МНОГОАПЕРТУРНЫЙ МНОГОВОЛНОВОЙ ЛИДАР ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ

Полезная модель относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы и предназначена для дистанционного определения профилей оптических параметров аэрозольных и облачных полей. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при картировании пространственно-временного распределения аэрозольных полей антропогенного происхождения в воздушном бассейне промышленного центра, при контроле трансграничных переносов аэрозольных примесей в период лесных пожаров и активной вулканической деятельности.
Аналогом лидарной системы для многоволнового зондирования атмосферы является лидар Института физики Академии наук (Беларусь) [1]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения, генерирующего одновременно световые импульсы на трех длинах волн: 1064, 532 и 355 нм, приемного телескопа с набором интерференционных фильтров, позволяющих селектировать эти оптические сигналы, фотодетекторов, подключенных через блоки регистрации электрических сигналов к ПЭВМ.
Общим недостатком известных устройств, использующих только упругое рассеяние, являются большие погрешности восстановления оптических и микроструктурных параметров аэрозольных частиц.
Наиболее перспективными средствами лазерного зондирования атмосферы являются устройства, сочетающие прием сигналов как на посылаемых длинах волн излучения (упругое рассеяние), так и использующих эффекты комбинационного рассеяния света. В большинстве известных систем  для этого используют колебательно-вращательный спектр комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода. Поскольку сечение рассеяния света на этих газах известно, то это позволяет непосредственно из сигналов комбинационного рассеяния, без всяких априорных допущений о свойствах атмосферы, определять оптические параметры среды.
Аналогом многоканального многоволнового лидара для зондирования атмосферы является лидар, описанный в работе [2]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения на нескольких длинах волн и приемного оптического телескопа, на оптической оси которого последовательно установлены спектроделительный блок в виде интерференционных фильтров и дихроичных зеркал и фотоприемный блок из нескольких фотоприемников для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, выход которого подключен к системе управления, регистрации и обработки информации.
Недостатком этого лидара является небольшой интервал дальностей регистрации лидарных сигналов за один сеанс зондирования, вследствие ограниченного динамического диапазона чувствительности фотоприемников.
Для устранения этого недостатка в лидарах используют несколько приемных объективов, охватывающими своим полем зрения различные участки трассы зондирования, от ближней до дальней зоны.
Ближайшим аналогом многоапертурного многволнового лидара для зондирования атмосферы является лидар, описанный в работе [3].
Лидар состоит из основания, источника лазерного излучения и расположенных в непосредственной близости от него основного и дополнительных телескопов для регистрации лидарных сигналов с различных участков трассы зондирования: мертвой, ближней, средней и дальней зон.
На выходе приемных телескопов расположены фотоприемники, подключенные к системе управления, регистрации и обработки информации. Фотоприемники регистрируют сигналы упругого и комбинационного рассеяния света с различных участков трассы зондирования.
Недостатком прототипа является сложность оперативного и точного контроля взаимной настройки оптических осей источника излучения и всех приемных телескопов. Обычно это делается в сумеречное время суток путем совмещения пятна излучения лазера на удаленном от лидара объекте и его изображения в фокальной плоскости всех телескопов, меняя угловые положения осей телескопов относительно источника излучения.
Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая оперативную настройку всех оптических осей относительно друг друга.
Поставленная цель достигается тем, что в состав лидара введен снабженный механизмом вращения оптический юстировочный рефлектор, состоящий из двух связанных между собой оптических уголковых отражателей с переменной базой, т.е. с возможностью линейного смещения уголковых отражателей относительно друг друга. Величина базы рефлектора определяется величиной разницы значений минимального и максимального расстояний между оптической осью источника излучения и осями приемных телескопов.
Для проведения юстировки, т.е. настройки всех оптических осей относительно друг друга и точной установки фотоприемников на оптических осях телескопов, рефлектор снабжен механизмом вращения. Это позволяет при установке входа рефлектора на выход источника излучения осуществлять его вращение вокруг оптической оси источника, с последующей попеременной установкой выхода рефлектора на вход одного из приемных телескопов.
