Устройство определения концентрации атмосферного аэрозоля в стратосфере Земли в диапазоне высот от 10 до 40 км в условиях облаков с сильным вертикальным развитием

Область использования
Полезная модель относится к области метеорологии и экологии, а именно контролю параметров стратосферного аэрозоля на основе использования эффекта обратного рассеяния в аэрозольно-воздушной среде.
Аэрозольные частицы в стратосфере являются результатом вулканических извержений, заноса ядер конденсации из тропосферы при сильной конвекции, действий реактивной авиации и пр., также частички космической пыли. Их возрастание увеличивает планетарное альбедо Земли и понижает температуру воздуха; поэтому стратосферный аэрозоль является глобальным фактором климата. Например, после увеличения количества стратосферного аэрозоля в 50 раз нормальные условия восстанавливаются через 5 лет.
Повышение содержания стратосферных аэрозолей ведет, как правило, к обратному эффекту - возможному похолоданию из-за отражения части падающего солнечного излучения. Кроме того, аэрозольные частицы могут влиять на климат и косвенным путем, способствуя образованию облачности. В настоящее время плотность аэрозолей в тропосфере такова, что она приводит к понижению температуры земной поверхности приблизительно на 1,5°C.
Принято считать, что кратковременные изменения содержания аэрозолей могут привести к климатическим изменениям. [Асатуров М.Л. Влияние стратосферного аэрозоля на климат. Метеорология и гидрология, 1998, №3, с. 5-12].
Предложенное устройство реализует метод, в котором измеряется сигнал обратного рассеяния от источников излучения устройства, который затем обрабатывается относительно оптических характеристик с учетом информации о плотности атмосферы в точке измерения.
Уровень техники
Известно устройство [SU 1812535 «Способ дистанционного измерения пространственного распределения концентрации аэрозоля в атмосфере и устройство для его осуществления»], содержащее импульсный лазерный излучатель, фотоприемное устройство, сопряженные с фокусирующими системами.
Известно устройство [RU 69266 U1 «Автоматизированная система оперативного контроля воздушного бассейна города»] для определения концентрации взвешенных веществ (аэрозолей), содержащее лазерные локаторы (лидары) и фотометр.
Известно устройство [BG 110925 (А) «Способ и лазерный локатор для измерения турбулентности и аэрозолей в атмосфере»], содержащее лазерный локатор, интерферометр, приемник изображения, компьютер для автоматического управления системой.
Известно устройство [KR 20130081842 (А) «Дистанционный аппарат и способ определения тропосферного аэрозоля в ультрафиолетовом диапазоне»], содержащее блок-передачи света, бок приема света, электропитание, инцидентная оптическая система, спектрометр, детектор, блок управления.
Известно устройство [RU 116245 U1 «Лидар»] для измерения атмосферного аэрозоля, содержащее импульсный лазер для генерирования узкого зондирующего пучка излучения, телескоп, фотодетектор, подключенный к электронному блоку.
Наиболее близким техническим решением является изобретение [SU 1770934 «Способ определения наличия аэрозольных слоев в атмосфере»], содержащее описание устройства, включающего в качестве источника излучения импульсный лазер, фотоприемное устройство с полем зрения в пределах 0-180°, установленное на аэрокосмическом носителе для регистрации рассеянного в среде измерения.
Приведенные аналоги основаны на дистанционном принципе измерений посредством лазерного излучения (лидаров). Действие лидара основано на измерении интенсивности рассеяния лазерного излучения аэрозолем атмосферы. Лидар посылает в атмосферу короткий импульс света и принимает обратно сигнал обратного рассеяния. Излучение лазера, рассеянное аэрозолем атмосферы в обратном направлении, попадает на приемную аппаратуру телескопа и фокусируется на входном окне четырехканального анализатора (фотоприемного блока).
Рассеяние света в атмосфере происходит как молекулами воздуха, так и частицами аэрозоля. Таким образом, наличие аэрозоля в атмосфере увеличивает сигнал обратного рассеяния по сравнению с чистой атмосферой, и концентрация аэрозоля может быть определена как функция расстояния и интенсивности сигнала на фоне чистой атмосферы.
