СКАНИРУЮЩИЙ ЛИДАР

Полезная модель, сканирующий лидар, относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы. Лидар предназначен для дистанционного определения места положения и оптико-микрофизических параметров плотных аэрозольных образований (облака и дымовые шлейфы) в атмосфере. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при контроле распространения лесных пожаров и выбросов промышленных предприятий, облаков пепла вулканической деятельности и т.д.
Метод лазерного зондирования атмосферы основан на эффектах рассеяния света на молекулах и аэрозольных частицах атмосферы, в том числе и обратном направлении в направлении источника излучения. Источник лазерного излучения направляет импульс света в атмосферу, а оптический сигнал обратного рассеяния поступает на приемный оптический телескоп, затем направляется на фотодетектор, где преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал преобразуется с помощью аналого-цифровых преобразователей или счетчиков фотонов в цифровой вид и направляется для обработки в ПРЭВМ, где в соответствии с алгоритмами обработки сигналов извлекают информацию о параметрах атмосферы.
Наиболее простые лидары основаны на использовании эффектов упругого рассеяния при зондировании атмосферы на одной или нескольких длинах волн.
Известно устройство для исследований аэрозольных и облачных полей тропосферы, основанное на использовании лазера с одной или несколькими длин зондирования и последующей регистрацией пространственной амплитуды развертки сигналами вдоль трассы зондирования [Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Из-во ИОА СОРАН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр. 89].
Основное предназначение 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 и других аналогичных устройств высотного зондирования атмосферы [., Ansmann A., Baldasano J.М., Balis D., ., Calpini В., Chaikovsky A., Flamant P., ., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinell N.i, Trickl Т., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET: a European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote Sensing, A. Dabas, C. Loth, and J. Pelon, eds. Editions de L'Ecole Polytechnique. 2001. P. 155-158] является ограниченные функциональные возможности устройства, поскольку зондирование проводится только в вертикальном направлении, т.е. информацию можно получать только в одном направлении вдоль трассы зондирования. Тем самым с использованием аналога отсутствует возможность получения двумерной пространственной информации о параметрах атмосферы в плоскости зондирования.
Следующим шагом для расширения функциональных возможностей лидара является использование в составе лидара сканирующей платформы, при этом посылка лазерного излучения и регистрация сигналов осуществляется последовательно по различным направлениям трасс зондирования.
Известен сканирующий лидар для зондирования атмосферы, содержащий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на неподвижном основании. Сканирующая платформа оптически сопряженная с оптическими осями приемо-передатчика лидара выполнена на основе двух зеркал по целостатной схеме [Коханенко Г., Макогон М. Флуоресцентно-аэрозольный лидар «ФАРАН-М1» // Фотоника. 2010. №4. С. 50-53.].
Основным недостатком этого устройства является сложность и громоздкость конструкции. Для обеспечения полного перехвата оптических пучков размер зеркал сканирующей системы должен превышать диаметр приемного телескопа. Для описанного аналога, размер зеркал составляют 350×500 мм, а для поворота системы вокруг вертикальной оси необходим подшипник с внутренним диаметром 400 мм. Привод выполнен на шаговом двигателе с инкрементным энкодером и осуществляется через редуктор и шестереночную передачу. Это приводит к дополнительным погрешностям при определении угла поворота сканирующей платформы, т.е. к погрешностям определения угловых координат трассы зондирования.
Известен также сканирующий аэрозольный лидар «ЛОЗА», включающий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком расположенный на двухкоординатной электромеханической поворотной платформе, на валах вращения двигателей которой через паразитные шестеренчатые передачи установлены угловые позиционные датчики в виде вращающихся трансформаторов, подключенных к вычислительному комплексу, управляющему двигателями, лазером и фотоприемным блоком. [Региональный мониторинг атмосферы. Ч. 2. Новые приборы и методики измерений: Коллективная монография / Под общей редакцией М.В. Кабанова. Томск: изд-во «Спектр» Института оптики атмосферы СО РАН, 1997. 295 с. Гл. 1. Приборы и методики лазерного зондирования атмосферы. П. 1.1. Аэрозольные мобильные лидары серии «ЛОЗА». Стр. 16.] Недостатком аэрозольного лидара «ЛОЗА», является сложность конструкции из-за наличия большого количества трущихся вращающихся элементов, что повышает как погрешности углового позиционирования, так и износ поверхностей из-за влияния загрязнений.
