[1]Изобретение относится к атмосфё
иой оптике и может быть использова но при изучении распространения света в атмосфере и в оптической
локации. Известно устройство для измерен структурной характеристики показат
преломления по размытию средней дифракционной картины в фокусе лин содержащее источник излучения - ла
с коллимируюгцей оптической системо фокусирующую линз.у, которая строит
дифракционное изображение удалённого источника в фокальной плоскости , сканирукяцую щель и фотоприемник
. По турбулентному уширению размера дифракционного изображения источника судят о значении С tlj
Недостатком этого устройства яв ляется невозможность определения профиля структурной характеристики
Си вдоль наклонных трасс. Так как метод просвечивания атмосферы пред
полагает наличие передающего и приемйого устройств , расположенных на концах изь ерительной трассы.
Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения профиля структурной характеристики
Показателя преломления ат мосферы, содержащее источник излучения, приемный объектив, в фокусе которого
расположен сканирукнций фотодетектор вход которого соединен о выходом генератора цифровой развертки, с
входом которого соединен первый выход блока управления сканированием , второй выход которого соединен
с входом источника излучения, а так же счетчик, блок памяти и регистрирующий прибор 2} .
Принцип действия устройства осно ван на измерении степени изменения
средней интенсивности в центре дифракционного изобра1жения удаленного источника в фокальной плоскости
линзы. Сканируя щелевой апертурой изображение источника, построенного
приемной линзой в плоскости фотокат да диссектора, определяется сечение
центра тяжести и измеряется средняя интенсивность Зц,т s этом сечении, а Также средняя интенсивность
светового пятна. По измеренным значениям Х и 3. вычисляется значение J |-Г ч
-П : . : Устройство измеряет с высокой . точностью структурную характеристику
преломления на горизонтальных трассах, но не позволяет определять высотный профиль этой характеристики
, так как предполагает наличие передатчика и приёмника на противоположных концах исследуемой трассы
и формирование в фокальной плоскости приемной Линзы дифракционного изображения удаленного светового
источника. Цель изобретения - обеспечение
возможности измерения высотного nipoфиля структурной характеристики показателя преломления атмосферы
вдоль трасс с любым наклоном к земной поверхности. Указанная цель достигается тем,
что в устройство для измерения про-. филя структурной характеристики показателя преломления атмосферы,
содержащее источник излучения, приемный объ.ектив, в фокусе которого
расположен сканирующий фотодетектор, вход которого соединен с выходом генератора цифровой развертки, с
входом которого соединен первый выход блока управления сканированием, второй выход которого соединен с
входом источника излучения, а также счетчик, блок:памяти и регистрирующий прибор, введены пиковый
детектор, масштабный усилитель, компаратор , электронный ключ, блок распределения
памяти и блок вычисления дисперсии, причем выход сканирующего фотодетектора соединен непосредственно
с первьил.входом компаратора и через последовательно соединенные
пиковый детектор и масштабный усилитель с вторьол входом компаратора, ВЫХОД
компаратора соединен с входом электронного ключа, с первым управляющим входом.счетчика и управляющим
входом блока распределения памяти, к выходу которого последовательно подключены
блок памяти,блок вычисления дисперсии и регистрирующий прибор,
причем выход электронного ключа соединен с вторым входом пикового детектрра, второй упра:вляющий вход
счетчика соединен с вторым выходом генератора цифровой развертки.
Третий выход блока управления сканированием подключен к третьему управляющему
входу счетчика, выход которого соединен с входом блока распределейия памяти.
Принцип работы устройства основан на зондировании атмосферы коротким
световым импульсом, сформированным коллимирующёй оптической системой источника излучения, причем изоб
ражение локализованного в пространст .ве объема, заполненного световым импульсом
, анализируется в фокальной плоскости приемной оптической системы . Смещение центра тяжести этого
изображения от оптической оси приемной систе1лл определяется Ч в фиксированный
момент времени ) степенью турбулентности на трассе от, местоположения светового импульса до приемной
апертуры. Осуществляя слежение за центром тяжести изображения объема,
заполненного световым импульсом, распространякмцимся по трассе с любым
наклоном к земной поверхности, по Измеренному значению дисперсии уг лового смещения координаты центра тяжести судят о профиле параметра С На фиг. 1 представлена структурная
схема устройства; на фиг. 2 .временные диаграммы, поясняющие работу устройства. :
Устройство содержит источник излучения 1, приемный объектив 2, в фокусе которого расположён сканирующий
фотодетектор 3, выхЬд которо го соединен с последовательно соеди венными пиковым детектором 4, мас
штабным усилителем 5 и первым входо компаратора 6, а также непосредстве н.о с вторым входом компа ратора 6,
блок управления сканированием 7, первый выход которого подключен к генератору цифровой развертки 8,;
выходы которого подключены соответственно к сканирующему фотодетектор 3 и к второму управляющему входу
.счетчика 9, второй выход блока у:правления сканированием 7 соединен с входом источника излучения 1, а
его третий выход подключен к третье му управляняцему входу счетчика 9. Выход счетчика 9 пoдkлючeн к
последовательно соединенным блоку распределения памяти 10, блоку памяти 11, блоку вычисления диспер
сии 12 и регистрирующему прибору : 13, причем выход компаратора 6 подключен к первому управляющему
входу счетчика 9, к второму -вкоду блока распределения памяти 10 и к входу электронного ключа 14, выход
которого подключен к второму входу пикового детектора 4. Устройство работает следующим
образом. Последовательность световых импульсов , сформированных источником
излучения 1, посылается в атмосферу . Приемный ;Объекти в 2 строит в фокальной плоскости изображение
сечения рассеивающего объема, образованного световым импульсом при его распространении в атмосфере.
