Устройство для измерения профиля структурной характеристики показателя преломления атмосферы

Номер патента: 1103120

Авторы: Шапиро, Барышников, Черепанов

Скачать ZIP архив.

Текст

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Ю ИИ 1 И 21/41;0 01. Ы РЕТЕНИЯ 0 САНИЕОРСКОМУ СВ КА ИДЕТЕЛЬСТВУ И ом ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 21 3538(71) Специальное конструкторское бюро научного приборостроения "Оптика" Сибирского отделения АН СССР (53) 535.241(088.8)(56) 1. Гуревич А.С. и др. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере. М., "Наука", 1976, с. 254-256.2. Авторское свидетельство СССР М 934427, кл. 0 01 Ч 1/00, 1980 (прототип).(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ СТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее источник излучения, приемный объектив, в Фокусе которого расположен сканирующий фотодетектор, вход которого соединен с выходом . генератора цифровой развертки, с входом которого соединен. первый выход блока управления сканированием, второй выход которого соединен с входом источника излучения,.а также счетчик, блок памяти и регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ е е с .я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения высотного профиля,077/18-251.837.84. Бюл. М 26Барышников, А.П.Чере структурной характеристики показателя преломления атмосферы вдольтрасс с любьи наклоном к земнойповерхности, в него ведены пиковый детектор, масштабный усилитель,компаратор, электронный ключ, блокраспределения памяти и блок вычисления дисперсии, причем выход сканирующего фотодетектора соединен .непосредственно с первым входом компаратора и через последовательно соединенные пиковый детектор и масштабный усилитель - с вторым входомкомпаратора, выход компаратора соединен с входом электронного ключа,с первым управляющим входом счетчика и управляющим входом блока распределения памяти, к выходу которого последовательно подключены блокпамяти, блок вычисления дисперсиии регистрирующий прибор, причем выход электронного ключа соединен свторым входом пикового детектора,второй управляющий вход счетчикасоединен с вторым выходом генератра цифровой развертки, третий выход блока управления сканированиеподключен к третьему управляющемувходу счетчика, выход которогосоединен с входом блока распределения памяти.Изобретение относится к атмосферной оптике и может быть использовано при изучении распространениясвета в атмосфере и в оптическойлокации.Известно устройство для измеренияструктурной характеристики показателяпреломления по раэмытию среднейдифракционной картины в Фокусе линзы,содержащее источник излучения - лазерс коллимирующей оптической системой,Фокусирующую линзу, которая строитдифракционное иэображение удаленного источника в фокальной плоскости, сканирующую щель .и фотоприемникПо турбулентному уширениюразмера дифракционного иэобруженияисточника судят о значении С 1 .Недостатком этого устройства является невозможность определенияпрофиля структурной характеристикиС вдоль наклонных трасс, так какметод просвечивания атмосферы. предполагает наличие передающего и .приемного устройств , расположенныхна концах измерительной трассы.Наиболее близким к изобретениюявляется устройство для измеренияпрофиля структурной характеристикипоказателя преломЛения атмосферы,содержащее источник излучения, приемный объектив, в фокусе которогорасположен сканирующий Фотодетектор,вход которого соединен с выходомгенератора цифровой развертки, свходом которого соединен первыйвыход блока управления сканированием, второй выход которого соединенс входом источника излучения, а также счетчик, блок памяти и регистрирующий:прибор:2 .Принцип действия устройства основан на измерении степени изменения средней интенсивности в центре дифракционного иэображения удаленного источника в Фокальной плоскости .линзы. Сканируя щелевой апертурой изображение источника, построенного приемной линзой в плоскости фотокатода диссектора, определяется сечение центра тяжести и измеряется средняяинтенсивность Зц, в этом сечении, а также средняя йнтенсивностьвсегосветового пятна. По измеренным значениям 3 и Звычисляется значение СУстройство измеряет с высокой . точностью структурную характеристику преломления на горизонтальныхтрассах, но не позволяет опредЕлять высотный профиль этой характеристи.ки, так как предполагает наличие передатчика н приемника на противоположных концах исследуемой трассы и формирование в фокальной плоскости приемной линзы дифракционного иэображения удаленного светового источника. Бель изобретения - обеспечениевозможности измерения высотного профиля структурной характеристикипоказателя преломления атмосферывдоль трасс с любым наклоном к зем 5 ной поверхности.Указанная цель достигается тем,что в устройство для измерения про- .