SU1103695A1 - Method of optical atmospheric sounding - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к атмосферной оптике и может быть использовано дл  измерени  оптических характеристик атмосферы , например в интересах метеорологического , обеспечени  авиации.The invention relates to atmospheric optics and can be used to measure the optical characteristics of the atmosphere, e.g. in the interests of meteorological, aviation.

Известен способ оптического зондировани  атмосферы, согласно которому в гетеродинном приемнике Лини  излучени  лазера подстраиваетс  на максимум спектральной линии соответствующего спектрального излучени  в атмосфере.A known method of optical sounding of the atmosphere, according to which, in a heterodyne receiver, the line of laser radiation is adjusted to the maximum of the spectral line of the corresponding spectral radiation in the atmosphere.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  способ оптического зондировани  атмосферы путем излучени  световой энергии в атмосферу , часть которой  вл етс  лучом гетеродина, гетеродинного приема обратноThe closest in technical essence and the achieved result is a method of optical sounding of the atmosphere by emitting light energy into the atmosphere, part of which is a heterodyne ray, the heterodyne reception back

оabout

рассе нного светового излучени  с последующим преобразованием световой энергии в scattered light radiation with the subsequent conversion of light energy into

СА) электрические сигналы, регистрации электС Ю рических сигналов и вычислени  искомой величины.SA) electrical signals, recording electrical signals and calculating the desired quantity.

слcl

Измерение параметров атмосферы вдоль всей трассы в заданном диапазоне частот мржно производить лишь с помощью серии измерений с последовательной перестройкой частоты источника от измерени  к измерению, что ухудшает оперативность работы и сужает функциональные возможности . Во-первых, ввиду дискретности перестройки частоты тер етс  часть информации об исследуемом объекте, во-вторых, увеличиваетс  врем  регистрации, и втретьих , дл  реализации метода требуетс Measurement of atmospheric parameters along the entire path in a given frequency range should only be carried out using a series of measurements with a sequential adjustment of the source frequency from measurement to measurement, which impairs operational efficiency and reduces functionality. First, due to the discreteness of frequency tuning, some of the information about the object under investigation is lost, secondly, the registration time increases, and thirdly, the method requires

допплеровское смещение частоты и рассе нного излучени  на движущихс  частицах. Последний фактор требует наличи  в исследуемом объеме частиц с некоторой требуемой составл ющей вектора скорости по оси зондирующего луча, что ограничивает область применени  метода.Doppler frequency shift and scattered radiation on moving particles. The latter factor requires the presence in the sample volume of particles with some required component of the velocity vector along the axis of the probe beam, which limits the scope of the method.

Целью изобретени   вл етс  повышение оперативности измерений.The aim of the invention is to increase the efficiency of measurements.

Дл  достижени  поставленно.й цели в известном способе оптического зондировани  атмосферы путем излучени  в атмосферу световой энергии, часть которой используют в качестве гетеродинного луча, гетеродинного приема обратно рассе нной световой энергии с последующим преобразованием световых сигналов в электрические , усилени  на промежуточной частоте, регистрации электрических сигналов и вычислени  искомой величины, перестраивают монотонно частоту непрерывного излучени  источника, а усиление производ т на промежуточной частоте, равной разности частоты прин того обратно рассе нного излучени  и текущей частоты гетеродина, причем измен ют промежуточную частоту гетеродинного приёмника и вычисл ют профиль искомой величины по трассе луча, а также перестраивают излучение источника по линейному закону с перемен ной скоростью и вычисл ют профиль искомой величины по трассе луча. -, Частота излучени  источника за врем  прохождени  сигнального луча по трассе зондировани  измен етс , измен етс  ичастота гетеродинного луч а,т.е. создаетс  сдвиг.частоты между сигнальным лучом и лучом гетеродина. При этом гетеродинным приемником регистрируетс  только та часть рассе нного излучени , разность частот которого и текущей частоты гетеродина попадает в полосу усилени  усилител  промежуточной частоты гетеродинного приемника , что будет соответствовать сигналу, рассе нному объемом с определенного рассто ни , соответствующего величине задержки частоты рассе нного излучени  от текущей частоты гетеродина.In order to achieve the goal, in a known method of optical sounding of the atmosphere by emitting light energy into the atmosphere, part of which is used as a heterodyne beam, heterodyne reception of back-scattered light energy with subsequent conversion of light signals into electrical ones, amplification at an intermediate frequency, recording electrical signals and calculating the desired quantity, monotonously tunes the frequency of the continuous radiation of the source, and the amplification is performed at an intermediate frequency, equal to frequency difference of the received backscattered radiation and the current frequency of the local oscillator, and change the intermediate frequency of the heterodyne receiver and calculate the profile of the desired value along the beam path, and also rearrange the source radiation according to a linear law with a variable speed and calculate the profile of the desired value ray trail. -, The frequency of the source radiation during the passage of the signal beam along the sounding path varies, and the frequency of the heterodyne beam a, i.e. a shift is created between the signal beam and the local oscillator beam. In this case, the heterodyne receiver registers only that part of the scattered radiation, the frequency difference of which and the current frequency of the local oscillator falls into the gain band of the intermediate frequency amplifier of the heterodyne receiver, which will correspond to the signal scattered from a certain distance corresponding to the magnitude of the scattered radiation frequency delay from current oscillator frequency.

