Способ определения коэффициента ослабления рассеивающей среды

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 0940 21 4 00, 6 51)5 6 0 ЕНИЯ 2 бретение относ огии, охрайы о ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССР1 ч. 390401, кл, 0 01 ЧЧ 1/00, 1973,Креков Г,М., Кавкянов С,И КрековаМ,М. Интерпретация сигналов оптическогозондирования атмосферы, Новосибирск,Наука, 1987, с, 108.Зуев В,Е., Креков Г,М., Крекова М,М.,Наац И.Э, Теоретические аспекты проблемы лазерного зондирования облаков. В кнВопросы лазерного зондирования атмосферы. Новосибирск, Наука, 1976: с. 3-33,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ РАССЕИВАЮЩЕЙСРЕДЫ(57) Использование: изо итсяк метеорологии и гидрол кру" Изобретение относится к области метеорологии и гидрологии, охраны окружающей среды и может быть. использовано для определения оптических характеристик рассеивающих сред,Наиболее близким к предлагаемому является способ, заключающийся в посылке импульсов света малой длительности, преобразовании рассеянного в обратном направлении света в электрические сигналы, накопление этих сигналов в течение. заданного времени, в зависимости ат местоположения калибровочной точки и точки определения коэффициента ослабления,жающей среды и может быть использовано для определения оптических характеристик рассеивающих сред. Сущность изобретения: повышение точности определения коэффициентов ослабления в средах с резкими границами раздела путем коррекции сигнала обратного рассеяния на величину перепада лидэрного отношения. Сигналы обратного рассеяния дополнительно накапливают на двух равных участках до границы раздела и двух равных участках после границы раздела, по измеренныМ величинам сигналов до и после границы раздела определяют коэффициент коррекции сигналов обратного рассеяния от участков среды после границы раздела и о величине коэффициента ослабления Р судят по значениям сигналов обратного рассеяния в точке определения Р, накопленным значениям сигналов от калибровочной точки до точки определенияр, опорным значениям и значениям коэффициента коррекции сигналов от участков после границы раздела. 4 ил. , - аСОС) при увеличении усиления принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки зондирующего импульса и определении независимым способом калибровочного (опорного значения коэффициента ослабления,Недостатком данного способа является то, что реализация данного способа требует постоянства лидарного отнэшения по трассе зондирования, Более того, при зондировании по наклонным трассам, а также на большом удалении от лидара практически невозможно получение значения козффициента ослабления в удаленной от лидарэ калибровочной (опорной) точке.При решении задач климатического мониторинга и охраны окружающей среды возникает задача определения коэффициента ослабления рассеивающих сред в многослойных слоисто-неоднородных средах с резкими границами раздела, например, чистая атмосфера - искусственн ые дымообразования - чистая атмосфера, чистая атмосфера - облачность и т,д. При этом при переходе от одного рассеивающего слоя к другому, наряду с изменением концентрации рассеивающих частиц происходит изменение их микрофизических характеристик (показателя преломления, распределения частиц по размерам), что в свою очередь приводит к изменению лидарного отношения. Поскольку в абсолютном большинстве случаев аг риорная информация о величине изменения микрофизических характеристик отсутствует, то известные способы (в том числе и прототип) восстанавливают оптические характеристики в предположении о постоянстве лидарного отношения по трассе зондирования, что в свою очередь приводит к большим ошибкам восстановления.Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента ослабления в средах с резкими границами раздела путем учета изменения лидарного отношения на границах раздела.