Лидар для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы с минимальной мертвой зоной зондирования

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы, и может быть использована на метеостанциях и в других системах мониторинга атмосферы.
Известно устройство для измерения температуры (патент РФ №129229, 2013 г.). Недостатком устройства является принципиальное отсутствие возможности проведения дистанционного измерения температуры.
Известен также аэрологический радиозонд (патент РФ №59845, 2006 г.), содержащий датчик температуры и радиопередатчик, с помощью которого информация о температуре, поступающая по мере набора высоты радиозонда, передается на наземную станцию сопровождения. Относительно высокая стоимость одноразового измерительного модуля радиозонда при проведении регулярных измерений определяет высокую стоимость эксплуатации такой системы. Другим недостатком системы радиозондирования является неконтролируемость траектории подъема радиозонда. При среднестатистических скоростях переноса воздушных масс в атмосфере при подъеме на высоту в 15-20 километров зонд может оказаться смещенным от исходной точки запуска на десятки и даже сотни километров, что делает затруднительным использование таких профилей температуры в задачах метеопрогноза. При этом время подъема зонда составляет 1,5-2 часа, что приводит к смещению оценки средних значений температуры вследствие нарушения условия стационарности.
Известен лидар, в котором измерение температуры связано с восстановлением профиля молекулярной плотности атмосферы (Shibata Т., Kobuchi М, Maeda М. Measurement of density and temperature profiles in the middle atmosphere with a XeF lidar // Applied Optics. 1986. V. 25. №5. PP. 685-688) и последующим его пересчетом в температуру, оправданным в предположении гидростатического равновесия атмосферы. Исходной информацией для лидаров такого типа является интенсивность упругого рассеяния зондирующего излучения, для которого принципиально неразделимы вклады молекулярного и аэрозольного рассеяния. Последнее обуславливает основной недостаток метода - он оказывается работоспособным лишь для области атмосферы, свободной от присутствия в ней аэрозоля. Обычно это интервал высот 30-70 километров (стратосфера). Кроме этого тропосферный аэрозоль ослабляет излучение, рассеянное в стратосфере, что приводит к значительным ошибкам при восстановлении температуры в стратосфере.
В качестве прототипа выбран лидар для измерения температуры и влажности атмосферы (RU №169314 от 15 марта 2017 г.). Известное устройство включает источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемный телескоп и далее через моноволоконный световод на оптический скремблер, где происходит устранение зависимости величины фокального отношения пучка лучей на выходе приемного телескопа лидара от дальности расположения рассеивающего объема. Далее оптическое излучение через моноволоконный световод попадает на светоделительный фильтр. Часть оптического излучения, прошедшего светоделительный фильтр, попадает в двойной полихроматор, селектирующий соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР), которые на выходе полихроматора через моноволоконные световоды поступают на фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие оптические сигналы в электрические, которые поступают в блок обработки данных, где электрические сигналы преобразуются в цифровые, а затем вычисляется температура из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода. Часть оптического излучения, отраженного от светоделительного фильтра, попадает в одинарный полихроматор, который осуществляет выделение участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара. Регистрация участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара, прошедших через одинарный полихроматор, происходит с помощью фотоэлектронных умножителей, электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных, где электрические сигналы преобразуются в цифровые, а затем вычисляется влажность из отношения интенсивностей сигналов колебательно-вращательных полос азота и водяного пара.
Недостатком устройства является большая погрешность измерения температуры и влажности атмосферы в «ближней зоне» лидара за счет отсутствия сигнала в «ближней зоне» лидара, т.е. большая «мертвая зона» зондирования. Это связанно с тем, что спектроскопические методы измерения температуры и влажности атмосферы требуют использования лидаров с узкими полями зрения (с минимальной полевой диафрагмой). Узкое поле зрения лидара увеличивает «мертвую зону» зондирования за счет меньшего перехвата рассеянного излучения из «ближней зоны» лидара (фиг. 1). Распределения интенсивности в фокальной плоскости параболического зеркала диаметром 500 мм в зависимости от дальности до рассеивающего объема, поясняющие геометрический механизм меньшего перехвата рассеянного излучения из «ближней зоны» лидара с узким полем зрения (а). Геометрическая функция лидара для приемного параболического зеркала диаметром 500 мм и полевой диафрагмы диаметром 400 мкм (б)).
