ОПТИЧЕСКИЙ БЛОК ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЫ
OPTICAL UNIT FOR LASER PROBING OF CLOUD ATMOSPHERE

Предлагаемое изобретение относится к технике измерения характеристик облачности и предназначено, преимущественно, для использования на аэродроме с целью метеообеспечения взлета/посадки воздушных судов информацией о высоте нижней границы облаков.
В настоящее время средства для измерения характеристик облачности на аэродроме используют лазерную технологию формирования и обработки эхо-сигналов от облачной атмосферы, они содержат оптический блок и блок обработки эхо-сигналов. Различные схемы построения оптического блока рассмотрены в [1, 2].
В настоящее время практическая реализация этих схем развивается в двух вариантах.
В первом варианте [2, рис.1] в качестве излучающей оптики, в фокусе которой установлен полупроводниковый импульсный лазер, используется основное и вторичное зеркало, а в качестве приемной оптики, в фокусе которой установлен фотоприемник, используется линзовый объектив, диаметр которого меньше диаметра основного зеркала излучающей оптики и приблизительно равен диаметру вторичного зеркала.
Линзовый объектив установлен перед зеркальным объективом соосно с ним.
Во втором варианте [2, рис.2] используется обратная схема, в которой излучающий лазер и фотоприемник меняются местами.
Недостатком обоих вариантов является наличие «мертвой зоны», в которой эхо-сигналы от нижней границы облаков на высотах ниже нескольких десятков метров фотоприемником не воспроизводятся.
Механизм подавления эхо-сигналов в «мертвой зоне» поясняется [2, рис.3].
При уменьшении расстояния до нижней границы облаков изображение светового пятна от облученной лазером поверхности облака формируется не параллельными, а наклонными лучами. При этом максимум оптического сигнала перемещается за фокальную плоскость.
В фокальной плоскости, где установлен фотоприемник, размер светового пятна существенно увеличивается и на приемную поверхность фотоприемника через полевую диафрагму проходит незначительная доля эхо-сигнала.
Чем меньше расстояние до нижней границы облака, тем сильнее подавляется эхо-сигнал.
Это также приводит к формированию ложного пика эхо-сигнала на верхней границе «мертвой зоны» при наличии помутнений атмосферы из-за дымки и осадков.
Достоинством второго варианта оптической схемы [2, рис.2] является более (на порядок величины) высокое отношение сигнал/шум, что повышает дальность обнаружения облачных слоев. Указанная оптическая схема принята в качестве прототипа.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является компенсация уменьшения эхо-сигнала в ближней зоне и расширение диапазона измерения в сторону низких значений высоты нижней границы облаков.
Для решения поставленной задачи предложен оптический блок для лазерного зондирования облачной атмосферы, который, как и прототип, содержит линзовый объектив, полупроводниковый импульсный лазер, установленный в фокусе линзового объектива, зеркальный объектив, первый фотоприемник, установленный в фокусе зеркального объектива, содержащего главное и вторичное зеркала, в главном зеркале выполнено центральное отверстие для прохождения отраженных вторичным зеркалом лучей за заднюю поверхность главного зеркала, защитное стекло и блок обработки фотоэлектрических сигналов на два входа и один выход, при этом один вход сопряжен с полупроводниковым импульсным лазером, второй вход связан с первым фотоприемпиком, а линзовый объектив с лазером установлен перед зеркальным объективом соосно с ним.
В отличие от прототипа в оптический блок дополнительно введены второй фотоприемник, полупрозрачное плоское зеркало и сумматор фотоэлектрических сигналов на два входа и один выход, полупрозрачное плоское зеркало размещено в центральном отверстии главного зеркала, второй фотоприемник установлен соосно с первым за дополнительной фокальной поверхностью зеркального объектива, образованной полупрозрачным плоским зеркалом, а выход сумматора фотоэлектрических сигналов подключен к второму входу блока обработки фотоэлектрических сигналов, при этом первый и второй входы сумматора фотоэлектрических сигналов подключены к выходам первого и второго фотоприемников соответственно.
Сущность изобретения заключается в том, что в ближней зоне по мере уменьшения расстояния до нижней границы облаков сигнал на первом фотоприемнике уменьшается, а на втором фотоприемнике увеличивается, поэтому сумма сигналов от обоих фотоприемников остается приблизительно постоянной.
При этом оказывается возможным измерять высоту нижней границы облаков вплоть до нулевых ее значений.
