Способ лидарного зондирования и устройство для его осуществления
METHOD OF LIDAR PROBING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к технике дистанционного лидарного измерения оптических характеристик атмосферы, подстилающей и акваторий с неподвижных и подвижных платформ, включая беспилотные наводные, подводные и летательные аппараты.
В настоящее время в отечественной и зарубежной практике широкое распространение получили способы и устройства для дистанционного зондирования окружающей среды лидарами для предотвращения техногенных катастроф, экологического мониторинга загрязнений при добыче и транспортировке углеводородов, а также для диагностики глобальных и локальных изменений в природе. В практике сбор оптического излучения, сигнала, при дистанционном зондировании на большие расстояния производят при помощи линзовых или зеркальных телескопов, которые обладают большими габаритами (размер более 30×30×120 см) и массой (более 15 кг), что ограничивает применение лидарной техники и исключает установку лидаров на компактные подвижные платформы.
Известно, что амплитуда сигнала (дальность/глубина зондирования, обнаружительная способность и пр.) лидара прямо пропорциональна площади приемной антенны/объектива и обратно пропорциональна квадрату расстояния до объекта зондирования в соответствии с лидарным уравнением. Эволюция сигнала определяется лидарным уравнением [1-3]:
0
Здесь Ns(R)- число фотонов лидарного сигнала отрезка трассы протяженностью τc/2, удаленного на расстояние R, τ - длительность импульса лазера, c - скорость света, nN - число фотонов в n импульсах, излученных лазером за время зондирования-локации, K(λ,R) - инструментальная (аппаратная) константа, включающая эффективность и пропускание тракта приемника, а также геометрию пересечения пучка и поля зрения приемника. A - площадь апертуры приемного объектива (антенны), σ(λ,R) - коэффициент обратного рассеяния, β(λ,R) - показатель ослабления (экстинкция).
По причине большого диаметра объектива-антенны объем антенного отсека приемного канала лидара всегда занимал значительную часть всего объема лидара. Этот объем V для линзовой антенны оценивается как произведение V=AF площади антенны A на фокусное расстояние F. Кроме этого требовалась общая платформа-основание (в некоторых лидарах цилиндр телескопа или параллепипед корпуса используются как несущая конструкция платформы) для обеспечения жесткости конструкции и стабильности ориентации пучка передатчика и поля зрения приемного тракта. Значительные габариты и общая масса таких лидаров являются основными ограничивающими факторами их размещения на малых беспилотных платформах и требуют вертолетного или самолетного базирования [1-3] большой грузоподъемности и мощности источника питания, что делает эти проекты слишком затратными.
1
2
2
Наибольшим потенциалом сокращения габаритов (~30% для лидаров средних, до 1000 м, дистанций зондирования) обладает антенный отсек лидара заполненный воздухом, который включает антенну с линзовой или зеркальной системой сбора оптического излучения и котировочные узлы ввода сигнала в спектроанализатор. Подобная схема приема сигнала имеет существенный недостаток - ограниченная возможность повышения чувствительности лидара из-за ограничения на размер и увеличение апертуры антенны, как следует из лидарного уравнения, а также ограничения на размер пятна пучка сигнала на входной щели спектроанализатора в фокусе линзы. Этот фактор ограничения наглядно показан схематически на примере простейшей системы, состоящей из одной линзы, на фиг.2, которая показывает увеличение потерь сигнала на входной щели (сечение пучков с диаметрами d и d) при увеличении диаметра и фокусного расстояния линзы-антенны при сохранении угла ввода излучения в спектрограф. Так при диаметре пучка на щели d=1 мм, например, и ширины щели h=0.1 мм только малая часть Δ сигнала будет введена в спектроанализатор (см. фиг.2), пропорциональная отношению площадей, которая проходит в щель (см. рис.2) к площади круга всего пятна пучка:
.
i
Кроме этого, из фиг.1 видно, что изменение расстояния L до объекта зондирования (качка судна, на котором установлен лидар, или изменение высоты полета самолета) будет сопровождаться изменением угла Q=D/L расходимости пучка и, соответственно, расстояния до фокальной плоскости f. Удержание фокальной плоскости на входной щели спектроанализатора требует механического перемещения линзы-антенны в процессе изменения дальности зондирования. Комплексное решение этой проблемы требует добавления канала-дальномера для измерения дальности до объекта и электромеханического привода к линзе-антенне лидара, который отрабатывает данные дальномера и перемещает линзу в нужную позицию.
Известны способы и устройства лидарного зондирования объекта и сбора оптического излучения с использованием системы линзовых и зеркальных телескопов [4, 5], типичная схема их работы показана на фиг.1. Они имеют ряд недостатков, указанные в тексте выше.