Для решения этой задачи предлагается техническое решение, позволяющее измерять температуру и влажность атмосферы на дистанциях от 5 метров с небольшой погрешностью за счет регистрации «ближней зоны» лидара с помощью дополнительных приемников оптического излучения.
В этой связи предлагается непосредственно рядом с передающей оптической системой (расширитель пучка) лидара установить три дополнительных приемника оптического излучения с меньшими диаметрами апертуры. Три дополнительных приемника будут собирать рассеянное излучение лазера из «средней», «ближней» и «мертвой» зоны лидара. Собранное излучение от четырех приемников объединяется с помощью моноволоконных световодов в один пучок и направляется на светоделительный фильтр. Далее излучение селектируется и преобразуется как в прототипе (RU №169314 от 15 марта 2017 г.).
В результате многочисленных итераций при помощи компьютерного моделирования геометрических функций для различных конфигураций приемопередающей системы была синтезирована оптимальная оптическая схема приемо-передатчика лидара с одной передающей и четырьмя приемными апертурами. Параметры элементов оптической схемы приемо-передатчика и координаты их взаимного расположения представлены в таблице 1.
Геометрическая функция многоэлементного приемо-передатчика лидара, представлена на фигуре 2 (Геометрическая функция от 0 до 3000 м для параметров лидара, приведенных в таблице 1, представлена на фиг. 2 (а). Геометрическая функция от 0 до 500 м для параметров лидара, приведенных в таблице 1, представлена на фиг. 2 (б)).
Таким образом, установка дополнительных приемников оптического излучения позволяет измерять температуру и влажность атмосферы от 5 метров с небольшой погрешностью за счет регистрации сигналов из «ближней» и «мертвой» зоны лидара.
Блок-схема предлагаемого лидара приведена на фиг. 3.
Лидар для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы с минимальной мертвой зоной зондирования состоит: 1 - лазер, работающий на длине волны 355 нм; 2 - передающая оптическая система; 3 - приемная оптическая система, сотоящая из четырех приемных аппертур различного диаметра, расположенных непосредственно рядом с передающей оптической системой; 4 - оптические скремблеры; 5 - светоделительный фильтр; 6 - двойной полихроматор для измерения температуры; 7 - одинарный полихроматор для измерения влажности; 8, 9 - фотоэлектронные умножители (ФЭУ 1, ФЭУ 2,) для измерения температуры; 10, 11 - фотоэлектронные умножители (ФЭУ 3, ФЭУ 4) для измерения влажности; 12 - блок обработки данных. Все блоки и узлы лидара располагаются и закреплены на одном основании и находятся в конструктивном единстве.
Принцип работы предлагаемой лидарной системы заключается в следующем. Пучок, сформированный в лазере (1), через передающую оптическую систему (2) направляется в атмосферу. При распространении в атмосфере лазерное излучение испытывает рассеяние, в том числе и КР. Рассеянное в направлении назад излучение попадает на приемную оптическую систему, состоящую из четырех приемных телескопов (3), собранное телескопами излучение с помощью моноволоконных световодов попадает через оптические скремблеры (4) на светоделительный фильтр (5). Часть оптического излучения, прошедшего светоделительный фильтр (5), попадает в двойной полихроматор (6), который осуществляет выделение участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода. Регистрация температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР, прошедшего через двойной полихроматор, происходит с помощью фотоэлектронных умножителей (8, 9), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (12), где электрические сигналы преобразуются в цифровые, а затем вычисляется температура из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР) на молекулах азота и кислорода. Часть оптического излучения, отраженного от светоделительного фильтра (5), попадает в одинарный полихроматор (7), который осуществляет выделение участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара. Регистрация участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара, прошедших через одинарный полихроматор, происходит с помощью фотоэлектронных умножителей (10, 11), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (12), где электрические сигналы преобразуются в цифровые, а затем вычисляется влажность из отношения интенсивностей сигналов колебательно-вращательных полос азота и водяного пара.