Способ определения возвышений и градиентов морской поверхности и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к дистан- 1Д10ННОЙ волнометрии и предназначено для использования в метеорологии и океанологии для неконтактного дистанционного определения распределения плотности вероятности возвьпиенйй и градиентов морской поверхности с авианосителей. Цель изобретения - расширение информационных возможностей за счет обеспечения возможности определения законов распределения возвышений и наклонов морской поверхности . С помощью лазера 1 импульс наносекундной длительности подается через делитель 2 луча на оптический переключатель, состоящий из делителя 4 на три луча и оптических затворов 5-7, а часть энергии подается также на фотоэлектрический преобразователь 3 тракта 12 альтиметрии, где определяется высота зондирования и аппаратурная оптическая длина хода луча, информация о которой поступает в вычислительный блок 19. Устройство содержит также входную оптику 10, фотоэлектрический преобразователь 11, усилитель 13, дискриминатор 14, преобразователь и время - время 15 и время - код 16, запоминакяций блок 17 и мультиплексор 18.2 с.п. ф-лы, 5 ил. а (Л .J-ffOffa KZ CI {IIHIIH /г 19 л-канал Н И-ZH-Н h 1г Ф(/г.2

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51/4 G 01 С .13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3742471/24-10 (22) 18.05.84 (46) 07.07.86. Бюл. Ф 25 (71) Институт океанологии им.П.П.Шир->шова и Симферопольский государственный университет (72) А.С.Лежен, С.А.Свиридов и А.И.Стемковский (53) 528.541(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 415489, кл. G 01 С 3/08, 1974.

Авторское свидетельство СССР

У 1183834, кл. G 01 С 13/00, 01.06.83. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗВЫШЕНИЙ И

ГРАДИЕНТОВ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ И УСТ-, РОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к дистанционной волнометрии и предназначено для использования в метеорологии и океанологии для неконтактного дистанционного определения распределения плотности вероятности возвышений и. SU„, 1242714 А1 градиентов морской поверхности с авианосителей. Цель изобретения — расширение информационных воэможностей за счет обеспечения возможности onределения законов распределения возвышений и наклонов морской поверхности. С помощью лазера 1 импульс наносекундной длительности подается через делитель 2 луча на оптический переключатель, состоящий иэ делителя

4 на три луча и оптических затворов

5-7, а часть энергии подается также на фотоэлектрический преобразователь

3 тракта 12 альтиметрии, где определяется высота зондирования и аппаратурная оптическая длина хода луча, информация о которой поступает в вычислительный блок 19. Устройство содержит также входную оптику 10, фотоэлектрический преобразователь 11 усилитель 13, дискриминатор 14, преобразователь и время — время 15 и время — код 16, запоминающий блок 17 и мультиплексор 18.2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1242714

Изобретение относится к дистанционной волнометрии и предназначено для использования в метеорологии и океанологии для неконтактного дистанционного определения распределения плотности вероятности возвышений и градиентов морской поверхности с авианосителей.

Цель изобретения — расширение информационных возможностей эа счет обеспечения возможности определения законов распределения возвышений и наклонов морской поверхности.

На фиг. 1 приведена геометрия зон дирования морской поверхности пучками малой (a.) и большой (a) .расходимости; на фиг. 2 — блок-схема лидара для,проведения измерений с изме-, няющейся диаграммой направленности из- лучателя; на фиг ° 3 — импульсы,регистрир уемые лидаром, исходный имп ульс системы (С ), импульс (a ), отраженный от морской поверхности пучком малой расходимости P< (t), и импульс, отраженный от морской поверхности при зондировании пучком большой расходимости Р (t) импульсная Функция (6) морской поверхности при облучении ее вертикальным лучом большой расходимости, на фиг. 4 — импульсная функция (CL) морской поверхности при облучении ее вертикальным пучком собственной расходимости g$(t) и закон распределения (Я) возвышений морской поверхности И(), импульсная функция (б), описывающая уширение отраженных исключительно за счет распределения отражающих элементов поверхности моря по наклонам g(;(t) и закон (6) распределения наклонов (градиентов) морской поверхности Я(В), на фиг. 5 квантование аналогового сигнала в процессе обработки в измерительном блоке.

