Способ определения спектральных оптических характеристик атмосферы

(5 цю 6 01 М 21/47 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Институт оптики атмосферы СО АН остин и И.Э, Наацкое свидетельство СССРкл; 6 01 Ю 1/00, 1975,И.Э. Теория многочастотного ландирования атмосферы, Новосиука" 1980, с, 80 - 91, 154,(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРЫ путем посылки в исследуемый объем атмосферы импульсного лазерного излучения на нескольких длинах волн и регистрации обратно рассеянного излучения, о т лИзобретение относится к области атмосферной оптики и предназначено для определения спектральных оптических характеристик (коэффициентов обратного рассеяния и ослабления) атмосферы в видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра при условии значительной пространственной неоднородности атмосферы. Оно может быть также использовано для определения оптических характеристик атмосферного аэрозоля в ультрафиолетовой области спектра. где измерение этих характеристик выполняется со значительными ошибками из-эа сильного молекулярного поглощения излучения.Наиболее близким к изобретению является способ определения спектральных оптических характеристик атмосферы,5 Ц 1143180 А 1 и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности в условиях оптически неоднородной атмосферы, посылают излучение по, меньшей мере на трех длинах волн, не менее половины из которых в видимой области спектра, а другие - в ближней инфракрас- . ной, затем с противоположной стороны встречно посланному излучению посылают дополнительно излучение надлине волны, совпадающей с центральной длиной волны спектрального интервала ранее посланного излучения, регистрируют рассеянное в обратном направлении дополнительное излучение от исследуемого объема и по результатам регистрации обратно рассеянного основного и дополнительного излучений судят об искомых оптических характеристиках,который осуществляется путем посылки в исследуемую среду импульсного лазерного излучения на нескольких длинах волн и измерения потоков излучения, рассеянных этой средой в обратном направлении, по которым определяют искомые параметры,При определении спектральных оптических характеристик (коэффициентов обратного рассеяния и ослабления) искомые значения коэффициентов обратного рассеяния определяются путем итерационного решения системы уравнений лазерного зондирования, связывающих измеренные на каждой частоте (длине;волны) потоки излучения с определяемыми оптическими характеристиками атмосферы. Значения коэффициентов ослабления определяются путем матричного умножения4 ех = д,4)Ът 10 15 40 ) " ") ) )40 д 15 50 55 Где 4) )ГВ 8 КТОЬЬ КОМПО "48 НТЯМИ К 011Г 3 Я 1)П Я 10 ТС Я Н Я й Де Н Ы 8 И 3 У Р а П Н ЕИ Й Л Ь 4 3 8 Р,.)- Го ЗОНДИРОВЯ 14 Я ЗНЯЧВНИЯ КоэффИЦИЕНТОВ обратноГО рс)ссея 14 и и котооый имеет размерн 01 то., рвану 0 числу частОт зондировя Н)1 Яф ех - ВЕКТОР, 4 М 8 ЮЩИй тУ жЕ РаЗМЕР- ность, компо 11811 тами которого являк)тся искомые значения коэффициентов ослабления;1 Л - квадратная матрица (матричный оператор, именуемый оптическим), элементы которой ряссчитыва 1 отся на основе теории рассеяния излучения средой (теории Ми),При этом средее значение показателя преломления рассеивающей среды неизвестно и его необходимо дополнительно измерить. Это можно осуществить двумя сиОсОбами; спос)бом прямого изме)ег 1 ия, ОС 1)ОВЯННОГО На Отба;38 Проб ИССЛедуЕМОЙ среды и посл руюГцем анализе этих проб (ОД 11 ЯКО ТЯКИЕ ИЗМС 138 НИЯ ООЛЯДЯ 40 Т НИЗКОИ ТЧ 140 С 1 Ьго БС)З:,ГТВЙР ИСКажеНИИ В 4)эг 44)дг,а Ю,Ч)1 Х г "И г 1 Т)рдг )1 ЯНЯЛИЗЕ П раб) И СПГ 1 СО м сати 1. сх 01 3 301 дировяния,)днс 1 ХО),- )Н дгп ":г); ) 01)с.1 г:.,; г )д;д Н недзб,;л гиг 10 стью 08 О 1:.;4 ия некороект 1 ых Гб).; ГЧ 1 Х р л.:гд гГ Иеприт к д)Ь)ЕН ЬШЕНИ, Гоч 1 ОС 1 И ОП 18 Д 8)181114 Я СРЕД 148 ГО ЗНаче"П 01 ЯЭЯТС, -, ПГДЕЛОМГ, ДНР,1СЛДГ)СГ.)11 ГД Нгд-,.