Лидар для дистанционного круглосуточного опеделения температуры и влажности атсмоферы

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы, и может быть использована на метеостанциях и в других системах мониторинга атмосферы.
Известно устройство для измерения температуры (патент РФ № 129229, 2013 г.). Недостатком устройства является принципиальное отсутствие возможности проведения дистанционного измерения температуры.
Известен также аэрологический радиозонд (патент РФ № 59845, 2006 г.), содержащий датчик температуры и радиопередатчик, с помощью которого информация о температуре, поступающая по мере набора высоты радиозонда, передаётся на наземную станцию сопровождения. Относительно высокая стоимость одноразового измерительного модуля радиозонда при проведении регулярных измерений определяет высокую стоимость эксплуатации такой системы. Другим недостатком системы радиозондирования является неконтролируемость траектории подъема радиозонда. При среднестатистических скоростях переноса воздушных масс в атмосфере при подъеме на высоту в 15 – 20 километров зонд может оказаться смещенным от исходной точки запуска на десятки и даже сотни километров, что делает затруднительным использование таких профилей температуры в задачах метеопрогноза. При этом время подъема зонда составляет 1,5–2 часа, что приводит к смещению оценки средних значений температуры вследствие нарушения условия стационарности.
Известен лидар, в котором измерение температуры связано с восстановлением профиля молекулярной плотности атмосферы (Shibata T., Kobuchi M., Maeda M. Measurement of density and temperature profiles in the middle atmosphere with a XeF lidar // Applied Optics. 1986. V.25. №5. PP. 685–688) и последующим его пересчетом в температуру, оправданном в предположении гидростатического равновесия атмосферы. Исходной информацией для лидаров такого типа является интенсивность упругого рассеяния зондирующего излучения, для которого принципиально неразделимы вклады молекулярного и аэрозольного рассеяния. Последнее обуславливает основной недостаток метода – он оказывается работоспособным лишь для области атмосферы, свободной от присутствия в ней аэрозоля. Обычно это интервал высот 30 – 70 километров (стратосфера). Кроме этого тропосферный аэрозоль ослабляет излучение рассеянное в стратосфере, что приводит к значительным ошибкам при восстановлении температуры в стратосфере.
В качестве прототипа выбран лидар для измерения температуры и влажности атмосферы с минимальной мертвой зоной зондирования (RU № 177419 от 21 февраля 2018 г.). Известное устройство включает источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу. Рассеянное в направлении назад излучение собирается четырьмя приемными телескопами и далее через моноволоконные световоды направляется на оптический скремблер. Далее оптическое излучение через моноволоконный световод попадает на светоделительный фильтр. Часть оптического излучения прошедшие светоделительный фильтр попадает в двойной полихроматор, селектирующий соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР), которые на выходе полихроматора через моноволоконные световоды поступают на фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие оптические сигналы в электрические, которые поступают в блок обработки данных, где электрические сигналы преобразуются в цифровые, а затем вычисляется температура, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода. Часть оптического излучения отраженного от светоделительного фильтра попадает в одинарный полихроматор, который осуществляет выделение участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара. Регистрация участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара, прошедших через одинарный полихроматор происходит с помощью фотоэлектронных умножителей, электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных, где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется влажность, из отношения интенсивностей сигналов колебательно-вращательных полос азота и водяного пара.
Недостатком устройства является большая погрешность измерения температуры и влажности атмосферы в дневное время суток в дальней зоне лидара
за счет большого суммарного поля зрения четырех приемных телескопов. Это связанно с тем, что полезный сигнал собирается каждым телескопом со своей дальности, а в дневное время суток вместе с полезным сигналом в приемные телескопы попадает фон солнечного рассеянного излучения, который будет суммироваться со всех телескопов на фотоприемнике. А поскольку полезный сигнал в дальней зоне лидара минимальный (прототип RU № 177419 от 21 февраля 2018 г.), как за счет увеличения дальности, так и за счет уменьшения концентрации молекул атмосферы в зависимости от высоты, то погрешность измерения в дальней зоне лидара будет максимальна.
Для решения этой задачи предлагается техническое решение, позволяющее уменьшить вклад фона солнечного излучения в канал дальней зоны лидара и обеспечивающее измерения температуры и влажности атмосферы на дистанциях от 5 до 3000 метров с минимальной погрешностью, как в ночное, так и в дневное время суток.
