Способ определения влажности в атмосфере с развитой турбулентностью

(51)5 6 01 ЧЧ 1/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 113938311 ц 1196 т,",.чав)1 Г:,С" САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ А(71) Одесский гидрометеорологический институт(56) Авторское свидетельство СССР В 325579, кл, 6 01 ЧЧ 1/11, 1969.Журнал прикладной спектроскопии, 1986, т, 45, М 3, с 468.(57) Изобретение относится к метеорологии, а именно к дистанционному зондированию атмосферы с развитой турбулентностью воздушных потоков. Для повышения точноЯ ВЛАЖНО ИТОЙ ТУРБУ Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано при дистанционном зондировании свободной атмосферы, в частности при определении влажности атмосферы с развитой турбулентностью воздушных потоков. ю изобр сти, г,1 пред ую щего имер эк ров плоИНОМ ЛОГ эксперзависим мощно етения является повыш ставлена схема устройстпредлагаемый способ; на спериментально получаености мощных эхо-сигнаарифмическом масштабе; иментально наблюдаемая ость отношения спектров сти. Цель ние точноНа фи ва, реализ фиг.2 - пр мых спект лов в дво на фиг.3 - частотная плотности КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ сти определения влажности вданном способе по сравнению с известными посылают в атмосферу пучок излучения с диаметром сечения равным характерному масштабу внутренней турбулентности, выделяют флуктуирующее во времени стохастические составляющие эхо-сигналы путем пространственно-временной фильтрации и Фурье- анализа отдельно для длин волн поглощения и пропускания водяным паром, и по отношению их спектральных плотностей флуктуаций определяют содержание водяного пара. Способ позволяет использовать источники излучения малой мощности, а также исключить погрешности, связанные с деформациями и сдвигами контуров линий поглощения водяного пара, и избежать необходимости калибровки характеристик отражателей,Устройство содержит лазерный источник 1, блок 2 формирования пучка излучения с заданным диаметром сечения, поворотное зеркало 3, зеркальный телескоп 4, отражающее зеркало 5, устройства 6 - 9 разделения по длинам волн, фотоприемники 10, блоки 11 фильтрации, Фурье-анализаторы 12, интегрирующие блоки 13, вычислительное устройство 14 и индикатор 15,Выбранную для измерения трассу облучают импульсами электромагнитного излучения, например импульсами монохроматического излучения от лазерного источника 1, Длина волны импульсов излучения изменяется путем дискретного переключения на две длины волны Л 1 и Л 2. При этом одна иэ длин волн излучения Л 2 + ЛЛ, гдеМ - полуширина линии излучения, попадает в контур резонансной линии поглощения водяного пара. Время переключения выбирается таким, чтобы выполнялось условие "замороженное атмосферы" - для импульсов с длинами волн 4 и Я 2 флуктуации метеопараметров атмосферы должны быть идентичными. Это время имеет величину10 с. Излучаемый источником импульс-эформируется в блоке 2 так, чтобы пучки излучения с длинами волны 11 и А 2 прсстранственно совмещались и проходки по одной и той же трассе зондирования, а поперечный диамета пучков устанавливают соизмеримым с внутренними масштабами турбулентности, т.е, д = 10 мм, В качестве формирователя 2 используются линзовый коллиматор и поворотное зеркало 3, отраженное излучение поступает в зеркальный телескоп 4. В зависимости от решаемой задачи отражательным элементом на трассе может служить зеркало 5 либо топографический отражатель, либо рассеивающее образование в атмосфере - аэрозольные частицы, Эхо-сигнал фильтруется подлинам волн на линиях поглогцения Л 2 и пропускэ- ниЯ А 1. ДЛЯ этОГО служат устройства 6 - 9Устройство 6 представляет собой ограничивающую диафрагму, Далее излучение разделяется на двэ канала при помощи полупрозрачного зеркала 7. В каждом из каналов установлены интерференционнь.е фильтры 8 и 9 соответственно для длины волн излучения 11 или А 2, Отфильтрованное по длинам волн излучение попадает на фотоприемники 10, где преобразуется в электрические сигналы, соответствующие интенсивности излучения на длинах волн Л 1 и А 2, которые подвергаются электрической фильтрации в блоках 11, где из поступающих электрических сигналов выделяют флуктуирующие во времени стохэстические составляющие эхо-сигнала, Выделенная стохастическая составляющая эхо-сигнала подвергается Фурье-частотному анализу в реальном масштабе времени, т.