Наиболее близким техническим решением к предложенному решению, выбранным в качестве прототипа, является способ лидарного зондирования объекта [5, 7] с беспилотного аппарата (БПЛА), посадочного модуля на Марс [7], включающий воздействие на объект лазерным излучением, сбора рассеянных фотонов линзой-антенной и фокусировкой пучка, далее собранное излучение направляют на вход спектрального анализатора [5] и на приемник [7]. Все перечисленные приборы жестко связаны между собой, или размещены на одной платформе, что обеспечивает совпадение направляющего пучка лазера и поля зрения, при этом существует возможность транспорта световой энергии по оптическим волокнам [6].
Указанный способ сбора оптических сигналов для дистанционного лазерного зондирования и устройство для его реализации имеет недостатки:
1. большие габариты системы, которые определяются удаленностью объекта, что требует для регистрации слабых сигналов большой площади приемной антенны (поперечные размеры), а также согласование угла сходимости или угла фокусированного пучка сигнала после антенны-линзы, которое определяется отношением диаметра линзы к длине фокусного расстояния, с полем зрения спектрального прибора (продольные размеры);
2. большая масса, которая определяется большим диаметром линз или зеркал, так как толщина этих оптических элементов должны быть достаточной для исключения возможных искажений волнового фронта пучка;
3. возможность регистрировать сигнал только вдоль одного направления за один сеанс измерения;
4. необходимость общей платформы для антенны и системы регистрации, что повышает требования на габариты системы;
6. низкая надежность лидара из-за высокой вероятности разрушения линзы-антенны либо зеркала-антенны большого размера при ударах во время посадки БПЛА.
Технической задачей решения является устранение этих недостатков. Поставленная задача достигается тем, что в известном способе лидарного зондирования объекта с беспилотного аппарата, заключающемся в облучении объекта импульсным лазерным излучением, сборе отраженных рассеянных фотонов линзой-антенной, сжатии пучка и направлении его на вход спектроанализатора и далее на приемник, в обеспечении совпадения направляющего пучка лазерного излучения и поля зрения приемника, отраженные от объекта рассеянные фотоны пропускают через несколько приемных каналов (панель с линзами), собирают излучение в оптическое световолокно и направляют через его волокна, выстроенные определенным образом, на вход спектроанализатора. При этом излучение лазера подают на приемные каналы также по оптическому волокну и направляют в сторону объекта, согласовав с полем зрения приемных каналов.
Излучение лазера делят на части, соответствующие приемным каналам, и направляют к каждому приемному каналу так, чтобы каждая часть разделенного пучка лазера освещала объект в своем направлении и его расходимость была согласована (совпадала) с полем зрения приемных каналов.
Панель с линзами устанавливают и закрепляют на выходном торце лазера. При этом добиваются, чтобы пучок лазера без волокна походил через отверстие в панели или формирующий объектив в отверстие и направлялся на объект, а приемные каналы формировали поле зрения, которое совпадает с пучком лазера на объекте.
В панель с линзами устанавливают дополнительную линзу - приемный канал лазера дальномера, в фокус которого помещают торец дополнительного оптического измерение дальности волокна, а другой торец размещают перед фотоприемником дальномера и производят измерение дальности объекта зондирования, а также профиль рассеянных неоднородностей (шлейфы, облака и др.) вдоль трассы зондирования.
Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что позволяет значительно увеличить эффективность сбора сигнала и передачу его приемника при снижении массы и габаритов, уменьшении влияния дальности объекта на регистрируемый сигнал, увеличении надежности работы лидара (лидар продолжает зондирование в случае целенаправленного разрушения частей (несколько линз) антенны), а также осуществить одновременный прием сигнала с любых направлений отдельными частями антенны, поле зрения которых ориентировано в разные стороны, без использования системы сканирования. При этом излучение лазера делится на части, каждая из которых подается также по оптическому волокну к отдельной части антенны и направляется в сторону объекта с расходимостью пучка, не превышающей поле зрения антенны. Такое размещение приемо-передающих антенн вокруг (сверху, снизу, впереди и сзади), например, подводного робота позволит ему перемещаться в подводных туннелях на равном удалении от стенок туннеля посредством непрерывного измерения расстояния от стенок и при изгибах туннель.
Сущность заявляемого решения поясняется фиг.2, 3, 4 и 5
На фиг.2 изображена схема сбора оптических сигналов.
На фиг.3 изображена схема антенны синтезированной апертуры.
На фиг.4 изображен созданный флюоресцентный лидар и указаны его габариты.
На фиг.5 изображен созданный лидар с панелью приемных антенн с 7-ю линзами, в центре вход излучения лазера через световод.
Принцип действия способа показан на фиг.2.
