УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ УСИЛЕНИЯ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использовано в схемах лазерных локаторов (лидар) для дистанционного зондирования атмосферной турбулентности.
Из известных устройств, наиболее близким к заявленному устройству является лидар 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 (Патент (Россия) №116245 Гурвич А.С. Лидар. Патентообладатель: Учреждение Российской академии наук Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН).
Недостатком этого устройства является низкая чувствительность из-за невозможности регистрировать сигнал точно на оси зондирующего пучка, так как часть принимаемого сигнала блокируется вторичным зеркалом телескопа и из-за невозможности использовать малые приемные апертуры, сравнимые с размером зоны Френеля. Известное устройство обладает низкой чувствительностью так же потому, что не учитывает факт непрерывного движения атмосферы и предполагает последовательное проведение измерений на оси и вне оси приемной системы. Прототип обладает низкой надежностью, потому что подвижные механические части не могут обеспечить точное перенаправление лазерного луча в тот же самый зондируемый объем атмосферы, что создает неопределенность и является дополнительным источником ошибок.
Задача, решаемая полезной моделью, состоит в создании конструкции, обладающей повышенной чувствительностью и надежностью, за счет применения в полезной модели двух фотоприемников (осевой и внеосевой каналы), использование неподвижной светоразделительной пластины вместо подвижного зеркала.
Поставленная задача реализуется в устройстве, где приемный афокальный телескоп используется для расширения зондирующего лазерного пучка при передаче светового импульса в атмосферу и для одновременного приема обратно рассеянного излучения точно вдоль оси зондирующего пучка (осевой приемный канал) и приема обратно рассеянного излучения на расстоянии шести зон Френеля от оси зондирующего пучка (внеосевой канал).
В одной части телескопа формируется узкий пучок равный первой зоне Френеля, который через первое отверстие апертурной диафрагмы направляется в атмосферу и фокусируется на заданном удалении, а рассеянное атмосферой излучение из одного и того же объема принимается одновременно двумя фотоприемниками, первый из которых принимает излучение дважды прошедшее через одни и те же турбулентные неоднородности при распространении излучения туда и обратно до рассеивающего объема и поступившее на первое отверстие апертурной диафрагмы. Второй фотоприемник регистрирует излучение, которое при распространении туда и обратно прошло через разные турбулентные неоднородности и поступило на второе отверстие апертурной диафрагмы, равное первому отверстию апертурной диафрагмы и отстоящее от него на расстояние не менее чем в шесть раз превышающим диаметр апертурной диафрагмы. Сигнал осевого канала нормируется на сигнал внеосевого канала, чтобы полностью исключить влияние неоднородного распределения коэффициента рассеяния вдоль направления зондирования.
Таким образом, в данной полезной модели устраняется недостаток точного перенаправления лазерного луча в тот же самый зондируемый объем атмосферы и регистрации сигнала точно на оси зондирующего пучка.
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.
Устройство 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 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 атмосферу зондирующий пучок 7, а возвращается излучение осевого приемного канала 11. Через нижнее отверстие диафрагмы 8 возвращается излучение внеосевого приемного канала 12. Предлагаемая конструкция позволяет регистрировать одновременно оба сигнала из одного рассеивающего объема и при этом достигается абсолютное совмещение приходящего пучка осевого канала с зондирующим пучком, что имеет принципиальное значение при регистрации УОР. Далее принимаемые пучки 11 и 12 проходят через светоделитель 4 (антенный переключатель) и затем поступают на формирователь поля зрения приемной системы, состоящий из фокусирующей линзы 13, апертурной диафрагмы 14 и коллимирующей линзы 15. После установлен интерференционный фильтр 16, отсекающий фон неба, и фотоприемники 17 и 18. Электрические сигналы с фотоприемников 17 и 18 идут на систему регистрации 19, соединенную с компьютером 20.
Устройство использует эффект «усиления обратного рассеяния», который можно наблюдать только в пределах зоны Френеля (точное название «первая зона Френеля»), размер которой определяется как корень квадратный из произведения длины волны излучения на дальность зондирования. Например, если использовать вторую гармонику твердотельного лазера на гранате с длиной волны 532 нм и зондировать на расстояние 3 км, то размер зоны Френеля составит 40 мм. Схема устройства, включая атмосферу и рассеивающий объем, приведена на фиг. 1. Размер зоны Френеля определяет: размер зондирующего пучка 7 за телескопом, диаметры отверстий d=40 мм двойной диафрагмы 8 и расстояние D=6d=240 мм между ними. Приемо-передающий телескоп должен быть сфокусирован на дистанцию L=3 км путем изменения расстояния l 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 4, являющуюся антенным переключателем. Пластинка 4 отражает 50% энергии светового импульса и направляет его 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 приходит излучение, которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности и это излучение формирует осевой приемный канал. На нижнюю приемную апертуру приходит излучение, 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 должно превышать излучение вне оси пучка. Излучение на оси 11 и излучение вне оси 12 проходят через телескоп 6-5 и далее 50% энергии каждого пучка проходит сквозь светоделитель 4 антенного переключателя. Затем это излучение поступает в приемный ящик через фокусирующую линзу 13, в фокусе которой располагается апертурная диафрагма 14, которая определяет равные поля зрения для обоих каналов. После диафрагмы 14 пучок осевого канала 11 и пучок вне осевого канала 12 коллимируются линзой 15 и проходят сквозь интерференционный фильтр 16 и затем поступают, соответственно, на фотодетекторы 17 и 18. Детекторы 17 и 18 преобразуют оптические сигналы в электрические, которые поступают в систему регистрации 19. Кроме того, в систему регистрации 19 от лазера 1 поступает сигнал синхронизации в момент посылки зондирующего импульса в атмосферу. Система регистрации 19 производит накопление осевого и внеосевого сигналов и затем информация в цифровом виде передается в компьютер 20. Компьютер 20 используется для расчета калибровочных коэффициентов (здесь не приводится) и для вычисления отношения осевого и внеосевого сигналов, величина которого в отсутствие турбулентности равна единице, а при ее наличии больше единицы в зависимости от ее интенсивности.