Прототипом заявляемой полезной моделью является сканирующий лидар для зондирования атмосферы, включающий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на двухкоординатной поворотной платформе, валы вращения двигателей которой снабжены позиционными датчиками, обеспечивающими информацию об угловом положении платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, управляющий вычислительный комплекс, подключенный к лазеру, фотоприемному блоку, двигателям и позиционным датчикам, при этом, на валах вращения двигателей установлены диски с кодированной магнитной лентой, последовательность кодов которой об угловом положении поворотной колонки считывается бесконтактными сенсорными магнитными датчиками, закрепленными неподвижно на корпусе платформы в непосредственной близости от поверхности магнитной ленты [Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В., Новоселов М.М., заявка на ПМ, №2015118898 от 19.05.2015 Сканирующий лидар для зондирования атмосферы. Заявитель: ИОА СО РАН].
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности перемещения поворотной платформы в заданное положение с той точностью, которую обеспечивает система позиционирования на основе бесконтактных сенсорных магнитных датчиков. Причиной этого является совокупность временных задержек передачи данных между управляющим вычислительным комплексом и позиционными датчиками, при отслеживании достижения платформой заданного положения, и, так же, задержек передачи команд остановки от управляющего вычислительного комплекса к двигателям, в момент достижения платформой заданного положения. Все вышеперечисленные задержки обусловлены физическими интерфейсами передачи данных, и, так же, временными задержками операционной системы управляющего вычислительного комплекса.
Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, благодаря дополнительно установленному в непосредственной близости к магнитному датчику цифровому контроллеру.
Решение поставленной задачи достигается тем, что дополнительный цифровой контроллер осуществляет сбор кодов об угловом положении системы непосредственно с магнитных датчиков, получает от управляющего вычислительного комплекса информацию о значении кода заданного положения, и, отслеживая достижение заданного положения, выдает управляющий сигнал остановки непосредственно двигателям. Так же цифровой контроллер осуществляет приведение кодов углового положения в соответствующий формат и, по запросу, передает их в управляющий вычислительный комплекс.
На фиг. 1 изображена блок-схема сканирующего лидара. Лидар состоит из твердотельного импульсного лазера 1, и расположенного в непосредственной близости от него оптического приемного телескопа 2 с фотоприемным блоком 3, установленными на общем основании двухкоординатной поворотной платформе 4. На осях вращения платформы 4 расположены двигатели 5 и диски 6 с круговой координатной магнитной лентой, которая имеет намагниченные области переменной полярности. Области намагниченности ленты периодически повторяются с пространственным шагом, определяемым необходимым минимальным угловым разрешением. В реализованной полезной модели области намагниченности периодически повторяются с шагом 4 миллиметра по всему диаметру магнитной ленты (2 мм - зона намагниченности одной полярности). Над поверхностью ленты (на расстоянии 0,3÷0,7 мм) расположены бесконтактные сенсорные магнитные датчики 7, вблизи которых находятся цифровые контроллеры 9, посредством которых считывается информация о кодах магнитной ленты 6. Оптоэлектронные и электромеханические блоки составляющие лидар: лазер - 1, фотоприемный блок - 3, поворотная платформа - 4, двигатели - 5, датчики - 7, цифровой контроллер 9, электрически связаны с управляющим вычислительным комплексом - 8 и между собой.
Сканирующий лидар работает следующим образом. В начальный момент времени управляющий вычислительный комплекс 8 передает цифровым контроллерам 9 значения кодов о необходимом местоположении, также выдает команды на двигатели
5, которые устанавливают поворотную платформу 4 в исходное состояние. Например, исходное состояние это горизонтальная плоскость (угол места ноль), а азимутальное направление также нулевое (например, направление на север).
После этого, управляющий комплекс 8 выдает команду на включение лазера 1 и цифровые контроллеры 9, также двигатели 5 платформы для осуществления сканирования зондирующим излучением в выбранном направлении.
Лазерное излучение направляется в атмосферы, рассеянный в обратном направлении атмосферой свет попадает на приемный телескоп 2, затем на фотоприемный блок 3, где световой сигнал преобразуется в электрический, оцифровывается и поступает далее для записи и обработки в управляющий вычислительный комплекс 8.
При осуществлении сканирования поворотной платформы происходит круговое вращение дисков 6 с магнитной лентой относительно магнитного датчика 7.
Принцип действия датчика основан на измерении напряженности магнитного поля и считывания кодов положения зон намагниченности ленты. Цифровые контроллеры 9 считывают с датчиков 7 код положения магнитной ленты при ее движении в момент выстрела лазера 1, осуществляют вычисление номера текущей зоны магнитной ленты относительно первоначальных «нулевых» значений, и тем самым вычисляется угловое положение поворотной колонки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и, направляют эту информацию в вычислительный комплекс 8.
Таким образом, управляющий вычислительный комплекс 8 формирует файл с паспортом акта лазерного зондирования атмосферы, в котором записана информация об амплитудном распределении лидарного сигнала вдоль трассы зондирования, а также дата и время зондирования и угловые положения трассы зондирования.