При сохранении или даже увеличении суммарной площади синтезированной апертуры антенны все излучение сигнала вводится в спектроанализатор посредством оптоволоконного кабеля с его однорядного торца, который заменяет одновременно щель спектроанализатора. При этом количество волокон (отдельных апертур антенны) в кабеле задается вертикальным размером диодной матрицы приемника и диаметром волокна. Такая антенна может быть смонтирована на выходном торце лазера, что позволит заметно (до 30% и более) сократить габариты лидара и его массу без изменения общей компоновки лидара. Более того, отсек передатчика (лазер с антенной) и спектроанализатор с детектором могут быть разделены на отдельные блоки и размещены отдельно. При этом общая платформа, которая обеспечивала стабильность (заметим, что для этого платформа должна быть термостатирована) юстировки осей пучка передатчика и поля зрения приемника может быть ликвидирована. Такое решение будет дополнительно обеспечивать уменьшение массы лидара как целого.
Предложенный способ реализуется устройством.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для реализации способа лидарного зондирования, содержащее лазер, линзу-антенну, спектроанализатор и приемник, жестко связанные друг с другом [6].
Это устройство имеет недостатки, указанные в способе, основные из которых - это большие габариты и масса.
Технической задачей решения является улучшение характеристик приемной антенны лидара с синтезированной апертурой, которая позволяет уменьшить габариты и массу лидара при сохранении или даже увеличении площади антенны, а также разделить лидар на отдельные отсеки приемника/передатчика и отказаться от общей платформы-основания, что весьма важно для оптимального размещения в малом объеме. Разделение лидара на отдельные части принципиально важно при его размещении на беспилотной (БПЛА) летательной платформе в разных частях внутри фюзеляжа самолета или вертолета БПЛА. чтобы обеспечить правильную центровку, управляемость, безопасность полета и посадки. Причем отдельное размещение частей лидара, которые требуют охлаждения, непосредственно на конструкциях корпуса, как на теплоотводах, позволяют отказаться от систем охлаждения лидара и снизить массу лидара.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем лазер, линзу-антенну, спектр-анализатор и приемник, установленные с механической жесткой связью друг с другом, или на одной платформе, оптическое световолокно, собранное в жгут, а линза -антенна сформирована из нескольких линз приемных каналов меньшего диаметра и с меньшим фокусным расстоянием, закрепленных на панели. Торцы световолокна размещены с одной стороны в фокальных плоскостях этих линз, а на другом конце собраны в один ряд-линию и установлены на входе в спектроанализатор лидара, при этом фокусное расстояние линзы должно быть выбрано меньше, чем 0,01 L дальности до объекта зондирования, а отношение диаметра к фокусному расстоянию не превышало значения числовой апертуры световолокна.
Поставленная задача достигается также тем, что линзы приемных каналов сгруппированы по частям, установлены на свои панели, которые обеспечивают совпадение полей зрения приемных каналов каждой части.
Сущность решения заключается в том, что единая линза (зеркало) большого диаметра разбивается на большое количество элементов, состоящих из небольшой линзы (зеркала) с коротким фокусным расстоянием, которая собирает изображение на торец одного оптического волокна. При этом фокусное расстояние линзы выбирается меньше, чем 0.01 L дальности до объекта зондирования, чтобы снизить чувствительность к изменению дальности до объекта при зондировании. Тогда диаметр линзы выбирается так, чтобы его отношение к фокусному расстоянию не превышало значение числовой апертуры волокна. Эти волокна собирают вместе так, чтобы в выходе образовался столбец из вертикально упорядоченных волокон, которые заменяет щель (см. фиг.3).
Устройство на фиг.3 состоит из двух функциональных частей: система сбора оптического излучения и система переноса сигнала на вход спектроанализатора. Система сбора состоит из отдельных элементов 2, которая состоит из линзы малого диаметра, фокусирующей излучение на торец оптического волокна, при этом апертура линзы должна соответствовать апертуре спектроанализатора. Отдельные волокна собирают в жгут, который на выходе состоят из вертикального столбца волокон 3. Волокно должно иметь угол расходимости, который соответствует апертуре спектроанализатора. Диаметр волокна подбирают таким образом, чтобы он был равен нормальной ширине щели для спектроанализатора, и при этом фокальное пятно линзы должно полностью попадать на торец волокна.
