Сканирующий лидар для зондирования аэрозольных образований атмосферы

Полезная модель, сканирующий лидар для зондирования аэрозольных образований атмосферы, относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы. Лидар предназначен для дистанционного определения места положения и оптико-микрофизических параметров плотных аэрозольных образований (облака и дымовые шлейфы) в атмосфере. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при контроле распространения лесных пожаров и выбросов промышленных предприятий, облаков пепла вулканической деятельности и т.д.
Наиболее простые лидары основаны на использовании эффектов упругого рассеяния при зондировании атмосферы на одной или нескольких длинах волн.
Известно устройство для исследований аэрозольных и облачных полей тропосферы, основанное на использовании лазера с одной или несколькими длин зондирования и последующей регистрацией пространственной амплитуды развертки сигналами вдоль трассы зондирования [Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Из-во ИОА СОРАН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр.89].
Основное предназначение 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 и других аналогичных устройств высотного зондирования атмосферы [Bösenberg J., Ansmann A., Baldasano J. M., Balis D., Böckmann C., Calpini B., Chaikovsky A., Flamant P., Hågård A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinell N.i, Trickl T., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET: a European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote Sensing, A. Dabas, C. Loth, and J. Pelon, eds. Editions de L’Ecole Polytechnique. 2001. P. 155–158] является ограниченные функциональные возможности устройства, поскольку зондирование проводится только в вертикальном направлении, т.е. информацию можно получать только в одном направлении вдоль трассы зондирования. Тем самым с использованием аналога отсутствует возможность получения двумерной пространственной информации о параметрах атмосферы в плоскости зондирования.
Известен сканирующий лидар для зондирования атмосферы, содержащий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на неподвижном основании. Сканирующая платформа оптически сопряженная с оптическими осями приемо-передатчика лидара выполнена на основе двух зеркал по целостатной схеме [Коханенко Г., Макогон М. Флуоресцентно-аэрозольный лидар «ФАРАН-М1» // Фотоника. 2010. №4. C.50-53.].
Основным недостатком этого устройства является сложность и громоздкость конструкции. Для обеспечения полного перехвата оптических пучков размер зеркал сканирующей системы должен превышать диаметр приемного телескопа. Для описанного аналога, размер зеркал составляют 350х500 мм, а для поворота системы вокруг вертикальной оси необходим подшипник с внутренним диаметром 400 мм. Привод выполнен на шаговом двигателе с инкрементным энкодером и осуществляется через редуктор и шестереночную передачу. Это приводит к дополнительным погрешностям при определении угла поворота сканирующей платформы, т.е. к погрешностям определения угловых координат трассы зондирования.
Известен также сканирующий аэрозольный лидар «ЛОЗА», включающий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком расположенный на двухкоординатной электромеханической поворотной платформе, на валах вращения двигателей которой через паразитные шестеренчатые передачи установлены угловые позиционные датчики в виде вращающихся трансформаторов, подключенных к вычислительному комплексу, управляющему двигателями, лазером и фотоприемным блоком. [Региональный мониторинг атмосферы. Ч.2. Новые приборы и методики измерений: Коллективная монография/ Под общей редакцией М.В.Кабанова. Томск: изд-во «Спектр» Института оптики атмосферы СО РАН, 1997. 295 с.Гл.1. Приборы и методики лазерного зондирования атмосферы. П.1.1.Аэрозольные мобильные лидары серии «ЛОЗА». Стр.16.] Недостатком аэрозольного лидара «ЛОЗА», является сложность конструкции из-за наличия большого количества трущихся вращающихся элементов, что повышает как погрешности углового позиционирования, так и износ поверхностей из-за влияния загрязнений.
Прототипом заявляемой полезной моделью является сканирующий лидар для зондирования атмосферы, включающий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на двухкоординатной поворотной платформе, с позиционными бесконтактными магнитными датчиками с цифровым контроллером, обеспечивающими информацию об угловом положении платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, управляющий вычислительный комплекс, подключенный к лазеру, фотоприемному блоку и цифровому контроллеру. [Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В., Новоселов М.М., ПМ, № 161516 от 05.04.2016 Сканирующий лидар. Патентообладатель: ИОА СО РАН].
