ЛИДАР ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ

Полезная модель относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы и предназначена для дистанционного определения профилей оптических параметров аэрозольных и облачных полей. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при картировании пространственно-временного распределения аэрозольных полей антропогенного происхождения в воздушном бассейне промышленного центра, при контроле трансграничных переносов аэрозольных примесей в период лесных пожаров и активной вулканической деятельности.
Аналогом многоканального лидара для зондирования атмосферы является лидар, описанный в работе [1]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения, двух приемных оптических телескопов, на оптической оси которого установлены  фотоприемники для регистрации сигналов атмосферного обратного рассеяния, выходы которых подключены к системе управления, регистрации и обработки информации.
Недостатком этого лидара является небольшой интервал дальностей регистрации лидарных сигналов, вследствие ограниченного динамического диапазона чувствительности фотоприемников, а также из-за того, что оптические телескопы установлены на одинаковом расстоянии от источника излучения.
Для устранения этого недостатка в лидарах используют несколько приемных объективов, охватывающими своим полем зрения различные участки трассы зондирования, от ближней до дальней зоны.
Ближайшим аналогом лидара для зондирования атмосферы является лидар, описанный в работе [2].
Лидар состоит из основания, источника лазерного излучения и установленных на различных расстояниях от него основного и дополнительных телескопов для регистрации лидарных сигналов с различных участков трассы зондирования.
На выходе приемных телескопов расположены фотоприемники, подключенные к системе управления, регистрации и обработки информации. Фотоприемники регистрируют сигналы упругого и комбинационного рассеяния света с различных участков трассы зондирования.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности измерения атмосферных параметров в непосредственной близости от лидара, вследствие теневой зоны лидара, обусловленной конструкцией лидара – конечным расстоянием между источником лазерного излучения и ближайшим приемным телескопом.
Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая прием лидарных сигналов с минимального расстояния от лидара.
Поставленная цель достигается тем, что один из приемных телескопов выполнен в виде внеосевого параболического зеркала со сквозным отверстием, за которым закреплена зеркальная пластина, жестко связанная с параллельной ей прозрачной пластиной, установленной перед выходом лазера под углом 45 градусов к его оптической оси.
На фиг.1 схематично изображена блок-схема лидара для зондирования атмосферы.
Лидар содержит общую платформу, на которой установлены жестко связанные между собой лазер 1, оптический рефлектор 4 и два приемных телескопа 2 и 3, расположенных на различных расстояниях от лазера, при этом ближайший к лазеру телескоп 3 выполнен в виде параболического зеркала со сквозным центральным отверстием. Лазер 1 и телескопы 2 и 3 расположены таким образом, что их оптические оси направлены в одну сторону, а углы поля зрения телескопов охватывают направляемый в атмосферу зондирующий лазерный пучок.
Оптический рефлектор 4 состоит из двух связанных между собой и параллельных друг другу прозрачной и зеркальной оптических пластин. Прозрачная пластина рефлектора 4 закреплена на выходе лазера 1 под углом 45º к его оптической оси и отводит часть излучения на зеркальную пластину рефлектора 2, которая закреплена за сквозным отверстием ближайшего к лазеру приемного телескопа 3.
На выходе приемных телескопов 2 и 3 на их оптической оси установлены фотоприемники 5 и 6, электрически связанные с системой управления, регистрации и обработки информации 7, которая также подключена к лазеру 1.
Все блоки и составляющие узлы, и элементы лидара располагаются и закреплены на общем основании и находятся в конструктивном единстве, определяемом принципом работы лидара, когда все фотоэлектронные устройства должны находиться на оптической оси.
Лидар для зондирования атмосферы работает следующим образом.
Система управления 7 выдает команду на запуск лазера 1, который на выходе выдает импульсное лазерное излучение. Излучение поступает на вход рефлектора 4, частично отражается от прозрачной пластины, расположенной под углом 45º к оптической оси лазера 1 и направляется на зеркальную пластину рефлектора 4, закрепленную за телескопом 3. Основная часть излучения, пройдя прозрачную пластину рефлектора 4, направляется непосредственно в атмосферу. Поскольку зеркальная пластина параллельна прозрачной, то отраженное от зеркальной пластины вторичное лазерное излучение направляется в атмосферу параллельно основному лазерному пучку. Таким образом, от лазера формируются два зондирующих лазерных пучка излучения – основной и вспомогательный для ближней зоны. Вторичный вспомогательный пучок проходит через центральное сквозное отверстие внеосевого параболического зеркала и тем самым всегда находится внутри угла поля зрения приемного телескопа 3.
Рассеянное атмосферой в обратном направлении лазерное излучение поступает на входы приемных телескопов блока 2 и 3, а затем на фотоприемники 5 и 6, где световые сигналы преобразуются в электрические. Электрические сигналы с фотоприемников 5 и 6 поступают в систему управления, регистрации и обработки информации 7, где происходит их оцифровка и дальнейшая обработка по получению оптико-физической информации о параметрах атмосферы.
Оптические телескопы 2 и 3 расположены на различных расстояниях от лазера, т.е. обладают различной базой между осями лазера и телескопов, поэтому регистрируют сигналы на различных удалениях от лидара. Поскольку с помощью оптического рефлектора 4, пучок лазерного излучения направляется в атмосферу непосредственно от входа телескопа 3, а его угол поля зрения целиком охватывает зондирующий пучок, то регистрация лидарных сигналов осуществляется в непосредственной близости от лидара.
Литература:
1. Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В., Новоселов М.М., Насонов С.В. Патент (Россия), № 188541 Многоволновой лидар для зондирования атмосферы. Патентообладатель: ИОА СО РАН. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 16 апреля 2019 г.
2. Жарков В.И., Бобровников С.М., Горлов Е.В.  Патент (Россия) № 177419 Лидар для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы с минимальной мертвой зоной зондирования. Патентообладатель: ИОА СО РАН. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 21 февраля 2018 г.