ОЧдого ОПРгдД)длгд 14 г)3 г )дд 1 ГГО дд 1 ЯЧ 81.1 И ПОКЯЭЯТЕЛЯ ПРОЛОМЛЕНИЯ РСССВИРа 10 Шей Средц ВОЗНИК )К оц)иб 1 д)и Пг)И 1)ЯС 1 ЕТЕ М;т рицы у Когорцв Прняоля) К у 4 И 81.41)1381.11,4 Ю точности определения иск 431111 х парамет- РОВ,Целью изобретения является повышение точности способа в условиях неоднородной атмосферы,Пат:тавленная цель достигается тем, что в способа определения сгектральных оптических характеристик атмосферы, осуществляемом путем посылки в исследуемый Объем атмосферы импульсного лаэе 13 нОГО излуч 8 ния на нескольких длинах волн и р 8 Гистрации обратно рассеянного излучения, посылак)т излучение по меньшей мере на трех длинах волн, не менее половины из которых в видимой области спектра, а другие- в ближней инфракрасной, затем с противоположной стороны встречно посланному излучению посылают дополнительно излучение на длине волны, совпадающей с центтальной длиной волны спектрального интервала ранее по- сланнОГО излучения, реГистрируют 13 ассеянное в обратном направлении дополнительное излучение от исследуемого объема ". по получе)ным данным обратно ССС:- ЯН 14 ); 0 ОСНОВНОГО И ДОПОЛНИтеЛЬг 4 ОГО ы 1 злучения сулят ОЬ искамь 4 х Оп Гических харак Геристикях,,.1 ля осуществления способа на концах измерительной трассы располагают моностаические лазерные лОкатары и с их пгэмогцью на 1 равляют навстре;у друг другу зондирующие импульсы в исследуемый объем атмосферы, а приемными устройствами локаторов измеря от потоки излучения, рассеяннце в обратном 4 аправлении от исследуемого объема. Лазерный локатор, расположенный на одном конце измерительной трассы, является многочастотным и имеет три или более рабочих длины волны в видимой, Л. = 0,4-0,7 мкм) и ближнем ИК( 1 = 0,7 - 1,1 мкм) областях спектра, причем в видимой области выбиоают не менее половины количества раочих длин волн локатора, Этот выбор обусговлен тем, что основной вклад в спект- РЯЛЬНЫЕ ОПТИЧОСКИЕ ХаРЯКтЕРИСтИКИ атМОСфЕР 1 д в;1 иДимой и ИК областЯх спектРа Дает атмосферный аэрозоль, Г 1 ри этом основну 1 о роль в изменении оптических характеристик атмосферы играют субмикронная и грубодис 118 рс 1 я фракция атмосферного аэрозоляЛазер; ы" локатор, рабртжощий на трех или более длинах волн в видимом и ближнем И Г. диапаэоь ах спектра, в котором число длин вслн г ас 1 гределеь 1 а между этими диапазонами В указано;1 вь ше соотношении, позволяет наиболее полно учесть изменение спектральных ОГтических характеристик, Обусловленное изменением субмикронной и Грубодисперсной фракций атмосферного аэрсэоля и рассчигать оп)ические характеристики в видимой и во всей ИК области спектра. Одночастотнь 1 й лазерный локатор, расположенный на другом вконце измерительной трассы, предназначен для устранения основного недостатка, связаннога с неопределенностью среднего значения показателя преломления рассеивающей среды, Он также позволяет учесть пространственное изменение э-ого параметра по измерительной трассе и тем самым обеспечивает учет пространственнога изменения искомых параметров, Для обеспечения более высокой точности необходимо, чтобы длина волны данного локатора совпадала с центральной длиной волны многочастотного лазерного локатора. Пространственное разрешение в определении искомцх параметров достигается путем перемещения исследуемого объема по измерительной трассе с шагом, равным протяженности этого обьема, которое зависит От,цлительности зондиру 1 ощих импульсов. Применением лазерных источников20 преобразование оптической характеристики /3(Е, Л) в характеристику/У (, Л 1 ),Тогда на основе теории рассеяния излучения рассеивающей средой можно построить оператор (матрицу), устанавливающий однозначное соответствие между одной или различными оптическими характеристиками, заданными в различных спектральных интервалах, на различных длинах волн,Разработанный метод оптического оператора позволяет определить оптические характеристики атмосферы в более широком спектральном интервале, чем интервал длин волн, на которых работает источник 1, Искомые оптические характеристики атмосферы определяются путем матричного ум- ножения где Ь вектор, имеющий размерность и, равну 1 о числу рабочий длин волн источника 1, и компонентами которого являются определенные на этих длинах волн из уравнений лазерного зондирования (2) значения козффициегтов Обратного рассеяния;3 д - век гор, имеющий размерность гп, равную .