Многоволновой лидар комбинационного рассеяния света для зондирования атмосферы

Полезная модель относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы и предназначена для дистанционного определения профилей оптических параметров аэрозольных и облачных полей. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при картировании пространственно-временного распределения аэрозольных полей антропогенного происхождения в воздушном бассейне промышленного центра, при контроле трансграничных переносов аэрозольных примесей в период лесных пожаров и активной вулканической деятельности.
Известно устройство для исследований аэрозольных и облачных полей тропосферы, основанное на использовании лазера с одной длиной зондирования и последующей регистрацией пространственной амплитуды развертки сигнала вдоль трассы зондирования (Bairashin G.S., Balin Yu.S., Ershov A.D., Kokhanenko G.P., Penner I.E. Lidar “LOZA-MS” for investigation of aerosol fields in troposphere // Optical Engineering. 2005. V. 44(7). p. 071209-1-071209-7).
Основное предназначение этого устройства заключается в получении информации о высотной стратификации аэрозольных и облачных полей, а также о высотном профиле оптических параметров (коэффициенты общего и обратного рассеяния) атмосферы.
Основным недостатком этого устройства являются трудности обработки получаемой информации, поскольку в уравнение лазерного зондирования, которое непосредственно связывает параметры атмосферы с характеристиками сигнала, входят одновременно несколько неизвестных параметров. Тем самым задача обработки сигнала с математической точки зрения является некорректной и приходится накладывать определенные априорные ограничения на свойства самой атмосферы.
Следующим шагом для расширения функциональных возможностей лидара является использование в процессе зондирования двух волн зондирования, при этом регистрация сигналов осуществляется только на этих длинах волн, т.е. используются только эффекты упругого рассеяния.
Известен двухволновой лидар для зондирования атмосферы, содержащий два лазерных передатчика и приемную систему, включающие последовательно установленные приемный объектив, блок смены интерференционных и нейтральных светофильтров и фотодетекторы, выход которых подключен к блоку регистрации (Авторское свидетельство №801721, авторы: Балин Ю.С., Кауль Б.В., Самохвалов И.В., Зуев В.Е., Жильцов В.И., Козинцев В.И. «Двухволновой оптический локатор для зондирования атмосферы).
Недостатком этого устройства является низкая оперативность измерений. Это обусловлено тем, что при каждом акте зондирования на оптической оси объектива приемной системы может быть установлен только один интерференционный фильтр, соответствующий в данный момент времени длине волны работающего передатчика, а затем требуется временной промежуток для замены. Таким образом, производится попеременное зондирование атмосферы на двух длинах волн. Кроме того, при регистрации сигналов только упругого рассеяния по прежнему остаются проблемы, связанные с решением обратной задачи по восстановлению оптических параметров атмосферы по данным зондирования.
Аналогом лидарной системы для многоволнового зондирования атмосферы является лидар Института физики Академии наук (Беларусь) (Иванов В.И., Малевич И.А., Чайковский А.П. Многофункциональные лидарные системы // Мн.: Университетское. 1986. 286 с.).
Данное устройство состоит из источника лазерного излучения, генерирующего одновременно световые импульсы на трех длинах волн: 1064, 532 и 355 нм, приемного телескопа с набором интерференционных фильтров, позволяющих селектировать эти оптические сигналы, фотодетекторов, подключенных через блоки регистрации электрических сигналов к ПЭВМ.
Общим недостатком известных устройств, использующих только упругое рассеяние, являются большие погрешности восстановления оптических параметров и микроструктурных аэрозольных частиц.