В этой связи предлагается разделить приемные апертуры телескопов на две группы, создав два независимых канала регистрации оптических лидарных откликов из ближней и дальней зоны, соответственно. Для приёма сигналов дальней зоны (800 м ÷ ∞) предлагается использовать апертуру диаметром 500 мм. Другие три апертуры, объединённые с помощью световодов, обеспечивают прием лидарных сигналов из ближней зоны с расстояний 5 ÷ 800 м. Использование двух независимых каналов, в отличие от прототипа, потребует установки дополнительного оптического скремблера, светоделительного фильтра, двойного и одинарного полихроматоров, а также четырех дополнительных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).
Таким образом, создание дополнительного канала регистрации оптических откликов из ближней зоны лидара позволяет разделить процессы регистрации сигналов в ближней и дальней зонах лидара. Такой подход позволяет использовать в канале дальней зоны минимальной поле зрения, обеспечивающее максимальное отношение сигнал/шум при работе в дневное время.
Блок схема предлагаемого лидара приведена на фиг. 1.
Лидар для дистанционного круглосуточного определения температуры и влажности атмосферы состоит: 1 – лазер, работающий на длине волны 355 нм; 2 – передающая оптическая система; 3 – приемная оптическая система ближней зоны, состоящая из трех приемных апертур различного диаметра, расположенных непосредственно рядом с передающей оптической системой; 4 – приемная оптическая система дальней зоны, состоящая из одной приемной апертуры диаметром 500 мм, расположенной непосредственно рядом с передающей оптической системой; 5 – оптический скремблер ближней зоны; 6 – оптический скремблер дальней зоны; 7 – светоделительный фильтр ближней зоны; 8 – светоделительный фильтр дальней зоны; 9 – одинарный полихроматор для измерения влажности ближней зоны лидара; 10 – одинарный полихроматор для измерения влажности дальней зоны лидара; 11 – двойной полихроматор для измерения температуры ближней зоны лидара; 12 – двойной полихроматор для измерения температуры дальней зоны лидара; 13, 14 – фотоэлектронные умножители (ФЭУ 1, ФЭУ 2,) для измерения температуры ближней зоны лидара; 15, 16 – фотоэлектронные умножители (ФЭУ 3, ФЭУ 4) для измерения температуры дальней зоны лидара; 17, 18 – фотоэлектронные умножители (ФЭУ 5, ФЭУ 6,) для измерения влажности ближней зоны лидара; 19, 20 – фотоэлектронные умножители (ФЭУ 7, ФЭУ 8,) для измерения влажности дальней зоны лидара; 21 – блок обработки данных. Все блоки и узлы лидара располагаются и закреплены на одном основании и находятся в конструктивном единстве.
Принцип работы предлагаемой лидарной системы заключается в следующем. Пучок, сформированный в лазере (1), через передающую оптическую систему (2) направляется в атмосферу. При распространении в атмосфере лазерное излучение испытывает рассеяние, в том числе и КР. Рассеянное в направлении назад излучение попадает на приемную оптическую систему, состоящую из трех приемных телескопов ближней зоны (3) и одного приемного телескопа дальней зоны (4), собранное телескопами излучение с помощью моноволоконных световодов попадает через оптические скремблеры ближней и дальней зоны (5, 6) на соответствующие светоделительные фильтры (7, 8). Часть оптического излучения прошедшего светоделительные фильтры (7, 8) попадает в двойные полихроматоры для ближней и дальней зоны (9, 10), которые осуществляют выделение участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода. Регистрация температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР прошедшего через двойные полихроматоры происходит с помощью фотоэлектронных умножителей для ближней зоны (13, 14) и для дальней зоны (15, 16), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (21), где электрические сигналы преобразуются в цифровые, а затем вычисляется температура, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР) на молекулах азота и кислорода. Часть оптического излучения отраженного от светоделительных фильтров (7, 8) попадает в одинарные полихроматоры для ближней и дальней зоны (11, 12), которые осуществляют выделение участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара. Регистрация участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара, прошедших через одинарные полихроматоры происходит с помощью фотоэлектронных умножителей для ближней зоны (17, 18) и дальней зоны (19, 20), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (21), где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется влажность, из отношения интенсивностей сигналов колебательно-вращательных полос азота и водяного пара.