СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЛАКОВ
METHOD FOR POLARIZING LASER PROBING OF CRYSTAL CLOUDS

Изобретение относится к области атмосферных и метеорологических наблюдений и может быть использовано в лидарах при зондировании кристаллических и жидкокапельных облаков.
Известен способ лазерного зондирования облаков, включающий посылку в атмосферу лазерного зондирующего излучения, прием обратного рассеянного атмосферой лидарного сигнала и анализ интенсивности сигнала (Матвиенко Г.Г., Балин Ю.С., Бобровников С.М., Романовский О.А., Коханенко Г.П., Самойлова С.В., Пеннер И.Э., Горлов Е.В., Жарков В.И., Садовников С.А., Харченко О.В., Яковлев С.В., Баженов О.Е., Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Макеев А.П., Невзоров А.А., Невзоров А.В. «Сибирская лидарная станция: аппаратура и результаты» (под редакцией Матвиенко Г.Г.). // Томск. Изд-во ИОА СО РАН. 2016. 414 с. ISBN 978-5-94458-156-3., Гл. 7. стр. 255.)
Недостатком этого способа является отсутствие возможности определения фазового состава облачности, что обусловлено отсутствием регистрации поляризационных характеристик лидарного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ поляризационного лазерного зондирования облаков (Зуев В.Е., Зуев В.В. «Дистанционное оптическое зондирование атмосферы» // С-Петербург. Гидрометеоиздат. 1992. 232 с. ISBN 5-286-00530-6., Гл. 3.стр. 64)
Согласно данному способу в атмосферу на облачное образование посылают линейно поляризованное лазерное излучение. Рассеянное в обратном направлении излучение с помощью поляризационного анализатора расщепляют на два пучка со взаимно ортогональной поляризацией, одна из которых параллельна плоскости линейной поляризации зондирующего лазерного излучения. Затем берут отношение этих двух лидарных сигналов и определяют степень деполяризации лидарного сигнала, по величине которой судят о микрофизических параметрах облачных частиц, т.е. о фазовой структуре облака (жидкокапельное, кристаллическое, смешанное).
В то же время, кристаллические облака могут состоять из частиц, как с хаотической, так и преимущественной ориентацией.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности при зондировании кристаллических облаков обнаружения в нем областей с преимущественной ориентацией кристаллических ледяных частиц, а также определения азимутального угла направления этой ориентации.
Задачей изобретения является устранение этого недостатка, т.е. обнаружение в облаках областей с хаотической или преимущественной ориентацией кристаллических ледяных частиц, а также определение азимутального угла направления этой ориентации.
Поставленная задача достигается тем, что в способе лазерного зондирования облаков, основанном на посылке в атмосферу линейно поляризованного в вертикальной плоскости лазерного импульсного излучения и приеме обратно рассеянных атмосферой сигналов в двух взаимно ортогональных поляризационных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью поляризации исходного излучения, зондирование осуществляют путем сканирования лазерным пучком в вертикальной плоскости, при этом в начальный момент времени плоскость поляризации зондирующего лазерного излучения устанавливают в азимутальном направлении на север, что соответствует нулевому значению азимутального угла.
Зондирование облака начинают путем отклонения лазерного пучка от вертикали до тех пор, пока не исчезнет лидарный сигнал зеркального отражения от кристаллов. Затем под этим зенитным углом осуществляют азимутальное коническое зондирование облака до тех пор, пока поляризованный сигнал последовательно достигнет своих экстремального и минимального значений. Зафиксировав в эти моменты времени значения соответствующих азимутальных углов судят об угловой горизонтальной ориентации кристаллических частиц облака.
Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
В лидарных наблюдениях присутствие в облаках кристаллических частиц проявляется, прежде всего, в различиях величины деполяризации обратно рассеянного излучения. Значение деполяризации определяется через отношение интенсивностей ортогональной, по отношению к исходной линейной поляризации лазерного излучения и параллельной компонент лидарного сигнала.
Однако нельзя выявить в структуре облака области с горизонтальной или полностью хаотической ориентацией кристаллических частиц, используя линейную поляризацию исходного лазерного излучения и осуществляя зондирование облака в одном вертикальном направлении.
