Способ идентификации размеров частиц жидкости в атмосфере

(9 М 15/02 601 9 Ч НИЯФ ВИДЕТЕЛ ЪСТ АВТОРСКО я своиго сиг 00 тео ии ти иссообраз-мощью пользо- рименносится к облас иза жидких, гаэ веществ с по и может быть ис и научных экспе нести ата и ни, а К недостат сложность ма большие затра также не полна ющая априорно раметров мног распределения приводит к ухудпособом опредастиц являетсядирования с поботкой результ з пакции что ел ения способ ледуютов лоГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Институт оптики атмосферы Томского филиала СО АН СССР(56) Костин Б,С., Наац Н.Э. Обратные задачи аэрозольного светорассеяния в лазерной локации атмосферы. П 1 Всесоюзный симпозиум по лазерному зондированию атмосферы.Тезисы докладов, Томск, 1974, с. 147-150.Тяботов А.Е. Определение микроструктуры капельных облаков с использованием лазерной локации. И Всесоюзный симпозиум по лазерному зондированию атмосферы. Тезисы докладов, Томск, 1976, с. 123-126,Быковский Ю,А., Маныкин Э.А., Натухин И.Е., Рубежный Ю.Г. Комбинационное рассеяние света на колебаниях формы жидкой сферической частицы. - Квантовая электроника, 1975, т.2, М 8,(54)(57) СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ЖИДКОСТИ В АТМОСФЕИзобретение от едования или анал ных или сыпучих птических методов ано в метеорологии ах,Эффективным с пектра размеров ч многочастотного зон щей машинной обраРЕ, по которому лазерное излучение посылают в атмосферу и принимают рассеянное излучение, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности и повышения точности измерений, в атмосферу одновременно дополнительно посылают моноимпульс с другой длиной волны, изменяя его длительность от 10 до 10 с и интенсивность 10 до 10 Втсм, соблюдая при этом закономерность 53где т- длительность импульса;1 - интенсивность импульса;С - постоянная, определяющаясствами материала частицы,измеряют интенсивность рассеяннонала на частоте излучения зондирующегпучка и по изменению этой интенсивноств условиях воздействия и отсутствия воэдействия мощного излучения судят о параметрах частиц. кационных измерении по формулМи. кам способа следует о тематического аппа ты машинного врем я замкнутость задачи го задания некоторы опараметрической. фчастиц по размера шению точности.Известен также способ определения размеров капель облаков с использованием лазерной локации по величине степени поляризации рассеянного излучения облаком,К недостаткам способа относятся необходимость априорного задания функции распределения частиц по размерам в облаке для определения среднего радиуса облачных частиц, сложность математического аппарата. Все это накладывает ограничение на область применения данного способа и снижает точность измерений.Наиболее близким по технической сущности является способ определения спект-. ра аэрозольных частиц по размерам, в котором используется эффект комбинационного рассеяния на колебаниях формы жидкой сферической частицы, заключающийся в том, что при таком рассеянии света на тепловых колебаниях формы жидкой сферической частицы происходит сдвиг частоты рассеянного излучения. По этому способу в атмосферу посылают зондирующее излучение, принимают рассеянное аэрозолем излучение по частоте комбинационного рассеяния и по интенсивности рассеянного излучения судят о спектре аэрозольных частиц.В силу однозначной связи, между комбинационной частотой и размером аэрозольной частицы эффект рассеяния может быть использован для определения спектра аэрозольных частиц по размерам.Недостатком способа является необходимость применения спектрометров очень высоой разрешающей способности до 0,001 см иэ-за того, что собственные частоты колебаний атмосферных жидких аэрозолей лежат в диапазоне 10 - 10 Гц, а6 8 следовательно, комбинационные частоты незначительно отличаются от частоты зондирующего излучения, которое должно быть строго монохроматическим. Кроме этого, малая интенсивность комбинационного рассеяния света затрудняет применение данного способа для зондирования спектра размеров аэрозольных частиц в атмосфере, Все это обусловливает недостаточную точность и чувствительность способа.Целью изобретения является увеличение чувствительности и повышение точности измерений,Поставленная цель достигается тем, что в способе идентификации размеров частиц жидкости в атмосфере, по.которому лазерное излучение посылают в атмосферу и принимают рассеянное излучение, в атмосферу одновременно дополнительно посылаютмоноимпульс на другой длине волны, изменяя его длительность до 10 е до 10 я с и53 1 т2 л 8 у 5055 10 15 20 25 30 35 40 45 интенсивность от 10 до 10 Вт/см, соблюдая при этом закономерность где т- длительность импульса;- интенсивность импульса;С - постоянная, определяющаяся свойствами материала частоты,измеряют интенсивность рассеянного сигнала на частоте излучения зондирующего пучка и по изменению этой интенсивности в условиях воздействия и. отсутствия воздействия мощного излучения судят о параметрах частиц.