Кроме того, равномерное распределение чувствительности приемного канала фотоприемников в ближней зоне препятствует возникновению ложного пика сигнала при наличии осадков и дымки.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена общая схема оптического блока для лазерного зондирования облачной атмосферы.
Оптический блок для лазерного зондирования облачной атмосферы содержит линзовый объектив 1, полупроводниковый импульсный лазер 2, установленный в фокусе линзового объектива 1, зеркальный объектив, содержащий главное 3 и вторичное 4 зеркала.
Первый фотоприемник 5 установлен в фокусе зеркального объектива.
В главном зеркале 3 выполнено центральное отверстие для прохождения отраженных вторичным зеркалом лучей за заднюю поверхность главного зеркала 3, защитное стекло 6 и блок обработки фотоэлектрических сигналов 7, при этом один вход сопряжен с полупроводниковым импульсным лазером 2, второй вход связан с первым фотоприемником 5.
Линзовый объектив 1 с полупроводниковым импульсным лазером 2 установлен перед зеркальным объективом соосно с ним.
В оптический блок дополнительно введены второй фотоприемник 8, полупрозрачное плоское зеркало 9 и сумматор фотоэлектрических сигналов на два входа и один выход 10.
Полупрозрачное плоское зеркало 9 размещено в центральном отверстии главного зеркала 3, второй фотоприемник 8 установлен соосно с первым фотоприемником 5 за дополнительной фокальной поверхностью зеркального объектива, образованной полупрозрачным плоским зеркалом 9, а выход сумматора фотоэлектрических сигналов 10 подключен ко второму входу блока обработки фотоэлектрических сигналов 7, при этом входы сумматора фотоэлектрических сигналов подключены к выходам первого 5 и второго 8 фотоприемников соответственно.
Оптический блок для лазерного зондирования облачной атмосферы работает следующим образом.
Когда объект измерения (облако) находится на значительном удалении от оптического блока эхо-сигнал формирует изображение светового пятна в фокальной плоскости зеркального объектива параллельными лучами. Поэтому изображение светового пятна в фокальной плоскости имеет минимальные размеры и сигнал полностью проходит через полевую диафрагму (на чертеже не показана) первого фотоприемника 5. Поскольку второй фотоприемник 8 расположен за (дополнительной) фокальной плоскостью главного зеркала 3 зеркального объектива, размер светового пятна превышает размер отверстия полевой диафрагмы.
Когда объект измерения находится на близком расстоянии от оптического блока на входной зрачок зеркального объектива поступают наклонные лучи (на чертеже отмечены пунктиром). Поэтому изображение светового пятна имеет минимальные размеры за дополнительной фокальной плоскостью зеркального объектива, где расположен второй фотоприемник 8. При этом сигнал полностью проходит через полевую диафрагму второго фотоприемника 8. На первый фотоприемник 5 сигнал поступает частично, поскольку в фокальной плоскости зеркального объектива, где расположен первый фотоприемник 5, размер светового пятна превышает размер отверстия полевой диафрагмы.
В блоке обработки фотоэлектрических сигналов 7 от обоих фотоприемников 5 и 8 суммируются.
Полупроводниковый импульсный лазер 2, установленный в фокусе линзового объектива 1, формирует слабо расходящийся пучок света. Отраженный эхо-сигнал принимается первым 5 и вторым 8 фотоприемниками.
В блоке обработки фотоэлектрических сигналов 7 измеряется время запаздывания эхо-сигнала относительно излученного полупроводниковым импульсным лазером 2 импульса. Эхо-сигнал из дальней зоны полностью воспринимается первым фотоприемником 5. В ближней зоне эхо-сигнал на первом фотоприемнике 5 уменьшается с уменьшением расстояния до облака, а на втором фотоприемнике 8 увеличивается. Суммарный сигнал в ближней зоне остается приблизительно постоянным. Это устраняет «мертвую зону» и позволяет измерить высоту нижней границы облаков вплоть до нулевых ее значений.
Таким образом, использование предлагаемого оптического блока позволило компенсировать уменьшение эхо-сигнала в ближней зоне и расширение диапазона измерения в сторону низких значений высоты нижней границы облаков.
Сопутствующим техническим результатом является устранение ложного пика эхо-сигнала в ближней к приемоизлучателю зоне.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Российская Федерация, свидетельство на полезную модель № 7210, МПК G01S 1/66, 1998 г.
2. В.Е. Зуев. Лазер-метеоролог, «Гидрометеоиздат», Ленинград, 1974, с.37, рис.3. - прототип.