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.
В настоящее время для контроля оптического состояния всей толщи атмосферы широко используются многоволновые солнечные фотометры. Наиболее известна совокупность этих фотометров под названием мировая сеть AERONET.
Основной недостаток подобного рода аппаратуры заложен в самом принципе измерений, когда фотометрированием солнца определяется только интегральный параметр всей толщи атмосферы и нельзя с высоким пространственным разрешением определить его высотный профиль.
Дистанционное лазерное зондирование устраняет этот недостаток и позволяет создать новый класс приборов дистанционного мониторинга атмосферы.
Метод лазерного зондирования атмосферы основан на эффектах рассеяния света на молекулах и аэрозольных частицах атмосферы, в том числе и обратном направлении в сторону источника излучения. Это является основой метода дистанционного зондирования при регистрации обратного рассеяния атмосферой лазерного импульса. Оптический сигнал поступает на приемный оптический телескоп, затем направляется на фотодетектор, где преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал преобразуется с помощью аналого-цифровых преобразователей или счетчиков фотонов в цифровой вид и направляется для обработки в ПЭВМ, где в соответствии с алгоритмами обработки сигналов извлекают информацию о параметрах атмосферы.
Многообразие эффектов взаимодействия излучения с атмосферой таких как, упругое и комбинационное рассеяния, доплеровское рассеяние, поляризационное зондирование, многоволновое зондирование, однократное и многократное рассеяние обуславливает такое же многообразие способов и устройств зондирования атмосферы.
Наиболее простые из них основаны на использовании только эффектов упругого рассеяния при зондировании атмосферы на одной длине волны.
Известно устройство для исследований аэрозольных и облачных полей тропосферы, основанное на использовании лазера с одной длиной зондирования и последующей регистрацией пространственной амплитуды развертки сигнала вдоль трассы зондирования (Bairashin G.S., Balin Yu.S., Ershov A.D., Kokhanenko G.P., Penner I.E. Lidar "LOZA-MS" for investigation of aerosol fields in troposphere // Optical Engineering. 2005. V.44(7). P.071209-1-071209-7). Основное предназначение этого устройства заключается в получении информации о высотной стратификации аэрозольных и облачных полей, а также о высотном профиле оптических параметров (коэффициенты общего и обратного рассеяния) атмосферы.
Основным недостатком этого устройства являются трудности обработки получаемой информации, поскольку в уравнение лазерного зондирования, которое непосредственно связывает параметры атмосферы с характеристиками сигнала, входят одновременно несколько неизвестных параметров. Тем самым задача обработки сигнала с математической точки зрения является некорректной и приходится накладывать определенные априорные ограничения на свойства самой атмосферы.
Следующим шагом для расширения функциональных возможностей лидара является использование в процессе зондирования двух волн зондирования, при этом регистрация сигналов осуществляется только на этих длинах волн, т.е. используются только эффекты упругого рассеяния.
Известен двухволновой лидар для зондирования атмосферы, содержащий два лазерных передатчика и приемную систему, включающие последовательно установленные приемный объектив, блок смены интерференционных и нейтральных светофильтров и фотодетекторы, выход которых подключен к блоку регистрации (Авторское свидетельство №801721, авторы: Балин Ю.С., Кауль Б.В., Самохвалов И.В., Зуев В.Е., Жильцов В.И., Козинцев В.И. «Двухволновой оптический локатор для зондирования атмосферы»).
Недостатком этого устройства является низкая оперативность измерений. Это обусловлено тем, что при каждом акте зондирования на оптической оси объектива приемной системы может быть установлен только один интерференционный фильтр, соответствующий в данный момент времени длине волны работающего передатчика, а затем требуется временной промежуток для замены. Таким образом, производится попеременное зондирование атмосферы на двух длинах волн. Кроме того, при регистрации сигналов только упругого рассеяния по прежнему остаются проблемы связанные с решением обратной задачи по восстановлению оптических параметров атмосферы по данным зондирования.
Аналогом лидарной системы для многоволнового зондирования атмосферы является лидар Института физики Академии наук (Беларусь) (Иванов В.И., Малевич И.А., Чайковский А.П. Многофункциональные лидарные системы).
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 параметров и микроструктурных 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 ( J., Ansmann A., Baldasano J., Balis D.,  С., Calpini В., Chaikovsky A., Flamant P., Hagard A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinelli, Trickle Т., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET-A European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote sensing: Selected papers 20-th Int. Laser Radar Conference (ILRC). Vichi. France. 10-14 July 2000. 2000. P. 155-158) 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.
Ближайшим аналогом многоволнового лидара для зондирования атмосферы является лидар, описанный в патенте RU №106966. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения на базе Nd-лазера (532; 1064 нм) и приемного оптического телескопа, на оптической оси которого последовательно установлены спектроделительный блок в виде интерференционных фильтров и дихроичных зеркал и фотоприемный блок, работающий в аналоговом и счетнофотонном режимах для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, выход которого подключен к системе управления, регистрации и обработки информации.
