Устройство для измерения оптических характеристик атмосферы при выпадении осадков

)5 ЕНИ АНИЕ СО А ферно нии оп ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ 21) 4916479/2522) 05,03.9146) 07,03,93, Бюл, М 971) Институт оптики атмосф СССР(56) Авторское свидетельство СССР В 705884, кл. 0 01 9/ 1/14, 1978.Авторское свидетельство СССР В 780676, кл. 6 01 9/ 1/00, 1978.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРЫ ПРИ ВЫПАДЕНИИ ОСАДКОВ 57) Использование: область атм птики, метеорологии при опреде Предлагаемое изобретение относится к области атмосферной оптики и метеорологии и может быть использовано для дистанционного бесконтактного определения оптической толщи осадков и структурного параметра флуктуаций показателя преломления атмосферы в момент выпадения осад- ков Цель изобретения - увеличение точности измерения оптической толщи осадков.Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения характеристик атмосферы, содержащее два источника оптического излучения (лазеры), коллиматор, два фотоприемника с точечными диафрагмами, два квадратора и вычислительное устройство, дополнительно введены последовательно соединенные коллиматор и зеркальный отражатель, расположенный на противоположном конце измерительной трассы перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения, причем 1800323 А 1 тической толщи осадков и показателя преломления атмосферы в момент выпадения осадков. Сущность изобретения: в один иэ каналов устройства введен на конце измерительной трассы зеркальный ответвитель, при этом источник оптического излучения и соответствующий фотоприемник с точечной диафрагмой расположены на одинаковом расстоянии от зеркального отражателя, а расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и осью этого канала не более /Л 1. /10, гдеЛ - длина волны оптического излучения,- расстояние от источника оптического излучения до зеркального отражателя. 1 ил. источник оптического излучения и принимающий его излучение фотоприемник с точечной диафрагмой должны располагаться на одинаковом расстоянии от отражателя, а расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и передающей оптической системы должно быть не более /ЛО 10, где Л - длина волны оптического излучения;- расстояние от источника оптического излучения до отражателя, что обеспечивается размещением дополнительного зеркального отражателя перед коллиматором под углом к оптической оси источника оптического излучения и полупрозрачной плоскопараллельной пластины перед точечной диафрагмой фотоприемника параллельно дополнительному зеркалу,В предлагаемом устройстве использование зеркального отражателя (при соответствующем размещении одного из источников оптического излучения и одного из фотоприемников) позволяет разделить1800323 2О 1 гидр =Т,где С и - структурный параметр флуктуаций2показателя преломления атмосферы; топтическая толща осадков,Таким образом, разность дисперсий флуктуаций интенсивности пучков оптического излучения 1) и (2 равна: 10 2 2 а =дал, - Пгр -15 Значение С и позволяет по дисперсии флуктуаций интенсивности пучка оптического излучения на прямой трассе (1) с высокой точностью определить оптическую толщу осадков.Отличительные признаки являются существенными по следующим причинам. Зеркальный отражатель, расположенный на противоположном конце измерительной трассы перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения, причем источник оптического излучения и принимающий его излучение фотоприемник с точечной диафрагмой должны располагаться на одинаковом расстоянии от отражателя. Как следует из анализа формул (1), (2) и (3) для эффективного разделения вкладов атмосферных осадков и турбулентности в дисперсию флуктуаций интенсивности оптического излучения необходимо реализовать одновременные измерения на двух трассах: прямой и локационной (т.е. трассе с отражателем). Для организации локационной трассы необходим зеркальный отражатель и соответствующее расположение других элементов. "Введен коллиматор". Формула (2) применима для широкого коллимированного пучка оптического излучения. Для расходящегося пучка оптическогоизлучения ( 1)7 гидр(Р) т 1 ика 2искомая величина х будет определяться устройством с ошибкой более 50 ф.Расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и передающей оптической системы должно быть не более РЙР 10. Если это расстояние больше, то артур (Р) 1 и, следовательно, УстРойство будет определять х с ошибкой более 50%, т,е. с такой же как и прототип. вклады атмосферной турбулентности и осадков во флуктуации интенсивности оптического излучения.