Лидар для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы, и может быть использована на метеостанциях и в других системах мониторинга атмосферы.
Известно устройство для измерения температуры (патент РФ №129229, 2013 г.). Недостатком устройства является принципиальное отсутствие возможности проведения дистанционного измерения температуры.
Известен также аэрологический радиозонд (патент РФ №59845, 2006 г.), содержащий датчик температуры и радиопередатчик, с помощью которого информация о температуре, поступающая по мере набора высоты радиозонда, передается на наземную станцию сопровождения. Относительно высокая стоимость одноразового измерительного модуля радиозонда при проведении регулярных измерений определяет высокую стоимость эксплуатации такой системы. Другим недостатком системы радиозондирования является неконтролируемость траектории подъема радиозонда. При среднестатистических скоростях переноса воздушных масс в атмосфере при подъеме на высоту в 15-20 километров зонд может оказаться смещенным от исходной точки запуска на десятки и даже сотни километров, что делает затруднительным использование таких профилей температуры в задачах метеопрогноза. При этом время подъема зонда составляет 1,5-2 часа, что приводит к смещению оценки средних значений температуры вследствие нарушения условия стационарности.
Известен лидар, в котором измерение температуры связано с восстановлением профиля молекулярной плотности атмосферы (Shibata Т., Kobuchi M., Maeda M. Measurement of density and temperature profiles in the middle atmosphere with a XeF lidar // Applied Optics. 1986. V. 25. №5. PP. 685-688) и последующим его пересчетом в температуру, оправданном в предположении гидростатического равновесия атмосферы. Исходной информацией для лидаров такого типа является интенсивность упругого рассеяния зондирующего излучения, для которого принципиально неразделимы вклады молекулярного и аэрозольного рассеяния. Последнее обуславливает основной недостаток метода - он оказывается работоспособным лишь для области атмосферы, свободной от присутствия в ней аэрозоля. Обычно это интервал высот 30-70 километров (стратосфера). Кроме этого, тропосферный аэрозоль ослабляет излучение, рассеянное в стратосфере, что приводит к значительным ошибкам при восстановлении температуры в стратосфере.
В качестве прототипа выбран лидар для измерения температуры атмосферы с использованием оптического скремблера (RU №2015152453 от 23 марта 2016 г.). Известное устройство включает источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемный телескоп и далее через оптический скремблер в двойной полихроматор, селектирующий соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния, которые на выходе полихроматора через моноволоконные световоды поступают на фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие оптические сигналы в электрические, которые поступают в блок обработки данных, где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется температура, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР) на молекулах азота и кислорода.
Недостатком устройства является отсутствие канала для дистанционного измерения влажности атмосферы.
Для решения этой задачи предлагается техническое решение, позволяющее измерять влажность атмосферы одновременно с измерением температуры, за счет регистрации колебательно-вращательных полос азота и водяного пара в спектральном отклике лазерного импульса.
В этой связи предлагается перед моноволоконным световодом, передающим оптические сигналы от оптического скремблера к двойному полихроматору, установить светоделительный фильтр, который имеет высокое пропускание в спектральной области чисто вращательного спектра КР и высокое отражение в спектральной области колебательно-вращательных полос азота и водяного пара.
Оптические сигналы, прошедшие светоделительный фильтр, локализуются в области моноволоконного световода передающий оптические сигналы к двойному полихроматору, селектирующий соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния, которые на выходе полихроматора через моноволоконные световоды поступают на ФЭУ, преобразующие оптические сигналы в электрические, которые поступают в блок обработки данных, где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется температура, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР) на молекулах азота и кислорода.
В области локализации оптических сигналов, отраженных от спектрального фильтра, устанавливается дополнительный моноволоконный световод передающий оптические сигналы к одинарному полихроматору, селектирующий соответствующие оптические сигналы колебательно-вращательных полос азота и водяного пара, которые на выходе полихроматора через моноволоконные световоды поступают на фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие оптические сигналы в электрические, которые поступают в блок обработки данных, где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется влажность, из отношения интенсивностей сигналов колебательно-вращательных полос азота и водяного пара.
Таким образом, предварительное разделение спектрального отклика лазерного импульса и дополнительная регистрация колебательно-вращательных полос азота и водяного пара позволяет проводить одновременные дистанционные измерения влажности и температуры атмосферы.
Блок схема предлагаемого лидара приведена на фиг. 1.
Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы состоит: 1 - лазер, работающий на длине волны 355 нм; 2 - передающая оптическая система; 3 - приемный телескоп; 4 - оптический скремблер; 5 - светоделительный фильтр; 6 - двойной полихроматор для измерения температуры; 7 - одинарный полихроматор для измерения влажности; 8, 9 - фотоэлектронные умножители (ФЭУ 1, ФЭУ 2) для измерения температуры; 10, 11 - фотоэлектронные умножители (ФЭУ 3, ФЭУ 4) для измерения влажности; 12 - блок обработки данных.
Принцип работы предлагаемой лидарной системы заключается в следующем. Пучок, сформированный в лазере (1), через передающую оптическую систему (2) направляется в атмосферу. При распространении в атмосфере лазерное излучение испытывает рассеяние, в том числе и КР. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемный телескоп (3), собранное телескопом излучение проходит через оптический скремблер (4), где происходит устранение зависимости величины фокального отношения пучка лучей на выходе приемного телескопа лидара от дальности расположения рассеивающего объема. Далее часть оптического излучения, прошедшая светоделительный фильтр (5), попадает в двойной полихроматор (6), который осуществляет выделение участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода. Регистрация температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР, прошедшего через двойной полихроматор, происходит с помощью фотоэлектронных умножителей (8, 9), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (12), где электрические сигналы преобразуются в цифровые, а затем вычисляется температура, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР) на молекулах азота и кислорода.
Часть оптического излучения, отраженного от светоделительного фильтра (5), попадает в одинарный полихроматор (7), который осуществляет выделение участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара. Регистрация участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара, прошедших через одинарный полихроматор, происходит с помощью фотоэлектронных умножителей (10, 11), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (12), где электрические сигналы преобразуются в цифровые, а затем вычисляется влажность из отношения интенсивностей сигналов колебательно-вращательных полос азота и водяного пара.