Анализ светового фокального пятна . производится сканирующим фотодетектором 3, например диссектором с
прямоугольным вырезывающим отверсти ем, причём размер формируемого изоб
ражения меньше вырезывающего отверстия . Сканирова;ние осуществляется краем вырезывающего отверстия. При
.этом интегрирование реализуетсяг непосредственно в диссекторе, а на
выходе диссектс1ра формируется видео импульс, форма и длительность которого определяются распределением
интенсивности в фокальном изображении и его размером. . Рассмотрим работу устройства в
фиксированный момент времени, т.е. предположим, что импульс неподвижен
в точке измерительной трассы. Макси мальная амплитуда видеоимпульса за поминается пиковым детектором 4,
делится масштабным усилителем 5 пополам и прступает на вход компаратора
6. При сканировании краем вырезывакицего отверстия видеосигнал, пропорциональный интенсивности светового
пятна, поступает на второй вход компаратора бив течение второй половины кадра сравнивается с полейиной
записанного в пиковом детекторе 4 видеосигнала. На фиг. 2 представлены временн1ле
диаграммы сигналов: на выходе сканирующего фотодётектора 3 -15, пикойом
детекторе 4 - 16, счетчике 9 - 17, и синхроимпульсы 18 и 19 в Случае
использования генератора треугольной цифровой развертки. До момента равенства
напряжений на входах компара тора 6 счетчик 9 считает число так Т к
тов с момента времени -. При равенстве сигналов на входах компаратора
6 на его выходе формируется логичеС кий перепад - команда запрета на
счет, которая поступает на первый управляющий вход счетчика 9, а также
на электронный ключ 14, который счищает пиковый детектор 4. Число
тактовых импульсов N, равное координате центра тяжести светового пятна,
с выхода счетчика 9 поступает в блок распределения памяти 10, который предназначен
для распределения информации по ячейкам блока памяти 11. Блок памяти 11 представляет собой
матрицу ячеек памяти с tn строками и R столбцами. При прохозкдении последовательности
(пакета) импульсов в каждой из К ячеек строкн записывается значение координаты центра тяжести
светового пятна для определенной фиксированной точки m измерительной
трассы. В блоке вычисления дисперсии 12 вычисляется дисперсия отклонения
центра тяжести светового пятна и по вычисленному значению дисперсий в
регистрирующем приборе 13 определяется значение структурной характеристики
С . Блок управления 7 служит для синхронизации запуска источника излучения 1 и формирования/тактовых
импульсов запуска генератора цифровой развертки 8 и кадровых синхроимпульсов .
Частота развертки выбрана такой чтобы за время распространения светового импульса вдоль измерительной
трассы можно просканироватькраем вырезывающего отверстия: -нескольво
раз изображение рассеивающего объема , т.е. частота развертки должна - . т
удовлетворять условию:t tn-2,где Т - период кадровой развёртки;
ПИ Определяет число точек вдоль измерительной трассы. За время распрост
ранения одного импульса в каждой из этих mточек определяются коорди- . наты центра тяжести светового пятна числовые коды N которых поступают через блок распределения памяти 10
в соответствующие m ячеек первого столбца матрицы блока памяти 11 . При
распространении второго и последующих К световых импульсов заполняются соответственно второй и последующие
К столбцов матрицы ячеек блока памя ти 11, причем по m -и строке записы ваются значения координат:
т т{у;-л1 J ) Т.е. определяется приращение координаты на участке ГП измерительной
трассы для выполнения условия однородности турбулентности по трассе при вычислении структурной постоянной
показателя преломления cj В блоке вычисления дисперсии 12 по формуле .
r( (.J-TA k(K-V) где f - фокусное расстояние приемно
го объектива, определяется дисперсия отклонения координаты центра тяжести для участ
ка m измерительной трассы. Проделав такие вычисления дйспёр сии отклонения для каждого участка
трассы, получаем профиль дисперсии (j(h) вдоль всей трассы. В регистрирующем приборе вычисляются
значения С для участков изМерительной трассы по формуле п.Л 6у„1- %
длина измерительной трассы; диаметр светового пучка на выходе передатчика.
Проделав вычисления во всех w точках измерительной трассы,получаем распределения С(h) вдоль трассы или
высокий профиль структурной постоянно показателя преломления турбулентной
атмосферы. Таким образом,, зондируя последовательностью световых импульсов
измеряемую трассу и отслеживая флуктуации центра тяжести изображения рассеивающего объема, заполненного
световым импульсом, при его распространении в атмосфере в точках трассы,
получаем высотный профиль структурной характеристики С, причем с высокой точностью.
Приведем расчет некоторых параметров устройства для конкретной трассы.
При зондировании турбулентности по трассе длиной 5 км время распространения
импульса до приемной апертуры 30 -МКС. Число участков трассы выбирается равным 10,т.е. по 500 м
каждый участок, что определяет величину кадровой частоты кГц. Величина тактовой частоты определяется
выбором длины развертки, связанной с размером фокального изображения светягтегося объема. При
выбранной трассе этот размер близок к дифракционному и на практике не
превышает 150 мкм. В этом случае длина развертки с запасом должна
быть равной +300 мкм, что при организации восьмиразрядного генератора
цифровой развертки (на половину кадрового периода ) составляет линейное
смещение вырезывающего отверстия на один тактовый импульс 1,1 мкм, а
тактовая частота IT 170 мГц. Точность измерения координаты центра тяжести
равна 1,1 мкм, что при фокусе объектива F 2м и определйет угловое
разрешение устройства 0,1 и диапазон измерений +25. Этот диапазон
и точность вполне удовлетворяют условиям реальной атмосферы. Изобретение позволяет реализовать
возможность оперативного измерения профилей структурной характеристики
показателя преломления атмосферы вдоль трасс с любым наклоном к земной поверхности.
