ЛИДАР

Полезная модель относится к области измерительной техники и может использоваться в приборах для зондирования атмосферной турбулентности, в том числе на дальних расстояниях для заблаговременного предупреждения об опасных для летательных аппаратов зонах повышенной турбулентности, на основе использования эффекта усиления обратного рассеяния в турбулентной среде.
Известны лидары для обнаружения турбулентности, использующие импульсные когерентные доплеровские лазеры с оптическими системами различной конструкции, позволяющие оперативно определять турбулентности любой природы, в том числе турбулентность ясного неба (clear air turbulence), не определяемую традиционными длинноволновыми метеорадарами (например, RU 43657 U1, 2005; RU 2032180 C1, 1995; RU 2335786 C1, 2008; RU 2365523 C2, 2009; RU 2373554 C2, 2009; US 5610703 A, 1997; US 6509566 B1, 2003; DE 4013702 A1, 1991). Однако все они из-за малой мощности применяемых лазеров позволяют индицировать турбулентность на расстояниях не более 1 км.
Из известных устройств наиболее близким к заявленному является лидар, содержащий импульсный лазер для генерирования зондирующего пучка излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом, расположенным на оптической оси принимающего рассеянное излучение телескопа в плоскости его входного отверстия, и связанный с импульсным лазером электронный блок обработки данных и управления, к которому подключен размещенный в фокусе принимающего рассеянное излучение телескопа фотодетектор (RU 2405172 C2, 2010). В этом лидаре импульсный лазер генерирует расширенный зондирующий пучок излучения. В направлении интересующей области пространства посылается зондирующий пучок в два момента времени, а принимаемое рассеянное излучение после принимающего телескопа направляется на два фотодетектора. При этом измеряют распределение интенсивности в поперечном сечении принимаемого рассеянного излучения и на основании сравнения двух распределений интенсивности определяют турбулентность атмосферы, обнаруживая спеклы и сравнивая спекл-структуры. Т.е. дистанционное обнаружение атмосферной турбулентности основано на наблюдении спекл-структур в рассеивающем объеме, поперечные размеры которого определяются шириной зондирующего пучка излучения, а продольный размер - длительностью лазерного импульса. Источником информации для измерения турбулентности служит различие хаотических спекл-структур в двух параллельных плоскостях поперечного сечения зондирующего пучка излучения.
Такой лидар позволяет обнаружить неоднородности и движения воздуха на значительной площади. Однако обнаружение спеклов, наблюдая молекулярное/аэрозольное рассеяние при освещении атмосферы широким лазерным лучем, крайне затруднено из-за искажающего действия турбулентности на пути от рассеивающего объема к пункту наблюдения. Турбулентность этим лидаром возможно обнаруживать на расстоянии нескольких сотен метров, не более 1 км.
Задача, решаемая полезной моделью, состоит в создании лидара, лишенного недостатков прототипа. Технический результат полезной модели заключается в увеличении расстояния, на котором надежно фиксируется атмосферная турбулентность, в том числе за счет обеспечения возможности применения мощных некогерентных лазеров.
Это достигается тем, что в лидаре, содержащем импульсный лазер для генерирования зондирующего пучка излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом, расположенным на оптической оси принимающего рассеянное излучение телескопа в плоскости его входного отверстия, и связанный с импульсным лазером электронный блок обработки данных и управления, к которому подключен размещенный в фокусе принимающего рассеянное излучение телескопа фотодетектор, импульсный лазер выполнен с возможностью формирования зондирующего пучка излучения узким, в выводящую оптическую систему введено образующее с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом перископ подвижное плоское отклоняющее зеркало, размещенное на оптической оси импульсного лазера и выполненное с возможностью перенаправления зондирующего пучка излучения на неподвижное плоское отклоняющее зеркало посредством поворотного механизма, связанного с электронным блоком обработки данных и управления, а расстояние между центрами подвижного и неподвижного плоских отклоняющих зеркал выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля. Принимающий рассеянное излучение телескоп может содержать выполненное вогнутым главное зеркало с центральным отверстием, напротив которого размещено вторичное зеркало.
Конструкция лидара выполнена таким образом, чтобы могло быть реализовано действие эффекта усиления обратного рассеяния в турбулентной среде, открытого советскими учеными (Виноградов А.Г. и др. Закономерность увеличения рассеяния волн. Государственный реестр открытий СССР №359, 02.12.1988). При обратном рассеянии падающая и рассеянные волны излучения проходят через одни и те же турбулентные неоднородности показателя преломления. При этом турбулентность приводит к перераспределению интенсивности волны в пространстве. Интенсивность, рассеянная в обратном направлении, увеличивается по сравнению с той, которая наблюдалась бы при обратном рассеянии на том же препятствии при отсутствии турбулентности. При распространении оптических волн в атмосфере это явление наблюдается в небольшом телесном угле в окрестности направления рассеяния точно назад.
При лидарном зондировании атмосферы регистрируется излучение, рассеянное молекулами воздуха и/или частицами аэрозоля, размеры которых сравнимы с длиной волны λ излучения, в заднюю полусферу. Если излучатель и приемник совмещены в пространстве, а разделение посылаемого лазерного импульса и регистрируемого рассеянного излучения происходит за счет селекции по времени, то принимаемые волны дважды проходят через одни и те же оптические неоднородности. Двойное прохождение приводит к изменению индикатрисы рассеяния на частице, находящейся в турбулентной среде, по сравнению с индикатрисой для той же частицы в свободном пространстве. Турбулентность обуславливает перераспределение рассеянной мощности по углам так, что в направлении назад рассеянная средняя мощность увеличивается. Угловая ширина области усиления составляет  где L - расстояние от источника до рассеивающей частицы (от лидара до рассеивающего объема). Например, для расстояния 10 км и длины волны λ=1 мкм этот угол равен 10 мкрад, при этом эффект усиления обратного рассеяния наблюдается при условии, что радиус апертуры наблюдателя не превышает 10 см.