При этом принимают рассеянное излучение не на комбинационной частоте зондирующего луча, а аэрозольное рассеяние излучения зондирующего луча, а об искомом параметре судят по скачку интенсивности рассеянного излучения зондирующего луча в присутствии импульса и без него, зная связь между длительностью импульса и радиусом деформированной частицы где р- плотность частицы;у - коэффициент поверхностного натяжения жидкости.Известно, что по действием электромагнитного излучения на поверхности жидкой частицы возникают как сжимающие, так и растягивающие поверхностные усилия, которые придают жидкой частице несферическую форму в присутствии мощности лазерного импульса.Причем, характерное время изменения формы частицы зависит от ее размера и для частиц радиуса от 1 до 10 мкм соответственнолежитвпределахот 10 до 10 с, Кроме того, для изменения формы частице необходима тем большая интенсивность, чем меньше размер частицы, и для аналогичных частиц находится в пределах от 10 до 10 Вт/см . Таким образом, изменением длительности дополнительного импульса от 106 до 10 с и одновременное изменение его интенсивности от 10 до 10 Вт/см приведет к последовательному приданию несферической формычастицам одного заданного размера, так как частицы больших размеров облучаются длинным импульсом, но с малой для более мелких частиц интенсивностью, а короткий импульс действует только на мел) лаб(Й) - ИЗВЕСтНаЯ ФУНКЦИЯ РаСПРЕДЕЛЕ 5 ния частиц по размерам в искусственномтумане.Следовательно, изменяя длительностьпосылаемого импульса то 10 до 10 с иинтенсивность его от 10 до 10 Вт/см; по7 910 величине скачков рассеянного зондирующего излучения можно определить распределение частиц по размерам согласнополученному выражению, зная связь междудлительностью импульса т и радиусом де 15 формированной частицы 1).Для реализации способа посылают через исследуемую среду излучение аргонового лазера и мощный импульс рубиновоголазера. Рассеянное излучение аргонового20 лазера аэрозолем принимается фотоприемником.Производится изменение длительностирубинового импульса от 10 до 10 с и егоинтенсивности от 10 до 10" Вт/см и по25 изменениям сигнала рассеянного зондирующего пучка света определяется распределение частиц по размерам согласнополученной формуле, зная связь радиусакапли с ее временем реагирования на мощ 30 ный импульс,Одной из важных характеристик атмосферного аэрозоля, определяющего его оптические свойства в широком спектральноминтервале частот является функция распре 35 деления по размерам. Процессы образования облаков и туманов связаны смногообразием меняющихся в широкихпределах факторов, определяющих рост капель (зависимость скорости роста от кон 40 центрации, распределения по размерам иприроды ядерной конденсации от температуры и скорости охлаждения воздуха, отмасштабов турбулентности и ее интенсив.ности). Все это не позволило пока теорети 45 чески решить вопрос о функцияхраспределения частиц по размерам. Поэтому большое значение имеет экспериментальное измерение функции распределенияаэрозоля по размерам.50 Способ повышает достоверность прогноза погоды при изучении облаков и туманов,опытиннтал Корректор В,Петраш кие частицы, а большие частицы не успевают видоизменяться за короткое время.Рассеяние ориентированными эллипсоидальными частицами по сравнению со сферическими частицами того же обьекта может превышать более чем в 1,5 раза, что говорит о высокой чуЬствительности данного способа.Дополнительное зондирующее излучение, проходя сквозь аэрозольную среду, рассеивается на деформированных в поле мощного источника частицах, а следовательно, в рассеянном сигнале возникает скачок сигнала в присутствии мощного импульса и по сравнению с ситуацией, когда оптическое воздействие отсутствует.Энергия скачка рассеянного света под углом а к распространениюзондирующего луча можно записать в видеЯр - В рмЯЯВ)й,где- интенсивность зондирующего излучения;1(й) - функция распределения частиц по размерам;й - концентрация частиц;В - сопзс;ра(й) - калибровочная функция от радиуса частиц, учитывающая изменения индикатриссы рассеяния, сечения рассеяния от радиуса частиц и формы.Из данного уравнения выразим функцию распределения частиц по размерам,авахприменив условие нормировки(В)бай=1,авпполучим(2) ав(п Калибровочная функция р 8 определяется в лабораторных условиях по рассеянию света возбужденными каплями искусственного тумана с известной функцией распределения частиц по размерам по формуле: в(л) =Я (л)Составитель Ю,К Редактор О.филиппова Техред М.Морге Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Заказ 563 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5