УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ УСИЛЕНИЯ И ОСЛАБЛЕНИЯ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в схемах лазерных локаторов (лидар) для дистанционного зондирования атмосферной турбулентности.
Известно 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 [RU 116245 U1, 2011]. Данное 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.
Прототипом является 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 [RU 153460 U1, 2014]. Устройство 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. Это устройство регистрирует только усиление обратного рассеяния. Однако есть возможность увеличить его чувствительность в два раза, если наряду с усилением сигнала регистрировать и ослабление сигнала вокруг зоны усиления, которая расположена на оси пучка.
Задачей полезной модели является повышение точности регистрации отраженного атмосферой эхосигнала. Это достигается тем, что добавляется еще один приемный канал, который регистрирует ослабленный сигнал вокруг зоны усиления. Зона усиления расположена на оси зондирующего пучка. Из закона сохранения энергии следует, что повышение мощности сигнала на оси пучка происходит за счет понижения мощности вокруг зоны усиления. При этом повышение сигнала на оси пучка должно быть точно равно понижению сигнала на периферии. Поэтому, измеряя этот сигнал, можно в два раза повысить эффективность устройства регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере.
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. На фиг. 2 показаны приемные апертуры и распределение интенсивности эхосигнала на линии, проходящей через их центры. Устройство (фиг. 1) состоит из передающей и приемной частей. Общими для передатчика и приемника являются светоделительная пластинка 4, выполняющая функцию антенного переключателя, и афокальный приемо-передающий телескоп, состоящий из зеркал 5 и 6. Лазерные приемо-передатчики (лидары) с общим приемопередающим 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, светоделительной пластинки 4 (50/50) и телескопа 5-6. Между приемопередатчиком и атмосферой устанавливается двойная диафрагма 8, через верхнее отверстие которой уходит в турбулентную атмосферу 9 зондирующий пучок 7, а возвращается излучение усиленного 11 и ослабленного 12 осевых приемных каналов. Через нижнее отверстие диафрагмы 8 возвращается излучение внеосевого приемного канала 13. Предлагаемая конструкция позволяет регистрировать одновременно все три сигнала из одного рассеивающего объема 10 и при этом достигается абсолютное совмещение приходящего пучка осевого канала 11 с зондирующим пучком 7, что имеет принципиальное значение при регистрации УОР. Далее принимаемые пучки 11, 12 и 13 проходят через светоделитель 4 (антенный переключатель) и затем поступают на формирователь поля зрения приемной системы, состоящий из фокусирующей линзы 14, апертурной диафрагмы 15 и коллимирующей линзы 16. Затем установлен интерференционный фильтр 17, отсекающий фон неба. На пути усиленного 11 и ослабленного 12 осевых пучков под углом 45° располагается поворотное плоское зеркало 18, имеющее в центре небольшое круглое отверстие. Усиленный осевой пучок 11 проходит прямо через это отверстие и поворотным зеркалом 19 направляется на фотодетектор 20. Оставшийся сигнал 12, имеющий форму кольца, отражается от зеркала 18 и поступает на фото детектор 21 ослабленного приемного канала. Оптический сигнал внеосевого приемного канала сразу после интерференционного фильтра 17 поступает на фотоприемник 22. Электрические сигналы с фотоприемников 19, 21 и 22 поступают на систему регистрации 23, соединенную с компьютером 24.
