УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ УСИЛЕНИЯ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля и атмосферной турбулентности.
Известно устройство лидара для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР) [RU 116245 U1, 2011], обладающего перископом, в котором с помощью подвижного зеркала лазерный пучок последовательно перенаправляется в атмосферу то вдоль оси приемного телескопа, то на расстоянии не менее четырех зон Френеля от оси телескопа. Устройство обладает низкой чувствительностью из-за невозможности регистрировать сигнал точно на оси зондирующего пучка из-за блокирования вторичным зеркалом телескопа части принимаемого сигнала и из-за невозможности использовать малые приемные апертуры, сравнимые с размером зоны Френеля. Это устройство обладает низкой чувствительностью еще и потому, что не учитывает факт непрерывного движения атмосферы и предполагает последовательное проведение измерений на оси и вне оси приемной системы.
Наиболее близким к заявленному устройству является [RU 153460 U1, 2014] устройство для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР), обладающего афокальным приемо-передающим телескопом, в котором с помощью светоделительной пластинки узкий пучок направляется в атмосферу и затем производится одновременная регистрация рассеянной мощности строго назад на оси зондирующего пучка и на расстоянии не менее шести зон Френеля от оси телескопа. Устройство позволяет производить регистрацию точно на оси пучка и вне оси пучка одновременно из одного зондируемого объема в атмосфере. Это устройство обладает высокой надежностью, т.к. передача и прием осуществляются через один телескоп, который одновременно и расширяет лазерный пучок и понижает ошибку рассогласования между осями передатчика и приемника. Однако полное пропускание такого устройства в лучшем случае составляет всего 25%. Это связано с тем, что только половина мощности лазерного излучения отражается от светоделительной пластинки и посылается в атмосферу, и с тем, что только половина приходящей обратно рассеянной мощности проходит сквозь светоделительную пластинку и регистрируется фотоприемником. Недостатком данной полезной модели является не достаточная чувствительность для регистрации усиления обратного рассеяния.
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции, обладающей повышенной чувствительностью для регистрации усиления обратного рассеяния.
Поставленная задача решается с помощью антенного переключателя, состоящего из тонкопленочного поляризатора и четверть-волновой пластинки, которые позволяют всю мощность лазерного пучка отправить в атмосферу и зарегистрировать все пришедшее обратно из атмосферы излучение. Линейно поляризованное излучение лазера под углом Брюстера направляется на тонкопленочный поляризатор, полностью отражается от него и после прохождения сквозь четверть-волновую пластинку преобразуется в излучение с круговой поляризацией, которое телескопом направляется в атмосферу. Рассеянное в атмосфере и пришедшее обратно излучение тоже имеет круговую поляризацию, но после вторичного прохождения сквозь четверть-волновую пластинку вновь преобразуется в линейно поляризационное излучение с плоскостью поляризации, которая повернута на 90 градусов по отношению к плоскости поляризации излучения лазера. Это позволяет пришедшему пучку полностью пройти сквозь тонкопленочный поляризатор и быть зарегистрированным фотоприемником.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере и регистрации коэффициента деполяризации атмосферного аэрозоля. Фиг. 1 включает подробную оптическую схему устройства и схематично изображает электронную часть и атмосферу. Фиг. 2 иллюстрирует предложенную идею построения антенного переключателя устройства на основе преобразования поляризации передаваемого и принимаемых световых пучков.
Устройство состоит из передающей и приемной частей. Передающая часть одноканальная, а принимающая - двухканальная, состоящая из осевого канала и внеосевого канала. Общими для передатчика и всех приемных каналов являются четверть-волновая пластинка 5 и афокальный приемо-передающий телескоп, состоящий из зеркал 6 и 7. В осевом приемном канале установлен тонкопленочный поляризатор 4, который отражает зондирующий лазерный пучок 8 на телескоп, а приходящий сигнал 12 пропускает через себя. Лазерные приемо-передатчики (лидары) с общим телескопом называют «системами с расширением лазерного пучка через приемный телескоп» и характеризуют как системы с повышенной термо-механической стабильностью. Передатчик состоит из лазера 1, коллимирующей линзы 2, поворотного зеркала 3, тонкопленочного поляризатора 4, четверть-волновой пластинки 5 и телескопа 6-7. Между приемо-передатчиком и атмосферой устанавливается двойная диафрагма 9, через верхнее отверстие которой уходит в атмосферу зондирующий пучок 8, а возвращается излучение осевого приемного канала 12. Через нижнее отверстие диафрагмы 9 возвращается излучение внеосевого приемного канала 13. Предлагаемая конструкция позволяет регистрировать одновременно все сигналы из одного рассеивающего объема и при этом достигается абсолютное совмещение приходящего пучка осевого канала с зондирующим пучком, что имеет принципиальное значение при регистрации УОР. Далее принимаемые пучки 12 и 13 проходят через четвертьволновую пластинку 5, причем, пучок 12 проходит еще сквозь тонкопленочный поляризатор 4. Затем пучки поступают на формирователь поля зрения приемной системы, состоящий из фокусирующей линзы 14, апертурной диафрагмы 15 и коллимирующей линзы 16. Далее установлен интерференционный фильтр 17, отсекающий фоновую засветку. После фильтра 17 осевой пучок 12 поступает на детектор 18, а внеосевой пучок поступает на детектор 19. Устройство работает следующим образом.
