Сканирующий лидар для зондирования атмосферы

Полезная модель, сканирующий лидар, относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы. Лидар предназначен 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 СОРАН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр.89].
Основное предназначение этого устройства 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 [Bösenberg J., Ansmann A., Baldasano J. M., Balis D., Böckmann C., Calpini B., Chaikovsky A., Flamant P., Hågård A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinell N.i, Trickl T., 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 L’Ecole 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 приемо-передатчик 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. C.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 350х500 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.
Известен 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.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является сканирующий лидар для зондирования атмосферы, включающий приёмо-передатчик с лазерным излучателем с блоком питания, оптическим приёмным телескопом с фотоприёмным блоком и системой регистрации лидарных сигналов, расположенные на платформе наклонного сканирования двухкоординатной сканирующей поворотной платформы, состоящей из двух жёстко связанных между собой поворотных платформ горизонтального и наклонного сканирования, блок питания лазерного излучателя, а также управляющий вычислительный комплекс и внешний модуль электропитания, электрически связанные между собой и с фотоприёмным блоком, системой регистрации и блоком питания лазера. Блок питания лазерного излучателя закреплён на платформе горизонтального сканирования, при этом конечные узлы валов вращения платформ выполнены в виде радиально упорных подшипников, в центральных отверстиях которых по оси вращения расположены переходные каналы для электрических кабелей от внешнего модуля электропитания и управляющего вычислительного комплекса, а также от блока питания лазера к лазерному излучателю [Заявка на полезную модель № 2019102493 от 30.01.2019 «Сканирующий лидар для зондирования атмосферы»].
Недостатком прототипа является ненадежность в эксплуатации лидара из-за возникающих электромагнитных помех от внешних источников и при работе блока питания лазерного излучателя, наводимых на соединительные электрокабели аппаратуры, расположенной на платформах горизонтального и наклонного сканирования.
Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, благодаря минимизации длины соединительных электрических кабелей между блоками электронной аппаратуры.
Решение поставленной задачи достигается тем, вся электронная аппаратура лидара, состоящая из лазерного излучателя с блоком питания, фотоприемного блока, системы регистрации лидарных сигналов располагается на нижней платформе горизонтального сканирования, тем самым минимизируя линейные размеры соединительных электрокабелей между ними и уменьшая тем самым возможность наводки на них электромагнитных помех.
Для оптической связи по передаче излучения между сканирующими платформами в состав лидара дополнительно введены две оптические системы сопряженных зеркал. Одна из них служит для передачи лазерного излучения от излучателя, расположенного на платформе горизонтального сканирования на платформу наклонного сканирования. Вторая аналогичная оптическая система направляет собранное оптическим приемным телескопом обратно рассеянное атмосферой излучение с платформы наклонного сканирования на вход фотоприемного блока, расположенного на нижней платформе горизонтального сканирования. При этом оптическая ось системы зеркал и соответственно излучение проходит через переходной канал оси вращения платформы наклонного сканирования, тем самым сохраняя юстировку оптических осей приемо-передатчика лидара, состоящего из лазера, приемного телескопа и фотоприемного блока.
На фиг.1. изображена блок-схема сканирующего лидара. Лидар состоит из лазерного излучателя 1 с блоком питания 7, приемного телескопа 2 с фотоприемным блоком 3, подключенным к системе регистрации лидарных сигналов 4.  Электронная аппаратура лидара в составе лазерного излучателя 1 с блоком питания 2, фотоприемного модуля 3 и системы регистрации сигналов 4, расположены на общем основании платформы горизонтального сканирования 8 с радиально упорным подшипником 6 на оси вращения и переходным каналом для электрических кабелей, соединяющих электронную аппаратуру с управляющим вычислительным комплексом 9 и внешним модулем электропитания 10, расположенными на неподвижном основании лидара. Все элементы устройства прикреплены к неподвижной платформе и находятся в конструктивном единстве.
Оптический приемный телескоп 2 расположен на платформе наклонного сканирования 5 с аналогичным радиально упорным подшипником 6 на оси вращения.
Сканирующие в горизонтальной и вертикальной  плоскостях платформы 8 и 5 механически жестко связаны между собой и составляют единое целое – двухкоординатную сканирующую платформу 12. Для передачи оптического излучения между платформами 5 и 8 лидар содержит две аналогичных оптических системы 11, состоящих из сопряженных перископических зеркал, конечные зеркала которых связаны с выходом лазерного излучателя 1 и выходом оптического телескопа 2 и входом фотоприемного блока 3.
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. 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 поступает на первое зеркало оптической системы 11, затем через переходной канал подшипника 6 оси вращения платформы наклонного сканирования 5 поступает на выходное зеркало оптической системы 11 и направляется в атмосферу.
Рассеянное атмосферой в обратном направлении лазерное излучение собирается приемным оптическим телескопом 2 и направляется на первое зеркало второй оптической системы 11. Затем через переходной канал подшипника 6 на оси вращения платформы 5, излучение поступает на вход фотоприемного блока 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 осевой канал радиально упорного подшипника 6 платформы горизонтального сканирования 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 вследствие минимизации линейных размеров соединительных кабелей происходит минимальное воздействие электромагнитных помех на электронную аппаратуру лидара.
После окончания сеанса зондирования, 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 предложенных технических решений.