Во многих случаях кристаллические частицы облачности, которые в основном состоят из пластинок и столбиков, имеют выраженную ориентацию в пространстве. Наиболее известное явление - это преимущественная ориентация кристаллов в горизонтальной плоскости под действием аэродинамических сил, возникающих при свободном падении частиц.
В этой ситуации, при вертикальном лазерном зондировании горизонтально ориентированные частицы вызывают зеркальное отражение излучения. При френелевском зеркальном отражении от плоской грани кристалла обратно рассеянный лидарный сигнал согласно теории не должен содержать кросс-поляризованного компонента, т.е. отношение сигналов кросс-поляризованного к поляризованному должно быть нулевым, не считая погрешностей измерений. Напротив, поляризованный компонент будет содержать зеркальную составляющую, т.е. лидарный сигнал этого компонента значительно возрастет, по отношению к ситуации хаотически ориентированных частиц.
Таким образом, при вертикальном зондировании облаков подобные характеристики ортогональных компонент поляризованного лидарного сигнала и их отношения указывают на горизонтальную ориентацию частиц в облаке.
В то же время, поскольку сигнал зеркального отражения является превалирующим и его величина фактически не зависит от направления ориентации кристаллических частиц, то определить направление ориентации частиц только при вертикальном зондировании невозможно.
Для устранения помехи зеркального отражения необходимо осуществить наклонное зондирование, путем отклонения зондирующего лазерного пучка от вертикали до тех пор , пока в лидарном сигнале от облака не исчезнет его зеркальная составляющая компонента.
В соответствие с теорией поляризационного лазерного зондирования рассмотрим следующие варианты зондирования кристаллических облаков, например, состоящих из ледяных гексагональных столбиков, ориентированных в горизонтальной плоскости.
Согласно теории, если при зондировании вертикальная плоскость поляризации лазерного пучка совпадает с плоскостью направления большой оси кристаллического столбика, то при отражении излучения будет регистрироваться максимальное значение величины поляризованного лидарного сигнала. В противоположном случае, если при зондировании вертикальная плоскость поляризации лазерного пучка будет ортогональна плоскости направления большой оси частицы, то будет регистрироваться минимальной значение величины поляризованного лидарного сигнала.
Если в начальный момент времени выставить вертикальную плоскость поляризации лазерного излучения в направлении на север, то величина поляризованного лидарного сигнала будет определяться взаимным угловым расположением этой плоскости с плоскостью большой оси кристаллической частицы, положение которой неизвестно.
Допустим этот угол, т.е. направление большой оси частицы составляет 60°. Осуществляя азимутальное сканирование по часовой стрелке от нулевого угла, т.е. в восточном направлении будем наблюдать увеличение амплитуды поляризованного лидарного сигнала, вплоть до достижения максимального значения при азимутальном угле 60°. В дальнейшем при сканировании будет наблюдаться уменьшение амплитуды сигнала, вплость до достижения минимального значения при азимутальном угле 150°, затем максимум при угле 240°, минимум при угле 330° и т.д., т.е. будет наблюдаться синусоидальный цикл изменения амплитуды сигнала.
Таковы закономерности из теории поляризованного зондирования кристаллических облаков, которые позволяют при проведении азимутального сканирования выявить два экстремальных значения поляризационного сигнала и тем самым определить угловое положение большой оси кристалла, т.е. его азимутальное направление ориентации в пространстве горизонтальной плоскости.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит источник поляризованного лазерного излучения 1, и расположенный в непосредственной близости от источника лазерного излучения 1 приемный оптический телескоп 2. На оптической оси телескопа 2 установлен поляризационный расщепитель - анализатор 3, разделяющий световой пучок на два со взаимно ортогональной поляризацией, плоскость одной из которых параллельна плоскости поляризации исходного лазерного излучения. На пути световых поляризованных пучков установлены фотодетекторы 4 и 5 для регистрации лидарных сигналов, электрически подключенные к системе регистрации 6. Система регистрации 6 подключена к входу системы управления и обработки информации 7, которая подключена к источнику лазерного излучения 1, а также к блоку управления 8 двухкоординатной поворотной платформы 9.
