ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ЛИДАР

Полезная модель относится к области использования лидарных технологий в метеорологии и атмосферной оптики, может применяться для измерения оптических и микрофизических параметров атмосферы, для контроля уровня загрязнения атмосферы, распознавания кристаллических и градоопасных облаков и т.д.
Известен простейший тип лидара для зондирования атмосферы, основанный на использовании лазера, оптического телескопа с фотоприемником и системой регистрации, позволяющей записывать пространственный профиль амплитуды лидарного сигнала вдоль трассы зондирования [Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Изд-во ИОА СО РАН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр. 89].
Предназначение этого лидара заключается в получении информации о высотном распределении параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы.
Основным недостатком этого и других аналогичных устройств [Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В. «Аэрозольно-рамановский лидар «ЛОЗА-М2» // Квантовая электроника. 2011. №10. С. 945-949] является ограниченные функциональные возможности, обусловленные трудностью выделения пространственных областей аэрозольной и облачной атмосферы содержащих несферические частицы, поскольку в лидарах не осуществляется поляризационный анализ принимаемых лидарных сигналов.
Известны оптические поляризационные устройства для зондирования атмосферы, состоящие из источника линейно-поляризованного излучения, фотоэлектрических приемников, блока регистрации и оптической системы, содержащее поляризационные фильтры, делящие рассеянное в обратном направлении излучение на два взаимно ортогональных компонента, один из которых параллелен плоскости поляризации излучаемого светового потока [Авторское свидетельство СССР №373602, кл. G01W 1/00, 1971; Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы. Изд. ИОА СО АН СССР, Томск, 1976, с. 236].
В этих устройствах на среду направляют пучок плоскополяризованного света и измеряют степень деполяризации, как отношение сигналов двух ортогональных компонент, которая является критерием границ области многократного рассеяния света и присутствия несферических частиц. В качестве приемников излучения используются два телескопа с фотодетекторами, перед которыми установлены поляризационные фильтры.
Недостатком подобных устройств является необходимость использования двух приемных телескопов, что усложняет конструкцию локатора и вызывает трудность точной совместной настройки телескопов на один рассеивающий объем.
Ближайшее техническое решение к полезной модели - поляризационный лидар для зондирования атмосферы, включающий источник поляризационного излучения, приемный телескоп с расположенными на оптической оси поляризационным расщепителем-анализатором, делящим рассеянное в обратном направлении излучение на два пучка со взаимно ортогональными компонентами и двумя фотодетекторами с блоком регистрации [Toshiyuki Murayama, Hajime Okamoto, Naoki Kaneyasu, Hiroki Kamataki, and Kazuhiko Miura. Application of lidar depolarization measurement in the atmospheric boundary layer: Effects of dust and sea-salt particles // Journal of Geophysical Research, vol. 104, no. d24, pages 31,781-31,792, December 27, 1999].
Основным недостатком этого устройства является аппаратная погрешность измерения степени деполяризации излучения в рассеивающем объеме атмосферы. Это связано с тем, что при использовании двух фотоприемников, измеряемая степень деполяризации существенно зависит от погрешности регистрации отношения лидарных сигналов фотодетекторов, чувствительность которых различна, поскольку двух одинаковых фотодетекторов не существует.
Цель полезной модели - уменьшение погрешности измерения степени деполяризации сигналов поляризационного лазера.
Поставленная цель достигается тем, что перед поляризационным расщепителем-анализатором установлена полуволновая фазовая пластина с возможностью полного кругового вращения ею осью наибольшего пропускания относительно оптической оси телескопа. Это позволяет в процессе измерений произвести взаимную калибровку чувствительности фотодетекторов, путем пространственного изменения поляризационного приемного базиса за счет дискретного вращения полуволновой фазовой пластинки и регистрации сигналов фотодетекторов при каждом фиксированном положении пластинки. При полном обороте полуволновой пластинки каждый фотодетектор зарегистрирует набор амплитуд лидарных сигналов от максимального до минимального. Сумма сигналов определит интегральное значение сигнала для каждого фотодетектора, которые в общем случае будут отличаться друг от друга, поскольку чувствительность фотодетекторов различна. Отношение интегральных сигналов двух фотодетекторов является величиной коэффициента калибровки, т.е. коэффициентом пропорциональности чувствительности между двумя фотодетекторами. При этом не имеет значения точность установки быстрой оси полуволновой фазовой пластинки относительно плоскости линейной поляризации источника излучения, поскольку интегральное значение сигнала при полном обороте пластинки будет постоянным независимо от ее первоначального положения.
