Способ определения интегрального группового показателя преломления воздуха

) ) 4(5) С 01 И 21/ ФВСУДАРСТВЕННЫ ЙО ДЕЛАМ ИЗОБРЕ ОМИТЕТ СССНИЙ И ОТНРЫТИ ТЕНИ РСИ лс(- ф 6 вЯ 2123 С-й ент а тиче й=ЧТ 6 Мр ьй; Нр - заданиявозд г ая точност казателя н пределе омления р в радиодиапазон т тсть определомпен)зоне часяя длинасть элек 11 - точи са п диап(72) А.С. Медовиков и В.П. Глумов (71) Владимирский политехнический институт(56) 1. Прилеин М.Т., Голубев А.И. Ииетрщентапьные методы геодезической рефрактометрии. - Итоги науки и техники "Геодезия и аэросъемка", т. 15, М., ВИНИТИ, 1979, с. 80-82.2. Авторское свидетельство СССР В 542127, кл. С 01 И 21/41, 1977 (прототип).(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ГРУППОВОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЗДУХА путем передачи, приема и измерения величины девиации несущей частоты прошедших в воздушной среде исследуемой трассы модулированных по амплитуде электромагнитных колебаний и поспедующего определения по результатам измерения показателя, преломления воздуха, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона измерений йоказателя преломления в область радиочастот, дополнительно измеряют. о крайней мере еще одну девиацию несущей частоты, разнесенной по спектру от первой несущей частот на величину 61, измеряют температуру воздуха в местах излучения и приема электромагнитных колебаний, а искомый показатель преломления воздуха й находят по формуле где и - показатель преломления-йонесущей частоты ) в стандартных условиях;С - скорость света в вакууме;в - коэффициент амплитудноймодуляции;Я - круговая частота модуляцииБц; - измеренная девиация несущей;П - длина трассы;Ви С - дисперсионные коэффициыформулы Коши для стандартных условий;7 - средняя температура воздухна концах трассы; а,)и 31- коэффициенты формулы Баррела-Сирса;)с 1 и )- коэффициенты. формулы фрумаЭссена,причем величину разнесения оп ских несущих колебаний по спект у 61 определяют по формуле колебаний в воздушной средеФ 1144033Изобретение относится к исследованию атмосферы оптическими методамии может быть использовано в геофизике, радиогеодезии.Известен дисперсионяый способ определения интегрального показателяпреломления воздуха в радиодиапаэоне, Основанный на СВЧ-рефрактометрии,согласно которому производят измерения метеопараметров в одной или двухточках иа коьцах трассы, вычисляютсредине значения метеопараметров поФормуле Фрума-Эссена, находят искомыйнокаэатель преломления Я .Укаэанный способ имеет низкую точ- цность.Наиболее близким к преддагаемомупо технической сущности является,способ определения интегрального группового показателя преломиенйя воздуха р 0гдепутем передачи, приема и измерениявеличины девиаии несущей частотыпрошедших в воздушной среде модулиро-ванных по амплитуде колебаний и последующего определения по реэультатам измерения показателя преломлениявоздуха Я .Известный способ применим для определения интегрального показателяпреломления воздуха только в онти"ческом диапазоне. Это объясняетсятем, что для радиодиапазона дисперсия воздуха ничтожно мала, поэтомуфазовая и групповая скорости совпадают и, следовательно, девиация. несущей частоты ничтожно мала.,Цель изобретения - расширениечастотного диапазона измерений пака- "зателя преломления в область радиочастот, т.е. получение интегрального 40показателя преломления воздуха длярадиовойн путем зондирования атмосферы в оптическом диапазоне.Особенность такой постановки задачи заключается в том, что чувст вительность радиометодов зондирования низка, а в оптическом диапазоне разработаны сравнительно простые и высокочувствительные способы определения интегральногопоказателя нре лоиаения. Поэтому целесообразно применить оптические измерения для определения показателя преломпения воздуха в радиодиапазоне.Поставленная цель достигается тем,Я что согласно способу определения интегрального группового показателя преломления воздуха путем передачи,приема и измерения величины девиациинесущей частоты прошедших в воздушной среде исследуемой трассы модулированных по амплитуде электромагнит-ных колебаний и последующего определения но результатам измерения воздуха дополнительно измеряют но крайней мере еще одну девиацию несущейчастоты, разнесенной по спектру отпервой несущей частоты на величинуЬ измеряют температуру воздуха вместах излучения и приема электро"магвйтних колебаний, а искомый показатель преломяения воздуха п находят по Формуле ь " г-"г"э 1 г-НгжГДЕ ас, - ПОКаэатЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ-йнесущей частоты И в стандартных условиях;- скорость света в вакууме;щ - коэффициент амплитудноймодуляции;Я - круговая частота модуля-,ции,Ь 6 Э; - ИЗМЕРЕНная девиация-йнесущей колебаний;- длина трассы;6 и С - дисперсионные коэФфициентыФормулы Коши для стандартных условий;Т - средняя температура воздуха на концах трассы;М, и 2 - коэФФиЦиенты формулы Баррела-Сирса;" и " - коэффициенты формулы фр 1ма-Эссена,причем величину разнесения оптических несущих колебаний по спектру Ьопределяют по формуле Ь="з Ь"где Ь " заданная точность определенин показателя преломления воздуха в радиодиапазоне частот;Ь 8 - точность определения индек"са преломления в оптическомдиапазоне частот;Э - средняя длина волны;033 3 11447 - скорость электромагнитныхколебаний в воздушной сре-,де.