Недостатками известных устройств с дистанционными наземными источниками лазерного излучения являются ограниченная точность измерений, связанная с отсутствием информации о вертикальном распределении плотности атмосферы в момент измерения, а иногда невозможность определения концентрации стратосферного аэрозоля в условиях облачности из-за невозможности прохождения излучаемого сигнала через облачные слои или полного отражения лазерного излучения от облачных слоев.
Задача изобретения - разработка устройства измерения стратосферного аэрозоля в условиях тропосферной облачности с достаточной точностью измерений.
Техническим результатом является повышение экономической эффективности за счет мобильности и оперативности проведения измерений стратосферного аэрозоля предложенным устройством в диапазоне высот от 10 до 40 км с необходимой точностью и расширение области использования устройства - возможности проведения измерений в условиях наличия тропосферных облаков с сильным вертикальным развитием в виде мощных кучевообразных масс на труднодоступных территориях Земли.
Раскрытие полезной модели
Технический результат достигается тем, что устройство определения концентрации атмосферного аэрозоля в стратосфере Земли в диапазоне высот от 10 до 40 км в условиях облаков с сильным вертикальным развитием содержит импульсный источник излучения (1, 2) инфракрасного и синего спектров излучения, оптически сопряженный с первым фокусирующим оптическим элементом (9, 10), фотоприемник (4) для регистрации световых потоков обратного рассеяния аэрозолем атмосферы, оптически сопряженный со вторым фокусирующим оптическим элементом (11), усилитель (5) для увеличения сигнала световых потоков обратного рассеяния, блок питания (3), согласно полезной модели, импульсный источник излучения выполнен по меньшей мере из двух светодиодов (1, 2) с мощностью излучения  от 3,0 до 3,5 Вт и частотой импульсов от 1,0 до 500 Гц, а фотоприемником (4) является кремниевый фотодиод со спектральным диапазоном от 190 до 1100 нм, причем светодиоды (1, 2) и кремниевый фотодиод (4) установлены таким образом, что угол между оптическими осями собирающих линз (9, 10 и 11) составляет от 4 до 6 градусов.
Причем фокусирующие оптические элементы (9, 10 и 11) выполнены в виде собирающей линзы.
В предлагаемом устройстве все элементы находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи, конструктивно объединенные в едином корпусе.
Новым является то, что в качестве импульсного источника излучения устройство содержит светодиоды. Уровень техники не содержит информации об использовании светодиодов для определения концентрации атмосферного аэрозоля в стратосфере Земли в условиях облаков с сильным вертикальным развитием путем измерения интенсивности обратно рассеянного излучения от аэрозольно-воздушной среды в диапазоне высот от 10 до 40 км.
Преимуществом для достижения технического результата является невысокая стоимость светодиодов, обладающих техническими характеристиками, обеспечивающими измерения аэрозолей при минимальной погрешности (достаточной точности) измерений стратосферного аэрозоля и в зоне облаков с сильным вертикальным развитием на высотах от 10 до 40 км от уровня Земли:
- высокая световая отдача (146 люмен на ватт);
- высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);
- спектральная чистота, достигаемая не фильтрами, а принципом устройства прибора;
- малая инерционность - включаются сразу на полную яркость;
- различный угол излучения - от 15 до 180 градусов;
- не требуются высокие напряжения.
Вышеприведенные технические характеристики светодиодов соответствуют условиям измерений в условиях широкого диапазона отрицательных температур и пониженного давления на высотах от 10 до 40 км.
При зондировании атмосферы предложенным устройством регистрируется излучение, рассеянное молекулами воздуха и/или частицами аэрозоля, размеры которых сравнимы с длинами волн синего и инфракрасного спектров излучения (470 и 940 нм), в задней области (полусферы) кремниевого фотодиода.
