УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ УСИЛЕНИЯ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в схемах лазерных локаторов (лидаров) для дистанционного зондирования атмосферной турбулентности.
Известен патент [RU 116245 U1, 2011] устройство лидара для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР), 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. Известное 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 патент [RU 153460 U1, 2014] устройство лидара 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.
Описанное устройство [RU 153460 U1, 2014] 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 приемников. Недостатком данного устройства является то, что 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.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью состоит в усовершенствовании конструкции, для снижения времени накопления сигнала из атмосферы, за счет применения в качестве антенного переключателя поляризационного светоделительного куба совместно с деполяризатором.
Поставленная задача реализована в устройстве, где вся мощность линейно поляризованного лазерного излучения поляризационным кубом направляется на деполяризатор, который деполяризует излучение. Через телескоп деполяризованное излучение направляется в атмосферу. Приходящее из атмосферы излучение также будет неполяризованным, поэтому обратно через поляризационный светоделительный куб пройдет половина мощности эхо-сигнала. В результате полное пропускание приемопередатчика составит 50%, что свидетельствует об устранении недостатка прототипа. Время накопления сигнала для известной полезной модели составляет 10 мин. Следовательно, время накопления для полезной модели составит 5 мин.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере. Фиг. 1 включает подробную оптическую схему устройства и схематично изображает электронную часть и атмосферу.
Устройство состоит из передающей и приемной частей. Общими для передатчика и приемника являются поляризационный светоделительный куб 4 и деполяризатор 5, выполняющие функцию антенного переключателя, и афокальный приемо-передающий телескоп, состоящий из зеркал 6 и 7. 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, поляризационного светоделительного куба 4, деполяризатора 5 и телескопа 6-7. Между приемо-передатчиком и атмосферой устанавливается двойная диафрагма 9, через верхнее отверстие которой уходит в атмосферу 10 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 оба сигнала из одного рассеивающего объема 11 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 деполяризатор 5 и поляризационный светоделительный куб 4 (антенный переключатель) и затем поступают на формирователь поля зрения приемной системы, состоящий из фокусирующей линзы 14, апертурной диафрагмы 15 и коллимирующей линзы 16. После установлен интерференционный фильтр 17, отсекающий фон неба, и фотоприемники 18 и 19. Электрические сигналы с фотоприемников 18 и 19 поступают на систему регистрации 20, соединенную с компьютером 21.
Устройство работает следующим образом.
Устройство использует эффект «усиления обратного рассеяния», который можно наблюдать только в пределах зоны Френеля (точное название «первая зона Френеля»), размер которой определяется как корень квадратный из произведения длины волны излучения на дальность зондирования. Схема устройства, включая атмосферу 10 и рассеивающий объем 11, приведена на фиг. 1. Размер зоны Френеля определяет: размер зондирующего пучка 8 за телескопом, диаметры отверстий d=40 мм двойной диафрагмы 9 и расстояние D=6d=240 мм между ними. Приемо-передающий телескоп должен быть сфокусирован на дистанцию L=3 км путем изменения расстояния l между зеркалами телескопа 5 и 6. Во время работы короткий световой импульс от лазера 1, имеющий линейную поляризацию перпендикулярную плоскости фиг. 1, проходит через линзу 2, направляется зеркалом 3 на поляризационный светоделительный куб 4 и деполяризатор 5, являющиеся антенным переключателем. Поляризационный светоделительный куб 4 отражает 100% энергии светового импульса и через деполяризатор 5 направляет его 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 12. которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности и это излучение формирует осевой приемный канал. На нижнюю приемную апертуру приходит излучение 13, которое от верхней приемо-передающей апертуры через одни неоднородности дошло до рассеивающего объема 11 и вернулось обратно другим путем и это излучение формирует внеосевой приемный канал. Согласно эффекту УОР. открытому в 1973 году Виноградовым, Кравцовым и Татарским (см. работу), рассеянное назад излучение на оси пучка должно превышать излучение вне оси пучка. Излучение на оси 12 и излучение вне оси 13 проходят через телескоп 7-6, деполяризатор 5, и далее 50% энергии каждого пучка проходит сквозь поляризационный светоделительный куб 4 антенного переключателя. Затем это излучение поступает в приемный ящик через фокусирующую линзу 14, в фокусе которой располагается апертурная диафрагма 15, которая определяет равные поля зрения для обоих каналов. После диафрагмы 15 пучок осевого канала 12 и пучок вне осевого канала 13 коллимируются линзой 16 и проходят сквозь интерференционный фильтр 17 и затем поступают, соответственно, на фотодетекторы 18 и 19. Детекторы 18 и 19 преобразуют оптические сигналы в электрические, которые поступают 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 осевого и внеосевого 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 и внеосевого сигналов, величина которого в отсутствие турбулентности равна единице, а при ее наличии больше единицы в зависимости от ее интенсивности.