ЛИДАР ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ОЗОНА В ВЕРХНЕЙ ТРОПОСФЕРЕ - НИЖНЕЙ СТРАТОСФЕРЕ

Область техники, к которой относится полезная модель, предназначена для дистанционного определения вертикального распределения озона (ВРО) на основе методов контроля атмосферы. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы. Озон играет определяющую роль в поглощении жесткой солнечной ультрафиолетовой радиации, что обеспечивает достаточно низкий и биологически безопасный уровень этого излучения у поверхности земли.
Для нахождения вертикального распределения озона применяют лидары. Лидарные измерения ВРО осуществляются на основе метода дифференциального поглощения рассеянной назад энергии лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне спектра 200-370 нм (полоса Хартли-Хаггинса).
Известен аналог полезной модели лидар дифференциального поглощения для зондирования озона GSFC TROPOZ DIAL (Sullivan J.Т., McGee Т.J., Sumnicht G.K., Twigg L.W. and Hoff R.M. A mobile differential absorption lidar to measure sub-hourly fluctuation of tropospheric ozone profiles in the Baltimore-Washington, D.C. region // Atmos. Meas. Tech. 2014. V. 7. issue. 10. P. 3529-3548.; Wang L., Newchurch M.J., Alvarez R.J., Berkoff T. A., Brown S. S., Carrion W., De Young R. J., Johnson B. J., Ganoe R., Gronoff G., Kirgis G., Kuang Shi, Langford A.O., Leblanc Th., McDuffie E.E., McGee Th.J., Pliutau D., Senff Chr. J., Sullivan J.Т., Sumnicht Gr., Twigg L.W., and Weinheimer A.J. Quantifying TOLNet ozone lidar accuracy during the 2014 DISCOVER-AQ and FRAPPE campaigns // Atmos. Meas. Tech. 2017. V. 10. issue. 10. P. 3865-3876). Это устройство состоит из двух Nd:YAG лазеров, генерирующих одновременно световые импульсы на длине волны 266 нм и двух ВКР-ячеек (ячейки вынужденного комбинационного рассеяния) с дейтерием и водородом с гелием, как буферным газом, под высоким давлением до 70 атм. Лидар работает на парах длин волн зондирования 289/299 нм в диапазоне высот 0,4 км до 12 км. Приемная система лидара состоит из главного телескопа, собранного по схеме Ньютона, с основным зеркалом диаметром 45 см и четырех малых телескопов диаметром 2,5 см. Сигналы с большого телескопа на длинах волн 289/299 нм используются для восстановления профилей ВРО в тропосфере, а четыре малых телескопа позволяют получать сигналы от приземных и средних слоев тропосферы на длинах волн 289 и 299 нм, соответственно. Приемно-регистрирующая аппаратура лидара состоит из ФЭУ 7400Р-03 фирмы HAMAMATSU и счетчика импульсов фототока (счетчика фотонов) + АЦП модели TR20-80 фирмы Licel, которая позволяет регистрировать лидарные сигналы с пространственным разрешением 15 м. Лидарные сигналы позволяют восстанавливать профили ВРО в диапазоне 0-1,5 км с разрешением 275 м, в диапазоне 1,5-5 км с разрешением 525 м, и в диапазоне 3-12 км с разрешением 750.
Основным недостатком аналога является малое пространственное разрешение лидарных сигналов 15 м. Поэтому из этих лидарных сигналов восстанавливаются профили ВРО с пространственным разрешением 750 м.
Прототипом лидара дифференциального поглощения для зондирования озона является лидар Института оптики атмосферы СО РАН (Бурлаков В.Д, Долгий С.И., Невзоров А.А., Невзоров А.В, Романовский О.А., Харченко О.В. "Лидарное зондирование озона в верхней тропосфере-нижней стратосфере: методика и результаты измерений" ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. ИНЖИНИРИНГ ГЕОРЕСУРСОВ, т. 326, №9, 2015 г., стр. 124-132). Лидар работает на паре длин волн зондирования 299/341 нм. Эти длины волн зондирования получаются после ВКР-преобразования четвертой гармоники (266 нм) Nd:YAG лазера в ВКР-ячейке, заполненной водородом давлением 1 атм. Энергия излучения на паре длин волн 299/341 нм составляет 25 и 20 мДж, соответственно. Лазерное излучение после ВКР-ячейки, с помощью автоматизированного юстировочного узла с выходным зеркалом направляется в атмосферу. Обратнорассеянное оптическое излучение собирается приемным телескопом, выполненным по схеме Ньютона, с главным приемным зеркалом диаметром 0,5 м, селектируется в кювете спектральной селекции и регистрируется фотоэлектронными умножителями ФЭУ (R7207-01) фирмы HAMAMATSU, работающими в режиме счета импульсов фототока. Электрические импульсы ФЭУ усиливаются усилителями-дискриминаторами и поступают на счетчик импульсов фототока (счетчик фотонов), где происходит их суммирование по 1024 временным интервалам с разрешением по высоте 100 м. Счетчик фотонов представляет собой плату, подключенную к компьютеру посредством ISA шины. После интеграции цифровой сигнал со счетчика фотонов передается на компьютер для предварительной обработки и записи на жесткий диск. Данный лидар позволяет получать лидарные сигналы с разрешением 100 м в диапазоне высот 5-20 км. Из этих лидарных сигналов восстанавливаются профили ВРО с пространственным разрешением 1,5-2 км.