Селекци  сигнала по объему проводитс  автоматически выбором промежуточной частоты, следовательно, отпадает необходимость в введении коммутации, что, в свою очередь, дает выигрыш во времени, так как отпадает необходимость в последовательном извлечении информации из каждого импульса в отдельности.Selection of a signal by volume is carried out automatically by selecting an intermediate frequency, therefore, there is no need to introduce switching, which, in turn, gives a gain in time, since there is no need to sequentially extract information from each pulse separately.

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующа  данный способ.The drawing shows the block diagram of the device that implements this method.

Устройство г,одер.жит источник излучени  1. светоделитепьную пластину 2. зеркало 3, оптическую систему 4 и приемное устройство 5.The device r, detects a radiation source 1. a separation plate 2. a mirror 3, an optical system 4 and a receiving device 5.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Излучение лазера 1 с перестройкой частоты попадает на светоделительную пластину 2, где часть излучени  отводитс  на зеркало 3 и, отраженна  от него, используетс  в качестве луча гетеродина, а оставша с  часть формируетс  оптической системой 4 и направл етс  в атмосферу. Рассе нное и отраженное излучение попадает в оптическую систему 4 и направл етс  на светоделительную пластину 2, где совмещаетс  с лучом гетеродина и попадает на приемное устройство 5.The laser radiation with frequency tuning falls on the beam-splitting plate 2, where part of the radiation is diverted to mirror 3 and, reflected from it, is used as a local oscillator beam, and the remaining part is formed by the optical system 4 and is directed to the atmosphere. The scattered and reflected radiation enters the optical system 4 and is directed to the beam-splitting plate 2, where it is combined with the local oscillator beam and hits the receiving device 5.

Допустим, что частота устройства перестраиваетс  монотонно по линейному законуAssume that the frequency of the device is monotonously linearly tuned.

О) 0)0+ 4e,t.(1)O) 0) 0+ 4e, t. (1)

dO) dO)

где Vj, -7 - скорость перестройки частоты dt источника,where Vj, -7 is the frequency tuning rate dt of the source,

t - текущее врем ,t is the current time

Ofe - значение частоты в начальный момент времени.Ofe - the frequency value at the initial moment of time.

За врем  прохождени  луча по трассе излучатель - отражающий объем - гетеродинный приемник частота источника изменитс  и станет равнойDuring the time the beam travels along the path, the emitter — the reflecting volume — the heterodyne receiver, the frequency of the source will change and become equal to

ш Шо -bVj-jti,(2)w Sho -bVj-jti, (2)

где ti - врем  пробега луча.where ti is the travel time of the beam.

Такой становитс  и частота гетеродинного луча, таккак в качестве него служит часть излучени  источника.В гетеродинном приемнике происходит смешение сигнального и гетеродинного лучей и усилителем промежуточной частоты усиливаетс  сигнал , равный разности частот, причем усиливаетс  сигнал, отраженный только от объема, удаленного на рассто ниеThis also becomes the frequency of the heterodyne beam, as part of the source's radiation serves as it. In the heterodyne receiver, the signal and heterodyne rays are mixed and the intermediate frequency amplifier amplifies the signal equal to the frequency difference, and the signal reflected only from the volume removed by distance is amplified

(3) (3)

1 t4 г - г - 1 t4 g - g -

где Шпр промежуточна  частота гетеродинного приемника,where CRP is the intermediate frequency of the heterodyne receiver,

С - скорость света,C is the speed of light

Ч;)- скорость перестройки частоты.H;) - frequency tuning rate.