На чертеже представлена блок-схема устройства для реализации способа.Способ осуществляют следующим образом.Излучение источника 1 проходит через удвоитель 2 частоты, модулятор 3, светоделитель 4.и через передаю О 1 щий объектив 5 идет на дистанцию 2 После отражения от отражателя 6 излучение проходит через приемный объектив 7 и падает на дихроичное зеркало 8, сквозь которое проходит только излучение частоты д 1 Это излучение проходит через светоделитель 9, на котором сМешивается с .опорным пучком от светоделителя 4 и падает на фото- приемник 10. Излучение частоты М 2 = 2 О = 2 И 1 отражается от дихроичного зеркала 8, зеркала 11 и на светоделителе 12 смешивается .с опорным излучением. На фотоприемниках 10 и 13 опорные и дистанционные световые пучки смешиваются, а поскольку дистанционные пучки получают при распространении в воздухе девиации частот ВИ 1 и М соответственно, то на подключеннь:х к фотоприемникам частотомерах 14 и 15 можно измерить девиации частотСпособ реализуют при помощи неодимового лазера Ъ, = 1,06 мкм, вторая длина волны получена путем генерации второй гармоники= 0,503 мкм.5 Измеренные девиации частот состав;ляют 1,053 и 1,077 кГц. Показатель преломления на трассе 12,8 км имеет значение 1,000271. воздуха в радиодиапазоне мала, что " вообще не позволяет использовать дисперсионный способ вне полос поглощения. Таким образом, кроме метеорологического способа, т.еопределения 11 по измерениям метеопараметров, в радиодиагаэоне нет другой возможности выполнить коррекцию измерений к свободному пространству, Ввиду непредставительности метеопараметров, которые измеряют на концах трассы, точность измерений состав ляет порядка 10 (в относительных единицах).В оптическом диапазоне ситуация обратная, так как дисперсия показателя преломления достаточно велика и можно использовать дисперсионный способ в сочетании со способом, основанным на измерении девиации опти 1 ческой частоты. Измерение девиации частоты по крайней мере для двух оптических несущих частот дает возможность решить обратную задачу, т.е. определить средние по трассе значе ния метеопараметров, а затем по известным метеопараметрам определить искомый показатель преломления в радиодиапазоне.Возможно использовать несколько оптических несущих, при этом рабочие формулы будут иметь аналогичный вид для любой пары длин волн,а окончательный результат следует получать с использованием :етода наименьших квадратов. Однако увеличение числа длин волн приводит к резкому усложнению технической реализации способа, Сущность изобретения основана на 40следующем. Известно, что в радиодиапазоне влияние влажности на показатель преломления воздуха примерно в100 раз больше, чем в оптическом диапазоне, Поэтому для точных определений 11 необходимо точно измерить .влажность вдоль пути распространенияволн, Применение дисперсионного способа для достижения указанной цели,т.еизменение разности оптических 50путей (фаз) для двух волн даже вполосах поглощения водяного пара малоэффективно, так как при больших длинах волн (радиодиапазон) разностьфаз мала, а точность фазовых измере ний в радиодиапазоне ограничена 0,02 рад, С другой стороны, нормальная дисперсия показателя преломления . Пределы разноса оптических частот по спектру определяются требованиями к точности определения показателя преломления воздуха в радиодиапаэоне, Дифференцируя основную формулу для показателя преломления и в ра- диодиапазоне) 2 Н 2 813 "112- 201,-р,где ай; - точность измерений индексапреломления в оптическомдиапазоне;средняя длина волны.1144033 аЪ=ьМ;Ъ Йть 11 р Составитель С. ГолубеРедактор В. Петраш Техред М.Гергель рректор А Обручар Подписноеета СССРытийя наб., д Заказ 897/3 Тираж 897 ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и от 113035, Москва, Ж,. Раушс4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна Отсюда для диапазона разности оптических длин волн имеем Прн 7 щ 0,5 мкмТ - 300 К, ьй= 10 д,Ор= 1, получим 4 = 0,6 мкм.С увеличением требований к точносч ти определения показателя преломления воздуха в радиодиапазоне необхо димо увеличить разнос оптических длин волн или увеличить точность измерений в оптическом диапазоне,Использование изобретения позволит одним и тем же устройством опре делять показатель преломления как воптическом, так и в радиодиапазоне. Это особенно важно для радиодиапазона, так как в укаэанной области существующие технические решения сложны в осуществлении и недостаточно чувствительны.Использование изобретения в морской геодезии позволит значительно повысить точность привязочных работ в районах шельфа,