Устройство работает следующим образом. Система 7 выдает управляющую команду на блок 8 управления платформой 9. В начальный момент времени блок 8 выдает команду на установку поворотной платформы 9 в положение, когда зенитный угол соответствует вертикальному направлению зондирования, а азимутальный угол - направлению на север, что соответствует нулевому значению. После установки платформы 9 в исходное состояние блок 8 направляет эту информацию в систему управления 7, которая в свою очередь дает команду на запуск лазера 1. Рассеянное облаком в обратном направлении излучение поступает на вход приемного телескопа 2, где собирается в узкий световой пучок и направляется на поляризационный расщепитель - анализатор 3. Обычно в этом качестве используется поляризационная призма Волластона, ориентированная таким образом, чтобы на выходе получались два взаимно-ортогональных поляризационных пучка, плоскость поляризации одного из которых параллельна плоскости поляризации зондирующего излучения, а другого - перпендикулярна.
Ортогональные поляризационные компоненты светового пучка поступают на вход фотодетекторов 4 и 5, где оптические сигналы преобразуются в электрические, которые поступают одновременно на вход системы регистрации 6 для оцифровки, а затем оцифрованные сигналы поступают на вход системы управления и обработки 7. В дальнейшем система 7 осуществляет операцию деления друг на друга амплитуд сигналов от облачного образования, тем самым определяя величину отношения сигналов и соответственно степени деполяризации лидарного сигнала при зондировании атмосферы лазерным излучением с линейной поляризацией. Если отношение близко к нулевому значению, то облако состоит из кристаллических частиц, имеющих преимущественную ориентацию в горизонтальной плоскости. Таким образом заканчивается первый цикл зондирования кристаллического облака в вертикальном направлении.
В последующий момент времени осуществляется дальнейший цикл измерений по измерению азимутального угла направления ориентации кристаллических частиц. Система управления 7 выдает команду на блок 8 поворотной платформы 9, которая начинает сканирование в вертикальной плоскости, а также команду на запуск источника лазерного излучения 1.
Лазер 1 направляет линейно поляризованное излучение в атмосферу на облако и цикл зондирования облака повторяется. Обратно рассеянный сигнал поступает на вход приемного телескопа 2, далее с помощью оптического расщепителя 3 разделяется на два взаимно-ортогональных поляризационных пучка, которые преобразуются в электрические сигналы с помощью фотодетекторов 4 и 5 и регистрируются системой регистрации 6. Оцифрованные сигналы поступают в блок обработки и управления 7, куда одновременно из блока 8 поступает информация об значении зенитного угла зондирования.
Максимальное значение зеркальной компоненты поляризованного сигнала наблюдается при зондировании в вертикальном направлении.
В дальнейшем, по мере увеличения зенитного угла зондирования, т.е. увеличения отклонения трассы зондирования от вертикали величина зеркальной компоненты сигнала стремительно убывает вплоть до достижения некоторого постоянного значения, что означает, что зеркальный компонент лидарного сигнала отсутствует. В этот момент система управления и обработки 7 выдает команду на блок 8 поворотной колонки на остановку режима вертикального сканирования и начало режима азимутального конического сканирования.
Цикл зондирования облака по посылке лазерного излучения и регистрации лидарных сигналов осуществляется аналогично предыдущему циклу.
При коническом азимутальном сканировании под постоянным зенитным углом, блок обработки 7 непрерывно анализирует величину поляризованного лидарного сигнала поступающего из блока 6 и фиксирует тот азимутальный угол с блока 8, когда сигнал достигает своего максимума. Это означает, что в данный момент времени вертикальная плоскость поляризации зондирующего лазерного пучка совпала с плоскостью направления большой оси кристаллической частицы.
При дальнейшем азимутальном сканировании блок обработки 7 регистрирует уменьшение величины поляризованного лидарного сигнала и в момент достижения минимального значения фиксирует величину азимутального угла, поступающего  из блока 8. Это означает, что в данный момент времени вертикальная плоскость поляризации зондирующего лазерного пучка ортогональная плоскости направления большой оси кристаллической частицы.
Анализируя совокупность этих и начального азимутального угла можно судить о направлении ориентации оси кристаллических продолговатых частиц облаков.
Таким образом, данное технические решение по лазерному зондированию кристаллического облака путем наклонного и конического санирования и анализа поляризационных компонент лидарного сигнала позволяет обнаруживать в облаках области с преимущественной ориентацией кристаллов, а также определять их азимутальное направление ориентации.