Аэрозольный поляризационный турбулентный лидар

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля и атмосферной турбулентности.
Согласно эффекту усиления обратного рассеяния (УОР), открытому в 1973 году Виноградовым, Кравцовым и Татарским, при распространении волны в турбулентной атмосфере, интенсивность рассеянного назад излучения на оси пучка должна превышать интенсивность вне оси пучка. Известно устройство лидара для регистрации УОР [RU 165087 U1, 2016], в котором на одной стороне большого афокального приемопередающего зеркального телескопа реализуется полное совмещение передающего канала и основного принимающего канала. Дополнительный принимающий канал располагается симметрично относительно оси телескопа на его противоположной стороне. В обоих принимающих каналах регистрируется только излучение с исходной поляризацией, которая совпадает с линейной поляризацией лазерного излучения. Недостатком данной полезной модели является отсутствие возможности определения коэффициента деполяризации рассеянного в атмосфере излучения, т.к. излучение с кросс-поляризацией, перпендикулярной исходной, не регистрируется.
Наиболее близким к заявленному устройству является [RU 177661 U1, 2017] компактное устройство для регистрации УОР, содержащее два афокальных зеркальных телескопа небольшого размера, состоящих из внеосевых параболических зеркал. Устройство имеет один передающий канал и два принимающих канала. Передающий канал формирует зондирующий пучок, который направляется в атмосферу. Один принимающий канал (основной) совмещен с передающим, а другой принимающий канал (дополнительный) располагается в стороне. Эхосигнал дополнительного канала позволяет определять коэффициент обратного рассеяния атмосферного аэрозоля. Отношение основного и дополнительного эхосигналов позволяет определять интенсивность турбулентности в атмосфере. Недостатком данной полезной модели также является отсутствие возможности определения коэффициента деполяризации, который зависит от структуры, формы и концентрации рассеивающих аэрозольных частиц в атмосфере.
Раскрытие полезной модели.
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции лидара, которая позволит определять коэффициент деполяризации рассеянного обратно излучения при зондировании атмосферного аэрозоля и атмосферной турбулентности.
Технический результат заключается в определении коэффициента деполяризации рассеянного обратно излучения при одновременном зондировании атмосферной турбулентности и атмосферного аэрозоля. 1 ил.
1
2
3
3
2
3
2
Поставленная задача определения коэффициента деполяризации D рассеянного обратно излучения решается добавлением к двум имеющимся фотодетекторам третьего фотодетектора для регистрации кросс-поляризованной компоненты эхосигнала в дополнительном приемном канале. Два имеющихся в лидаре фотодетектора основного и дополнительного приемных каналов регистрируют рассеянное излучение с исходной линейной поляризацией, совпадающей с поляризацией лазера: эхосигнал основного приемного канала P; эхосигнал дополнительного приемного канала P. Добавление третьего детектора и поляризационного светоделительного куба позволит регистрировать кросс-поляризационную компоненту P и из отношения кросс-поляризованной компоненты P и исходной компоненты P эхосигнала дополнительного приемного канала вычислять коэффициент деполяризации D согласно алгоритму D=P/P.
На фиг. 1 схематично изображен поляризационный аэрозольный турбулентный лидар для регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере. Фиг. 1 включает подробную оптическую схему устройства и схематично изображает электронную часть и атмосферу.
Устройство состоит из передающей и принимающей частей. Передающая часть одноканальная, а принимающая - трехканальная, состоящая из основного и дополнительного каналов исходной поляризации и дополнительного канала кросс-поляризации. Все элементы приемопередатчика закреплены на оптической скамье 26. Передатчик состоит из лазера 1, коллимирующей линзы 2, поворотного зеркала 3, тонкоплёночного поляризатора 4, четвертьволновой пластинки 5 и телескопа, состоящего из внеосевых параболических зеркал 6 и 7. Телескоп 6-7 передаёт пучок 8 в виде световых импульсов в атмосферу 9, а рассеянное атмосферой излучение 11 из объёма 10 поступает обратно на телескоп 6-7. Телескоп дополнительного канала состоит из положительной 13 и отрицательной 14 линз и служит для приёма эхосигнала 12 из того же объема атмосферы 10.