При сохранении или даже увеличении суммарной площади синтезированной апертуры антенны все излучение сигнала вводится в спектроанализатор посредством оптоволоконного кабеля с его однорядного торца, который заменяет одновременно щель спектроанализатора. При этом количество волокон (отдельных апертур антенны) в кабеле задается вертикальным размером диодной матрицы приемника и диаметром волокна. Такая антенна может быть смонтирована на выходном торце лазера, что позволит заметно сократить габариты лидара и его массу без изменения общей компоновки лидара. Более того, отсек передатчика (лазер с антенной) и спектроанализатор могут быть разделены на отдельные блоки и размещены отдельно. При этом общая платформа, которая обеспечивала стабильность (заметим, что для этого платформа должна быть термостатирована) юстировки осей пучка передатчика и поля зрения приемника может быть ликвидирована. Такое решение будет дополнительно обеспечивать уменьшение массы лидара как целого. Предложенная антенна с синтезированной апертурой позволяет уменьшить габариты и массу лидар. Устройство по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
1. уменьшение продольного размера и габаритов антенны за счет многократного уменьшения фокусного расстояния линзы-антенны при сохранении или увеличении общей площади сбора сигнала при согласовании с апертурой спектроанализатора за счет увеличения числа линз;
2. снижение массы антенны, при сохранении общей площади сбора сигнала, так как суммарная масса набора линз каждого из элементов антенны значительно меньше, чем масса антенны, состоящей из одной большой линзы(зеркала), поскольку линзы меньшего диаметра всегда тоньше и весят, увеличить эффективность ввода излучения сигнала в спектроанализатор, а также дает возможность разнести отдельные компоненты лидар и отказаться от общей платформы-основания, что весьма важно для оптимального размещения в малом объеме;
3. увеличение оптического сигнала за счет эффективного распределения круглого пятна сигнала от удаленного объекта на щели спектроанализатора при его трансформировании с помощью вертикально упорядоченного столбца торцов оптоволокна 3;
4. возможность установки блока антенны и детектора в разные части носителя на теплоотводящие детали корпуса набегающим потоком воздуха или воды, например, в БПЛА или батискафе, вследствие наличия оптоволоконного кабеля, что позволяет отказаться от вентиляторов охлаждения, уменьшить габариты и энергопотребление;
5. при использовании антенны, которая состоит из отдельных элементов 2, расположенных в форме полусферы (сферы) возможна регистрация сигналов сразу по нескольким каналам за одно измерения при использовании отдельных детекторов или матричного типа (ПЗС камеры или их аналоги) и построения трехмерного распределения параметров без использования системы сканирования;
6. повышение надежности лидара в случае целенаправленного разрушения антенны, что приведет к выходу из строя только части элементов, в то время как для классического телескопа при разъюстировке не будет возможности проводить измерения.
7. использование волоконного ввода в спектроанализатор и на приемник дальномера позволяет использовать в волокне брегговские решетки, которые выполняют роль оптических фильтров, причем в волокне к приемнику дальномера используют фильтр, селективно пропускающий излучение лазера и подавляющий фон засветки, а в волокнах передачи сигнала флюоресценции или комбинационного рассеяния фильтр селективно подавляет излучение лазера.
Предложенное решение позволяет уменьшить зависимость от вариации расстояния до объекта зондирования, дает возможность регистрировать сигналы сразу по нескольким направлениям за одно измерение, повышает надежность лидара при ударах, повышает дальность зондирования и надежность, уменьшение объема приемного отсека и объема лидара, его массы и энергопотребления, а также дает возможность размещения отдельными несвязанными между собой блоками внутри фюзеляжа-корпуса БПЛА, чтобы сохранить положение центра масс БПЛА.
Литература
1. С.М. Першин. Лидар, Большая Российская Энциклопедия, т.17, с.451-452 (2011).
2. Р. Межерис, Лазерное дистанционное зондирование. М., «Мир», 1987 г, 550 с. (перевод кн. Raymond М. Measures. Laser Remote Sensing Fundamentals and Aplications, John Wiley&Sons, New York, 1984).
3. A. Bunkin, and K. Voliak, Laser Remote Sensing of the Ocean: Methods and Applications, John Wiley&Sons, New York, 2001.
4. T. Hengstermann and R. Reuter, Lidar fluorosensing of mineral oil spills on the sea surface, Applied Optics, Vol.29, Issue 22, pp.3218-3227 (1990).
5. R. Karpicz. A. Dementjev, Z. Kuprionis, S. Pakalnis, R. Westphal, R. Renter, and V. Gulbinas. Oil spill fluorosensing lidar for inclined onshore or shipboard operation. Applied Optics, Vol.45, Issue 25. pp.6620-6625 (2006). Прототип.
6. Solar Til Catalog Fiber Bundles. Прототип.http://solartii.com/spectral_instruments/accessories/fiber_optics.htm.
7. A.V. Bukharin, V.M. Linkin, A.N. Lipatov, A.N. Lyash, V.S. Makarov, S.M. Pershin, A.V.Tiurin, Russian compact Lidar for NASA "Mars Surveyor Program 98", Proc. of 19 International Laser Radar Conference, Annapolis. Maryland, USA, p.241-244, 1998.