Недостатком прототипа является отсутствие возможности абсолютного измерения величины углового перемещения поворотной колонки в горизонтальной и вертикальной плоскостях, поскольку в прототипе измеряются только относительные изменения углового положения поворотной колонки, путем считывания кодов с магнитной ленты. Это приводит к полному отсутствию информации об угловом положении поворотной платформы в предыдущих сеансах зондирования, при ее отключении и повторном включении.
Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, благодаря тому, что бесконтактные магнитные датчики выполнены в виде пространственно разнесенных постоянного двухполюсного цилиндрического магнита и магнитного сенсора (чипа) на эффекте Холла с цифровым контроллером.
Решение поставленной задачи достигается следующим образом. Постоянный двухполюсный магнит имеет магнитное поле перпендикулярное его поверхности, при этом распределение интенсивности вертикального компонента меняется по синусоидальному закону. Поэтому при угловом вращении относительно друг друга пары постоянный магнит – магнитный сенсор, Холл-технология обеспечивает измерение интенсивности магнитного поля по поверхности сенсора, т.е. измерение абсолютного углового положения.
На фиг.1 изображена блок-схема сканирующего лидара. Лидар состоит из твердотельного импульсного лазера 1, и расположенного в непосредственной близости от него оптического приемного телескопа 2 с фотоприемным блоком 3, установленными на общем основании двухкоординатной поворотной платформе 4. На осях вращения платформы 4 на ее неподвижном основании расположены постоянные двухполюсные магниты 5, а на вращающейся части платформы магнитные сенсоры 6 на основе эффекта Холла с цифровыми контроллерами 7 для считывания угловых кодов и передачи их в управляющий вычислительный комплекс 8.
Оптоэлектронные и электромеханические блоки, составляющие лидар: лазер - 1, фотоприёмный блок – 3, поворотная платформа - 4, датчики - 6, цифровой контроллер - 7, электрически связаны с управляющим вычислительным комплексом – 8 и между собой.
0
В реализуемой полезной модели с постоянным цилиндрическим магнитом диаметром 6-8 мм и высотой 2,5 мм магнитное поле меняется в диапазоне ±40mT вдоль радиуса вращения. Измерения абсолютного значения углов поворота платформы обеспечивается измерением углового положения магнита относительно датчика с разрешением 0,0879, что соответствует разбиению диапазона амплитуды интенсивности магнитного поля на 4096 уровня.
Сканирующий лидар для зондирования аэрозольных образований атмосферы работает следующим образом. В начальный момент времени, управляющий вычислительный комплекс 8 передает цифровым контроллерам 7 значения нулевых кодов о необходимом местоположении, также выдает команды, которые устанавливают поворотную платформу 4 в исходное состояние. Например, исходное состояние это горизонтальная плоскость (угол места ноль), а азимутальное направление также нулевое (например, направление на север).
После этого, управляющий комплекс 8 выдает команду на включение лазера 1 и цифровые контроллеры 7 для осуществления сканирования зондирующим излучением в выбранном направлении.
Лазерное излучение направляется в атмосферы, рассеянный в обратном направлении атмосферой свет попадает на приемный телескоп 2, затем на фотоприемный блок 3, где световой сигнал преобразуется в электрический, оцифровывается и поступает далее для записи и обработки в управляющий вычислительный комплекс 8.
При осуществлении сканирования поворотной платформы происходит круговое вращение магнитного сенсора 6 относительно неподвижного постоянного двухполюсного магнита 5.
Принцип действия датчика основан на измерении напряженности магнитного поля с помощью Холл-технологии. Цифровые контроллеры 7 считывают с датчиков 6 код его положения относительно магнита 5 при движении в момент выстрела лазера 1,  тем самым определяя угловое положение поворотной колонки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и направляют эту информацию в вычислительный комплекс 8.
Таким образом, управляющий вычислительный комплекс 8 формирует файл с паспортом акта лазерного зондирования атмосферы, в котором записана информация об амплитудном распределении лидарного сигнала вдоль трассы зондирования, а также дата и время зондирования и угловые положения трассы зондирования.
Если после сеанса зондирования лидар полностью обесточить, то при дальнейшем включении датчики выдадут информацию об абсолютных углах трасс зондирования последнего сеанса, т.е. информация не пропадает.