Измеритель параметров облаков с оптоволоконным приёмопередающим трактом

Полезная модель относится к оптическому приборостроению в частности к приборам для измерения оптических характеристик атмосферы и может быть использована в облакомерах, лазерных дальномерах, лидарах и других устройствах.
Известны облакомеры, в которых источник и приемник излучения расположены на расстоянии друг от друга, то есть имеют некоторую базу. Например, приемо-передающий блок измерителя высоты нижней границы облаков (BY 9929), содержащий источник света и приемник световых сигналов, каждый со свой оптической системой, для формирования разнесенных с параллельными оптическими осями диаграмм направленности излучателя и приемника.
Недостатком аналога является, что наклон и взаимное расположение приемника и передатчика влияет на достоверность результатов измерений, разнесенные оси не позволяют в малых габаритах устройства осуществить большой диаметр пучка, а также присутствие в оптической схеме теневой зоны, делающей невозможность полного перехвата сигнала с малых дальностей.
Из уровня техники известен облакомер (RU 175866), включающий в себя приемопередающую оптическую систему, содержащую лазерный излучатель, приемный канал, передающий канал, объектив, являющийся общим для обоих каналов, плоское зеркало с отверстием, установленное с возможностью разделения передающего и приемного каналов.
Жестко заданное положение приемника и передатчика относительно оптической системы в этом аналоге не позволяет разделить конструктив оптической части от блоков электронной обработки, что, а также присутствие в оптической схеме теневой зоны, делающей невозможность полного перехвата сигнала с малых дальностей.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является приемо-передающее устройство оптической атмосферной линии связи (RU 2306673 С2, 20.09.2007), выполненное в виде внешнего и внутреннего блоков, взаимодействующих с противоположным приемо-передающим устройством линии связи второго абонента, содержащее интерфейс, источник оптического излучения, приемник оптического излучения, фокусирующую систему и волоконный световод, один конец которого закреплен на внешнем блоке, а другой конец оптически соединен с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, причем внешний блок выполнен во всепогодном исполнении и в нем расположена фокусирующая система, а интерфейс, источник оптического излучения и приемник оптического излучения установлены во внутреннем блоке, выполненном для комнатных условий, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительными световодами, одни концы которых вместе с одним концом волоконного световода, расположенные во внешнем блоке, объединены в сборку, образующий волоконно-оптический коллектор, а другие концы всех световодов, расположенные во внутреннем блоке, оптически соединены, по крайней мере, с одним источником и приемником оптического излучения с возможностью коммутации.
Так как прототип предназначен для оптической атмосферной линии связи, то применение его в лидарной системе будет сопряжено со следующими неудобствами: потери света на приеме увеличиваются вследствие того, что площадь, занимаемая фотоприемниками, составляет значительно меньше 50% площади сердцевины световода, по которому распространяется свет, как из-за присутствия излучателей, расположенных на той же площадке, так и из-за наличия обязательных защитных барьеров между приемниками и излучателями.
Задачей заявляемой полезной модели является уменьшение габаритов и теневой зоны, при этом геометрический фактор лидара остается практически неизменным на любой дальности зондирования и может быть принят за единицу в уравнении лидарного зондирования.
Технический результат достигается тем, что в фокальной плоскости оптической системы (линзовый телескоп) размещается торцы сборки пучка оптических волокон, причем они собраны максимально плотно, с минимальными зазорами, обеспечивающими оптическую изоляцию друг от друга, а центральное оптическое волокно, используемое для приема, имеет числовую апертуру (0,5), совпадающую с числовой апертурой оптической системы, а оптические волокна, расположенные вокруг центрального, используемые для излучения зондирующего импульса, имеют числовую апертуру (0,39) меньше центрального оптического волокна, но максимально возможную в данной оптической системе, чтобы свет от излучателя полностью попадал в оптическую систему, несмотря сдвиг от ее оптической оси, противоположные торцы волокон соответственно соединяются центральное волокно с детектором, а боковой - с лазерным источником.
Измеритель построен по принципу импульсной лазерной локации: мощный, но короткий, по длительности, зондирующий импульс света излучается передающей системой и распространяется в направлении трассы зондирования; сигнал, отраженный назад, от слоя облачности, собирается приемной системой и передается на детектор; система регистрации, учитывая скорость распространения света, параметры зондирующего импульса и сигнал, полученный с детектора, вычисляет оптические характеристики атмосферы.
На фигуре 1 показано сечение сборки оптических волокон совмещенного приемопередающего тракта облакомера, здесь области 1 - торцы оптических волокон, а области 2 - оболочки оптических волокон.
Для излучения используются сразу все, оптические волокна, кроме центрального. При этом зондирующий импульс генерируется излучателем, на приемник синхронно с этим импульсом поступает рассеянное назад излучение из зондируемого объема, зная скорость распространения света можно вычислить дальность до объекта, а по форме и амплитуде сигнала характеристики среды.
Чтобы обеспечить полное использование энергии импульса необходимо учитывать, что оптическая ось совпадает только для центрального оптического волокна, а оптические волокна (вместе со своими осями) сдвинуты относительно нее.
Расчет распространения лучей в случае использования одной асферической линзы в качестве оптической системы, в простейшем случае показан на фигуре 2.
Структурная схема оптоволоконного приемо-передающего блока лидарной системы показана на фигуре 3. Устройство состоит следующих элементов: излучатель (3), детектор (4), блок обработки сигнала и управления (5), оптоволокно с числовой апертурой 0,39 (6), оптоволокно с числовой апертурой 0,5 (7), сборка пучка волокон (8), оптическая система (9), корпус (10).
Устройство работает следующим образом: оси приемного канала и канал излучателя параллельны и не совпадают, и из-за небольших размеров оптических волокон, становится возможным сблизить на расстояние равное диаметру самого оптического волокна (0,4 мм), что позволяет использовать одну и ту же оптическую систему. Облакомер собирается в корпусе (10), обеспечивающем герметичность и взаимное расположение частей облакомера, детектор (4) соединяется с оптической системой (9) через оптоволокно (7), а излучатель (3) соединяется с оптической системой (9), через свое оптоволокно (6), причем выходные торцы оптических волокон собираются в пучок (8), таким образом, чтобы оптоволокно (7), подключенное к детектору (4) было в центре сборки оптических волокон (8), а оптоволокно (6), подключенное к излучателям (3), рядом. Сборка оптических волокон (8) устанавливается перед оптической системой (9) таким образом, чтобы на выходе формировался слаборасходящийся пучок света от излучателя (3), и одновременно фокусировалось на торце волокна (7) излучение, рассеянное назад со всех дальностей зондирования. Запуск излучателя (3) и их синхронную работу, обработку сигнала с детектора (4) и вычисление из него высоты нижней границы облачности выполняет блок обработки сигнала и управления (5).