Атмосферная турбулентность и осадки дают аддитивные вклады во флуктуации интенсивности оптического излучения, распространяющегося в атмосфере во время выпадения осадков, В силу этого дисперсия флуктуаций интенсивности пучка оптического излучения на прямой трассе(источник излучения расположен на одном конце трассы, фотоприемник - на другом) можно записать следующим образомдр = Отур + О гидр, ( 1 ) 2 2 2 где сг 1 тур - дисперсия флуктуаций интен 2сивности пучка оптического излучения, обусловленная турбулентностью, на прямой трассе;Огидр дисперсия флуктуации интен 2сивности пучка оптического излучения, обусловленная осадками (гидрометеорами), на прямой трассе.Дисперсия флуктуаций интенсивности пучка оптического излучения на трассе с отражением (источник оптического излучения и приемник расположены на одном конце трассы, а зеркальный отражатель - на другом) имеет вид г 1 локтур (Р )71 тур + 2 2+ ггидр (Р) гидр (2 )2 где Утур (Р) и гидр (Р) - коэффициенты увеличения уровня флуктуаций интенсивности пучка оптического излучения, обусловленных соответственно турбулентностью и осадками, на трассе с отражением по сравнению с прямой трассой, как функция расстояния Р от оптической оси фотоприемника до оптической оси передающей оптической системы.Для широкого коллимированного пучка К а 2 О(1, где К = 2 Я: ао - начал ьный радиус пучка оптического излучения) при РП/10тур(Р) =147 1,угидр(р) =1,Кроме того, в этом случае 20 25 30 35 40 45 50 55 2 12 К 7/616 С 2значением этого угла является 45, т.к. обеспечивает максимальный коэффициент отражения от плоскопараллельной пластины.Увеличение точности измерения оптической толщи осадков достигается в предлагаемом устройстве по сравнению с устройством, описанным в прототипе, по следующей причине. В прототипе посылают один коллимированный и один сфокусированный пучок. По дисперсии флуктуаций интенсивности в сфокусированном пучке судят о С 3.Оценку точности устройства - прототипа можно провести следующим образом. Известно, что в сфокусированном пучке почти всегда реализуется режим "насыщения" флуктуаций интенсивности, а ошибка определения Сбудет больше 50,. Например, для сфокусированного пучка сдлиной волны А= 0,63 мкм и размером излучающей апертуры равным 10 см на трассе длиной 100 м режим "насыщения" наступает при значении С= 10м з, что может реализоваться в большинстве случаев. В то время как, в предлагаемом устройстве используются два коллимированных пучка, а как известно в этом случае режим "насыщения" наступает гораздо реже, для этого при самой сильной турбулентности (при больших С ) необхо 2димы трассы длиной в несколько километров. Это позволяет повысить точность измеренияС , а следовательно, и т.2Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является возможность попутного измерения во время выпадения осадков структурной характеристики флуктуаций показателя преломлениявоздуха. Формула изобретения5 Устройство для измерения оптических характеристик атмосферы при выпадении осадков, содержащее два канала, каждый из которых содержит источник излучения, последовательно установленные по ходу излучения 10 точечную диафрагму и фотоприемник, приэтом в первом канале по ходу излучения за источником излучения установлен коллиматор, а фотоприемники соединены через квадраторы с вычислительным устройством, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышенияточности измерений оптической толщи осадков, во второй канал введены последовательно установленные по ходу излучения и оптически связанные дополнительный коллиматор, пер вый зеркальный отражатель, установленныйпод углом к оптической оси источника оптического излучения, полупрозрачная плоскопараллельная пластина, установленная параллельно первому зеркальному отражате лю, второй зеркальный отражатель, установленный в конце измерительной трассы перпендикулярно к оптической оси источника оптического излучения, причем источник оптического излучения и фотоприемник с точечной 30 диафрагмой второго канала расположены наодинаковом расстоянии от второго зеркального отражателя, а расстояние между оптическими осями точечной диафрагмы и второго канала не более Й/10, где А - длина волны 35 оптического излучения,- расстояние отисточника оптического излучения до второго зеркального отражателя.