Способ определения вертикального профиля горизонтальной составляющей скорости движения атмосферного образования

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ОБРАЗОВАНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Кугейко Михаил Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения вертикального профиля горизонтальной составляющей скорости движения атмосферного образования, заключающийся в том, что посылают зондирующее импульсное лазерное излучение при различных азимутальных углах, составляющих угол с вертикалью, регистрируют сигналы обратного рассеяния, измеряют отношения сигналов обратного рассеяния для соседних отсчетов, выделяют отношения, значения которых превышают заданные пороговые уровни, устанавливают по значениям выделенных отношений наличие неоднородности в атмосфере, вычисляют корреляционные функции 13006 1 2010.04.30 выделенных отношений, для каждой высоты определяют максимумы корреляционных функций выделенных отношений, по положению максимумов определяют вертикальный профиль горизонтальной составляющей скорости движения атмосферного образования. Изобретение относится к оптической локационной технике и может быть использовано для измерения скорости движения различных слоев атмосферных образований (облаков, ветра и т.п.). Известен способ определения скорости ветра путем одновременной посылки в заданную область двух параллельных перекрывающихся пучков лазерного излучения с частотами, отличающимися на частоту звукового диапазона и приема акустического импульса,в котором измеряют частоту, соответствующую максимуму в спектре принятого сигнала,а о величине скорости судят по сдвигу этой частоты относительно разности частот посланных лазерных импульсов 1. Данный способ позволяет определять скорость ветра в заданной области атмосферы, обладает невысокой точностью измерений при малой скорости ветра, на точности измерений существенно сказывается изменение состояния среды между выделенной областью атмосферы и измерительной системой. О вертикальной составляющей скорости ветра судят по результатам акустического зондирования 2. Однако данный способ не позволяет определять горизонтальную составляющую скорости движения атмосферного образования. В известных оптических способах определения горизонтальной составляющей скорости ветра, заключающихся в посылке последовательности зондирующих импульсов в различные участки атмосферы, приеме отраженных сигналов и их корреляционной обработке 3-6, регистрируемые сигналы зависят от энергии посылаемых зондирующих импульсов и состояния среды на участке между измерительной системой и рассеивающим объемом,что существенно сказывается на точности определения скорости. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения скорости метеообразований (ветра) 7,8, включающий посылку последовательно один за другим зондирующих импульсов при разных азимутальных углах оптической оси лазерного локатора так, чтобы время полного оборота локатора было меньше времени распространения турбулентных неоднородностей между соответствующими рассеивающими объемами, проведение корреляционного анализа эхо-сигналов. И в данном способе на точность определения скорости метеообразований сказывается изменение энергии посылаемых зондирующих импульсов и состояния среды между локатором и рассеивающими объемами. Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения точности определения вертикального профиля горизонтальной составляющей скорости перемещения атмосферных образований и расширение функциональных возможностей за счет проведения измерений для более широкого числа атмосферных ситуаций. Для решения данной задачи в способе измерения скорости движения атмосферных образований путем посылки зондирующего излучения при различных азимутальных углах, составляющих небольшой угол с вертикалью, регистрации рассеянного в обратном направлении сигнала и вычислении корреляционной функции измеряют отношения сигналов обратного рассеяния для соседних отсчетов, по значениям отношений, превышающих задаваемые пороговые уровни, устанавливают наличие неоднородностей в атмосферном образовании, а о скорости перемещения атмосферного образования судят по значениям корреляционной функции для отношений отсчетов, соответствующих неоднородностям в исследуемой среде. Блок-схема устройства, реализующего данный способ, приведена на чертеже. Включает вращающийся локатор 1, содержащий лазер и фотоприемное устройство, измеритель 13006 1 2010.04.30 отношений сигналов обратного рассеяния 2, многоканальный коррелятор 3, устройство отображения 4 и блок управления и питания 5. Работает следующим образом. Вращающийся локатор 1, включающий источник оптического излучения (например, лазер), посылает в исследуемую среду зондирующие импульсы, сканирующие по конусу. Рассеянные в обратном направлении световые потоки поступают на фотоприемное устройство локатора, где происходит преобразование световых сигналов в электрические. В 2 производится измерение отношений сигналов обратного рассеяния для соседних отсчетов и выделяются значения отсчетов, соответствующих наличию турбулентных неоднородностей в исследуемой среде. Многоканальный коррелометр 3 производит корреляционный анализ выделенных отсчетов для соответствующих пар положений оптической оси локатора, а устройство отображения 4 показывает значения распределения скоростей по высоте. Управляет и питает локатор. Если исходить из предположения о полном увеличении атмосферными метеообразованиями взаимодействующих со светом частиц (атомов, молекул, частиц аэрозолей), что предполагается для всех корреляционных методов, то рассеивающие свойства объемов