филя структурной характеристикипоказателя преломления атмосферы,10 содержащее источник излучения,приемный объектив, в Фокусе которогорасположен сканирующий фотодетектор,вход которого соединен с выходомгенератора цифровой развертки, свходом которого соединен первый выход блока управления сканированием,второй выход которого соединен свходом источника излучения, а такжесчетчик, блок памяти и регистрирующий прибор, чведены пиковыйдетектор, масштабный усилитель, компаратор электронный ключ, блок распределения памяти и блок вычисления.дисперсии, причем выход сканирующегофотодетектора соединен непосредствен 25 но с первым входом компаратора ичерез последовательно соединенные. пиковый детектор и масштабный усилитель с вторым вХодом компаратора, выход компаратора соединен с входом30 электронного ключа, с первым управляющим входом, счетчика и управляющимвходом блока распределения памяти, квыходу которого последовательно подключены блок памяти, блок вычисленияЗ 5 дисперсии и регистрирующий прибор,причем выход электронного ключа соединен с вторым входом пиковогодетектора, второй управляющий входсчетчика соединен с вторым выходомгенератора цифровой развертки,третий выход блока управления сканированием подключен к третьему управляющему входу счетчика, выход которого соединен с входом блока рас-.пределения памяти.45Принцип работы устройства основан на зондировании атмосферы коротким световым. импульсом, сформированным коллимирующей оптической систе 50 мой источника излучения, причем изоб:ражение локализованного в пространст- .ве объема, заполненного световым импульсом, анализируется в фокальнойплоскости приемной оптической системы. Смещение центра тяжести этогоиэображения от оптической оси приемной системй определяется, (в Фиксированный момент времени. )степенью турбулентности на трассе от,местоположения светового импульса до приемной60 апертуры. Осуществляя слежение зацентром тяжести изображения объема,заполненного световым импульсом, распроСтранякицимся по трассе с любымнаклоном к земной поверхности, по65 измеренному значению дисперсии уг1103120тора б При сканировании краем вырезывающего отверстия видеосигнал,пропорциональный интенсивности светового пятна, поступает на второй входкомпаратора б.и в течение второй поло-.вины кадрасравнивается с половиной диаграммы сигналов; на выходе сканирующего фотодетектора 3 -15, пиковомдетекторе 4 - 1 б, счетчике 9 . - 17,и синхроимпульсы 18 и 19 в слУчаеиспользования генератора треугольнойцифровой разверткй. До момента равенства напряжений на входах компаратора 6 счетчик 9 считает число тактов с момента времени - . При равенТк220стве сигналов на входах компаратораб на его выходе Формируется логический перепад - команда запрета насчет, которая поступает на .первыйуправляющий вход счетчика 9, а такжена электронный ключ 14, которыйсчищает пиковый детектор 4. числотактовых импульсов М, равное координате центра тяжести светового пятна,с выхода счетчика 9 поступает в блокЗ 0 распределения памяти 10, которыйпредназначен для распределения информации по ячейкам блока памяти 11.Блок памяти 11 представляет собойматрицу ячеек памяти с в строками и35 К столбцами. При прохождении последовательности(пакета)импульсов вкаждой иэ К ячеек строки записываетсязначение координаты центра тяжестисветового пятна для определенной40 фиксированной точки щ измерительнойтрассы. В блоке вычисления дисперсии12 вычисляется дисперсия отклоненияцентра тяжести светового пятна и повычисленному значению дисперсии врегистрирующем приборе 13 определя 45ется значение структурной характеристики С. Влок управления 7 служитдля сийхрониэации запуска источникаизлучения 1 и формирования тактовыхимпульсов запуска генератора цифро 50 войразвертки 8 и кадровых синхроимпульсов,Частота развертки выбрана такойчтобы за время распространениясветового импульса вдоль измеритель 55 ной трассы можно просканировать краем выреэывающего отверстия, нескольво раз изображение рассеивающего объема, т.е. частота развертки должнаТ60удовлетворять условиюй =,где2Тк " период кадровой развертки;щ определяет число точек вдоль йзмерительной трассы. За время распространения одного импульса в каждой65 иэ этих в .точек определяются коордн..3лового смещения координаты центра. делится масштабным усилителем 5 потяжести судят о профиле параметра С полам и поступает на вход компараНа фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 -.временные диаграммы, поясняющиеработу устройства. 5Устройство содержит источник из-.лучения 1, приемный объектив 2,в фокусе которого расположен скани- записанного в пиковом детекторе 4рующий фотодетектор 3, выход которо- видеосигнала.го соединен с последовательно соеди-. щ На фиг. 2 представлены временныененными пиковым детектором 4, мас.штабным усилителем 5 й первым входомкомпаратора б, а также непосредствен"но с вторым входом компаратора б,блок управления сканированием 7,первый выход которого подключен кгенератору цифровой развертки 8,выходы которого подключены соответственно к сканирующему .фотодетектору3 и к второму управляющему входу.счетчика 9, второй выход блока уп- .равления сканированием 7 соединено входом источника излучения 1, аего третий выход подключен к третьему управляющему входу счетчика 9.