Устройство располагают на авианосителе. Зондирующие импульсы направляются на морскую поверхность по вертикали. При зондировании пучком собственной расходимости (фиг. 1() сигнал обратного рассеяния можно представить в виде (фиг. Зб):

Pn(t) = I(t ) g Qt ), (1) где I (t) — исходный импульс системы (фиг. Зс));

g () — импульсная характеристика участка морской поверхности, описываемая внражеНИЕМ

С t -1

gg(t) —, — „—, ((+ — ) ехе (26 >ll Л to

С 2t2

88х/ I — t(t ) j (2) г где (-) Г, — дисперсия возвышений, - время, t() — время пробега света до среднего уровня морской поверхности, с — скорость света.

При зондировании широко расходящимся пучком (фиг. 1б) получаемый сигнал обратного рассеяния (фиг. Зб) можно представить в виде

P,(t) = I(t ) G(t ) g (3) 1О

25 де Ио(t ) " Функция, описывающая

// уширения отраженных импульсов исключительно эа счет распределения отражающих элементов морской поверхности по

ЗО наклонам, определяемая выражением

С Р S я)) "5

g,(t) = — „— „- —; — () + t(t,) + 2 о (х

2tо G е (5) коэффициент отражения от границы раздела воздух-вода, площадь входного отверстия приемника излучения, высота, с которой осуществляется зондирование, дисперсия градиентов возвышений морской поверхности (наклонов); телесный угол, занимаемый расходящимся пучком, где

40 с„р

Н å

Информация об исходном импульсе системы хранится в помяти вычислительного блока лидара. Законы распределений: возвышений и градиентов морской поверхности определяются по известным импульсам I(t) и Р (t), P,(t) следующим образом, Находится фурье-преобразование исходного импульса системы где G(t) — импульсная характеристика

20 участка морской поверхности, облучае(ого широко расходящимся пучком (45-60 ), имеющая вид (фиг. 3))): с(1:):= дЕ,() g, (t"), (4) 1242714 (6) z (Т)

Р ()

Р4 (13) 6 (Ц) = К,. ge(t), (15) (8) (9)

25 (16) W(t) Kq gq(t)z (10)

35

dL, (11) 50 з

®((-) = е. it L l(t) dt, где М. — фурье-образ исходного импульса системы, его аргумент.

Находится фурье-преобразование импульса обратного рассеяния Р (t)

Р1Я) = )Е it(.Р, (t) dt (7) Фурье-образ импульсной характерис- 10 тики gy(t) находится как отношение фурье-преобразованного сигнала обратного рассеяния Р4 (Г) к фурье-преобразованному исходному импульсу системы Ж-(g:

Обратным преобразование. Фурье находится импульсная характеристика участка морской поверхности (при зондировании пучком собственной расходимости):

4 () = fe R(i) 4, которая с точностью до коэффициента определяет закон распределения возвышений:

2 с 1 где К4 = —.

cos 8

Закон распределения возвышений вычисляют по формуле

W(f) = К1 ехр (-itE5 Lg где К 4 — аппаратурная константа, 40

Р4 (t ) — форма отраженного импульса при зондировании лучом собственной расходимости, И

I (t ) — форма исходного импульса системы излучатель-приемник, )/ 45

%,С, — текущие времена задержки, t — время задержки, обусловленное - воэвышениемм; отражающего участка морской поверхности.

Закон распределения градиентов морской поверхности определяется следующим образом.

Находится фурье-преобразование сигнала обратного рассеяния (в случае зондирования широко расходящимся пуч55 ком):

Р> () =," P,(t)dt (12) Фурье — образ импульсной характеристики gg(t) находится как отношение фурье-преобразованных сигналов обратного рассеяния P<(L) и Р4 (7):

Обратным преобразованием Фурье находится импульсная характеристика участка морской поверхности

gz(t) = I(ZCi) d L, (14) которая дает закон распределения градиентов морской поверхности

4 5 Нэ где K

С.P S np cos

Закон распределения градиентов вычисляют по формуле ((В) = К, ехр (-it, (8)(. 5

S exp(it ЯР (t " )dt

Is exp(it p с 5 дР 4", где Р,() — форма отраженного импульса при зондировании широкорасходящимся пучком, ln — текущее время задержки; — время задержки, обусловленное наклоном участка морской поверхности.