Наиболее перспективными средствами лазерного зондирования атмосферы являются устройства сочетающие прием сигналов как, на посылаемых длинах волн излучения (упругое рассеяние), так и использующих эффекты комбинационного рассеяния света. В большинстве известных систем ( J., Ansmann A., Baldasano J., Balis D.,  C., Calpini B., Chaikovsky A., Flamant P., Hagard A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinelli, Trickle T., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M.EARLINET-A European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote sensing: Selected papers 20-th Int. Laser Radar Conference (ILRC). Vichi. France. 10-14 July 2000. 2000. P. 155-15) для этого используют колебательно-вращательный спектр комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода. Поскольку сечение рассеяния света на этих газах известно, то это позволяет непосредственно из сигналов комбинационного рассеяния без всяких априорных допущений о свойствах атмосферы определять оптические параметры среды.
Ближайшим аналогом многоволнового лидара для зондирования атмосферы является лидар, описанный в патенте RU 106966. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения на нескольких длинах волн и приемного оптического телескопа, на оптической оси которого последовательно установлены спектроделительный блок в виде интерференционных фильтров и дихроичных зеркал и фотоприемный блок из нескольких фотоприемников для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, выход которого подключен к системе управления, регистрации и обработки информации.
В прототипе при зондировании на длине волны 532 нм в качестве лидарного сигнала комбинационного рассеяния выделяют линию колебательно-вращательного спектра молекул азота 607 нм. Это определяет основной недостаток прототипа - небольшая дальность зондирования и недостаточная оперативность измерений. Это обусловлено малыми сечениями рассеяния комбинационного рассеяния на этой длине волны и как следствие слабыми лидарными сигналами, что приводит к длительному накоплению сигнала в режиме счета фотонов для регистрации сигнала с необходимой погрешностью.
Предполагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая повышение дальности и оперативности измерений. Поставленная цель достигается тем, что при зондировании на длине волны 532 нм для измерения сигналов комбинационного рассеяния, вместо линий колебательно-вращательного спектра используют группу линий чисто вращательного спектра в интервале 529-531 нм. Поскольку сечение рассеяния вращательного спектра более чем на порядок больше, чем линий колебательно-вращательного, то соответственно больше и лидарный сигнал, что приводит к повышению дальности и оперативности.
Для достижения поставленной цели в спектроделитель лидара введен интерференционный фильтр с длиной волны и полушириной пропускания охватывающей группу линий чисто вращательного спектра длин волн комбинационного рассеяния света молекул азота и кислорода.
На фиг. 1 схематично изображена блок-схема многоволнового лидара комбинационного рассеяния света для зондирования атмосферы.
Лидар содержит общую платформу, на которой расположены источник лазерного излучения 1 на нескольких длинах волн в видимой и инфракрасной областях спектра. Рядом расположен жестко связанный с ним приемный телескоп 2 с углом поля зрения, целиком охватывающим световой атмосферный пучок источника. На выходе приемного телескопа 2 последовательно установлены спектроделитель 3, разделяющий пришедший атмосферный световой поток лазерного излучения по длинам волн и фотоприемный блок 4, содержащий ряд фотоприемников различных типов для регистрации лидарных сигналов на этих длинах волн. Выходы всех фотоприемников блока 4 электрически подключены к системе управления, регистрации и обработки данных 5.
Спектроделитель 3 содержит дихроичную пластинку, пропускающую инфракрасное излучение и отражающее излучение в зеленой области спектра длин волн, а также интерференционный фильтр с полосой пропускания 529-531 нм.
Многоволновой лидар работает следующим образом.
В начальный момент времени система управления 5 выдает команду на источник лазерного излучения 1, который посылает в атмосферу излучение на нескольких длинах волн, например 355, 532 и 1064 нм.
Рассеянное в обратном направлении излучение поступает на апертуру приемного телескопа 2, а затем в спектроделитель 3, где с помощью интерференционных фильтров и дихроичных зеркал осуществляется селекция лидарных сигналов упругого и комбинационного рассеяния по длинам волн.
Разделенные пространственно спектроделителем сигналы поступают на вход фотоприемников блока 4, где преобразуются в электрические сигналы. Электрические сигналы с фотоприемного блока 4 одновременно поступают в систему управления, регистрации и обработки информации 5, где происходит их оцифровка и дальнейшая обработка.