Компактный аэрозольный лидар для регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля и атмосферной турбулентности.
Известно устройство лидара для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР) [RU 153460 U1, 2014], обладающего афокальным приемопередающим телескопом, в котором реализуется полное совмещение передающего и принимающего каналов. При этом роль антенного переключателя выполняет светоделительная пластинка с равными коэффициентами пропускания и отражения. Эффективность такого переключателя составляет 25%, т.к. только половина мощности передается в атмосферу, и только половина эхосигнала может быть зарегистрирована. Схема прототипа модели предполагает использование фотоприемников с большим размером чувствительной площадки, т.е. фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), обладающих низкой квантовой эффективностью (≈10%). Недостатками данной полезной модели являются недостаточная чувствительность для регистрации усиления обратного рассеяния и большие размеры приемопередатчика из-за использования стандартного телескопа, состоящего из пары параболических зеркал (система Мерсена).
Наиболее близким к заявленному устройству является [RU 165087 U1, 2016] устройство для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР), в котором применен эффективный антенный переключатель, состоящий из тонкопленочного поляризатора и четвертьволновой пластинки. К недостаткам данной полезной модели также относятся низкая чувствительность фотодетекторов (ФЭУ) и большие габаритные размеры (≈1 м). Большой размер системы обусловлен использованием зеркального телескопа диаметром ≈30 см. Заметим, что при этом используется только несколько процентов его площади, т.к. для регистрации УОР-эффекта необходим малый размер апертур ≈5 см. Так же к недостатком можно отнести большие размеры устройства.
Раскрытие полезной модели.
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции лидара, обладающей высокой чувствительностью.
Технический результат заключается в повышении чувствительности лидара. Поставленная задача повышения чувствительности устройства решается заменой ФЭУ, применяемых в прототипах, на лавинно-пролетные диоды (ЛПД), обладающие в 5 раз большей квантовой эффективностью по сравнению с ФЭУ. Физический размер чувствительной площадки ЛПД маленький и равен 100 мкм, поэтому в предлагаемом техническом решении фотодетекторы выполняют роль апертурных диафрагм и, следовательно, определяют поля зрения приемных каналов. Такое решение позволяет упростить приемную часть и тем самым повысить ее надежность.
В нашей модели предлагается вместо одного большого афокального телескопа применить два маленьких, составленных из внеосевых параболических зеркал. В отличие от прототипов апертуры этих телескопов используются полностью, т.к. их размеры точно совпадают с требуемым физическим размером приемопередающей апертуры, равной первой зоне Френеля (≈50 мм). Это обязательное условие при использовании эффекта усиления обратного рассеяния (УОР). Применение внеосевых параболических зеркал позволяет значительно сократить габаритные размеры устройства по сравнению с прототипами.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 схематично изображен компактный аэрозольный 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, тонкопленочного поляризатора 4, четвертьволновой пластинки 5 и телескопа, состоящего из внеосевых параболических зеркал 6 и 7. Телескоп 6-7 передает пучок 8 в виде световых импульсов в атмосферу 9, а рассеянное атмосферой излучение 11 из объема 10 поступает обратно на телескоп 6-7. Телескоп внеосевого канала идентичен телескопу осевого канала, состоит из внеосевых параболических зеркал 13 и 14 и служит для приема эхосигнала 12 из того же объема атмосферы 10.
Пришедшие обратно пучки осевого 11 и внеосевого 12 каналов направляются в приемный ящик. Оба пучка 11 и 12 проходят сквозь четвертьволновую пластинку 4, пучок осевого канала 11 проходит сквозь поляризатор 4, пучок внеосевого канала 12 проходит сквозь поляризатор 18. Далее пучки проходят сквозь интерференционный светофильтр 15 и затем 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.
Устройство использует эффект «усиления обратного рассеяния», который можно наблюдать только в пределах первой зоны Френеля, равной ≈50 мм. Схема устройства, включая атмосферу и рассеивающий объем, приведена на фиг. 1. Все оптические элементы, включая лазер и фотодетекторы, закреплены на оптической скамье 24. Размер зоны Френеля определяет размер зондирующего пучка 8 за телескопом 6-7 и определяет размеры приходящих обратно пучков 11 и 12. Во время работы короткий световой импульс от лазера 1 проходит через линзу 2 направляется зеркалом 3 на тонкопленочный поляризатор 4 и четвертьволновую пластинку 5, являющиеся антенным переключателем осевого приемного канала. Поляризатор 4 отражает световой импульс и направляет его через четвертьволновую пластинку 5, которая преобразует линейную поляризацию излучения лазера в круговую. Затем излучение приходит на зеркальный афокальный телескоп 6-7, расширяющий пучок 8 до размера зоны Френеля. Пучок 8 направляется в турбулентную атмосферу 9. Обратно рассеянное излучение из объема 10 приходит на телескопы 6-7 и 13-14. На телескоп 6-7 приходит излучение, которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности, и это излучение формирует осевой приемный канал. На телескоп 13-14 приходит излучение, которое от верхней приемопередающей апертуры через одни турбулентные неоднородности дошло до рассеивающего объема 10, а возвращается обратно другим путем и формирует внеосевой приемный канал. Согласно эффекту УОР, открытому в 1973 году Виноградовым, Кравцовым и Татарским, рассеянное назад излучение на оси пучка должно превышать излучение вне оси пучка. Приходящее излучение на оси И и излучение вне оси 12 проходят через телескопы 6-7 и 13-14, четвертьволновую пластинку 5, осевой сигнал 11 еще раз проходит сквозь тонкопленочный поляризатор 4, а внеосевой сигнал 12 проходит сквозь поляризатор 18, выполняющий роль анализатора. 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 канале пучок 11 беспрепятственно проходит через тонкопленочный поляризатор 4, а во внеосевом канале пучок 12 проходит сквозь поляризатор 18. Далее пучки идут через интерференционный фильтр 15, отсекающий фоновую засветку неба. Затем осевой пучок 11 фокусируется линзой 16 на фото детекторе 17, а внеосевой пучок 12 плоским зеркалом 19 направляется на линзу 20 и фокусируется на площадке фото детектора 21. Электрические сигналы с детекторов 17 и 21 идут 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 сигналов, и затем информация в цифровом виде передается в компьютер 23. Компьютер 23 используется для расчета калибровочных коэффициентов (здесь не приводится) и для вычисления фактора усиления, равного отношению осевого сигнала ко внеосевому сигналу. Величина фактора усиления в отсутствие турбулентности равна единице, а при ее наличии больше единицы в зависимости от ее интенсивности.