Аэрозольный турбулентный лидар

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля и атмосферной турбулентности.
Согласно эффекту усиления обратного рассеяния (УОР), открытому в 1973 году Виноградовым, Кравцовым и Татарским, рассеянное назад излучение на оси пучка должно превышать излучение вне оси пучка. Известно устройство лидара для регистрации УОР [RU 165087 U1, 2016], в котором на одной стороне большого афокального приемопередающего зеркального телескопа реализуется полное совмещение передающего канала и осевого принимающего канала. Внеосевой принимающий канал располагается симметрично относительно оси телескопа на его противоположной стороне. Недостатками данной полезной модели являются большие размеры приемопередатчика из-за использования стандартного телескопа, состоящего из пары параболических зеркал (система Мерсена), и неэффективное использование полезной площади телескопа.
Наиболее близким к заявленному устройству является [RU 177661 U1, 2017] компактное устройство для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР), в котором реализуется применение двух афокальных зеркальных телескопов небольшого размера, состоящих из пар внеосевых параболических зеркал. Недостатком данной полезной модели является трудоемкая процедура юстировки внеосевого приемного канала по сравнению с осевым приемным каналом. Проблема юстировки заключается в определении положения оптических осей внеосевых параболических зеркал и их последующего совмещения. Осевой приемопередающий канал лидара тоже состоит из внеосевых параболических зеркал, но его можно юстировать либо с помощью зондирующего пучка, который следует направить на удаленный экран, либо использовать интерферометр сдвига на выходе из лидара.
Раскрытие полезной модели.
Задачей заявляемой полезной модели является конструкция лидара, в которой существенно сокращается время, необходимое для юстировки оптических элементов.
Технический результат заключается в уменьшении времени, которое требуется для проведения юстировки аэрозольного турбулентного лидара.
Поставленная задача сокращения времени при осуществлении процедуры юстировки решается заменой зеркального афокального телескопа внеосевого приемного канала, состоящего из двух внеосевых параболических зеркал, линзовым афокальным телескопом, состоящим из пары линз – положительной и отрицательной (система Галилея) или двух положительных линз (система Кеплера). Внеосевой приемный канал, состоящий их пары линз, установленных в трубе, юстируется изменением расстояния между линзами. Заметим, что использование линз в осевом приемопередающем канале лидара недопустимо по причине прямого отражения части мощности зондирующего пучка от центра линз, которое может повредить фотодетектор.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 схематично изображен аэрозольный турбулентный лидар для регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере. Фиг. 1 включает подробную оптическую схему устройства и схематично изображает электронную часть и атмосферу.
Устройство состоит из передающей и принимающей частей. Передающая часть одноканальная, а принимающая – двухканальная, состоящая из осевого канала и внеосевого канала. Все элементы приемопередатчика закреплены на оптической скамье 24. Передатчик состоит из лазера 1, коллимирующей линзы 2, поворотного зеркала 3, тонкоплёночного поляризатора 4, четвертьволновой пластинки 5 и телескопа, состоящего из внеосевых параболических зеркал 6 и 7. Телескоп 6-7 передаёт пучок 8 в виде световых импульсов в атмосферу 9, а рассеянное атмосферой излучение 11 из объёма 10 поступает обратно на телескоп 6-7. Телескоп внеосевого канала состоит из положительной 13 и отрицательной 14 линз и служит для приёма эхосигнала 12 из того же объема атмосферы 10.
Пришедшие обратно пучки осевого 11 и внеосевого 12 каналов направляются в приёмный блок. Оба пучка 11 и 12 проходят сквозь четвертьволновую пластинку 4, затем пучок осевого канала 11 проходит сквозь поляризатор 4. Далее пучки проходят сквозь интерференционный светофильтр 15, отсекающий фоновую засветку неба. Пучок внеосевого канала 12 проходит сквозь поляризатор 18. Затем пучки 11 и 12 фокусируются линзами 16 и 20, соответственно, на детекторах 17 и 21. Плоское поворотное зеркало 19 направляет пучок 12 на линзу 20.
Электрические сигналы с детекторов 17 и 21 поступают в систему регистрации 22, где они накапливаются и затем передаются в компьютер 23.
Осуществление полезной модели.
Во время работы короткий световой импульс от лазера 1 коллимируется линзой 2 и зеркалом 3 направляется на тонкоплёночный поляризатор 4 и четвертьволновую пластинку 5, являющиеся антенным переключателем осевого приёмного канала. Антенный переключатель 4-5 преобразует линейную поляризацию излучения лазера в круговую. Затем излучение приходит на зеркальный афокальный телескоп 6-7, расширяющий пучок 8 и направляющий его в турбулентную атмосферу 9. Обратно рассеянное излучение из объёма 10 приходит на зеркальный телескоп 6-7 и линзовый телескоп 13-14. На телескоп 6-7 приходит излучение, которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности и это излучение формирует осевой пучок 11. На телескоп 13-14 приходит излучение, которое от верхней приёмо-передающей апертуры через одни турбулентные неоднородности дошло до рассеивающего объёма 10, а возвращается обратно другим путём и формирует внеосевой пучок 12. В турбулентной атмосфере согласно эффекту усиления обратного рассеяния мощность пришедшего назад излучения 11 на оси зондирующего пучка 8 превышает мощность излучения 12 вне оси пучка 8. Приходящее из атмосферы излучение пучков 11 и 12 имеет круговую поляризацию. После второго прохождения через четвертьволновую пластинку 5 излучение вновь становится линейно поляризованным, но при этом плоскость поляризации поворачивается на 90°. Поэтому в осевом приемном канале пучок 11 беспрепятственно проходит через тонкоплёночный поляризатор 4, а во внеосевом канале пучок 12 проходит сквозь поляризатор 18. Электрические сигналы с детекторов 17 и 21 поступают в систему регистрации 22. Кроме того, в систему регистрации 22 от лазера 1 поступает сигнал синхронизации в момент посылки зондирующего импульса в атмосферу. Система регистрации 22 производит накопление эхосигналов 11 и 12, затем они в цифровом виде передаются в компьютер 23, который используется для расчёта калибровочных коэффициентов (здесь не приводится) и для вычисления фактора усиления, равного отношению эхосигналов 11 и 12. Величина фактора усиления в отсутствие турбулентности равна единице, а при её наличии больше единицы в зависимости от интенсивности турбулентности.