Устройство состоит из импульсного лазера 1 с коллектором, делителя 2 луча, фотоэлектрического преобразователя 3 тракта альтиметрии, оптического переключателя, состоящего иэ дополнительного делителя 4 луча на три канала с оптическими затворами

5-7 по каждому из каналов, оптического элемента излучателя для формирования конусной диаграммы направленности, выполненного в виде сферического отражателя 8, дефлектора 9, оптической системы приемника — входной оптики 10, фотоэлектрического преобразователя 1 1 основного тракта, измерительного блока, содержащего тракт 12 альтиметрии и основной тракт, состоящий из нормирующего усилителя 13, соединенного с входами

128 параллельных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных дифференциального дискриминатора 14, аналогового преобразователя 15 время — время, преобразова1242714 теля 16 время — код и запоминающего блока 17, а выходы соединены с входами мультиплексора 18, выход которого соединен с вычислительным блоком

19. Выход тракта альтиметрии соединен с вычислительным блоком 19.

Способ осуществляется двукратным зондированием.

Устройство работает следующим образом.

С помощью лазера 1 импульс наносекундной длительности подается через делитель 2 луча на оптический переключатель, состоящий из делителя 4 на три луча и оптических затворов

5-7, а часть энергии подается также на фотоэлектрический преобразователь

3 тракта альтиметрии.

При первом зондировании пучком собственной расходимости оптические затворы 6 и 7 открыты, а затвор 5 закрыт. Лазерный импульс поцается через делитель 4, затвор 6 и,цефлектор

9 на морскую поверхность..Оцновремен- 25 но через затвор 7 импульс подается на входную оптику 10 и далее на фотоэлект— рический преобразователь основного тракта, где сигнал преобразуется в электрический и подается в измеритель ЗО ный блок для измерения исходного импульса системы. Отраженный от морской поверхности сигнал обратного рассеяния собирается входной оптикой 1" и поступает на фотоэлектрический преобразователь 11, где преобразуется в электрический сигнал и далее поступает в измерительный блок для измерения сигнала обратного рассеяния

Рл (t) Большая временная задержка сигнала обратного рассеяния Р (), отраженного от морской поверхности, по сравнению со временем обработки исходного импульса в регистрирующем тракте I(t) (за счет разности оптической длины) обеспечивает раздельную регистрацию последних измерительным блоком.

При вторичном зондировании морской

50 поверхности расходящимся в широком о конусе (угол раствора 45-60 ) лазерным импульсом оптические затворы 5 и 7 открыты, а 6,закрыт.. Лазерный импульс 8 подается через делитель затвор 5 и сферическии отражатель 8

55 иа морскую поверхность. Аналогично одновременно через затвор 7 импульс подается на входную оптику 10 и далее на фотоэлектрический преобразователь 11, где он преобразуется и поступает в измерительный тракт. Собранный входной оптикой отраженный от морской поверхности сигнал поступает на фотоэлектрический преобразователь

1i и далее электрический сигнал поступает в основной тракт и тракт 12 альтиметрии, где определяется высота зондирования и аппаратурная оптическая длина хода луча, информация о которых поступает в вычислительный блок 19. В основном тракте принятый сигнал усиливается и нормируется линейным нормирующим усилителем 13 и далее поступает на входы 128 параллельных каналов для квантования и оцифровки сигнала. В i-канале сигнал поступает на вход дифференциального дискриминатора 14 с заданным (для каждого канала своим) динамическим диапазоном, с выхода дифференциального дискриминатора 14 стандартный сигнал поступает на вход аналогового преобразователя 15 время — время для преобразования короткого временного интервала в более длинный (например, с коэффициентом преобразования длительности К = t (t < = 100). Далее

l( растянутый но времени сигнал поступает на вход преобразователя 16 время код, с выхода которого цифровой код поступает в запоминающий блок 17.