Предлагаемый способ реализуется следующим образом, В исследуемую среду с границей раздела посылается зондирующее импульсное излучение и производится регистрация сигналов обратного рассеяния, накопленных на участках от калибровочной точки до границы раздела, от границы раздела до точки определения коэффициента ослабления и на двух равных участках, прилегающих к границе раздела с двух сторон. . Производится также регистрация сигнала обратного рассеяния из исследуемой точки среды, .Для величины сигнала обратного рассеяния в исследуемой точке 2 можно записать следующее выражение;Р(2) = А 2 Т (О;20) Щ (2)Т (2 о,2), (1) где Р(2) - регистрируемый сигнал обратного рассеяния в исследуемой точке 2; А - аппаратурная константа лидарэ, ф(2) = = 9 (Щ Д) - коэффициент обратного рассеяния в исследуемой точке 2, 9(2),ф (21) - соответственно лидарное отношение и коэффициент ослабления в точке 2; Т (О:2 о),2 Т.(2 о:2) - прозрачность участков трассы2зондирования О;20, 20;2), где 20, 2 - точки по трассе зондирования, Из (1) следует, что для решения уравнения необходимо ис пользовать какие-либо допущения о средеили априорную информацию ввиду многопараметрической зависимости, Решение уравнения (1) относительно/3(2) для экспериментально определяемой функции 10ФЖ) = Ю)2 А 9 (23)Т (О 20)2 -1 -2как показано имеет вид: 15Ъ Р(2) = /(21) - 2/)(2)б 2,(2)где ф(2 к) = Р(2 к)2 к Ад (2 к)Т (О;2 о) - экспериментально определяемая функция в точке 2 к, которая является калибровочной (опорной), В этой же точке 2 другим независимым способом определяют и значение коэффициента ослабления Д (2 к). Удобнее всего точку 2 к располагать вблизи лидара, так как на удалении от него (особенно для наклонных или вертикальных трасс) изме- рять В(2 к) затруднительно или даже невозможно.Следует отметить, что решение (2) дляпрактической реализации требует предположения о неизменности лидарного отношения вдоль трассы зондирования, В случае зондирования слоисто-неоднородных сред, в которых наряду с изменением концентрации рассеивающих частиц по трассе зондирования происходит изменение их, микрофизических характеристик, а значит илидарного отношения д(2), использование 40 алгоритмов, основанных на неизменнрсти9(2) становится некорректным. Очевидно и следствие из этого - рост ошибки определения 3 (2). Данного недостатка можно избежать, если произвести корректировку 45 экспериментально измеряемой функции, наперепадлидарного отношения после границы раздела. Действительно, запишем функцию ф (2) для точки Ъ, лежащей до границы раздела, и точки Ъ+1, лежащей после грани цы раздела;ф (21) = Я(Ъ)Сьф (Ъ+1) = 5(Ъ+1)С+1 = Щ+1)Сдо+1, (3)Я где Я(Ъ) = Р(Ъ)Ъ; Я(5+1) = Р(Ъ+1)5+1 - сигналы обратного рассеяния, восстановленные на квадраты расстояний Ъ и Ъ+1,СВ = А Г (О;20)9(Ъ)С+1 = А"Т (020)9(21+1))=5) ента ос м облу для и рани Как видно из 3), при переходе от точки 1 к точке+ 1 переходе через границу раздела) происходит изменение функции ф 2) за счет изменения лидарного отношения. Величина этого изменения равна с 1(,н 1, так как С(+1 = С.с 1 ц+1, где с 1 ц+1 = 9(/9 н.1. А это означает, что при расчете 3 12) в точке Ъ+1 необходимо производить корректировку в константе С(, используемой в точке Ъ на величину 9 ц+1, Физический смысл необходимости корректировки состоит в использовании одной константы для всей многослойной трассы зондирования, что означает сведение алгоритма к модели с постоянством лидарного отношения по всей трассе. Другими словами, для более корректного использования методик, требующих предположения 912) = сопз 1, в случае многослойных сред необходима подстройка корректировка) сигнала обратного рассеяния под используемое предположение,С учетом 3) выражение 2) можно переписать в виде:/3 21) = 321) рц - 21 к + 1 с 1 ц+1, 4)3 (22 к 12.где 1 к =32)с 12 - сигнал, накопленный на2-Кучастке от калибровочной точки 2)0 до границы раздела, Точка 2 к выбирается из-за удобства вблизи лидара и в ней определяется опорное значение коэффициента ослабления (В 2 к), 1( - сигнал, накопленный на участке от границы раздела 2 до исследуемой точки 21.