o
o
o
Устройство использует эффект «усиления обратного рассеяния», который можно наблюдать только в пределах зоны Френеля, размер которой определяется как корень квадратный из произведения длины волны излучения λ на дальность зондирования L. Схема устройства, включая атмосферу 9 и рассеивающий объем 10, приведена на фиг. 1. Размер зоны Френеля равен d определяет размер зондирующего пучка 7 за телескопом. Двойная диафрагма 8 имеет верхнее отверстие диаметром d, которое в два раза больше, чем нижнее отверстие диаметром d. Расстояние D между отверстиями должно более чем в два раза превышать размер d. Размер зоны Френеля d для излучения с длиной волны λ=532 нм и трассы длиной L=3 км равен 40 мм. Приемо-передающий телескоп должен быть сфокусирован на дистанцию L=3 км путем изменения расстояния  между зеркалами телескопа 5 и 6. Во время работы короткий световой импульс от лазера 1 проходит через линзу 2, направляется зеркалом 3 на светоделительную пластинку, являющуюся антенным переключателем, и направляется на зеркальный афокальный телескоп 5-6, расширяющий пучок 7 до размера зоны Френеля. Пучок 7 через верхнее отверстие двойной диафрагмы 8 направляется в турбулентную атмосферу 9. С дистанции L обратно рассеянное излучение из объема 10 приходит на телескоп. На верхнюю приемную апертуру d приходит излучение 11, которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности и это излучение формирует усиленный осевой приемный канал. На верхнюю апертуру d также поступает излучение 12, которое формируется вокруг пучка 11 и это излучение формирует ослабленный осевой приемный канал. На нижнюю приемную апертуру приходит излучение 13, которое от верхней приемо-передающей апертуры через одни неоднородности дошло до рассеивающего объема 10 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 7 должно превышать излучение вне оси пучка. Излучение 11 на оси пучка усиливается за счет ослабления пучка 12. Все три пучка 11, 12 и 13 проходят через телескоп 6-5, и далее сквозь светоделительную пластинку 4 идут в приемный ящик. На входе в ящик располагается фокусирующая линза 14, в фокусе которой располагается апертурная диафрагма 15, которая определяет равные поля зрения для всех каналов. После диафрагмы 15 все пучки коллимируются линзой 16 и проходят сквозь интерференционный фильтр 17. Далее все три оптических сигнала разводятся и поступают каждый на свой фотоприемник. Усиленный осевой сигнал 11 проходит через отверстие в зеркале 18 и зеркалом 19 направляется на детектор 20. Ослабленный осевой сигнал 12 отражается от зеркала 18 и направляется на детектор 21. Внеосевой сигнал 13 поступает прямо на детектор 22. Детекторы 19, 21 и 22 преобразуют оптические сигналы в электрические, которые поступают в систему регистрации 23. Кроме того, в систему регистрации 23 от лазера 1 поступает сигнал синхронизации в момент посылки зондирующего импульса в атмосферу. Система регистрации 23 производит накопление двух осевых и одного внеосевого сигналов и затем информация в цифровом виде передается в компьютер 24. Компьютер 24 используется для расчета калибровочных коэффициентов (здесь не приводится) и для вычисления коэффициента усиления, величина которого в отсутствие турбулентности равна единице, а при ее наличии больше единицы в зависимости от ее интенсивности.
1
2
Рассмотрим, в чем заключается преимущество описанного выше устройства по сравнению с аналогом. На фиг. 2 показаны апертуры телескопа 5-6 и всех приемных каналов 11, 12 и 13. Здесь же слева приводится график распределения интенсивности 25 I(х). Ось x проходит через центры апертур. На оси зондирующего пучка имеем максимум приходящей интенсивности (мощности) за счет усиления обратного рассеяния. Через I обозначим интенсивность усиленного сигнала 11. В отсутствие усиления мы бы имели интенсивность I, которую регистрирует внеосевой канал. Пусть ΔI добавка за счет усиления обратного рассеяния, тогда для средней интенсивности усиленного осевого сигнала 11 можно записать
3
На фиг. 2 через I обозначена интенсивность ослабленного сигнала 12. Чтобы соблюдался закон сохранения энергии, уменьшение сигнала 12 должно быть равно увеличению сигнала 11, поэтому
Вычитая из формулы (1) формулу (2), получим выражение
0
Коэффициент усиления обратного рассеяния N при наличии только осевого 11 и внеосевого 13 каналов, как в прототипе, определяется как
0
При наличии сигнала 12 коэффициент усиления обратного рассеяния N с учетом выражений (1) и (3) можно переписать в виде
0
1
3
0
Когда усиление N маленькое, тогда сигналы <I> и <I> будут мало отличаться друг от друга. Тем не менее, из выражения (3) следует, что их разность будет равна удвоенному среднему значению добавки <ΔI>. Это и означает, что точность определения N будет в два раза больше.