ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ МНОГОВОЛНОВОЙ ЛИДАР

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 и обнаружения в примесях органических веществ.
Известно устройство для исследований аэрозольных и облачных полей тропосферы, основанное на использовании лазера с одной длиной зондирования и последующей регистрацией пространственной амплитуды развертки сигнала вдоль трассы зондирования [1].
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 являются трудности обработки получаемой информации, поскольку в уравнение лазерного зондирования, которое непосредственно связывает параметры атмосферы с характеристиками сигнала, входят одновременно несколько неизвестных параметров. Тем самым задача обработки сигнала с математической точки зрения является некорректной и приходится накладывать определенные априорные ограничения на свойства самой атмосферы.
Следующим шагом для расширения функциональных возможностей лидара является использование в процессе зондирования нескольких длин волн зондирования, при этом регистрация сигналов осуществляется только на этих длинах волн, т.е. используются только эффекты упругого рассеяния.
Аналогом лидарной системы для многоволнового зондирования атмосферы является лидар Института физики Академии наук (Беларусь) [2]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения, генерирующего одновременно световые импульсы на трех длинах волн: 1064, 532 и 355 нм, приемного телескопа с набором интерференционных фильтров, позволяющих селектировать эти оптические сигналы, фотодетекторов, подключенных через блоки регистрации электрических сигналов к ПЭВМ.
Общим недостатком известных устройств использующих только упругое рассеяние являются большие погрешности восстановления оптических параметров и микроструктурных аэрозольных частиц.
Наиболее перспективными средствами лазерного зондирования атмосферы являются устройства сочетающие прием сигналов как, на посылаемых длинах волн излучения (упругое рассеяние), так и использующих спектроскопические эффекты.
Ближайшим аналогом многоволнового лидара является лидар, описанный в работе [3]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения на базе Nd-лазера (532; 1064 нм) и приемного оптического телескопа, на оптической оси которого последовательно установлены спектроделительный блок в виде интерференционных фильтров и дихроичных зеркал и фотоприемный блок, работающий в аналоговом и счетнофотонном режимах для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, выход которого подключен к системе управления, регистрации и обработки информации.
Основным недостатком прототипа является отсутствие возможности обнаружения в зондируемых объектах органических примесей, например обнаружение в составе аэрозольных примесей органических веществ, хлорофилла в водной среде и т.д. Это обусловлено тем, что прототип не имеет флуоресцентного канала, регистрирующего соответствующий спектр флуоресценции, возникающий при облучении органического вещества лазерным излучением.
Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая наряду с регистрацией сигналов упругого рассеяния одновременную регистрацию сигналов лазерно-индуцированной флуоресценции.
Поставленная цель достигается тем, что в состав лидара вводят дополнительный блок интерференционных фильтров, установленный на пути распространения излучения видимого диапазона между спектроделителем и фотоприемным блоком.
Блок интерференционных фильтров обладает возможностью попеременной установки фильтров на длинах волн лазерно-индуцированной флуоресценции.
На фиг.1 схематично изображена блок-схема флуоресцентного многоволнвого лидара.
Лидар содержит общую платформу 1, на которой расположены источник лазерного излучения 2 на нескольких длинах волн в видимой и инфракрасной областях спектра (532 и 1064 нм). Рядом с источником излучения 2 расположен приемный телескоп 3, работающий в инфракрасном и видимом диапазоне длин волн, с углом поля зрения целиком охватывающими световой пучок источника.
На выходе оптического телескопа 3 вдоль его оптической оси последовательно установлены дихроичное зеркало 4, разделяющее излучение на два спектральных интервала видимого и инфракрасного диапазона с границей на длине волны 900 нм. Дихроичное зеркало 4 отражает излучение в диапазоне длин волн 500-900 нм и пропускает излучение с длиной волны более 900 нм.
На пути прошедшего излучения последовательно установлены интерференционный фильтр 5 на длину волны 1064 нм и фотодетектор 6, выход которого электрически подключен к системе регистрации и обработки информации 9.
Блок смены интерференционных фильтров 7 установлен на пути отраженного излучения видимого диапазона между дихроичным зеркалом 4 и фотодетектором 8, электрический выход которого подключен к системе регистрации и обработки информации 9.
Флуоресцентный многоволновой лидар работает следующим образом. Источник излучения 1 посылает на объект зондирования, например, древесную растительность, излучение на двух длинах волн 532 и 1064 нм. Рассеянное в обратном направлении излучение поступает на вход приемного телескопа 3. С выхода приемного телескопа 3 излучение поступает на дихроичное зеркало 4 , где разделяется на два световых потока. Световой поток с длинами волн больше 900 нм проходит через зеркало 4, интерференционный фильтр на длине волны 1064 нм и поступает на вход фотодетектора 6, где происходит преобразование светового сигнала в электрический. Электрический сигнал с фотодетектора 6 направляется в систему 9, где происходит его оцифровка, регистрация и обработка.
Световой поток c длинами волн в диапазоне 500-900 нм отражается от дихроичного зеркала 4 и направляется в блок смены фильтров 7. Одновременно с посылкой излучения на объект зондирования источник излучения 2 выдает синхроимпульс на установку необходимого фильтра, например на длине волны лазерно-индуцированной флуоресценции 685 нм. Излучение на этой длине волны после прохождения блока 7 поступает на вход фотодетектора 8, а затем электрический сигнал направляется для оцифровки, регистрации и обработки в систему 9.
В последующий момент времени источник излучения 2 вновь посылает импульс лазерного зондирования и синхроимпульс в блок смены фильтров 8, где устанавливается интерференционный фильтр на другую длину волны индуцированной лазерной флуоресценции - 740 нм. Цикл зондирования для этой длины волны повторяется, а затем в системе обработки информации 9 вычисляется отношение сигналов флуоресценции на двух длинах волн, по которому судят в концентрации хлорофилла, а по сигналу упругого рассеяния об оптических параметрах.
Литература:
1. Bairashin G.S., Balin Yu.S., Ershov A.D., Kokhanenko G.P., Penner I.E. Lidar “LOZA-MS” for investigation of aerosol fields in troposphere // Optical Engineering. 2005. V.44(7). p.071209-1-071209-7.
2. Иванов В.И., Малевич И.А., Чайковский А.П. Многофункциональные лидарные системы. Глава 5. Применение многофункциональных лидарных систем для контроля параметров окружающей среды. // Мн.: Университетское. 1986. 286 с.
3. Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В. Патент (Россия) №106966 Многоволновый лидарный комплекс для контроля оптического состояния атмосферы. Патентообладатель: ИОА СО РАН. Зарегистрировано в госреестре полезных моделей РФ 27 июля 2011 г.