УСТРОЙСТВО ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХИ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ЛИДАРА

Устройство относится к средствам для измерений пространственного распределения интенсивности рассеянного назад импульса оптического излучения и может быть использовано для приема и обработки сигналов обратного рассеяния при лазерном зондировании дисперсных сред, в оптической локации, в прикладной метеорологии для оценки микроструктуры облаков, при контроле уровня аэрозольных загрязнений.
Мощность однократно рассеянного назад излучения, поступающего на вход приемной системы лидара с расстояния r, описывается уравнением лазерного зондирования (УЛЗ):
0
и
min
min
max
mах
π
π
Здесь: P - мощность лазерного импульса; А - площадь входной апертуры приемной системы лидара, τ - длительность зондирующего импульса излучения; G(r) - геометрический фактор лидара, который изменяется от 0 до 1 (G(r)=0 при 0<r<r; 0<G(r)<1 при r<r<r; G(r)=1 при r>r); t - время, отсчитываемое с момента посылки зондирующего импульса в атмосферу; σ - коэффициент обратного рассеяния, определяемый как , где Х(r) - индикатриса рассеяния в направлении 180° относительно зондирующего излучения, σ - объемный коэффициент рассеяния;  - прозрачность атмосферы на участке трассы от 0 до r; α(z) - объемный коэффициент ослабления на соответствующем участке трассы.
Регистрация получаемых данных лидарной системой сводится к получению пространственной картины распределения плотности мощности (интенсивности) в плоскости изображения рассеивающего объема для всей совокупности дальностей зондирования.
Как видно из УЛЗ сигнал обратного рассеяния (лидарный сигнал) характеризуется большим динамическим диапазоном, достигающим более 80 дБ. Одной из проблем регистрации сигнала приемной системой является интенсивная засветка фотодетектора излучением, приходящим из «ближней зоны», когда зондирующий импульс еще находиться на малых расстояниях от лидара. Чтобы зарегистрировать поток рассеянного назад излучения по всей трассе зондировании с одинаковой точностью, как от ближних слоев, расстояние до которых характеризует протяженность теневой зоны лидара, так и от удаленных слоев, необходимо задать жесткие требования к динамическому диапазону фотодетектора. Для решения этой задачи в лидарных системах дальнего радиуса действия применяют высокоскоростные механические затворы, физически блокирующие приемный оптический канал. Наиболее распространен механический способ модуляции оптического сигнала - с помощью растра (обтюратора), механического устройства для периодического перекрывания светового потока. Подвижная часть обтюратора содержит прозрачные и непрозрачные участки, которые попеременно располагаются на пути светового потока. Для лидаров ближнего действия использование таких устройств технически трудоемко и ограничено.
Проблема ближней зоны частично решается запиранием фотоприемника быстрым затвором. (Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. // М. Мир. 1987 г., 550 с., с ил., страница 243.).
Известно множество типов модуляторов оптического излучения, построенных на основе механических и электромеханических устройств.
Наибольшее распространение получили дисковые модуляторы (растры), представляющие собой осесимметричные пластинки с прорезями различной конфигурации. (см. «Лидарные системы и их оптико-электронные элементы»: монография / Ю.М.Андреев и др.; Под общ. ред. М.В.Кабанова. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2004, стр.103-125.). Выбрано за прототип.
Технической задачей заявляемого решения является увеличение точности количественного измерения потока рассеянного назад излучения во всем диапазоне дальности действия лидара при заданном динамическом диапазоне приемной регистрирующей системы.
Проблему ближней зоны предлагается решить с помощью электрооптического затвора, оптически блокирующего приемный оптический канал. В соответствие с законом Малюса, интенсивность линейно-поляризованного света, выходящего из поляризатора, пропорциональна интенсивности падающего на поляризатор света и квадрату косинуса угла φ между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора, т.е. свет проходит с некоторым коэффициентом пропускания, поэтому целесообразно управлять углом φ по некоторому закону с помощью управляющего напряжения.
и
и
min
min
Поставленная цель достигается тем, что непосредственно перед фотодетектором установлен электрооптический затвор, оптическая ось которого параллельна оптической оси поляризатора так, что при подаче управляющего напряжения на электрооптический затвор коэффициент пропускания системы «поляризатор - электрооптический затвор» изменяется по заданному закону, при этом в момент посылки лазерного зондирующего импульса на кристалл электрооптического затвора подается напряжение, достаточное для того, чтобы плоскость поляризации повернулась на угол приблизительно 90 градусов, а коэффициент пропускания системы поляризатор - электрооптический затвор стал минимальным, близким к нулю, причем длительность Δt импульса напряжения, запирающего электрооптический затвор, определяется по формуле Δt=2r/с, где r - протяженность теневой зоны лидара, с - скорость света.
В отличие от прототипа, предложенное устройство регистрации лидарного сигнала, согласно формуле, содержит дополнительный оптический элемент - электрооптический затвор, помещенный непосредственно перед фотодетектором, который ограничивает световой поток рассеянного назад излучения, поступающий на фотодетектор, в течение заданного времени с момента посылки в атмосферу зондирующего импульса.
На фиг.1 представлена принципиальная оптическая блок-схема устройства подавления помехи «ближней зоны» при лазерном поляризационном зондировании. Устройство содержит: 1 - лазер, 2 - объектив, 3 - диафрагма поля зрения, 4 - линза. 5 - линейный поляризатор, 6 - электрооптический затвор, 7 - фотодетектор, 8 - блок управления.
Устройство работает следующим образом. Рассеянное лазерное излучение от исследуемого объема среды фокусируется в плоскости изображения объектива (2). Объектив (2), диафрагма (3) и линза (4) образуют афокальную оптическую систему. Световой поток на выходе из этой афокальной системы, пройдя систему из линейных поляризаторов (5) и электрооптического затвора (6), принимается фотодетектором (7). Оптические оси поляризаторов и электрооптического затвора параллельны. Пока управляющее напряжение не подается на электрооптический затвор, световой поток свободно проходит через поляризаторы и затвор. Когда на электрооптический затвор подается напряжение, достаточное для того, чтобы плоскость поляризации затвора повернулась на 90 градусов, тогда пропускание системы из поляризатора и электрооптического затвора будет минимальным, близким к нулю. Управляющий блок (8) синхронизирует во времени работу затвора (6) и лазера (1) таким образом, чтобы регулировать плоскость поляризации проходящего через затвор света и снизить уровень сигнала в «ближней зоне» до заданного уровня.
Из совокупности заявленных признаков следуют следующие преимущества предложенного устройства подавления помехи обратного рассеяния при регистрации лидарного сигнала:
- увеличена дальность зондирования за счет возможности использования более мощного зондирующего лазерного импульса, что обеспечивается ограничением величины сигнала от "ближней зоны" и снижением динамического диапазона сигнала обратного рассеяния.
- обеспечена возможность уменьшения теневой (слепой) зоны зондирования, обусловленная оптимальным согласованием динамического диапазона лидарного сигнала с динамическим диапазоном фоторегистрирующего устройства приемной системы.
Использованные источники информации:
1. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. // М. Мир. 1987 г., 550 с., с ил., стр.243.
2. Лидарные системы и их оптико-электронные элементы: монография / Ю.М.Андреев [и др.]; Под общ. ред. М.В.Кабанова. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2004, стр.103-125.