Выход. счетчика 9 подКлючен кпоследовательно соединенным блокураспределения памяти 10, блокупамяти 11, блоку вычисления дисперсии 12 и регистрирующему прибору13, причем выход компаратора 6подключен к первому управляющемувходу счетчика 9,. к второму входублока распределения памяти 10 и квходу электронного ключа 14, выходкоторого подключен к второму входупикового детектора 4.Устройство работает следующим,образом.Последовательность световых им-.пульсов, сформированных источникомизлучения 1, посылается в атмосферу. Приемный объектив 2 строит вфокальной плоскости изображениесечения рассеивающего объема, обра-,зованного световым импульсом приего распространении в атмосфере.Анализ светового .фокального пятна .производится сканирующим фотодетектором 3, например диссектором с.прямоугольным вырезывающим отверстием, причем размер формируемого изображения меньше вырезывающего отверстия. Сканирование осуществляетсякраем вырезывающего отверстия. При,этом интегрирование реализуется.непосредственно в диссекторе, а навыходе диссектора формируется видеоимпульс, форма и длительность кото"рого определяются распределениеминтенсивности в фокальном изображении и его размером,Рассмотрим работу устройства вфиксированный момент времени, т.е.предположим, что .импульс неподвиженв точке измерйтельной трассы. Макси.мальная амплитуда видеоимпульса запоминается пиковым детектором 4, 1103120наты центра тяжести светового пятначисловые коды М, которых поступают через блок распределения памяти 10 в соответствующие а ячеек первого столбца матрицы блока памяти 11. При распространении второго и последую щих 1 световых импульсов заполняются соответственно второй и последующие К столбцов матрицы ячеек блока памяти 11, причем по в -й строке записываются значения координат: 10т.е. определяется приращение координаты на участке )П измерительной трассы для выполнения условия однородности турбулентности по трассе при вычислении структурной постоянной показателя преломления С.В блоке вычисления дисперсии 12 по формулегде Г - фокусное расстояние приемно го объектива,определяется дисперсия отклонения координаты центра тяжести для участка щ измерительной трассы.Проделав такие вычислениядиспер сии отклонения для каждого участка трассы, получаемпрофиль дисперсии1 Ь) вдоль всей трассы.В регистрирующем приборе вычис- ляются значения С для участков иэ- З 5 мерительной трассы по формулеС 1),тамб ). з2Ф Ф 740где 4 - длина измерительной трассы 3 - диаметр светового пучка на выходе передатчика. Проделав вычисления во всех мточках измерительйой трассы, получаем 45распределения Сд Ь) вдоль трассы или8высокий профиль структурной постоянной показателя прелОмления турбулентной атмосферы.Таким образом, эондируя последовательностью световых импульсов измеряемую трассу и отслеживая флуктуации центра тяжести иэображения рассеивающего объема, заполненного световым импульсом, при его распространении в атмосфере в точках трассы, получаем высотный профиль структурной характеристики С, причем с высокой точностью.Приведем расчет некоторых параметров устройства для конкретной трассы.При зондировании турбулентности по трассе длиной 5 км время распространения импульса до приемной апертуры 30 мкс. Число участков трассы выбирается равным 10,т.епо 500 м каждый участок, что определяет величину кадровой частоты 1 =330 кГц, Величина тактовой частоты определяется выбором длины развертки, связанной с размером фокального иэображения светящегося объема. При выбранной трассе этот размер близок к дифракционному и на практике не превышает 150 мкм, В этом случае длина раэвертки с эапасом должна быть равной +300 мкм, что при организации восьмираэрядного генератора цифровой развертки.на половину кадрового периода ) составляет линейное смещение вырезывающего отверстия на один тактовый импульс 1,1 мкм, а тактовая частота 1 =170 мГц. Точность измерения координаты центра тяжести равна 1,1 мкм, что при фокусе объек- тива. Р щ 2 м и определяет угловое разрешение устройства 0,1 и диапазон измерений +25 . Этот диапазон и точность вполне удовлетворяют условиям реальной атмосферы.Изобретение позволяет реализовать возможность оперативного измерения профилей структурной характеристики показателя преломления атмосферы вдоль трасс с любым наклоном к земной поверхности.

Смотреть

Заявка

3538077, 12.01.1983

СПЕЦИАЛЬНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО НАУЧНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ "ОПТИКА" СО АН СССР

БАРЫШНИКОВ ВЛАДИМИР ФИЛИППОВИЧ, ЧЕРЕПАНОВ АЛЕКСЕЙ ПЕТРОВИЧ, ШАПИРО ИОСИФ ЯКОВЛЕВИЧ

МПК / Метки

МПК: G01N 21/41

Метки: показателя, профиля, структурной, преломления, атмосферы, характеристики

Опубликовано: 15.07.1984

Код ссылки

<a href="http://patents.su/5-1103120-ustrojjstvo-dlya-izmereniya-profilya-strukturnojj-kharakteristiki-pokazatelya-prelomleniya-atmosfery.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Устройство для измерения профиля структурной характеристики показателя преломления атмосферы</a>

Похожие патенты