Принцип регистрации обратного рассеянного излучения в среде излучения (локальной области стратосферы) уменьшает систематическую ошибку при измерениях, которая возникает при использовании дистанционных наземных лазерных источников излучения. Это способствует сохранению надежности и объективности измерений. При этом взаимное расположение импульсного источника излучения (светодиодов 9, 10) и кремниевого фотодиода (4) под углом (в пределах 4-6 градусов) позволяет оптимально использовать мощность излучения устройства и обеспечивает максимальную чувствительность фотоприемника (4). Это повышает точность измерения в диапазоне высот (10-40 км) по сравнению с установкой элементов 1, 2 и 4 при угле 0 градусов для выбранной элементной базы без увеличения мощности излучения и обеспечивает необходимую точность измерения устройства в целом.
Основная часть тропосферных и стратосферных аэрозолей состоит из частиц диаметром порядка 1 мкм и меньше. Эти частицы в первую очередь приводят к рассеянию в видимой области спектра (инфракрасного и синего) и излучение светодиода поглощают незначительно. Конструкция устройства выполнена таким образом, чтобы могло быть реализовано действие эффекта усиления обратного рассеяния в среде в условиях длины волны излучаемого света синего и инфракрасного спектров излучения (470 и 940 нм).
Новая взаимосвязь существенных известных и отличительных признаков позволяет получить новый технический результат - расширение области использования при сохранении необходимой точности, повышение экономической эффективности за счет мобильности и оперативности измерений стратосферного аэрозоля при наличии тропосферных облаков с сильным вертикальным развитием в диапазоне высот от 10 до 40 км.
Полезная модель поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 приведена блок схема устройства; на фиг. 2 - оптико-механическая схема взаимного расположения источников излучения (1, 2) и фотоприемника (4).
Согласно блок-схеме устройства (фиг. 1.) и оптико-механической схеме взаимного расположения источников излучения (1, 2) и фотоприемника (4) (фиг. 2):
1 - источник излучения - светодиод (470 нм);
2 - источник излучения - светодиод (940 нм);
3 - блок питания;
4 - фотоприемник - кремниевый фотодиод;
5 - усилитель;
6 - аналого-цифровой преобразователь;
7 - блок обработки цифрового сигнала и управления работой устройства;
8 - корпус устройства;
9, 10 - первый фокусирующий элемент в виде оптических собирающих линз, сопряженный со светодиодами 1 и 2;
11 - второй фокусирующий элемент в виде оптической собирающей линзы, сопряженный с кремниевым фотодиодом 4.
Оптические оси оптических линз показаны штрихпунктирной линией, пунктирной линией показаны углы излучения (для источников излучения (1) и (2) и приема излучения (для фотоприемника 4), заштрихованная область - непосредственно изучаемый объем. Источники излучения (1) и (2) установлены относительно фотоприемника (4) на угол величиной от 4 до 6 градусов в корпусе (8).
Техническая сущность устройства состоит в следующем.
Источники излучения (1) и (2) формируют излучение на длинах волн 470 и 940 нм соответственно. Источники излучения (1) и (2) состоят из светодиода соответствующей длины волны, схемы стабилизации тока светодиода для устойчивой работы в заданном режиме и оптической линзы для формирования диаграммы направленности светового излучения с телесным углом 9-13 градусов.
Блок питания (3) предназначен для подачи стабильного питающего напряжения для всех элементов устройства.
Фотоприемник (4) служит для преобразования обратно рассеянного светового потока от источников излучения (1) и (2) в электрический сигнал. Фотоприемник (4) состоит из кремниевого светодиода и оптической линзы для формирования диаграммы направленности принимаемого светового потока с телесным углом 9-13 градусов.
Усилитель (5) предназначен для усиления и первичной фильтрации сигнала от фотоприемника (4), необходимого для обеспечения перекрытия динамического диапазона устройства и корректной цифровой обработки сигнала.
Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (6) служит для преобразования аналогового сигнала с выхода усилителя (5) в цифровой код для последующий обработки в устройстве (7).
Предложенное устройство установлено на метеорологическом баллоне, наполненном гелием или водородом.
