МНОГОКАНАЛЬНЫЙ МНОГОВОЛНОВОЙ ЛИДАР ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ

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.
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 двух волн зондирования, при этом регистрация сигналов осуществляется только на этих длинах волн, т.е. используются только эффекты упругого рассеяния.
Известен двухволновой лидар для зондирования атмосферы, содержащий два лазерных передатчика и приемную систему, включающие последовательно установленные приемный объектив, блок смены интерференционных и нейтральных светофильтров и фотодетекторы, выход которых подключен к блоку регистрации [2].
Недостатком этого устройства является низкая оперативность измерений. Это обусловлено тем, что при каждом акте зондирования на оптической оси объектива приемной системы может быть установлен только один интерференционный фильтр, соответствующий в данный момент времени длине волны работающего передатчика, а затем требуется временной промежуток для замены. Таким образом, производится попеременное зондирование атмосферы на двух длинах волн. Кроме того, при регистрации сигналов только упругого рассеяния по прежнему остаются проблемы, связанные с решением обратной задачи по восстановлению оптических параметров атмосферы по данным зондирования.
Аналогом лидарной системы для многоволнового зондирования атмосферы является лидар Института физики Академии наук (Беларусь) [3]. 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 эффекты комбинационного рассеяния света. В большинстве известных систем [4] для этого используют колебательно-вращательный спектр комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода. Поскольку сечение рассеяния света на этих газах известно, то это позволяет непосредственно из сигналов комбинационного рассеяния без всяких априорных допущений о свойствах атмосферы определять оптические параметры среды.
Ближайшим аналогом многоволнового лидара для зондирования атмосферы является лидар, описанный в работе [5]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения на нескольких длинах волн и приемного оптического телескопа, на оптической оси которого последовательно установлены спектроделительный блок в виде интерференционных фильтров и дихроичных зеркал и фотоприемный блок из нескольких фотоприемников для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, выход которого подключен к системе управления, регистрации и обработки информации.
Основным недостатком прототипа является отсутствие возможности оперативного контроля стабильности функционирования фотоприемников лидара. Эта необходимость обусловлена тем, что прототип имеет несколько фотоприемников различного типа, предназначенных для регистрации лидарных сигналов в широком диапазоне длин волн от 355 до 1064 нм, в том числе работающих в различных режимах регистрации - аналоговом и счетно-фотонном. Поскольку во время эксплуатации реакция фотоприемников изменяется по-разному в зависимости от типа фоточувствительного элемента, необходим постоянный оперативный контроль их чувствительности.
Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая постоянный оперативный контроль всего фотометрического тракта лидара, состоящего из фотоприемного блока и системы управления регистрации и обработка. Поставленная цель достигается тем, что в состав лидара введен тестовый генератор импульсных оптических сигналов, снабженный жгутом из гибких световодов в количестве равным количеству фотоприемников, при этом общий вход жгута подключен к генератору оптических сигналов, а выходы в виде отдельных световодов подключены к оптическим входам фотоприемников.
На фиг.1 схематично изображена блок-схема многоканального многоволнового лидара для зондирования атмосферы.
Лидар содержит общую платформу, на которой расположены источник лазерного излучения 1 на нескольких длинах волн в видимой и инфракрасной областях спектра. Рядом расположен жестко связанный с ним приемный телескоп 2 с углом поля зрения, целиком охватывающим световой атмосферный пучок источника. На выходе приемного телескопа 2 последовательно установлены спектроделитель 3, разделяющий пришедший атмосферный световой поток лазерного излучения по длинам волн и фотоприемный блок 4, содержащий ряд фотоприемников различных типов для регистрации лидарных сигналов на этих длинах волн. Выходы всех фотоприемников блока 4 электрически подключены к системе управления, регистрации и обработки данных 7.
Рядом с фотоприемным блоком 4 расположен тестовый генератор импульсных оптических сигналов 5, в качестве которого обычно используют светодиод. Генератор 5 электрически связан с системой управления, регистрации и обработки данных 7, а оптически подключен через световодный жгут 6 к входам фотоприемников блока 4.
Многоволновой многоканальный лидар работает следующим образом.
В начальный момент времени блок управления регистрации и обработки информации 7 выдает управляющую старт-команду на тестовый генератор импульсных оптических сигналов 5, который вырабатывает оптический импульсный сигнал, обычно прямоугольной формы и длительностью несколько микросекунд, с амплитудой, соответствующей амплитуде лидарных сигналов. Этот оптический сигнал подается на общий вход жгута из гибких световодов, диаметр которого должен не превышать диаметр светового пучка тестового генератора 5. Далее излучение поступает на второй конец жгута, состоящего из отдельных световодов и через них на оптические входы фотоприемников блока 4, которые преобразуют световые сигналы в электрические. Электрические сигналы с фотоприемников блока 4 одновременно поступают в  систему управления, регистрации и обработки информации 7, где происходит оцифровка и запись сигналов. Эти первичные тестовые сигналы запоминаются и служат эталоном для последующего контроля чувствительности каждого фотоприемника и сопоставления друг с другом.
В последующий момент времени осуществляется непосредственно сеанс лазерного зондирования. Система управления 7 выдает команду на источник лазерного излучения, который посылает в атмосферу излучение на нескольких длинах волн, например 355, 532 и 1064 нм.
Рассеянное в обратном направлении излучение поступает на апертуру приемного телескопа 2, а затем в спектроделитель 3, где с помощью интерференционных фильтров и дихроичных зеркал осуществляется селекция лидарных сигналов упругого и комбинационного рассеяния по длинам волн.
Разделенные пространственно спектроделителем сигналы поступают на вход фотоприемников блока 4, где преобразуются в электрические сигналы. Электрические сигналы с фотоприемного блока 4 одновременно поступают в систему управления, регистрации и обработки информации 7, где происходит их оцифровка и дальнейшая обработка.
Перед началом второго сеанса зондирования процедура проверки чувствительности фотоприемников с помощью тестового генератора оптических сигналов повторяется. В системе управления и обработки 7 происходит сравнение характеристик тестовых сигналов для каждого фотоприемника и если необходимо осуществляется корректировка чувствительности, путем введения поправочных коэффициентов.
Список использованных источников:
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. Авторское свидетельство № 801721, авторы: Балин Ю.С., Кауль Б.В., Самохвалов И.В., Зуев В.Е., Жильцов В.И., Козинцев В.И. «Двухволновой оптический локатор для зондирования атмосферы».
3. 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.
4. Bösenberg J., Ansmann A., Baldasano J., Balis D.,Böckmann C., Calpini B., Chaikovsky A., Flamant P.,Hagard A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., ResendesD., Schneider J., Spinelli, Trickle T., VaughanG., Visconti G., Wiegner M.EARLINET-A European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote sensing: Selected papers 20-th Int. Laser Radar Conference (ILRC). Vichi. France. 10-14 July 2000. 2000. P. 155-158.
5. 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.