Основным недостатком прототипа является малое пространственное разрешение лидарных сигналов 100 м. Поэтому из этих лидарных сигналов восстанавливаются профили ВРО с пространственным разрешением 1,5-2 км. Также недостатком прототипа является малое число временных интервалов счетчика фотонов равное 1024, что не позволяет работать с высоким пространственным разрешением. Прототип охватывает высоты тропопаузы, где превалирует динамический фактор формирующий тонкую структуру ВРО, поэтому для регистрации этой структуры необходимо увеличить пространственное разрешение лидарных сигналов.
Задачей технического решения является получение лидарных сигналов с помощью лидара работающего на длинах волн 299/341 нм в диапазоне высот 5-20 км с высоким пространственным разрешением равным 10 м.
Поставленная задача решается следующим образом: в предлагаемой полезной модели используется лидар дифференциального поглощения, в составе которого один Nd:YAO-лазер и одна ВКР-ячейка с водородом, которая позволяет преобразовать лазерное излучение от единственного источника изучения на длине волны 266 нм в излучение с парой длин волн 299/341 нм и телескопа с диаметром 0,5 м, позволяет восстанавливать ВРО в высотном диапазоне 5-20 км. Увеличение пространственного разрешения лидарных сигналов достигается установкой нового счетчика фотонов (PHCOUNT 6/2), который накапливает их по 2048 временным интервалам.
Техническое решение позволяет проводить измерение ВРО в высотном диапазоне 5-20 км и получать лидарные сигналы с высоким пространственным разрешением 10 м. Это позволяет более детально измерять структуру ВРО. Из этих лидарных сигналов восстанавливаются профили ВРО с пространственным разрешением 720 м.
На Фиг. 1 приведена блок-схема описываемого лидара, где 1 - твердотельный Nd:YAO-лазер, 2 - фокусирующая линза, 3 - ВКР-ячейка с водородом, 4 - коллимирующая линза, 5 - выходное зеркало, 6 - котировочный узел выходного поворотного зеркала с шаговыми двигателями, 7 - приемное зеркало телескопа, 8 - поворотное зеркало, 9 - полевая диафрагма, 10 - кювета спектральной селекции с фотоумножителями, 11 - усилители-дискриминаторы, 12 - высоковольтные блоки питания, 13 - счетчик импульсов фототока (счетчик фотонов), 14 - компьютер, 15 -оптическая скамья.
Устройство работает следующим образом:
внут
Излучение Nd:YAG лазера 266 нм (4-ая гармоника) (1) проходит через линзу (2), которая устанавливается перед ВКР-ячейкой и фокусирует излучение в ее центр. Необходимая для получения эффекта вынужденного комбинационного рассеяния плотность мощности накачки обеспечивается линзой (2) с фокусным расстоянием 1 м. После линзы (2) лазерное излучение попадает в ВКР-ячейку (3) с водородом - трубу из нержавеющей стали ∅ 3 см × 1 м. Входное и выходное окна ВКР-ячейки изготовлены из кварцевого стекла КУ-1 (ГОСТ 14130-86). Энергия импульса накачки на длине волны 266 нм составляет 60 мДж. После ВКР-ячейки лазерное излучение проходит через коллимирующую линзу (4) с фокусным расстоянием 1 м. Далее лазерное излучение с длинами волн 299 и 341 нм через выходное зеркало (5) направляется в атмосферу. Котировочный узел (6) выходного зеркала разработан на основе шаговых двигателей с возможностью управления через компьютер (14), передовая компьютером команды шаговому двигателю по соединяющему их кабелю.
Оптический лидарный сигнал обратного рассеяния из атмосферы собирается приемным телескопом, разработанным по схеме Ньютона с главным приемным зеркалом (7) ∅ 0,5 м с фокусным расстоянием 1,5 м. Поворотное зеркало (8), закрепленное по центру на трех регулируемых ребрах жесткости к корпусу телескопа, направляет принятое из атмосферы обратно рассеянное излучение лазера в кювету спектральной селекции. В фокусе премного зеркала располагается полевая диафрагма (9). После полевой диафрагмы с диаметром 2,5 мм оптический сигнал поступает в кювету спектральной селекции (10) и регистрируется фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Кювета спектральной селекции закреплена болтовым соединением на корпусе телескопа и представляет собой закрытый металлический короб с входным отверстием. Полевая диафрагма крепится в фокусе главного приемного зеркала резьбовым соединением на место входного отверстия кюветы спектральной селекции. В кювете спектральной селекции используются ФЭУ R7207-01, которые жестко закреплены болтами на корпусе кюветы, для преобразования оптического сигнала в электрические сигнал. Электрические сигналы с ФЭУ усиливаются усилителями-дискриминаторами С3866 фирмы HAMAMATSU (11). ФЭУ и усилители-дискриминаторы С3866 соединены между собой через кабель передачи электрических сигналов. Высоковольтные блоки питания (12), закрепленные на внешнем корпусе кюветы болтами, через высоковольтные провода питают ФЭУ. Усиленные электрические сигналы поступают от усилителей-дискриминаторов С3866 через кабели передачи электрических сигналов на счетчик фотонов PHCOUNT 6/2 (13) в регистрирующем тракте лидара, где счетчиком происходит суммирование оцифрованных сигналов по 2048 временным интервалам с разрешением 66,66 нм (10 м). Все устройства (1-7) и PHCOUNT 6/2 закреплены резьбовым соединением на оптической скамье (15). Счетчик фотонов подключается к компьютеру (14) через USB – кабель, по которому происходит передача цифровых лидарных сигналов.
На Фиг. 2. приведен пример восстановленного ВРО с пространственным разрешением 720 м в высотном диапазоне 5-20 км.
Как показали проведенные испытания, полезная модель позволяет измерять вертикальное распределение озона в высотном диапазоне 5-20 км с пространственным разрешением 720 м на основе получаемых лидарных сигналов с высоким пространственным разрешением 10 м.