Лидар для зондирования атмосферы

Полезная модель относится к области использования лидарных технологий в метеорологии и атмосферной оптики, может применятся для измерения оптических и микрофизических параметров атмосферы, для контроля уровня загрязнения атмосферы, распознавания кристаллических и градоопасных облаков 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. 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 ПЭВМ, где в соответствии с алгоритмами обработки сигналов извлекают информацию о параметрах атмосферы.
Основной проблемой технической реализации метода лазерного зондирования атмосферы является проблема регистрации лидарных сигналов вдоль трассы зондирования в большом динамическом диапазоне их изменения, поскольку фотоприемников с таким динамическим диапазоном в пределах линейной характеристики фоточувствительности не существует. Достаточно сказать, что согласно уравнению лазерного зондирования атмосферы, интенсивность сигнала вдоль трассы зондирования уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Это означает, что только вследствие этого фактора, динамический диапазон сигнала в высотном промежутке 0.1-10 км будет составлять четыре порядка.
В настоящее время для сокращения динамического диапазона сигналов применяют оптико-электронные, электронные и оптико-механические методы.
Лидары, использующие оптико-механические методы состоят из источника лазерного излучения, приемного телескопа, фотодетектора, подключенного через систему регистрации к ЭВМ, а также электромеханического затвора в виде дискового модулятора, установленного непосредственно перед фотодетектором. Модулятор представляет собой диск с отверстиями, который вращается с заданной скоростью и периодически перекрывает световой поток. Непрозрачный участок диска перекрывает обратно рассеянное атмосферой лазерное излучение от ближних к лидару слоев атмосферы, а затем при вращении через отверстия на фотодетектор попадает излучение от дальней зоны зондирования (Лидарные системы и их оптико-электронные компоненты» / Ю.М.Андреев [и др.]; Под общ. Ред. М.В.Кабанова, Зуев В.В. Лазерное зондирование средней атмосферы / В.В.Зуев, А.В.Ельников, В.Д.Бурлаков). Недостатком подобных лидарных систем является отсутствие возможности получения информации об атмосфере на начальном значительном участке трассы зондирования, который обычно составляет несколько километров.
Среди аналогов, реализующих оптико-электронный метод известен поляризационный лидар для зондирования атмосферы, состоящий из лазера и соосно расположенных приемного объектива, поляризаторов, электрооптического затвора и фотодетектора (Патент № 106759). В этом лидаре для подавления интенсивности лидарного сигнала в ближней зоне на электрооптический затвор, расположенный непосредственно перед фотодетектором подают запирающее напряжение, минимизируя коэффициент пропускания затвора.
Недостатком подобного лидара является ограниченные функциональные возможности, обусловленные нелинейной зависимостью пропускания затвора от величины управляющего напряжения, что приводит к дополнительным погрешностям измерения сигналов в ближней зоне.
Ближайшее техническое решение к полезной модели, выбранное в качестве прототипа – лидар для зондирования, включающий источник лазерного излучения с фотодатчиком, вырабатывающим электрический старт-импульс, приемный оптический телескоп с фотоприемным модулем и систему регистрации лидарных сигналов патент № 155857.
Основным недостатком прототипа является то, что вследствие большого динамического диапазона лидарного сигнала, его регистрация с одинаковой степенью погрешности невозможна по всей трассе, т.е. в ближней и дальней зонах.
Предполагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая равномерную погрешность измерения интенсивности лидарного сигнала во всем диапазоне дальности действия лидара.
Поставленная цель достигается тем, что в отличие от прототипа, предложенная модель содержит дополнительный электронный блок-усилитель со ступенчатым по времени коэффициентом усиления электрических лидарных сигналов, подключенный к выходу фотомодуля и входу системы регистрации. При этом в первоначальный промежуток времени, отсчитываемого с момента посылки в атмосферу лазерного излучения, коэффициент усиления имеет минимальное значение, а затем ступенчато увеличивается по заданному закону в последующие временные промежутки. Тем самым в полезной модели реализуется электронный метод уменьшения динамического диапазона лидарного сигнала перед его оцифровкой в системе регистрации.
На фиг.1 схематично изображена блок-схема лидара для зондирования атмосферы.
Лидар содержит общую платформу 1, на которой расположены жестко связанные между собой источник лазерного излучения 2, на выходе которого установлена светоотклоняющая пластинка 3, направляющая часть лазерного излучения на фотодатчик 4, вырабатывающий электрический старт-импульс временной синхронизации, а также приемный оптический телескоп 5. На выходе телескопа 5 вдоль его оптической оси установлен фотоприемный модуль 6, электрически подключенный к усилителю 7, вход синхронизации которого подключен к выходу фотодатчика 4. В свою очередь выход усилителя 7 электрически связан с сигнальным входом системы регистрации 8, подключенной для синхронизации к выходу фотодатчика 4.
Лидар работает следующим образом.
Излучение лазера 2 направляется в атмосферу, при этом часть излучения посредством разделительной пластинки 3 отводится на фотодатчик 4, который формирует электрический стартовый импульс. Этот импульс одновременно подается на входа синхронизации усилителя 7 и системы регистрации сигналов 8. Обратно рассеянное атмосферой излучение собирается приемным телескопом 5 и поступает на фотоприемный модуль 6, где преобразуется в электрический сигнал, который направляется на вход усилителя 7, а затем для дальнейшей оцифровки в систему регистрации 8. В первоначальный промежуток времени коэффициент усиления имеет минимальное значение. Например, равен единице на интервале 100÷300 м. В дальнейшем, по мере распространения импульса по трассе зондирования, значение коэффициента будет увеличиваться. Возьмем за основу закона увеличения коэффициента обратную квадратичную зависимость величины сигнала от расстояния. Тогда в промежуток времени, соответствующий пространственному интервалу 300÷1000 м, коэффициент усиления равен 10, а для интервала 1000÷3000 м соответствует 100.
Таким образом, на вход системы регистрации 8 поступает лидарный сигнал, амплитуда которого с расстоянием изменяется примерно в одном динамическом диапазоне во всем интервале трассы зондирования.