Основным недостатком прототипа является отсутствие возможности измерения поляризационных характеристик сигналов упругого рассеяния в видимой области спектра длин волн. Измерение поляризации необходимо для оценки степени несферичности зондируемых аэрозольных частиц, например, при селекции аэрозольных примесей атмосферы антропогенного и дымового происхождения. Это обусловлено тем, что прототип имеет один приемный телескоп, в котором разделение по длинам волн происходит с помощью набора дихроичных зеркал, которые отражают коротковолновое излучение и пропускают длинноволновую часть спектра. Если измерять поляризационные характеристики на длине волны 532 нм, то при отражении от дихроичного зеркала происходит искажение первоначального состояния поляризации, т.е. вносятся погрешности измерений. Кроме того, наличие одного приемного телескопа для одновременной регистрации излучения в видимой и инфракрасной областях спектра длин волн требует разработки сложного апохроматического объектива, фокусирующего излучение всех длин волн в одной точке.
Предполагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая наряду с регистрацией сигналов упругого и комбинационного рассеяния одновременную регистрацию поляризационных компонент сигнала на длине волны 532 нм.
Поставленная цель достигается тем, что в состав приемо-передатчика лидара вводят второй дополнительный телескоп, геометрические параметры которого соответствуют первичному телескопу, а оптика соответствует пропусканию излучения на длине волны 1064 нм. Непосредственно на выходе первого телескопа, предназначенного для видимого спектра длин волн, установлен поляризационный расщепитель-анализатор, а уже на пути пучка с параллельной плоскостью поляризации установлено дихроичное зеркало для селекции сигнала комбинационного рассеяния на длине волны 607 нм, при этом зеркало пропускает коротковолновое и отражает длинноволновое излучение.
На фиг. 1 схематично изображена блок-схема многоволнового лидара для зондирования атмосферы.
Лидар содержит общую платформу 1, на которой расположены источник поляризованного лазерного излучения на нескольких длинах волн в видимой и инфракрасной областях спектра (532 и 1064 нм). Рядом с источником излучения 2, симметрично относительно его оси, расположены два идентичных приемных телескопа 3 и 4, работающие в инфракрасном и видимом диапазоне длин волн, с углами поля зрения целиком охватывающими световой пучок источника.
На выходе инфракрасного телескопа 4 вдоль его оптической оси последовательно установлены интерференционный фильтр 5 на длину волны 1064 нм и фотодетектор 6. На выходе телескопа 3 видимого света установлен поляризационный расщепитель 7, разделяющий световой пучок на два ортогональных поляризационных компонента. На пути пучка с перпендикулярной поляризацией установлены интерференционный фильтр 8 на длину волны 532 нм, а затем фотодетектор 9. На пути пучка с параллельной плоскостью поляризации установлено дихроичное зеркало 10, отражающее излучение с длинами волн более 550 нм и пропускающее с меньшей длиной волны, тем самым разделяя световой пучок на два пучка.
На пути отраженного пучка установлены интерференционный фильтр 11 на длину волны 607 нм, выделяющий сигнал комбинационного рассеяния на молекулах атмосферного азота, а затем фотодетектор 14, работающий в режиме счета фотонов.
На пути прошедшего дихроичное зеркало 10 пучка установлен интерференционный фильтр 12 на длину волны 532 нм, а затем фотодетектор 13, работающий в аналоговом режиме регистрации сигнала. Выходы всех фотодетекторов 6, 9, 13, 14 электрически подключены к системе управления регистрации и обработки информации 15.
Многоволновой лидар работает следующим образом. Источник излучения 2 посылает в атмосферу линейно поляризованное излучение на двух длинах волн 532 и 1064 нм. Рассеянное в обратном направлении излучение поступает на вход приемных телескопов 3 и 4. На выходе телескопа 4 из общего светового потока с помощью интерференционного фильтра 5 выделяется излучение на длине волны 1064 нм, которое направляется на фотодетектор 6, в качестве которого обычно используют лавинный фотодиод, например фотодиод марки С30956Е фирмы Perkin&Elmer.
Одновременно излучение с телескопа 3 направляется на поляризационный расщепитель 7, который разделяет световой пучок на два ортогональных поляризационных компонента. Пучок с перпендикулярной к исходному излучению плоскостью поляризации направляется на интерференционный фильтр 8, пропускающий излучение на длине волны 532 нм, а затем на фотодетектор 9, в качестве которого обычно используют фотоумножитель, работающий в токовом режиме.
Пучок с параллельной плоскостью поляризации направляется на дихроичное интерференционное зеркало 10, которое разделяет его на два пучка, путем отражения и пропускания. Отраженное от зеркала 10 излучение со спектром длин волн более 550 нм поступает на интерференционный фильтр 11. Фильтр из общего потока излучения выделяет излучение комбинационного рассеяния на длине волны 607 нм, которое направляется на вход фотодетектора 14, в качестве которого обычно используется фотоумножитель, работающий в режиме счета фотонов.
Прошедшее зеркало 10 излучение через интерференционный фильтр 12 на длину волны 532 нм поступает на вход фотодетектора 13, регистрирующего сигнал в аналоговом режиме. Электрические сигналы с фотодетекторов 6, 9, 13 и 14 одновременно поступают в систему 15 управления, регистрации и обработки информации, где вычисляются степень деполяризации излучения и оптические параметры атмосферы.