Устройство работает следующим образом.
Поднимается метеорологический баллон с установленной на нем устройством и аппаратурой в стратосферу Земли. От источника питания (3) подается напряжение на источники излучения - светодиоды (1) и (2), которые генерируют короткие импульсы излучения на длинах волн 470 и 940 нм соответственно. Излучение через фокусирующую линзу (9 и 10) узким лучом направляется в атмосферу и, рассеянное аэрозолем атмосферы в обратном направлении, попадает на фокусирующую линзу (11) на входном окне фотоприемника (4). Фотоприемник (4) преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический сигнал, который служит мерой величины концентрации атмосферного аэрозоля.
Электрические сигналы с выхода фотоприемника (4) усиливаются в усилителе (5) и попадают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (6) и далее в блок обработки (7), который обрабатывает поступившие данные алгоритмом синхронного детектирования с накоплением и данные от измерителя плотности атмосферы (не показан на фиг. 1 и 2). Измеритель плотности атмосферы служит для обработки данных и получения численного значения концентрации аэрозоля во всем диапазоне высот от 10 до 40 км.
Блок обработки (7) состоит из микроконтроллера, устройства генерации сигнала работы излучателей, устройства согласования и коммутации блоков устройства.
Далее из полученных данных формируется информационный пакет, который либо через телеметрический передатчик отправляется на Землю, либо записывается в память устройства (не указаны на фиг. 1 и 2).
Пример конкретного выполнения.
Проводились измерения в условиях облаков с сильным вертикальным развитием.
В качестве светодиодов использовались светодиоды фирмы OSRAM SFH 4231 с параметрами:
- диапазон рабочих температур от – 40 до +125°C;
- угол обзора на уровне 50% - 120°;
- рабочее напряжение питания 3,6 - 4,3 В.
В качестве фотодиода использовался S1336-18ВК (производитель «Hamamatsu»).
Согласно данным фирмы «HAMAMATSU», основные характеристики фотодиода S1336-18ВК:
- материал окна - боросиликатное стекло;
2
- эффективная площадь светочувствительной поверхности - 1,2 мм;
- рабочая температура - от минус 40 до 100°C;
- спектральный диапазон от 320 до 1100 нм;
- максимум спектральной чувствительности 960 нм;
-15
1/2
- пороговая чувствительность - 5,7⋅10 Вт/Гц;
- сопротивление фотодиода при смещении 10 мВ, 25°C - 1 ГОм;
-12
- темновой ток при смещении 10 мВ - 20⋅10 А.
В устройстве использовались линзы FDG-N1-D01-HS (производитель «Fraen Corporation») с характеристиками:
- эффективность сбора лучей до 85% от общего потока излучения, излучаемого светодиодом;
- материал - акрил с показателем преломления 1,49;
- диапазон рабочих температур - минус 40 до плюс 80°C;
- средний коэффициент пропускания в видимой области спектра (400-700 нм) >90% (для 3 мм толщины);
- полный угол расхождения световых лучей 8° на уровне 0,5 максимального значения излучения.
Частота излучения 300 Гц.
Светодиод и фотодиод закреплены в корпусе на расстоянии 50 мм друг от друга (на уровне основания). При этом угол между оптическими осями собирающих линз 5 градусов.
Был выполнен пуск устройства и получены следующие результаты измерений субмикронных частиц аэрозолей (таблица).
Стоимость одного светодиода не превышает 150 руб., а стоимость комплектующих деталей всего устройства не превышает 1500 руб., что позволяет экономически эффективно применять устройство в труднодоступных районах Земли.
Использованы известные в настоящее время технические средства, что подтверждает соответствие критерию «промышленная применимость».
Выводы
Таким образом, введение в состав элементов конструкции устройства светодиодов расширяет его возможности и придает ему качественно новый уровень.
Полезная модель применяется для контроля состояния стратосферы и может быть использована при разработке систем геофизического мониторинга состояния атмосферы Земли над территорией Российской Федерации, в том числе над труднодоступными регионами.