е, за время одной реализации. Для этого применяются Фурье-анализаторы 12 спектра отдельно для длин волн эхо-сигнала на А 1 и 42, Спектральные составляющие Фурье-частотного анализа или Фурье-образца, получен н ые для каждой реализации, интегрируются или накапливаются в течение цикла измерения в блоках 13. Полученная информация о спектральньх плотностях флуктуаций поступает в вычислительное устройство 14, где производится расчет измеряемого параметра, Рейульт.:т выводится на индикатор 15,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 г" 5 В свободной атмосфере с развитой турбулентностью под действием локальной температуры и плотности водяного пара существует пространственная зависимость диэлектрической проницаемости. В случайном поле я т, г) электромагнитное излучение испытывает стохастические модуляции, глубина и спектр которых определяются условиями распространения излучения и флуктуации метеопараметров.Такие оптические параметры среды. как показатель преломления и - Жи коэффициент поглощения водяным паром, является функциями давления Р. температуры О, плотности водяного пара е, Малые стохостические флуктуации оптических параметров пропорциональны производным по локальным значениям РЯ, 0(г) и е(г) и зависят от них, Статистические характеристики флуктуаций, такие как спектр и корреляционная функция, отличаются для электромагнитной волны, прошедшей трассу зондирования без поглощения водяным паром, и для волны, частично поглощающейся ВОДЯНЫМ ПВРОМ,На фиг,2 представлены полученные экспериментально спектральные плотности мощности флуктуаций эхо-сигналов двух ла- ЗЕРНЬ 1 Х ПУЧКОВ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ 4 = 1,08 мкм - не поглощаемого водяным паром и 12 = 1,15 мкм - частично поглощаемого водяным паром и распространяющихся одновременно по одной и той же трассе длиной 1 = 250 м.Спектры плотности мощности флуктуаций эхо-сигналов и их зависимости от частоты в 1и в 2 Щ соответствующих А 1 и 4 отличаются друг от друга. Конкретный пример экспериментально получаемых спектров 1 о в 1 1) и 19 в 2(1) в двойном логарифмическом масштабе представлен на фиг,2. Экспериментально наблюдаемая зависимость соотношения 19 в 1/в 2 от частоты при различных метеопэраметрах на трассе, измеряемых независимыми методами, представлена на фиг.3, По трассе устанавливаются датчики скорости ветра Ч, температуры 00 С и абсолютной влажности е, Затем определяются частоты, соответствующие экстремуму зависимости и на основании полученного максимального значения тп определяю влагосодержание по форму 19 в = 1910+ Вэ,О,Я 1 е1 ",- О,00366 ОВозможны два подхода к использованию этой зависимости для решения обратной задачи - измерения средней величиныабсолютной влажности на трассе по экспериментально определенным величинам а: теоретический расчет зависимости 1 ц О)1/а и экспериментальное построение калибровочной зависимости цап = 1 фо+ Ва с независимыми измерениями а.Использование данного технического решения позволит повысить точность определения влажности свободной атмосферы с развитой турбулентностью ветровых потоков при достижении следующих положительных эффектов, Дисперсия амплитуды эхо-сигнала может быть соизмерима со среДней величиной эхо-сигнала в цикле измерений, При этом открывается возможность использования маломощных источников излучения. Неконтролируемые деформации и сдвиги контура линий поглощения водяного пара, возникающие в зоне зондирования с изменением метеоусловий, не являются критическими параметрами способа, и поэтому не отражаются на точности измерений в широких пределах вариаций метеоусловий. Селективные свойства отражательных устройств или образований не влияют на стохастический характер эхосигнала, поэтому отпадает необходимость калибровки отражательных характеристик отражателей, а в процессе измерений отражатель может изменять свои свойства. например адсорбировать влагу,Формула изобретения 5 Способ определения влажнос, и в атмосфере с развитой турбулентностью, заключающийся в посылке пучков излучения с дискретно изменяемой длиной волны, приеме в течение цикла измерений и филь трации эхо-сигнала с длиной волны поглощения и пропускания водяного пара, определении дальности до элементарных рассеивающих объемов, по которым судят о величине средней влажности на трассе иэмере ний, о т л и ч а ю щ и й с я тем, Что, с цельюповышения точности, посылаемый пучок излучения формируют с поперечным сечением, соизмеримым внутреннему масштабу турбулентности, дополнительно проводят 20 пространственно-временную фильтрацию ивыделение стохастических составляющих эхо-сигнала, производят Фурье-частотный анализ, накапливают спектральные составляющие эхо-сигнала в течение цикла из мерений отдельно для длин волнпоглощения и пропускания водяного пара, а о величине средней влажности на трассе измерений судят по отношению спектральных плотностей составляющих эхо-сигнала, 30.0,5 едактор И,Горная Заказ 3596 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно.издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Га ина, 10 о,07 Составитель Е,ТрофимТехред М. Моргентал в Корректор М,Кучеряв