За врем  пробега луча по трассе зондировани  до ртражающего объема и обратно частота источника излучени  измен етс , а разность частот йл - а)о становитс  такой, что попадает в полосу усилени  усилител  промежуточной частоты гетеродинного приемника , т.е. гетеродинный приемник в данном случае проводит селекцию по отражающему объему и пропадает необходимость в коммутации. При этом величина отражающего объема определ етс  соотношением: S i(t)np f, p AV AL 7ГТГ i где ЛоМр ширина фильтра промежуточной частоты гетеродинного приемника, S - площадь сечени  зондирующего луча , С - скорость света, скорость перестройки частоты. Дл  изменени  трассы зондировани  необходимо измен ть направление угла зрени  приемной и излучающей систем и вносить изменени  в систему коммутации, чтобы принималс  сигнал именно с данного обьема. удаленного на данное рассто ние . В предлагаемом способе длину трассы зондировани  можно легко изменить, как видно из формулы I 2 VoJ . измен   скорость перестройки частоты источника Уй.либо частоты усилител  промежуточной частоты гетеродинного приемника - Кроме того, частота источника в базовом обьекте перестраиваетс  скачками. Дл  получени  же информации по всему диапазону измерени  частот источника , а не через определенный интервал изменени  частоты необходимо в примен емых схемах зондировани  использовать отражающее зеркало, что не позвол ет оперативно измен ть направление зондировани  и вести измерени  на наклонных трассах. В предлагаемом способе возможно оперативно измен ть направление зондировани  и вести оперативное измерение на горизонтальных , наклонных и вертикальных трассах. Причем длина трассы может легко перестраиватьс  в процессе эксперимента. При использовании данного изобретени  увеличиваютс  функциональные возможности метода: возможность измерени  параметров линий поглощени  и их изменений по трассе луча (благодар  непрерывной г ерестройке частоты источника), что позвол ет определ ть профили температуры, концентрации газов и плотности атмосферы. кроме того, увеличиваетс  точность измерений , так как последние производ тс  дл  непрерывных сигналов, а известно, что точность измерени  непрерывных сигналов значительно выше, чем импульсных.During the time the beam travels along the probing path to the rtrm volume and back, the frequency of the radiation source changes, and the frequency difference S a) o becomes such that it falls into the gain band of the amplifier of the intermediate frequency of the heterodyne receiver, i.e. the heterodyne receiver in this case conducts a selection for the reflecting volume and the need for switching disappears. The value of the reflecting volume is determined by the following relationship: S i (t) np f, p AV AL 7GTG i where LoMr is the width of the filter of the intermediate frequency of the heterodyne receiver, S is the area of the probe beam, C is the speed of light, the frequency tuning rate. To change the probing path, it is necessary to change the direction of the angle of view of the receiving and radiating systems and make changes to the switching system so that the signal is received from this volume. remote to this distance. In the proposed method, the probing path length can be easily changed, as can be seen from the formula I 2 VoJ. changing the frequency tuning frequency of the source Ui or the frequency amplifier of the intermediate frequency of the heterodyne receiver - In addition, the frequency of the source in the base object is tuned in jumps. To obtain information on the whole frequency range of the source, rather than after a certain frequency change interval, it is necessary to use a reflecting mirror in the applied sounding schemes, which does not allow to quickly change the direction of sounding and take measurements on inclined paths. In the proposed method, it is possible to quickly change the direction of sounding and take an operational measurement on horizontal, inclined and vertical paths. Moreover, the path length can be easily rebuilt during the experiment. When using this invention, the functionality of the method is increased: the ability to measure the parameters of the absorption lines and their changes along the beam path (due to continuous frequency source tuning), which makes it possible to determine the profiles of temperature, gas concentrations and atmospheric density. In addition, the measurement accuracy is increased, since the latter are made for continuous signals, and it is known that the measurement accuracy of continuous signals is much higher than that of pulsed signals.

JJ

Claims (3)

(54X57) 1·. СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ путем излучения в атмосферу световой энергии, часть которой используют в качестве гетеродинного луча, гетеродинного приема обратно рассеянной световой энергии с последующим преобра зованием световых сигналов в электрические, усиления на промежуточной частоте, регистрации электрических сигналов и вычисления искомой величины, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения оперативности измерений, перестраивают монотонно частоту непрерывного излучения источника, а усиление производят на промежуточной частоте, равной разности частоты принятого обратно рассеянного излучения и текущей частоты гетеродина.(54X57) 1 METHOD FOR OPTICAL SOUNDING OF THE ATMOSPHERE by radiation of light energy into the atmosphere, part of which is used as a heterodyne beam, heterodyne reception of backscattered light energy with subsequent conversion of light signals into electrical signals, amplification at an intermediate frequency, registration of electrical signals and calculation of the desired value, Particularly, in order to increase the efficiency of measurements, the frequency of the continuous radiation of the source is monotonously tuned, and amplification is performed at diate frequency equal to the difference frequency of the received backscattered radiation and the frequency of the current oscillator. 2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что изменяют промежутдчную частоту гетеродинного приемника и вычисляют профиль искомой величины по трассе луча.2. The method according to claim 1, with the fact that they change the intermittent frequency of the heterodyne receiver and calculate the profile of the desired value along the beam path. 3. Способ по п.1, отличающийся тем. что перестраивают излучение источника по линейному закону с переменной скоростью и вычисляют профиль искомой величины по трассе луча.3. The method according to claim 1, characterized in that. that they reconstruct the source radiation according to a linear law with a variable speed and calculate the profile of the desired value along the ray path.