Способ измерения степени поляризации светового излучения молний и устройство для его осуществления (варианты)
METHOD FOR MEASURING THE DEGREE OF POLARISATION OF LIGHT EMISSION OF LIGHTNING AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF (VARIANTS)

Изобретение относится к способам и устройствам измерения поляризационных характеристик (азимута и степени поляризации) оптического излучения от источников света с помощью поляриметрических оптических средств и может быть использовано в средствах и системах регистрации молниевых разрядов.
Известен способ и устройство определения времени прихода оптического сигнала от импульсных источников [1]. Устройство содержит оптический датчик, фильтр низких частот, двойной дифференциатор, блок порогового сигнала и может быть использовано для регистрации оптического излучения от молний. Недостатком является невозможность измерения степени поляризации регистрируемого светового излучения.
Другим аналогом может служить способ и устройство для комплексной регистрации грозовых разрядов [2]. Устройство содержит блок регистрации электромагнитного импульса в радиодиапазоне, блок приема акустических сигналов и блок приема оптических сигналов. Последний состоит из восьми оптических устройств, ориентированных по сторонам света в пригоризонтной области. Каждое оптическое устройство снабжено пороговым датчиком. В момент регистрации грозового разряда срабатывает только тот пороговый датчик, на вход которого поступает сигнал с оптического приемника, ориентированного в сторону вспышки молнии. Недостатком является то, что устройство не содержит оптического приемника, ориентированного в зенит. Другим недостатком является невозможность измерения степени поляризации регистрируемого оптического излучения.
Таким образом, известные способы и устройства регистрации молний не позволяют измерять поляризационные характеристики оптических импульсов от молниевых разрядов. Однако известны способы определения параметров импульсных источников оптического излучения с использованием поляризационных характеристик рассеянного излучения. Аналогом может служить способ определения расстояния до импульсного источника оптического излучения по степени поляризации регистрируемого света [3]. Способ основан на том, что регистрируют рассеянное излучение под заданным углом относительно направления на источник. В процессе рассеяния излучение становится частично поляризованным. По мере распространения излучения в среде степень поляризации сначала возрастает, достигает максимума, а затем снова уменьшается. Отслеживая развитие степени поляризации во времени, отсчитываемого от начала вступления импульса прямого излучения от источника, измеряют время достижения максимума поляризации и по измеренному значению определяют расстояние до источника. Недостатком способа является необходимость наличия прямой видимости на источник. Недостатком является также необходимость точного фиксирования времени прихода прямого излучения. Способ не предназначен для измерения степени поляризации излучения от молний.
Известно также устройство, позволяющее измерять степень и азимут поляризации регистрируемого излучения [4]. Светоприемное устройство содержит конус Маха и электронно-лучевую трубку. Анализируемый свет попадает на конус Маха и после отражения от него образует световое кольцо на катоде трубки. Образующийся в трубке потенциальный рельеф считывается вращающимся по кольцу электронным лучом. Если свет частично поляризован, яркость кольца неравномерна. Анализируя распределение яркости, определяют степень и азимут поляризации регистрируемого излучения. Недостатком способа и устройства является невозможность измерения параметров поляризации от импульсного источника, в частности, от молний.
Прототипом является способ измерения степени поляризации света, рассеянного атмосферой экзопланет на фоне светового излучения от центральной звезды [5]. Способ основан на разделении регистрируемого излучения на обыкновенный и необыкновенный лучи с помощью призмы Волластона и измерении интенсивности поляризованной и неполяризованной компонент излучения при трех положениях призмы. Недостатками способа являются необходимость точного наведения поляриметрического оптического устройства на звезду, сложность обработки и анализа параметров регистрируемого излучения и невозможность измерения степени поляризации света от молний.
Техническая проблема заключается в том, что неизвестно, какой степенью поляризации обладает рассеянное световое излучение от молний. Актуальность проблемы заключается в том, что по степени поляризации можно отличать световое излучение молний от источников света другого типа. С научной точки зрения решение проблемы позволит лучше понять физические механизмы развития молниевого разряда.
Технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что регистрируют раздельно поляризованную и неполяризованную компоненты рассеянного атмосферой светового излучения не менее, чем в двух оптических каналах, направленных в зенит. Разделение компонент регистрируемого излучения производят при помощи соответствующих поляризационных элементов. Потоки оптического излучения в каждом канале направляют на специальные фотодетекторы известных типов. Электрические сигналы с выходов фотодетекторов через фильтры низких частот и пороговые устройства подают в электронный блок анализа и обработки сигналов. По результатам обработки определяют степень и, по необходимости, азимут поляризации.
Способ отличается от прототипа тем, что плоскополяризованную компоненту регистрируемого излучения путем вращения плоскости поляризации преобразуют в кругополяризованную компоненту или в пространственное распределение угла вращения плоскости поляризации. В первом случае первичное световое излучение пропускают через оптический фильтр, затем направляют на поляризационный ротатор. При наличии плоскополяризованной компоненты в первичном потоке излучения на выходе ротатора плоскополяризованная компонента превращается в кругополяризованную. Далее первичный поток подают на светоделительную систему, разделяющую поток на два оптических канала. В одном из каналов устанавливают поляризационный анализатор с радиальным распределением оси полного пропускания поляризованной компоненты (радиальный анализатор). В другом канале устанавливают поляризационный анализатор с концентрическим распределением оси полного пропускания (концентрический анализатор). Оптические потоки в каждом из каналов направляют на две половины светочувствительного слоя двухканального фотодетектора. Электрические сигналы i1 и i2 с каждой половины подают через низкочастотные фильтры на пороговые устройства, а затем в электронный блок анализа сигналов и регистрации результатов измерений. При помощи этого блока производят обработку и анализ поступивших на его вход электрических сигналов и измеряют амплитуды i1 и i2 этих сигналов. Степень поляризации определяют по формуле:
Вторая модификация способа заключается в том, что регистрируемое световое излучение направляют на плоскопараллельную пластинку, вращающую плоскость поляризации и состоящую из двух оптических клиньев. Один из клиньев выполняют из оптически активного материала, например, из кристаллического кварца. Этот клин вырезают так, чтобы его оптическая ось была перпендикулярна нижней грани клина. Другой клин выполняют из такого же, но аморфного материала с таким же показателем преломления, как и у первого клина. Клинья склеивают так, чтобы получилась плоскопараллельная пластинка. После этой пластинки вдоль ребра оптически активного клина возникает пространственное распределение угла вращения плоскости поляризации. Горизонтальный размер (длина) клиньев берут равным размеру подходящей фоточувствительной ПЗС-линейки, содержащей не менее 1000 фоточувствительных ячеек. Такой линейкой может быть, например, линейка типа К1200-ЦЛ1, содержащая 1024 ячейки. Сразу после клиньев устанавливают поляризационный анализатор, ось полного пропускания которого параллельна горизонтальному ребру оптически активного клина. В итоге при наличии поляризованной компоненты в первичном световом потоке на выходе поляризатора в горизонтальной плоскости изображения, совпадающей с плоскостью ПЗС-линейки, возникает периодическое распределение яркости синусоидального вида. Угол клиновидности и вращательную способность кристалла выбирают так, чтобы на ПЗС-линейке улеглось примерно 100-300 периодов синусоидального распределения яркости. Сигналы с каждого светочувствительного элемента ПЗС-линейки считывают и подают на вход блока анализа сигналов, при помощи которого измеряют максимальные А1 и минимальные А2 значения амплитуды синусоиды. Степень поляризации определяют по формуле:
Реализация способа может быть осуществлена при помощи устройств, представленных на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показаны: 1 - светоприемный блок; 2 - сменный оптический фильтр; 3 - поляризационный ротатор; 4 - светоделительная система; 5 - радиальный анализатор; 6 - концентрический анализатор; 7 - светособирающие линзы; 8 - двухканальный фотодетектор.