Лидар содержит импульсный лазер 1 для генерирования узкого зондирующего пучка 2 излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным 3 и подвижным 4 плоскими отклоняющими зеркалами, принимающий рассеянное рассеивающим объемом 5 излучение 6 телескоп, который может содержать выполненное вогнутым главное зеркало 7 с центральным отверстием 8 и размещенное напротив него вторичное зеркало 9, выполненное, например, плоским, электронный блок 10 обработки данных и управления и подключенный к нему фотодетектор 11, который размещен в фокусе принимающего рассеянное излучение 6 телескопа. Неподвижное плоское отклоняющее зеркало 3 расположено на оптической оси принимающего рассеянное излучение 6 телескопа в плоскости его входного отверстия. Подвижное плоское отклоняющее зеркало 4 размещено на оптической оси зондирующего пучка 2 импульсного лазера 1 и выполнено так, что оно посредством поворотного механизма (на чертеже не показан) может занимать два положения - одно вне зондирующего пучка 2 или другое, перенаправляя зондирующий пучок 2 на неподвижное плоское отклоняющее зеркало 3. Поворотный механизм связан с электронным блоком 10 обработки данных и управления. Неподвижное 3 и подвижное 4 плоские отклоняющие зеркала образуют собой перископ. Расстояние d между центрами подвижного 4 и неподвижного 3 плоских отклоняющих зеркал выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля. Важно, что конструкция лидара выполнена так, что обеспечивается параллельность направления зондирующих пучков 2 излучения оптической оси принимающего рассеянное излучение 6 телескопа.
Лидар функционирует следующим образом. Импульсный лазер 1 по команде электронного блока 10 обработки данных и управления (выполненного преимущественно в виде компьютера) генерирует мощный узкий зондирующий пучок 2 излучения, которое направляется в перископ. При одном положении управляемого электронным блоком 10 подвижного плоского отклоняющего зеркала 4 (показанном на чертеже сплошной линией), зондирующий пучок 2 излучения полностью перехватывается им и направляется на неподвижное плоское отклоняющее зеркало 3, отражаясь от которого, направляется в атмосферу вдоль оптической оси телескопа. Мощность отраженного от рассеивающего объема 5 рассеянного излучения 6 измеряется фотодетектором 11 и фиксируется в электронном блоке 10 как функция времени, который измеряет расстояние L по времени запаздывания рассеянного излучения 6. При другом положении подвижного плоского отклоняющего зеркала 4 (показанном на чертеже пунктиром) оно полностью выводится из зондирующего пучка 2 излучения, который направляется в атмосферу, минуя перископ. При этом электронный блок 10 фиксирует мощность, отличающуюся на угол d/L от направления точно назад. Учитывая малость угла d/L, рассеивающий объем 5 остается практически одним и тем же при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4. С той же точностью зондирующие пучки 2 излучения и лучи рассеянного излучения 6 идут по одинаковым путям при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4. Отношение мощностей рассеянного излучения 6 при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4 дает значение коэффициента усиления обратного рассеяния. Т.е. информация о турбулентности получается в результате сравнения мощностей принятого рассеянного излучения 6 при двух положениях подвижного плоского отражающего зеркала 4. Расстояние d между центрами подвижного 4 и неподвижного 3 плоских отклоняющих зеркал (расстояние между оптической осью принимающего рассеянное излучение 6 телескопа и оптической осью импульсного лазера 1, т.е. приемная апертура лидара) выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля, равного  (Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М., «Наука», 1978, с. 310-311). Масштаб Френеля определяет масштаб корреляции флуктуаций интенсивности излучения с длиной волны λ, наблюдаемого на расстоянии L, а это определяет масштаб области, в которой наблюдается эффект усиления обратного рассеяния. При выборе указанного расстояния менее величины в четыре масштаба Френеля исчезает разница наблюдаемых мощностей принимаемого рассеянного излучения 6 при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4, которая позволяет реализовать необходимое функционирование лидара, что подтверждается экспериментально. Максимальное же значение расстояния d определяется только соображениями конструкции лидара. Например, для расстояния L=10 км и длины волны λ=1 мкм масштаб Френеля равен 10 см, а величина расстояния d для одной из возможных конкретных конструкций лидара равна 40-50 см.
Измерение турбулентности лидаром не зависит от свойств рассеивающего аэрозоля, распределения его частиц по размерам и т.п. Кроме того, использование в лидаре для приема рассеянного излучения 6 одного и того же фотодетектора 11 и одного и того же принимающего телескопа уменьшает систематическую ошибку при измерениях, которая могла бы возникнуть при использовании разнесенных приемников. Это дополнительно способствует надежности и объективности контроля.
Лидар, выполненный в соответствии с полезной моделью, за счет реализации эффекта усиления обратного рассеяния в турбулентной среде, обеспечивает надежное обнаружение турбулентности и оценку ее величины на расстояниях до 30 км, что значительно больше чем для известных лидаров. Это позволяет, в частности, создавать высокоэффективные системы раннего оповещения летательных аппаратов при приближении к зонам турбулентности.