Сканирующий лидар для зондирования атмосферы

Полезная модель, сканирующий лидар, относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы. Полезная модель предназначена 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 ПЭВМ, 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 простарнственной амплитуды развертки сигналами вдоль трассы зондирования [Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Из-во ИОА СОР АН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр. 89].
Основное предназначение этого утройства 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 J., Ansmann A., Baldasano J. М., Balis D.,  С., Calpini В., Chaikovsky A., Flamant P.,  A., 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  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 приемопередатчик 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.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является сканирующий лидар для зондирования атмосферы, включающий приемо-передатчик с лазерным излучателем, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком и системой регистрации, расположенные на платформе наклонного сканирования двухкоординатной электромеханической поворотной платформы, а также блок питания лазера, модуль внешнего электропитания и управляющий вычислительный комплекс, установленные неподвижно на поверхности земли в непосредственной близости от двухкоординатной платформы. [Патент на полезную модель №157285 «Сканирующий лидар для зондирования атмосферы» Зарегистрировано в Госреестре полезных моделей РФ 15 ноября 2015 г.]. Недостатком прототипа является ненадежность эксплуатации лидара при горизонтальном сканировании из-за необходимости увеличения длины и частого запутывания соединительных проводов между неподвижными блоками питания и подвижными оптико-электронными устройствами приемо-передатчика лидара (лазерный излучатель, блок фотоприемников), а также между управляющим вычислительным комплексом и системой регистрации сигналов. Кроме того, что увеличение длины кабелей приводит к дополнительным электрическим помехам при регистрации лидарных сигналов из-за электромагнитных наводок от внешних источников и при работе блока питания лазера.
Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, благодаря тому, что все соединительные электрические кабели проходят через переходные каналы, расположенные по осям вращения платформ в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Решение поставленной задачи достигается тем, что блок питания лазерного излучателя расположен на подвижной платформе горизонтального сканирования, а конечные узлы валов вращения платформ выполнены в виде радиально упорных подшипников, в центральных отверстиях которых расположены переходные каналы для электрических кабелей, что предотвращает их скручивание и обрыв при поворотах платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
На фиг. 1 изображена блок-схема сканирующего лидара. Лидар состоит из лазерного излучателя 1, приемного телескопа 2 с фотоприемным блоком 3 и системой регистрации лидарных сигналов 4, расположенные на общем основании платформы наклонного сканирования 5 с радиально упорным подшипником 6 на оси вращения. Блок питания лазерного излучателя 7 расположен на основании платформы горизонтального сканирования 8 с аналогичным радиально упорным подшипником 6 на оси вращения. Управляющий вычислительный комплекс 9 и внешний модуль электропитания 10 расположены в непосредственной близости от приемо-передатчика лидара на неподвижной поверхности.
Сканирующий в горизонтальной и вертикальной плоскостях платформы 5 и 8 составляют единое целое - двухкоординатную сканирующую платформу 11. Оптоэлектронные и электромеханические блоки составляющий лидар: лазерный излучатель 1, фотоприемный блок 3, система регистрации 4, блок питания лазера 7, электромеханические поворотные платформы 5 и 8 электрически связаны с управляющим вычислительным комплексом 9 и модулем электропитания 10 посредством кабелей, проходящих через центральные отверстия каналов радиально упорных подшипников 6.
Сканирующий лидар работает следующим образом. Управляющий вычислительный комплекс 9 выдает команду на внешний модуль электропитания 10 для подачи напряжения на оптоэлектронные, электронные и электромеханические блоки лидара: блок питания лазера 7, фотомодуль 3, систему регистрации 4, электромеханические блоки поворотных платформ 5 и 8. После этого, управляющий комплекс 9 выдает команду на включение через блок питания 7 лазерного излучателя 1, а также старт-импульс на запуск временной развертки системы регистрации лидарных сигналов 4.
Лазерное излучение от излучателя 1 направляется в атмосферу, рассеивается атмосферой в обратном направлении и попадает на приемный телескоп 2, а затем направляется на фотоприемный блок 3, где световой сигнал преобразуется в электрический. Электрический сигнал с фотоприемного блока 3 поступает на вход системы регистрации лидарных сигналов 4, где осуществляется его оцифровка. Далее оцифрованный сигнал передается по интерфейсному кабелю, проходящему через осевые каналы радиально упорных подшипников 6 платформ наклонного и горизонтального сканирования 5 и 8 в управляющий вычислительный комплекс 9, где осуществляется его запись и последующая обработка по заданным алгоритмам.
Работа в следующем сеансе зондирования осуществляется аналогичным образом, меняя угловое положение трассы лазерного зондирования, путем поворота сканирующих платформ 5 и 8 по заданной программе. При этом при полном обороте при горизонтальном сканировании не происходит неполадок в функционировании соединительных электрических и интерфейсных кабелей между внутренними и внешними блоками лидара.
Таким образом, управляющий вычислительный комплекс 9 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.
В Институте оптики атмосферы разработан, изготовлен и прошел натурные испытания экспериментальный образец лидара, который показал эффективность предложенного технического решения.