Облік впливу атмосфери в наземній віддалеметрії

 

Задача визначення показника або індексу заломлення повітря при вимірюванні відстаней електронними віддалемірами містить два аспекти. Перший з них – визначення n або N в окремій точці. Другий – проблема усереднювання уздовж траси.

Визначення показника (індексу) заломлення в окремій точці. В оптичному діапазоні індекс заломлення повітря при температурі Т (по абсолютній шкалі), тиску Р і вологості е обчислюється за формулою Баррелла - Сірса, що представляється у вигляді:

N = k₁(P/T) – k₂(e/T), (9.3)

де коефіцієнти k₁ і k₂ залежать тільки від довжини хвилі, причому ця залежність різна для k₁ і k₂ і неоднакова при обчисленні фазового і групового індексів заломлення. Не приводячи тут, для спрощення викладу, вид цієї залежності, вкажемо лише, що для поширеного випадку, коли джерелом світла служить Не-Nе лазер (довжина хвилі у вакуумі 0,632991 мкм), формули для N набувають вигляд:

N_ф = 104,843 (Р/T) – 16,582 (e/T), (9.4)

N_гр = 107,867 (P/T) – 15,654 (e/T). (9.5)

де Р і е виражені в мм рт. ст.

В радіодіапазоні через відсутність дисперсії в тропосфері фазова і групова швидкості співпадають і індекс заломлення обчислюється за формулою Фрума – Ессена:

N = 103,49 (P/T) – 17,23 (e/T) + 495822 (e/T ²) (9.6)

Слід зазначити одну істотну обставину. Якщо ми підрахуємо часткові похідні dN/dТ і dN/dР при деяких середніх значеннях метеопараметрів, то для світла і радіохвиль вони будуть приблизно однакові. А ось похідна dN/dе для радіохвильвиявляється в 100 разів більше, ніж для світла! Це означає, що та частина помилки в індексі заломлення, яка обумовлена неточним визначенням вологості, в радіодіапазоні на два порядки більше, ніж в оптичному діапазоні, що свідчить про важливість точного визначення вологості повітря при використанні радіохвиль.

(9.7)

Проблема усереднювання уздовж траси. Оскільки метеоелементи Т, Р, е (а отже, і n) міняються уздовж траси, необхідно в співвідношення (9.1) (v = с/n) підставляти середній показник заломлення, який виміряється уздовж дистанції, щоб отримати середню швидкість. Усереднений уздовж траси завдовжки D показник заломлення < n > математично виражається середньоінтегральним значенням:

Тут х - поточне значення відстані, а інтеграл, строго кажучи, повинен братися уздовж криволінійного шляху (викривленого рефракцією). Функція n(x), що стоїть під інтегралом – це розподіл показника заломлення уздовж траси, яке нам невідомо. Щоб його отримати, треба виміряти метеоелементи в кожній точці траси, що, природно, нездійсненно. Наближене, але достатньо задовільне рішення полягає у вимірюванні метеоелементів в декількох окремих точках траси з подальшим їх усереднюванням (тобто заміна інтеграла сумою). Проте і цей шлях настільки складний практично, що при виробничих вимірюваннях незастосовний. Тому в практиці апроксимують < n > значенням, отриманим по вимірюваннях температури, тиску і вологості повітря тільки в двох крайніх точках лінії, де встановлений віддалемір і відбивач. При короткій лінії (менше 3 км) і невеликому перевищенні між її кінцями, а також при вимірюваннях віддалемірами не дуже високої інструментальної точності допускається виконувати метеовимірювання лише на одному кінці лінії (в точці стояння приладу).

При вимірюваннях, що проводяться віддалемірами високої інструментальної точності, наближеність визначення середньоінтегрального показника заломлення може істотно впливати на результуючу точність вимірювання відстаней. Саме цей вплив обмежує підвищення точності віддалемірних вимірювань.

