БОРТОВОЙ ЛИДАР СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для дистанционного контроля концентраций метана в атмосфере.
В вопросе решения задач контроля изменения климата широко применяются лидарные системы бортового базирования для дистанционного зондирования парниковых газов, в частности, метана. Наибольшее распространение получили системы ближнего инфракрасного (ИК) диапазона. Для решения подобных задач применяются различные варианты технического исполнения с использованием как узкополосного (CN 105510274A от 20.04.2016 г.) так и широкополосного излучения (US 20150316415A1 от 05.11.2015 г.).
К наиболее распространенным устройствам дистанционного мониторинга газов относят узкополосные лидары дифференциального поглощения трассового типа (Riris H., Numata K., Wu S., Gonzalez B., Rodriguez M., Scott S., Kawa S., Mao J. Methane optical density measurements with an integrated path differential absorption lidar from an airborne platform // J. Appl. Remote Sens. 2017. V. 11. № 3. P. 034001; Fix A., Amediek A., Büdenbender C., Ehret G., Quatrevalet M., Wirth M., Löhring J., Kasemann R., Klein J., Hoffmann H.-D., Klein V. Development and First Results of a new Near-IR Airborne Greenhouse Gas Lidar // Light, Energy and the Environement 2015). В качестве отражателя выступают топографические мишени естественного и искусственного типа. Характерной чертой данных систем является малая энергия в импульсах зондирующего излучения.
Основным недостатком систем данного типа является возможность измерения усредненных по трассе концентраций газа без восстановления информации о пространственном распределении целевого газа вдоль пути распространения излучения.
Указанный недостаток можно устранить путем увеличения энергии в импульсах зондирующего излучения, либо использования фотодетекторов с большей чувствительностью для обеспечения возможности регистрации пространственно разрешенных лидарных сигналов.
Прототипом заявляемой полезной модели является бортовой перестраиваемый лазерный сенсор среднего ИК диапазона (Prasad C.R., Lin B., Lee H.S. Airborne tunable mid-IR laser gas-correlation sensor // US 7884937 от 21.01.2011 г.) для зондирования метана и этана на вертикальных трассах с использованием излучения, отраженного от земли или других топографических целей, включающий в себя диодный лазер накачки, параметрический генератор света, два делителя пучка, спектрометр, измеритель энергии, расширитель пучка, два поворотных зеркала для вывода излучения в атмосферу, телескоп, полевая диафрагма, оптический фильтр, делитель пучка, эталонная газовая кювета, заполненная воздухом, фотодетектор, дихроичное зеркало, газовая кювета с целевым газом (метан), фотодетектор, глухое зеркало, газовая кювета с целевым газом (этан), фотодетектор, блок управления, накопления и обработки сигналов, блок питания лазера с контроллером управления длиной волны.
Излучение диодного лазера накачки направляется в параметрический генератор света, после чего малая часть излучения отводится двумя делителями пучка на измеритель энергии и спектрометр. Спектрометр используется для контроля длины волны излучения. Измеритель энергии регистрирует опорный уровень энергии лазерных импульсов. Основная часть излучения проходит через расширитель пучка, отражается от двух поворотных зеркал и направляется в атмосферу. Излучение, рассеянное от земли или топографической мишени, собирается телескопом. В фокусе телескопа установлена полевая диафрагма, которая предназначена для ограничения поля зрения. Далее, излучение проходит через оптический фильтр. После чего, часть излучения отклоняется делителем пучка и направляется через эталонную газовую кювету к фотодетектору для регистрации опорного сигнала. Излучение, прошедшее через делитель пучка направляется на дихроичное зеркало. Дихроичное зеркало отражает часть излучения и направляет через газовую кювету с целевым газом (метан) к фотодетектору. Излучение, прошедшее через дихроичное зеркало, отражается от глухого зеркала и направляется через газовую кювету с целевым газом (этан) к фотодетектору. Электрические сигналы направляются блок управления, накопления и обработки сигналов. За функционирование системы отвечает блок питания лазера с контроллером управления длиной волны.
Прототип относится к трассовым лидарным газоанализаторам среднего ИК диапазона.
К основным недостаткам прототипа можно отнести отсутствие возможности измерения пространственно разрешенных профилей вертикального распределения целевого газа.
Технической задачей, решаемой представленной полезной моделью, является восстановление пространственно разрешенных профилей вертикального распределения метана с борта самолета.
Техническая задача решается путем использования одного приемного канала, включающего фотодетектор с площадкой, диаметр которой выступает в качестве ограничителя поля зрения телескопа и с чувствительностью, которая позволяет регистрировать пространственно разрешенные лидарные сигналы.
Бортовой лидар среднего ИК диапазона для дистанционного контроля концентраций метана в атмосфере (фиг.1), включающий жестко связанные между собой, расположенные на общей платформе (12) и оптически связанные лазер (1), три плоских зеркала (2), первое из которых закреплено за лазером под углом 45 градусов и предназначено для направления по оптической оси излучения через цветное стекло (3), второе из которых закреплено за цветным стеклом под углом 45 градусов для направления по оптической оси излучения на плоскопараллельную пластину (4), установленную под углом 45 градусов и предназначенную для отклонения части излучения на плосковыпуклую линзу (5) с последующей фокусировкой пучка на чувствительной площадке измерителя энергии (6) для регистрации опорного сигнала, третье зеркало закреплено за плоскопараллельной пластиной под углом 45 градусов для направления излучения на внеосевой зеркальный коллиматор (7), телескоп (8), предназначенный для сбора обратно рассеянного из атмосферы излучения, плоское зеркало (9), установленное за телескопом под углом 45 градусов и предназначенное для перенаправления излучения через узкополосный фильтр (10) на площадку фотодетектора (11), диаметр которой выступает в качестве ограничителя поля зрения телескопа.
Принцип работы предлагаемого устройства состоит в следующем.
Лазер 1 генерирует импульсное излучение с энергиями в импульсах до 4.5 мДж на двух информативных для газоанализа атмосферы длинах волн. Лазерный пучок отражается от первого плоского зеркала 2 и проходит сквозь цветное стекло 3, предназначенное для снижения уровня выходного сигнала. После этого лазерный пучок отражается от второго плоского зеркала 2 и проходит сквозь плоскопараллельную пластину 4, при этом часть энергии пучка отражается в направлении плосковыпуклой линзы 5, фокусирующей излучение на фоточувствительной площадке измерителя энергии 6. Лазерный пучок с помощью третьего плоского зеркала 2 направляется во внеосевой зеркальный коллиматор 7, после прохождения которого отправляется в атмосферу. Часть лазерного излучения рассеивается по мере прохождения по атмосфере в направлении телескопа Кассегрена 8. Собранное телескопом 8 излучение отводится плоским зеркалом 9 на узкополосный фильтр 10, после чего регистрируется фотодетектором 11 с чувствительностью, которая позволяет регистрировать пространственно разрешенные лидарные сигналы. Из соотношения лидарных сигналов, регистрируемых фотодетектором 11, производится восстановление профилей концентрации целевого газа на вертикальных трассах зондирования с борта самолета.