атмосферных образований меняются со временем в зависимости от проходящих через них турбулентных неоднородностей. Последние появляются через соответствующие распределения аэрозольных частиц и молекул в пространстве. При посылке зондирующих лазерных импульсов при различных азимутальных углах по направлению, составляющем небольшой угол с вертикалью (осуществляется путем вращения лазерного излучения),рассеивающий объем будет повторяться через какое-то время для соответствующих ему посылок зондирующего излучения. Определив это время, получаем значение скорости метеообразования. Если посылать импульсы излучения последовательно один за другим при различных азимутальных углах оптической оси лазерного излучателя так, чтобы время полного оборота локатора было меньше времени распространения турбулентных неоднородностей между соответствующими рассеивающими объемами, тогда указанное выше время можно определить из корреляционного анализа рассеянных в обратном направлении сигналов. Однако при этом флуктуации сигналов обратного рассеяния, вызываемые прохождением через рассеивающие объемы турбулентных неоднородностей, должны быть больше флуктуаций, которые возникают на пути излучения лазера к рассеивающему объему и на обратном пути рассеянного сигнала в приемную систему. Чтобы исключить данные требования, необходимо влияние последних флуктуаций устранять. Также требуется принимать меры и по устранению изменений в регистрируемых сигналах обратного рассеяния за счет флуктуации энергии излучения посылаемых импульсов. В аналогах и прототипе данные вклады значительно снижают точность определения скорости метеообразований. Покажем, что, используя отношения сигналов обратного рассеяния для соседних отсчетов, отмеченные выше вклады в погрешности определения скорости можно устранить. Запишем сигналы обратного рассеяния в виде 2 Для отношений сигналов обратного рассеяния , восстановленных на, для соседних отсчетови (1) легко получить соотношение( ) где 2 (,1 )2( )А - аппаратурная константа локатора 0 - энергия по сылаемого зондируемого импульса- коэффициент ослабления оптического излучения- коэффициент обратного рассеяния 2 - прозрачность участка среды между(3) Как видно из (3), отношения соседних отсчетов сигналов обратного рассеяния не зависят ни от энергии зондирующих импульсов, ни от состояния среды между локатором и рассеивающим объемом. А это и означает, что разброс в энергии посылаемых зондируемых импульсов, изменение состояния среды между локатором и рассеивающим объемом не будут сказываться на величине отношений сигналов обратного рассеяния для соседних отсчетов. Данное отношение определяется значениями только коэффициентов обратного рассеяния, которые, согласно гипотезе замороженности, какое-то время не изменяются. Так как при попадании зондирующего импульса на неоднородность (например, на границу облака, на разрыв в облаке, на турбулентную неоднородность для ветра и т.п.) изменяется коэффициент обратного рассеяния , а его значения для практически всех атмосферных ситуаций известны (как и значенияв ситуационном состоянии атмосферы), то, исходя из этого, просто установить пороговые значения отношений, которые будут соответствовать неоднородности. Оценивая в дальнейшем корреляционную связь между данными отношениями, легко определить и значение скорости. Действительно, в блоке обработки для отношений сигналов обратного рассеяния (корреляторе 3) конус делится на соответствующие элементы и рассматривается корреляция между всевозможными парами сигналов, соответствующими различным элементам конуса. Для выделенной неоднородности (например, в точке 1, чертеж) и в произвольной точкеможно записать следующее выражение для коэффициента корреляции между функциями 1(1)/(1) и/, ( - соответствует регистрации сигнала для -го оборота локатора) где- число отсчетов (оборотов локатора) отношений сигналов обратного рассеяния в точках 1 и . Для точек 1 и 2 (чертеж), соответствующих прохождению через них одной и той же выделенной неоднородности, функция (1,2) примет максимальное значение. Поскольку расстояние (2 - 1) и время 2 - 1, соответствующие появлению максимума корреляционной функции, становятся известными, то значения горизонтальной составляющей скорости перемещения метеообразования вычисляются из соотношения(1 ) .221 Аналогичным образом, выделяя неоднородности в другом слое метеообразования (на другом расстоянии по конусу сканирования), также определяется скорость перемещения данного слоя. А это означает, что данным способом можно получить вертикальный профиль горизонтальной составляющей скорости перемещения метеообразований. Следует при этом отметить, что поскольку используемые отношения сигналов обратного рассеяния для соседних отсчетов не зависят ни от энергии зондирующих импульсов,ни от характера среды на участках между локатором и рассеивающими объемами, то и рассчитываемая корреляционная функция будет исключать составляющие погрешностей,обусловленные данными факторами. Соответственно повышается точность определения 4 13006 1 2010.04.30 скорости, и, кроме того, данный способ позволяет проводить зондирование и в случаях,когда флуктуации сигнала обратного рассеяния, вызываемые прохождением через рассеивающие объемы турбулентных неоднородностей, могут быть меньше флуктуаций, которые возникают на пути излучения от лазера до рассеивающего объема (отношенияне зависят от состояния среды). А это, в свою очередь, расширяет и функциональные возможности предлагаемого способа за счет возможностей проведения измерений для большего числа атмосферных ситуаций. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.