Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для дистанционного измерения температуры атмосферы, и может быть использована на метеостанциях и в других системах мониторинга атмосферы.
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 c дистанционным определением молекулярной плотности атмосферы на основе эффекта релеевского рассеяния [Shibata T., 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 восстановлением профиля температуры, 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, где влиянием эффекта аэрозольного рассеяния можно пренебречь. Обычно это интервал высот 30 - 70 километров (стратосфера).
В качестве прототипа выбран лидар для измерения температуры атмосферы на основе эффекта чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР) (RU № 183716 от 10 апреля 2018 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 участков чисто вращательных спектров комбинационного рассеяния, которые с выхода полихроматора по моноволоконным световодам поступают на катоды фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих оптические сигналы в электрические. Далее, электрические сигналы оцифровываются и поступают в блок обработки данных, где выполняется алгоритм вычисления температуры, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков (4 и 12) чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода.
Недостатком устройства является ошибки измерения температуры атмосферы в ближней зоне лидара из-за нелинейного режима регистрации сигнала. Нелинейный режим регистрации в ближней зоне лидара обусловлен перекрытием одноэлектронных импульсов ФЭУ из-за слишком большой интенсивности сигнала.
Для решения этой задачи предлагается техническое решение, позволяющее уменьшить нелинейность режима регистрации и ошибки измерения температуры атмосферы в ближней зоне лидара.
В этой связи предлагается в блоке обработке данных лидара использовать счетчик фотонов с возможностью коррекции мертвого времени за счет того, что на выходе дискриминатора применяется временная дискриминация перекрывающихся одноэлектронных импульсов, позволяющая компенсировать просчеты и увеличить динамический диапазон регистрации интенсивности входного потока, приводящая к повышению максимальной скорости регистрации одноэлектронных импульсов ФЭУ в 2,72 раза.
Счетчик фотонов с коррекцией мертвого времени известен из изобретения RU № 2743636.
Таким образом, используя счетчик фотонов с возможностью коррекции мертвого времени в блоке обработке данных лидара за счет применения временной дискриминации перекрывающихся одноэлектронных импульсов позволит уменьшить нелинейность режима регистрации и ошибки измерения температуры атмосферы в ближней зоне лидара.
Блок схема предлагаемого лидара приведена на фиг. 1.
Лидар для дистанционного измерения температуры тропосферы состоит: 1 - лазер, работающий на длине волны 355 нм; 2 - передающая оптическая система; 3 - приемный телескоп; 4 - оптический скремблер; 5 - двойной полихроматор; 6, 7 - фотоэлектронные умножители (ФЭУ 1, ФЭУ 2,); 8 - блок обработки данных, включающий счетчик фотонов с коррекцией мертвого времени. Все блоки и узлы лидара располагаются и закреплены на одном основании и находятся в конструктивном единстве.
Принцип работы, предлагаемой лидарной системы заключается в следующем. Источник лазерного излучения (1), на выходе которого расположена передающая оптическая система (2), посылающая лазерное излучение в атмосферу, приемный телескоп (3), выход которого через оптический скремблер (4) подключен к входу двойного полихроматора (5), селектирующий соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния, выход полихроматора через моноволоконные световоды оптически связан с входом фотоэлектронных умножителей (6, 7), преобразующих оптические сигналы в электрические, выход которых подключен к блоку обработки данных (8), включающий счетчик фотонов с возможностью коррекции мертвого времени, для расчета температуры. Температура атмосферы вычисляется по формуле:
,
I
, I
-
1
2
где  интенсивности сигналов, зарегистрированных с помощью ФЭУ 1 и ФЭУ 2, соответственно, и скорректированные на мертвое время в счетчике фотонов, α, β - калибровочные константы двойного полохроматора.