На фиг.1 схематично изображена блок-схема многоапертурного многоволнового лидара зондирования атмосферы.
Лидар содержит общую платформу, на которой расположены источник лазерного излучения 1 на нескольких длинах волн и блок 2 из несколько приемных телескопов. В непосредственной близости от источника 1 расположен оптический рефлектор 3, снабженный механизмом вращения 4, подключенный к системе управления, регистрации и обработки информации 6. Оптический рефлектор 3 состоит из двух связанных между собой оптических уголковых отражателей с переменной базой между ними. Размер базы оптического рефлектора определяется минимальным и максимальным расстояниями между оптическими осями источника излучения 1 и приемных телескопов 2.
На выходе приемных телескопов 2 на их оптической оси установлены фотоприемники 5, электрически связанные с системой управления, регистрации и обработки информации 6.
Многоапертурный многоволновой лидар работает следующим образом.
В начальный момент времени устанавливают минимальную базу между угловыми отражателями рефлектора 3, а его вход располагают на источник лазерного излучения 1. Затем система управления, регистрации и обработки информации 6 выдает управляющую команду на механизм вращения 4 оптического рефлектора 3, на котором зафиксирована. Путем вращения рефлектора 3 вокруг оптической оси источника излучения 1, устанавливают выход рефлектора 3 на вход ближайшего к источнику 1 телескопа 2.
Далее система управления 6 выдает команду на запуск источника лазерного излучения 1. Излучение поступает на вход рефлектора 1, проходит через систему уголковых отражателей и направляется на вход приемного объектива 2, а затем на фотоприемники 5. Перемещая фотоприемники 5, добиваются, чтобы ось лазерного пучка проходила через центр фотоприемников, которые затем механически фиксируются на основании. В этом заключается процесс юстировки.
После окончания процедуры юстировки первого телескопа, переходят к юстировке второго. Для этого изменяют базу между уголковыми отражателями рефлектора 3, увеличивая ее до значения равного расстоянию между осями источника 1 и юстируемого телескопа.
Далее система управления 6 выдает команду механизму вращения 4 и рефлектор 3, поворачиваясь вокруг оси источника излучения 1, устанавливается своим выходом на следующий приемный объектив блока 2.
Затем система управления 6 выдает команду на запуск источника излучения 1 и процедура юстировки повторяется аналогично процедуре юстировки первого приемного телескопа.
Таким же образом осуществляется юстировка всех других приемных телескопов блока 2, после чего происходит непосредственно сеанс лазерного зондирования атмосферы.
Для этого система управления 6 выдает команду механизму вращения 4, который убирает рефлектор 3 с источника излучения и последнего из юстируемых приемных телескопов.
Рассеянное атмосферой в обратном направлении излучения поступает на приемные телескопы блока 2, а затем на фотоприемники 5, где световые сигналы преобразуются в электрические. Электрические сигналы с фотоприемников 5 поступают в систему управления, регистрации и обработки информации 6, где происходит их оцифровка и дальнейшая обработка по получению оптико-физической информации о параметрах атмосферы.
Литература:
1. Иванов В.И., Малевич И.А., Чайковский А.П. Многофункциональные лидарные системы. Глава 5. Применение многофункциональных лидарных систем для контроля параметров окружающей среды. // Мн.: Университетское. 1986. 286 с.
2. Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В. Патент (Россия) № 106966 Многоволновый лидарный комплекс для контроля оптического состояния атмосферы. Патентообладатель: ИОА СО РАН. Зарегистрировано в Госреестре полезных моделей РФ 27 июля 2011 г.
3. Жарков В.И., Бобровников С.М., Горлов Е.В.  Патент (Россия) № 177419 Лидар для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы с минимальной мертвой зоной зондирования. Патентообладатель: ИОА СО РАН. Зарегистрировано в Госреестре полезных моделей РФ 21 февраля 2018 г.