Для определения же величины коэффициента коррекции с 1 ц+1 необходимо измерение накопленных сигналов на двух участках произвольной ширины ЛЪ до границы раздела Ъ и двух участках шириной Л 2 после границы раздела, Запишем выражение для накопленных сигналов в виде функционала 1, который, имеет вид 3:)(2, 2 + Д 2) = - А 92, 2 ГЪ 2)Т (02) х г+Лг х 1 - ехр 1-2 1,8 2)с)ЕЦ Е При выполнении на участках Л 2(, Л 2 условий; а= ТЛ 2) еряемых накопленных сигналов дораздела 1. = Ъ - 2 Л 2); 2 - ЛЪ),1(-1 12 - Л 2(; 2) и после границы раздела 1 =2(; Ъ+ Л 2), 1)+1 = 12 + Л 2; 2 + 2 Л 2) можно записать систему уравнений 1(-2 = А 9(Т (О, 2( - 2 Л Ъ)1. - Т Л 2)1(-1 = А 9(Т О; 2( - 2 ЛЪ)ТЛЪ)1-Т Л 2)1 = А 9(+1 Т О, 2 - 2 Л Ъ)Т Л Ъ)1-Т Л 2))х 1 = Адн 1 Т 10, 2 . 2 Д 20 Т (Д 20 Т ххЛ 2) 1 - Т Л 2), б) где черта нэд 9 означает усреднения на участках накопления 2 - 2 Л 2(; Ъ - Л 2(, Ъ - -Л 2(;2(, прилегающих к границе раздела слева, и 2(; Ъ+ Л 2, Ъ+ Л 2, Ъ+ 2 Л 2 - прилегающих к границе раздела справа,Решение системы 6) относительно 20 9(/9 н.1 имеет вид: 21 - 1 1 - 1 +с 1(,(+1 = 9(/9+1=, . Р)1) 1 - 2 1) - 125Параметр корректировки 9(,н.1 зависиттолько от микрофизических характеристикрассеивающей среды и не зависит ни отконцентрации рассеивающих частиц, ни отаппаратурных констант, Даже если одновременно со скачком лидарного отношенияна границе раздела происходит и скачкообразное изменение коэффициента ослабления концентрации), то и в этом случаевеличина цц+1 показывает, какую часть визменении сигнала обратного рассеяниясоставляет величина изменения лидарногоотношения 92), т.е. изменение качественного состава, т,к, выражение 7) не содержитТ Л 2) и Т Л 2) и при выводе 7) никаких. предположений о поведении перепадаТ Л 2) и Т Л 2) не делалось,Таким образом, как следует иэ 4), 7),измеряя накопленные сигналы от калибровочной точки до границы раздела. от границы раздела до точки определениякоэффициента ослабления и на двух равныхучастках, прилегающих к границе раздела сдвух сторон определяется значение коэффициента ослабления в исследуемой точке сиспользованием корректировки сигналовобратного рассеяния на перепад лидарного .отношения, Устранение при этом используемого в известных способах предположения 9 = сопзт приводит к исключениюпогрешностей, обусловленн (х этим,Фо рмула изобретен Способ определения коэффи лабления рассеивающей среды и1809408 З 2+ 11 а,+11 йе 1 к = т ЗДОк - с л, накопленный отЕкалибровочной точки 2 к до границы раздеа 2; игна 7чени исследуемой области среды импульсами света малой длительности, преобразования рассеянного в обратном направлении света в электрические сигналы при увеличении усиления принятых сигналов пропорционально квадрату текущего времени, отсчитываемого с момента посылки импульсов света, накопления этих сигналов в течение заданного времени, а также задания вблизи источника света калибровочной точки 2 к на пути распространения импульсов света и определения калибровочного значения коэффициента ослабления, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения в средах с резкими границами раздела путем учета изменения лидарного отношения на границе раздела, накопление сигналов обратного рассеяния ведут от калибровочной точки до границы раздела, от границы раздела до точки определения коэффициента ослабления и на двух равных участках, прилегающих к границе раздела с двух сторон, а о величине коэффициента ослабления в исследуемой точке судят из выражения:дЯ 2) = Р(2)2 - сигнал обратного расстояния от точки 2;71 =Я(2)бУ - сигнал, накопленный отЕграницы раздела 2 до исследуемой точки 21; Я(2) = Р(2)2 ;32) = Р(2)2 к РД), Р(2 к) - сигналы обратного рассеяния соответственно из точек 21 и 2; РщегоетстА - А г г1-г,) Р(2)2 б 2; 1-1 = 1 Р 2)2 д 2 -е - г Ле е - Ьесигналы обратного рассеяния, накопленные на двух участках длиной Ь 2 до границы раздела;е+Л 2 е+г Ье1 =Р(2)2 б 2; 1+1 =Р(2)2Е Е +Л 2сигналы обратного рассеянйя, накопленные на двух участках длиной Л 2 после г аницы раздела;2, 2 к - расстояния до рассеиваю объема и калибровочной точки соотв венно;ф(2) - коэффициент ослабления в калибровочной точке,1809408 Корректс ил акта Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 ъ ФЭ вЯ аз 1285 ВНИИПИ Гос Составитель М, КугейТехред М,Моргентал Ъ Фф:Ъ ) СрВ