Пришедшие обратно пучки основного 11 и дополнительного 12 каналов, имеющие в общем случае эллиптическую поляризацию, направляются в приёмный блок. Пучки 11 и 12 проходят сквозь четвертьволновую пластинку 4 и после этого излучение пучков 11 и 12 становится линейно поляризованным, но при этом плоскости поляризации поворачиваются на 90°. В общем случае, когда в атмосфере структура аэрозольных рассеивающих частиц неоднородная, либо их форма несферическая, пучки 11 и 12 вместе с основной поляризацией содержат излучение с кросс-поляризацией. Поляризация кросс-компоненты пришедшего излучения совпадает с поляризацией лазера 1. Пучок основного приемного канала 11 направляется на поляризатор 4 и сквозь него проходит только компонента излучения с основной линейной поляризацией, а кросс-компонента уходит обратно в лазер и становится недоступной для регистрации. Пучок же дополнительного приемного канала 12 содержит в себе излучение с обеими поляризациями - исходной и кросс. Пучки 11 и 12 проходят сквозь интерференционный светофильтр 15, отсекающий фоновую засветку неба. Пучок дополнительного канала 12 проходит сквозь поляризационный светоделительный куб 18, который прямо пропускает излучение основной поляризации и отражает кросс-поляризованную компоненту пришедшего из атмосферы излучения. Затем излучение с исходной поляризацией основного и дополнительного приемных каналов фокусируются линзами 16 и 20, соответственно, на детекторах 17 и 21. Плоское поворотное зеркало 19 направляет пучок 12 на линзу 20. Кросс-поляризованное излучение дополнительного приемного канала фокусируется линзой 22 на детекторе 23.
1
2
3
Электрические сигналы с детекторов 17 (эхосигнал P), 21 (эхосигнал P) и 23 (эхосигнал P) поступают в систему регистрации 24, где они накапливаются и затем передаются в компьютер 25.
Осуществление полезной модели.
1
2
3
1
2
3
2
Во время работы короткий световой импульс в виде расходящегося пучка от лазера 1 проходит через линзу 2, направляется зеркалом 3 на тонкоплёночный поляризатор 4 и четвертьволновую пластинку 5, являющиеся антенным переключателем основного приёмного канала. Антенный переключатель 4-5 преобразует линейную поляризацию излучения лазера в круговую. Затем излучение приходит на зеркальный афокальный телескоп 6-7, расширяющий пучок 8 и направляющий его в турбулентную атмосферу 9. Обратно рассеянное излучение из объёма 10 приходит на зеркальный телескоп 6-7 и линзовый телескоп 13-14. На телескоп 6-7 приходит излучение, которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности и это излучение формирует основной пучок 11. На телескоп 13-14 приходит излучение, которое от верхней приёмо-передающей апертуры через одни турбулентные неоднородности дошло до рассеивающего объёма 10, а возвращается обратно другим путём и формирует дополнительный пучок 12. Детекторы 17 (эхосигнал P) и 21 (эхосигнал P) регистрируют излучение с основной поляризацией на оси и вне оси зондирующего пучка. Детектор 23 (эхосигнал P) регистрирует излучение с кросс-поляризацией вне оси зондирующего пучка. Электрические сигналы с детекторов 17, 21 и 23 идут в систему регистрации 24. Кроме того, в систему регистрации 24 от лазера 1 поступает сигнал синхронизации в момент посылки зондирующего импульса в атмосферу. Система регистрации 24 производит накопление эхосигналов, и затем информация в цифровом виде передаётся в компьютер 25, который используется для расчёта калибровочных коэффициентов; для вычисления фактора усиления, равного отношению эхосигналов с исходной поляризацией приемных каналов основного к дополнительному согласно алгоритму A=P/P; для вычисления коэффициента деполяризации согласно алгоритму D=P/P, равного отношению эхосигнала с кросс-поляризацией к эхосигналу с исходной поляризацией дополнительного приемного канала. Величина фактора усиления A в отсутствие турбулентности равна единице, а при её наличии больше единицы в зависимости от интенсивности турбулентности. Величина коэффициента деполяризации D при рассеянии на однородных сферических частицах равна нулю, и она тем больше, чем сильнее форма частиц отличается от сферической, или структура частиц в атмосфере становится неоднородной или имеет место многократное рассеяние.