Дисперсійний метод. Існує, проте, метод, що дозволяє достатньо строго вирішити задачу визначення < n >. Він заснований на дисперсії світла в тропосфері і тому називається дисперсійним. Сутність методу зводиться до того, що вимірювання метеоелементів в багатьох точках траси (нездійсненна задача) замінюється вимірюванням різниці оптичних шляхів двох різних довжин хвиль світла, яка виявляється залежною від < n >. Це реалізується в двохвильових світловіддалемірах. В них є два джерела світла з різними довжинами хвиль l₁ і l₂, наприклад, синій (Не-Сd) і червоний (Не-Ne) лазери. Середньоінтегральні показники заломлення на трасі D для цих довжин хвиль унаслідок дисперсії будуть також різні: < n1 > і < n2 >. Тому ці дві хвилі, пройшовши один і той же геометричний шлях D, пройдуть різні оптичні шляхи S1 і S2 (нагадаємо, що оптичний шлях є добуток геометричного шляху на показник заломлення). Вимірявши різницю оптичних шляхів DS, можна обчислити як < n1 >, так і < n2 > за співвідношенням вигляду:

< n > -1 = А (DS/D) + B< e/T > (9.8)

де А і В – відомі і постійні для даних довжин хвиль коефіцієнти, дещо різні при обчисленні < n1 > і < n2 >, а відстань D в (9.8) треба знати приблизно, з точністю, яка буде явно забезпечена із звичайних світловіддалемірних вимірювань.

В цій формулі присутній метеорологічний член, що містить величину < е/T > - осереднене уздовж траси значення відношення вологості і температури повітря. Проте тепер це значення можна, так само як і D, знати приблизно: достатньо визначити е і Т лише на кінцях лінії.

В двохвильовому світловіддалемірі відразу визначається відстань, відкоригована за середній показник заломлення. Дійсно, помноживши обидві частини рівності (9.8) на D і враховуючи, що D< n > = S (оптичний шлях), отримаємо:

D = S – А×DS - B< e/T > D_прибл., (9.9)

де S, А і В беруться для однієї і тієї ж довжини хвилі (l₁ або l₂). Отже, для отримання відкоригованої відстані в двохвильовому світловіддалемірі треба виміряти оптичний шлях S (тобто відстань, обчислену з використанням швидкості світла у вакуумі: S = сt/2) на будь-якій з довжин хвиль і різниця оптичних шляхів DS для цих двох довжин хвиль. Відмітимо, що DS повинна бути виміряна в А раз точніше, ніж S (при використовуванні синього і червоного лазерів А» 20), що є основною технічною трудністю при створенні двохвильового світловіддалеміра. Звичайно DS виміряють, перетворюючи її в різницю фаз двох радіочастотних сигналів. Для цього світло обох довжин хвиль спрямовують в загальний модулятор, в якому воно модулюється з високою частотою F. Фази модуляції несучих l₁ і l₂, співпадаючі на виході модулятора, після проходження відстані до відбивача і назад будуть, унаслідок різних швидкостей розповсюдження несучих, розрізнятися на величину Dj = (2p/l_м )×DS, де l_м – довжина хвилі модуляції. Вимірявши Dj, можна знайти DS.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

 

1. Nф = 104,843 (Р/T) – 16,582 (e/T)
Nгр = 107,867 (P/T) – 15,654 (e/T)
Який індекс заломлення більше – фазовий чи груповий?

2. При зміненні вологості повітря на 4 мм рт.ст індекс заломлення для світла лазера змінився на 0,2 N-одиниці. На скільки N-одиниць зміниться індекс заломлення для радіохвиль?

3. Що необхідно для визначення коректированої відстані дисперсійним методом?

4. Що розуміють під моделлю тропосфери?

5. Що відбувається при проходженні супутникового сигналу в іоносфері?

6. З якою швидкістю розповсюджується кодова модуляція в іоносфері?

7. Чому дорівнюють фазові і групові показники заломлення в іоносфері?

8. Яка затримка в іоносфері при кодових та фазових вимірах?