На фиг. 1 схематично изображена блок-схема поляризационного лидара для зондирования атмосферы.
Лидар содержит общую платформу 1, на которой расположены источник 2 линейно-поляризованного излучения (лазер), рядом с которым расположен приемный оптический телескоп 3 с углом поля зрения, охватывающим весь световой пучок, направляемый источником в атмосферу.
На выходе телескопа на его оптической оси установлена полуволновая фазовая пластинка 4 с возможностью полного кругового вращения относительно оси телескопа.
После фазовой пластинки на оптической оси установлен расщепитель-анализатор 5 (призма Волластона), который разделяет световой пучок на два компонента с ортогональной поляризацией (параллельный и перпендикулярный). На выходе анализатора 5 на пути расщепленных лучей установлены два фотодетектора 6 и 7, преобразующих световые сигналы в электрические, при этом два фотодетектора 6 и 7 электрически подключены к блоку регистрации 8, где сигналы оцифровываются и обрабатываются.
Поляризационный лидар работает следующим образом.
В первый момент времени быстрая ось фазовой пластинки 4 устанавливается под углом 0 градусов к плоскости референции, а источник излучения 2 посылает в атмосферу линейно-поляризованное излучение. Рассеянное в обратном направлении излучение поступает на приемный оптический телескоп 3, собирается в узкий световой пучок, коллимируется и направляется на фазовую пластинку 4 и далее на поляризационный расщепитель-анализатор 5, который разделяет его на два взаимно-ортогональных компонента. Ортогональные компоненты светового потока направляются на фотодетекторы 6 и 7, которые преобразуют их в электрические сигналы и затем поступают в блок регистрации 8 для оцифровки, записи и обработки. При таком положении полуволновой фазовой пластинки один сигнал с параллельной плоскостью поляризации имеет максимальное значение, а второй - с ортогональным компонентом достигает минимальной величины. В дальнейшем через измеренное отношение интенсивности сигналов ортогональных компонент определяется степень деполяризации обратно рассеянного излучения.
Во второй момент времени фазовые пластинки 4 поворачиваются на нектороый угол, например 10 градусов. Затем вновь производится посылка линейно-поляризованного излучения в атмосферу от источника 2. Рассеянное атмосферой в обратном направлении излучение вновь поступает на приемный оптический телескоп 3, полуволновую фазовую пластинку 3, расщепитель-анализатор 5, на фотодетекторы 6 и 7, электрические сигналы с которых поступают на блок регистрации 8.
При этом фотодетекторы 6 и 7 регистрируют ортогональные поляризационные компоненты лидарного сигнала о новом поляризационном базисе, развернутом относительно первоначального на угол 10 градусов. В этом положении фазовой пластинки 4 сигнал с параллельной первоначально плоскостью поляризации будет уменьшаться от максимального, а сигнал с ортогональным компонентом увеличиваться.
В дальнейшем эти операции, путем вращения пластинки 4, повторяют до достижения первоначального положения пластинки, после чего в блоке регистрации 8 вычисляют интегральные значения сигналов от фотодетекторов 6 и 7 за весь цикл измерений.
Отношение интегральных значений сигналов определяет коэффициент калибровки фотодетекторов между собой, т.е. учитывает степень различия чувствительностей фотодетекторов. Данный коэффициент в дальнейшем учитывается при определении степени деполяризации обратно рассеянного излучения через отношение амплитуды сигналов двух фотодетекторов.