Мультиплексор 18 опрашивает за два просмотра 128 запоминающих блоков 17.

Причем при прямом просмотре он выбирает информацию о фронте импульса об- ратного рассеяния, а при обратном— о спаде. С выхода мультиплексора 18 информация подается в вычислительный блок 19, .где определяются законы распределений возвышений и градиентов морской поверхности, а также сравниваются исходные импульсы системы при первом и втором зондированиях. В случае различия последних измерения повторяются, Число каналов в измерительном бло«е определяется числом уровней оцифровки и или интервалов квантования 2и и зависит от требуемой точности воспроизведения сигнала, Удобство ввода преобразованного сигнала в вычислительный блок и требуемая точность обеспечиваются при п = 128 каналов, или 256 уровней квантования (восемь двоичных битов).

1242714

10 возможности определения законов рас- 15 ляют по формулам! (I

1 х (it 7) P< (t ) dt

"3 Р "5 (exp(it Y)X (") dt"

III с„

Q(B) = к, (ехр (-it (B)%) где 1 (с,, Я(8) Pn(t ) 45

Формула из о 6р етени .

1 ° Способ определения возвышений и градиентов морской поверхности, заключающийся в облучении ее с авианосителя вертикально направленным широко расходящимся импульсом света наносекундной длительности, приеме отраженного излучения в месте расположения излучателя и определении по характеристикам сигнала обратного рассеяния параметров морской поверхности, отличающийся тем, что, с целью расширения информационных возможностей за счет обеспечения законы распределений возвышений и градиентов tg 9 соответственно; форма отраженного импульса при зондировании лучом собственной расходимости," форма исходного им30 пульса системы излучатель-приемник, форма отраженного импульса при зондировании широко расходящимся импульсом, переменные интегрирования (текущие времена задержки), время задержки,обус-.40 ловленное возвышением отражающего участ. ка морской поверхности, — время задержки, обусловленное наклоном участка морской поверхности, К, К, — аппаратурные константы.

2. Устройство для определения возвышений и градиентов морской поверхности, содержащее импульсный лазер с коллектором, целитель луча, оптический элемент излучателя для формирования конусной диаграммы направленпределения возвышений и наклонов морской поверхности, вначале одновременно регистрируют форму исходного импульса системы излучатель-приемник, направляя часть излучаемого лазером импульса непосредственно в приемник, и форму отраженного импульса при вертикальном зондировании морской поверхности лазерным лучом собственной расходимости, затем регистрируют фор му отраженного импульса при зондировании морской поверхности широко расходящимся импульсом, а возвышения и градиенты морской поверхности вычисности, оптическую систему приемника, фотоэлектрический преобразователь основного тракта, установленный на вы- . ходе оптической системы приемника, фотоэлектрический преобразователь тракта альтиметрии, установленный после делителя луча, выходы фотоэлектрических преобразователей основного тракта и тракта альтиметрии через тракт альтиметрии измерительного блока соединены с входом вычислительного блока, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения информационных возможностей за счет обеспечения возможности определения законов распределения возвышений и наклонов морской поверхности, оно снабжено дополнительным делителем луча на три канала с оптическими затворами по каждому из каналов, дефлектором, установленным за оптическим затвором в вертикальном канале, а основной тракт измерительного блока выполнен в виде нормирующего усилителя, соединенного с входами 128 параллельных каналов, состоящих из последовательно соединенных дифференциального дискриминатора, аналогового преобразователя время — время, преобразователя время — код и запоминающего блока, выходы которых соединены с входами мультиплексора, выход которого соединен с вторым входом вычислительного блока,а вход нормирующего усилителя соединен свыходом фотоэлектрического преобразователя основного тракта.

12427 1 4

1242714

2п- интер5оло5 кдантабаиия

@gz Х

Н.Тупица

Редактор

Заказ 3688/36

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Про .ктная, Q

Ъ ®

Составитель В.Агапова

Техред Н,Яонкало Корректор M.Ìàêñèìèøèíei

Тираж 670 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5