Устройство работает следующим образом. После светоприемного блока 1 первичный световой поток пропускают через сменный оптический фильтр 2. Набор оптических фильтров выбирают таким образом, чтобы обеспечить регистрацию оптических сигналов в диапазоне от 0,35 до 0,90 мкм. После прохождения через оптический фильтр первичный световой поток пропускают через поляризационный ротатор 3. Ротатор выполнен из двух одинаковых оптически активных кристаллических полуволновых пластинок (трансцендентная пластинка). Пластинки вырезаны параллельно их оптической оси и склеены так, чтобы оптические оси относительно друг друга составляли угол 45°. Ротатор превращает падающий на него плоскополяризованный свет в кругополяризованный. Прошедший через ротатор свет поступает в светоделительную систему 4, которая разделяет первичный световой поток на два одинаковых световых канала. Один из каналов содержит радиальный анализатор 5, а другой - концентрический анализатор 6. Выходящий из анализатора 5 световой поток будет содержать поляризованную и неполяризованную компоненты, а выходящий из анализатора 6 - только неполяризованную компоненту. Оба потока через светособирающие линзы 7 поступают на светочувствительные слои 8 двухканального фотодетектора. Светочувствительные слои расположены на одной подложке фотодетектора и разделены диэлектрическим промежутком. Электрические сигналы i1 и i2 с выходов фотодетектора пропорциональны световым потокам. Эти сигналы через низкочастотные фильтры Ф и пороговые устройства П поступают в электронный блок анализа сигналов, где происходит анализ и обработка сигналов, а также расчет степени поляризации в соответствии с формулой (1). Результаты измерений фиксируются при помощи регистратора РЕГ.
Модификация устройства представлена на фиг. 2, где показаны: 1 - светоприемный блок; 2 - сменный оптический фильтр; 9 - клин из оптически активного материала; 10 - такой же клин из такого же, но аморфного материала; 11 - линейный поляризатор; 12 - ось полного пропускания поляризованной компоненты, проходящей через поляризатор; 13 - синусоидальное распределение яркости в плоскости изображения; 14 - ПЗС-линейка.
Устройство работает следующим образом. После выхода из светоприемного блока 1 и светофильтра 2 регистрируемое излучение падает на плоскопараллельную пластинку, состоящую из двух клиньев 9 и 10. Оптически активный клиновидный кристалл 9 вращает плоскость поляризации поляризованной компоненты излучения. Угол вращения пропорционален толщине клина и, соответственно, пропорционален положению точки вдоль оси ОХ. Сразу же за клином 9 размещен линейный поляризатор 11 с осью полного пропускания поляризованной компоненты 12, параллельной нижнему ребру клина 9. При наличии плоскополяризованной компоненты в составе первичного излучения в плоскости изображения вдоль оси ОХ возникает периодическое распределение яркости 13 синусоидального вида. В плоскости изображения установлена ПЗС-линейка 14. Номера светочувствительных ячеек линейки соответствуют координате вдоль оси ОХ.
Выход ПЗС-линейки соединен с блоком анализа сигналов А, при помощи которого измеряются максимальные А1 и минимальные А2 значения амплитуды синусоиды. Выход блока анализа соединен с входом блока регистрации РЕГ, в котором регистрируется степень поляризации по формуле (2). При необходимости, измерив фазу синусоиды, можно определить направление на источник излучения.
Источники информации
1. Вагин Ю.П., Чудновский Л.С. и др. Устройство определения времени прихода оптического сигнала. - Патент РФ № 2663881, 2018 г.
2. Ситников Ю.М., Горин Б.Н., Юргель Н.И. Устройство для комплексной регистрации грозовых разрядов. - Авторское свидетельство СССР № 1109703, 1984 г.
3. Пузанов Ю.В. Поляризация излучения как индикатор расстояния до импульсного источника. - Изв. РАН, серия «Физика атмосферы и океана», 1993, т. 29, № 4, с. 574-576.
4. Ксанфомалити Л.В. Поляриметр. - Авт. свид. СССР № 396601, 1971 г.
5. Ксанфомалити Л.В. Поиск внесолнечных планет поляриметрическим методом. - Астрономический вестник, 2007 г., т. 41, № 4, стр. 330-336.