Ислу длин волн, нз которых требуется Определить искомые параметры, и ;Омпрнеитами ко.орого являются искомые значения коэффициентов обратного рассеяния:ф ех - вектор, имею.цил размернасгь гп, компонентами которого являю 1 ся искомь 1 е значения коэффициентов ослабления;Или И ех - матрицы, имеющие размерность щ х и, элемеить которых зависят от среднего значения показателя преломления в рассеивающей среде и рассчитываются на основе теории рассеяния излучения в среде,Необходимым условием при расчете матриц В/ди И ех является то, чтобы последовательность длин волн, на которых определяются искомые параметры, содержала значения рабочих длин волн источника 1, Эта обусловлено построением алгоритма итерационного решения системы уравнений лазерного зондирования (2), При практической реализации метода оптического оператора в способе предварительно с помощью ЭВМ рассчитываются две последовательности матриц ( В 7 т и О ех ) для различных значений среднего показателя преломления и хранятся в памяти ЭВМ.Алгоритм осуществляется следующим образом,25 30 35 40 50 55 Кз уравнения лазерного зондирования (3) и одного из уравнений(2), записанного для той же длины волны(длииа волны, на котооой работает источник 2), определяются значения коэффициентов обратного рассеяния и ослабления на этой длине волны. Коэффициент обратного рассеяния пропорционален произведению встречных сигналов от рассеивающего обьема. Это значение используется для построения итерационного процесса, Коэффициент ослабления пропорционален отношению произведений встречных сигналов при последовательном смещении на один шаг рассеивающего обьема. Найденное значение коэффициента ослабления используется для выбора конкретных значений матриц ЧЧ 7 г и Ю из последовательностей, хранящихся в ЭВМ,На первом шаге итерационного процесса задаются некоторыми значениями (например, нулевыми) коэффициентов ослабления на длинах волн источника 1 и из уравнений (2) определяют значения коэффициентов обратного рассеяния для этих же длин волн, Из последовательностей оптических операторов, хранящихся в памяти ЭБМ. выбираются некоторые значения Я ки В/ ех, В соответствии с (8) определяется спектоальная зависимость коэффициентов обратного рассеяния и ослабления, Значения коэффициентов ослабления для длин волн, на которых работает источник 1, подставляют в уравнения (2) и из этих уравнений определяют следу ощее приближение коэффициентов обрагного рассеяния для тех же длин волн, Значение коэффициента обратного рассеяния, рассчитанное для длины волны источника 2, сопоставляется со значением коэффициента обратного рассеяния для этой же длины, найденного из совместчого решения уравнений (2) и (3), Если разность между ними велика, то осуществляется следующий шаг итераций, Если же этз разность мала, то проверяется величина разности между значением коэффициента ослабления, полученным из решения уравнений (3) и (4), и значением коэффициента ослабления, рассчитанным с помощью матрицы ЧЧех для рабочей длины волны источника 2, Если разность велика, то из последовательностей, хранящихся в памяти ЭВМ, выбирается следующая пара матриц Я,7 г и Л ех и осуществляется следующий шаг итераций. Если же и эта разность мзда, то найденные с помощью матриц спектральные оптические характеристики принимаются за искомые параметры,тавитель Б,Костинред М.Моргентал рректор Л.Ливрин едактор О,Филипова Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 1963 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5