Устройство использует эффект «усиления обратного рассеяния», который можно наблюдать только в пределах первой зоны Френеля, не превышающим 40 мм. Схема устройства, включая атмосферу и рассеивающий объем, приведена на фиг. 1. Размер зоны Френеля определяет: размер зондирующего пучка 8 за телескопом, диаметры приемных апертур d=40 мм двойной диафрагмы 8 и расстояние между ними D=6d=240 мм. Приемо-передающий телескоп должен быть сфокусирован на дистанцию L=1-3 км путем изменения расстояния l между зеркалами телескопа 6 и 7. Во время работы короткий световой импульс от лазера 1 проходит через линзу 2, направляется зеркалом 3 на тонкопленочный поляризатор 4 и четверть-волновую пластинку 5, являющиеся антенным переключателем осевого приемного канала. Поляризатор 4 отражает световой импульс и направляет его через четверть-волновую пластинку 5, которая преобразует линейную поляризацию излучения лазера в круговую. Затем излучение приходит на зеркальный афокальный телескоп 6-7, расширяющий пучок 8 до размера зоны Френеля. Пучок 8 через верхнее отверстие двойной диафрагмы 9 направляется в турбулентную атмосферу 10. С дистанции L обратно рассеянное излучение из объема 11 приходит на телескоп. На верхнюю приемную апертуру приходит излучение, которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности и это излучение формирует осевой приемный канал. На нижнюю приемную апертуру приходит излучение, которое от верхней приемо-передающей апертуры через одни неоднородности дошло до рассеивающего объема 11, возвращается обратно другим путем и формирует внеосевой приемный канал. Согласно эффекту УОР, открытому в 1973 году Виноградовым, Кравцовым и Татарским, рассеянное назад излучение на оси пучка должно превышать излучение вне оси пучка. Приходящее излучение на оси 12 и излучение вне оси 13 проходят через телескоп 7-6, четверть-волновую пластинку 5, а осевой сигнал 12 еще проходит сквозь тонкопленочный поляризатор 4. Приходящее из атмосферы излучение 12 и 13 имеет круговую поляризацию. После второго прохождения через четверть-волновую пластинку 5 излучение вновь становится линейно поляризованным, но при этом плоскость поляризации поворачивается на 90°. Поэтому в осевом канале пучок 12 беспрепятственно проходит через тонкопленочный поляризатор 4, установленный под углом Брюстера (~56°). Далее пучки поступают в приемный ящик через фокусирующую линзу 14, в фокусе которой располагается апертурная диафрагма 15, которая определяет равные поля зрения для всех каналов. После диафрагмы 15 пучок осевого канала 12 и пучок вне осевого канала 13 коллимируются линзой 16 и проходят сквозь интерференционный фильтр 17, отсекающий фоновую засветку неба. Затем осевой пучок 12 поступает на фотодетектор 18, а внеосевой пучок 13 поступает на фото детектор 18. Электрические сигналы с детекторов 18 и 19 идут в систему регистрации 20. Кроме того, в систему регистрации 20 от лазера 1 поступает сигнал синхронизации в момент посылки зондирующего импульса в атмосферу. Система регистрации 20 производит накопление сигналов и затем информация в цифровом виде передается в компьютер 21. Компьютер 21 используется для расчета калибровочных коэффициентов (здесь не приводится) и для вычисления отношения осевого сигнала и внеосевого сигнала, величина которого в отсутствие турбулентности равна единице, а при ее наличии больше единицы в зависимости от ее интенсивности.
Рассмотрим, в чем заключается преимущество описанного выше устройства по сравнению с аналогом. На фиг. 2 показано как работает оптический антенный переключатель устройства. Для наглядности пучки на рисунке имеют схематическое представление. Пучок 8 от лазера поляризован горизонтально (основная поляризация), он отражается от тонкопленочного поляризатора 4 и направляется на четвертьволновую пластинку 5. Пластинка 5 преобразует пучок 8 с линейной поляризацией в пучок с левоциркулярной поляризацией, который направляется в атмосферу. Из атмосферы возвращаются осевой пучок 12 и внеосевой пучок 13 рассеянного излучения, имеющие правоциркулярную круговую (либо эллиптическую) поляризацию. После второго прохода через четверть-волновую пластинку 5 опять имеем пучки с линейной поляризацией, но уже повернутой на 90°. В обоих каналах приходящие пучки 12 и 13 с основной поляризацией теперь поляризованы вертикально. В отличие от прототипа предложенная схема построения оптического антенного переключателя позволяет всю энергию излучения отправить в атмосферу и полностью регистрировать эхосигналы с основной поляризацией. Без учета потерь пропускание предлагаемого антенного переключателя составляет 90%, а пропускание переключателя прототипа - 25%.