,e)K(5rt()expU2r е Пусть - текущая координата пряй, проходящей через точки к и , описываемой векторно-параметричесМ уравнением /Д гда выражение (3) можно записать параметрической форме .R,,e)S(f)K(r7C ()exp|-2j e(). итывая, что производная°от интегла с переменным верхним пределом вна подинтегральному выражению, личина логарифмической производй l(t) будет равна t() ( ) . atmi) , 7-- 2(). 30 { t ) я - производная по на « правлению с. Так как производная по направлею равна скалярному произведению иничного вектора е заданного наавления на градиент скалярного поgrad 2К( ), йыра хение (4) можно исать в виде г() UR,t) .. ( if ). При зондировании по произвольному равлению, определяемому единичвектором е, величина логарифмикой производной Ик,)- сигнала атного рассеяния восстановленного

пропорционально квадрату текущего времени описывается уравнением

,(Д) . .2() (

. )

Градиент, как и всякий другой вектор, можно представить в виде суммы его проекции на базисные вектора в данном пространстве. Следовательно, при зондировании в п-мерном пространстве в выражение (5) входит п. + 1 независимая переменная (коэффициент ослабления g () и п проекций вектора относительно градиента V(R), где

,() - gradOTt (R)

cnc(Rj

Таким образом, при определении оптических характеристик рассеивающей среды необходимо использовать п + 1 линейно независимых уравнений.

Рассмотрим случай определения оптических характеристик в двухмерном пространстве, т.е. на плоскости. Для этого необходимо провести зондирование исследуемого объекта с трех неколлинеарных направлений и решить систему из трех уравнений с тремя неизвестными (коэффициентом ослабления и двумя проекциями Vy , „ век-гора относительного градиента V(R)).

Произвольный вектор , задающий направление зондирования, в полярно .системе координат можно представить следующим образом

Т + j S inf .

Тогда выражение (5) для плоскости можно переписать в виде

1 (,е) П, « ) (Т COSY + + sinV )i,y,(f) - 2 Е (Ю (R)

cosif +JV(R) (R). Учитывая, ЧТО скалярные произведе ния i 7(R) V(R) и Т () ) являются проекциями вектора V(K) на базисные векторы г и , для величины Е(, / ), полученной при зондировании исследуемого объема под углом V t можно записать следующее выражение

1(R, V ) Vx(R)cos «f + 4i (R) sin V -.2 () .

Таким образом, при зондировании исследуемого объема по трем различным неколлинеарным направлениям , 1 и е%,,задаваемым, соответственно углами oL , ft VI f , получаем систему из трех линейных независимы уранений с тремя неизвестными V(R), 4j (R). € () (фиг.2). 1(1, cL) /x(R)cos cd + V (R) sin ОС- 2 t (R)

1 (R, ) Vx(i)cos fi + V (R) sin ГЬ- 2 e(R) (

1(, r) -- /x(R)cosy + V (R) sin T- 2 e()

Главный определитель Л этой системы cos ai s i n ot - 2

COS p s i n ft - 2

(7) cos-y s i n -y - 2

fi -X . r - /

o -r

8:

sin

, , S I n 2-

. 2

не равен нулю, при условии, что f . Т , . т.е. в случае зондирования по неколлинеарным направлениям. Зная величины взаимных углов между направлениями посылки зондируюсщх импульсов А

г-Ягв о{. -г;с |ъ -oL (фиг.2), получаем вырс1жение для величины коэффициента ослабления оптического излучения

g,-S4 С()Sivi А+е(R-tea.)SiyiЪ е(.я,ёгН1и С

. 1-siv. |Величины проекций вектора относительного градиента V(R) будут равны . 1 ( -J-J(R, с) (cos f,- (R)

25

+ 1 (R, Р) ( cos ot) + KR.J-) (caso/- cos fi)j. jsin -2-.sih

ot--r r

S I n

-l-.|e(R, of.) ( sin /)f

(R) + 1 (, p ) (sin ct- ) + ((R.-ar) (sin(b- sin2r)-jsir

-1

ot - r

(9)

vs I n

Следовательно, зная величины Е (f) и взаимные углы А, В и С между направлениями зондирования иселедуемого объема, можно определить его оптические характеристики без априор11ЫХ сведений о характере рассеивающей реды.

Аналогично легко получить выраж ние для коэффициента ослабления t(R) и величин проекций вектора относительного градиента в трехмерном пространстве. В этом случае необходимо решитьь систему четырех равнений с четы|Ёэьмя неизвестными .(R) и проекциями V)(, V , V нектора- относительного градиента на базисные вектора i, У, i декартовой системы координат.

Предлагаемый способ не требует максимально возможного значения суммарного сигнала, а значит, не требует проведения зондирования на больие расстояния, и позволяет проводить .измерения оптических характеристик при помощи лидаров, имеющих относительно невысокий энергетический

потенциал . Возрастает точность определения коэффициента ослабления оптического излучения по сравнению с известным. Формула изобретения Способ определения оптических ха рактеристик рассеивающих, сред путем .посылки световых импульсов мало длительности, преобразования рассе явных в обратном направлении светов импульсов в электрические сигналы при увеличении усиления принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки светого импульса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, световы импульсы посылсиот через исследуемый объем рассеивающей србды поочеред.но не менее, чем с трех неколлинеарных направлений, по каждому из неколлинеарных направлений измеряют сигналы обратного рассеяния, определяют взаимные углы между направлениями посылки зондирующих импульсов, а затем по величинам логарифмических производных сигналов обратного рассеяния и величинам взаимных углов между направлениями судят о величинах коэффициента ослабления оптического излучения и об относительном градиенте коэффициента обратного рассеяния оптического излучения в исследуемом объеме рассеивающей среды. .Источники информации, : принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 873785, кл. G 01 W 1/00, 15,10.81. 2.Авторское свидетельство СССР № 390401, кл, G 01 W 1/00, 11,07.73 (прототип).