ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ЛИДАР

Полезная модель относится к области использования лидарных технологий в метеорологии и атмосферной оптики, может быть применима для измерения оптических и микрофизических параметров атмосферы, использована для контроля уровня загрязнения атмосферы, распознавания кристаллических и градоопасных облаков и т.д.
Известен простейший тип лидара для зондирования атмосферы, основанный на использовании лазера, оптического телескопа с фотоприемником и системой регистрации, позволяющей записывать пространственный профиль амплитуды лидарного сигнала вдоль трассы зондирования (Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Изд-во ИОА СО РАН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр. 89). Предназначение этого лидара заключается в получении информации о высотном распределении параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы.
Основным недостатком этого и других аналогичных устройств (Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер Н.Э., Самойлова С.В. «Аэрозольно-рамановский лидар «ЛОЗА-М2» // Квантовая электроника. 2011. №10. С. 945-949) является ограниченные функциональные возможности, обусловленные трудностью выделения пространственных областей аэрозольной и облачной атмосферы содержащих несферические частицы, поскольку в лидарах не осуществляется поляризационный анализ принимаемых лидарных сигналов.
Известны оптические поляризационные устройства для зондирования атмосферы, состоящие из источника линейно-поляризованного излучения, фотоэлектрических приемников, блока регистрации и оптической системы, содержащей поляризационные фильтры, делящие рассеянное в обратном направлении излучение на два взаимно ортогональных компонента, один из которых параллелен плоскости поляризации излучаемого светового потока (Авторское свидетельство СССР №373602, 1971; Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы. Изд. ИОА СО АН СССР, Томск, 1976, с. 236.).
В этих устройствах на среду направляют пучок плоскополяризованного света и измеряют степень деполяризации, как отношение сигналов двух ортогональных компонент, которая является критерием границ области многократного рассеяния света и присутствия несферических частиц. В качестве приемников излучения используются два телескопа с фото детекторами, перед которыми установлены поляризационные фильтры.
Недостатком подобных устройств является необходимость использования двух приемных телескопов, что усложняет конструкцию локатора и вызывает трудность точной совместной настройки телескопов на один рассеивающий объем.
Ближайшее техническое решение заявляемой к полезной модели (Toshiyuki Murayama, Hajime Okamoto, Naoki Kaneyasu, Hiroki Kamataki, and Kazuhiko Miura. Application of lidar depolarization measurement in the atmospheric boundary layer: Effects of dust and sea-salt particles // Journal of Geophysical Research, vol. 104, no. d24, pages 31, 781-31, 792, December 27, 1999), включающий источник поляризационного излучения, приемный телескоп с расположенными на оптической оси поляризационным расщепителем-анализатором, делящим рассеянное в обратном направлении излучение на два пучка со взаимно ортогональными компонентами и двумя фотодетекторами с блоком регистрации.
Основным недостатком этого устройства является аппаратная погрешность измерения степени деполяризации в рассеивающем объеме атмосферы. Это связано с тем, что при использовании двух фотоприемников, измеряемая степень деполяризации существенно зависит от погрешности регистрации отношения лидарных сигналов фотодетекторов, чувствительность которых различна, поскольку двух одинаковых фотодетекторов не существует.
Цель полезной модели - уменьшение погрешности измерения степени деполяризации сигналов поляризационного лазера.
Поставленная цель достигается тем, что фотоприемный модуль из двух фотодетекторов выполнен поворотным на 180° относительно неподвижного поляризационного расщепителя анализатора. Это позволяет в процессе измерений произвести взаимную калибровку чувствительности фотодетекторов, путем их взаимной пространственной замены друг другом. Отношение сигналов фотодетекторов при установке их последовательно во времени на пути расщепленных световых пучков является величиной коэффициента калибровки, т.е. коэффициентом пропорциональности чувствительности между двумя фотодетекторами.
На фиг. 1 схематично изображена блок-схема поляризационного лидара для зондирования атмосферы.
Лидар содержит источник 1 линейно поляризованного излучения (лазер), рядом с которым расположен приемный оптический телескоп 2 с углом поля зрения, охватывающим весь световой пучок, направляемый источником в атмосферу.
На выходе оптического телескопа установлен расщепитель-анализатор 3 (призма Волластона). который разделяет световой пучок на два компонента с ортогональной поляризацией (параллельный и перпендикулярный). На выходе анализатора 3 на пути расщепленных лучей установлен фотомодуль 4 из двух фотодетекторов 5 и 6, преобразующих световые сигналы в электрические, которые оцифровываются в блоке регистрации 7 и обрабатываются.
Поляризационный лидар работает следующим образом.
В первый момент времени от источника излучения 1 в атмосферу посылается линейно-поляризованное излучение. Рассеянное в обратном направлении излучение поступает на приемный оптический телескоп 2, собирается в узкий световой пучок, коллимируется и направляется на поляризационный расщепитель-анализатор 3, который разделяет его на два взаимно-ортогональных компонента. Ортогональные компоненты светового потока направляются на фотодетекторы 5 и 6 фотомодуля 4, которые преобразуют их в электрические сигналы и затем в блок регистрации 7. В дальнейшем через измеренное отношение интенсивности сигналов ортогональных компонент определяется степень деполяризации обратно рассеянного излучения.
Во второй момент времени фотомодуль 4 вместе с фотодетекторами 5 и 6 поворачиваются на угол 180° и фотодетекторы взаимно меняются местами. Затем вновь производится посылка линейно поляризованного излучения от источника 1. Рассеянное в обратном направлении излучение также поступает на приемный оптический телескоп 2, далее на расщепитель-анализатор 3 на фотодетекторы 5 и 6, а затем на блок регистрации 7.
При этом фотодетектор 6 регистрирует лидарный сигнал с той же поляризацией, который ранее регистрировал фотодетектор 5 и наоборот. В обоих измерениях амплитуды этих сигналов будут различны, поскольку чувствительность фотодетекторов практически никогда не бывает одинаковой. Отношение этих сигналов определяет коэффициент калибровки фотодетекторов между собой, т.е. учитывает степень различия чувствительностей фотодетекторов. Этот коэффициент в дальнейшем учитывается при определении степени деполяризации обратно рассеянного излучения через отношение амплитуды сигналов двух фотодетекторов.