Мобильный лидар для зондирования тропосферного озона

Область техники, к которой относится полезная модель, предназначена для дистанционного определения вертикального распределения озона на основе методов контроля атмосферы. Модель может быть использована для решения экологических задач атмосферы, таких как обеспечение комфортного состояния окружающей среды и решения проблем климатологии планеты.
Озон играет определяющую роль в поглощении жесткой солнечной ультрафиолетовой радиации, поддерживая, таким образом, достаточно низкий и биологически безопасный уровень этого излучения у поверхности земли.
Для измерения вертикального распределения озона среди различных инструментов применяются и лидары. Лидарные измерения ВРО выполняются на основе метода дифференциального поглощения рассеянной назад энергии лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне спектра 200–370 нм (полоса Хартли-Хаггинса).
Известен аналог полезной модели мобильный лидар дифференциального поглощения для зондирования озона GSFC TROPOZ DIAL (Sullivan, J. T., McGee, T. J., Sumnicht, G. K., Twigg, L. W., and Hoff, R. M.: A mobile differential absorption lidar to measure sub-hourly fluctuation of tropospheric ozone profiles in the Baltimore–Washington, D.C. region, Atmos. Meas. Tech. 2014. V. 7. issue 10. P. 3529–3548). Это устройство состоит из двух Nd:YAG лазеров, генерирующих одновременно световые импульсы на длине волны 266 нм и двух ВКР-ячеек (ячейки вынужденного комбинационного рассеяния) с дейтерием и водородом с гелием, как буферным газом, под высоким давлением до 70 атм. Лидар работает на парах длин волн зондирования 289/299 нм в диапазоне высот 0,4 км до 12 км. Приемная система лидара состоит из главного телескопа, собранного по схеме Ньютона, с основным зеркалом диаметром 45 см и четырех малых телескопов диаметром 2,5 см. Сигналы с большого телескопа на длинах волн 289/299 нм используются для восстановления профилей ВРО в тропосфере, а четыре малых телескопа позволяют получать сигналы от приземных и средних слоев тропосферы на длинах волн 289 и 299 нм, соответственно. Приемно-регистрирующая аппаратура лидара состоит из ФЭУ 7400Р-03 фирмы HAMAMATSU и счетчика импульсов фототока (счетчика фотонов) + АЦП модели TR20-80 фирмы Licel, которая позволяет регистрировать лидарные сигналы с пространственным разрешением 15 м. Лидарные сигналы позволяют восстанавливать профили ВРО в диапазоне 0,1–1,5 км с пространственным разрешением 275 м, 1,5–5 км с разрешением 525 м и в диапазоне 3–12 км с разрешением 750. Основным недостатком аналога является малое пространственное разрешение лидарных сигналов 15 м. Поэтому из этих лидарных сигналов восстанавливаются профили ВРО с пространственным разрешением от 275 м до 750 м.
Основным недостатком аналога является малое пространственное разрешение лидарных сигналов 15 м. Поэтому из этих лидарных сигналов восстанавливаются профили ВРО с пространственным разрешением от 275 м до 750 м.
Прототипом лидара дифференциального поглощения для зондирования озона является лидар Института оптики атмосферы СО РАН (Невзоров А.В., Невзоров А.А., Долгий С.И., Романовский О.А. Лидар для зондирования озона в верхней тропосфере - нижней стратосфере RU № 181160 от 5 июля 2018 г.).
Лидар работает на паре длин волн зондирования 299/341 нм. Эти длины волн зондирования получаются после вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) - преобразования четвертой гармоники (266 нм) Nd:YAG лазера в ВКР-ячейке, заполненной водородом давлением 1 атм. Входное и выходное окна ВКР-ячейки изготовлены из кварцевого стекла КУ-1. Лазерное излучение после ВКР-ячейки с помощью автоматизированного юстировочного узла с выходным зеркалом направляется в атмосферу. Обратно рассеянное оптическое излучение собирается приемным телескопом, выполненным по схеме Ньютона, с главным приемным зеркалом диаметром 0,5 м, селектируется в кювете спектральной селекции и регистрируется фотоэлектронными умножителями ФЭУ (R7207-01) фирмы HAMAMATSU, работающими в режиме счета импульсов фототока. Электрические импульсы ФЭУ усиливаются усилителями-дискриминаторами фирмы HAMAMATSU и поступают на счетчик импульсов фототока (счетчик фотонов) PHCOUNT 6/2, где происходит их суммирование по 2048 временным интервалам с разрешением по высоте 10 м (66,66 нм). Охватываемый лидаром высотный диапазон соответствует 5–20 км.
Основным недостатком прототипа является малое пространственное разрешение лидарных сигналов 10 м. Поэтому из этих лидарных сигналов восстанавливаются профили ВРО с пространственным разрешением 720 м. Также недостатком прототипа является малое число временных интервалов счетчика фотонов равное 2048, что не позволяет работать с высоким пространственным разрешением. Кроме этого, прототип имеет большую базу (2,4 м), где геометрический фактор лидара не позволяет получать полные лидарные сигналы от поверхности Земли, тем самым ограничивает восстановление профилей озона ~ с 5 км.
Задачей технического решения является получение лидарных сигналов с помощью лидара работающего на длинах волн 299/341 нм в диапазоне высот 0,1–12 км с высоким пространственным разрешением равным 1,5 м.
В предлагаемой полезной модели используется лидар дифференциального поглощения, в составе которого один Nd:YAG-лазер и одна ВКР-ячейка с водородом, оборудованная фокусирующей и коллимирующей линзами, которая позволяет преобразовать лазерное излучение от единственного источника изучения на длине волны 266 нм в излучение на паре длин волн 299/341 нм и телескопа с диаметром 35 см. Лидар позволяет получать лидарные сигналы в высотном диапазоне 0,1–12 км и на этой основе восстанавливать ВРО. Увеличение пространственного разрешения лидарных сигналов, достигается установкой нового автономного счетчика фотонов (PHCOUNT_4Е), который накапливает их по 16384 временным интервалам с разрешением 1,5 м.
Техническое решение позволяет проводить измерение ВРО в высотном диапазоне 0,1–12 км и получать лидарные сигналы с высоким пространственным разрешением 1,5 м, что позволяет более детально выявлять структуру ВРО. Из зарегистрированных лидарных сигналов восстанавливаются профили ВРО с пространственным разрешением 46,5 м.
На фиг. 1 приведена блок-схема лидара, где 1 – твердотельный импульсный лазер SOLAR LS; 2, 3, 7, 9, 10 – поворотные зеркала; 4 – фокусирующая линза; 5 – ячейка вынужденного комбинационного рассеяния с водородом; оборудованная линзами; 6 – коллимирующая линза; 8 – зеркальный коллиматор; 11 – приемный телескоп, собранный по схеме Кассегрена с главным зеркалом диаметром 35 см; 12 – кювета спектральной селекции; 13– полевая диафрагма; 14– коллимирующая линза; 15 – спектроделительное зеркало; 16, 18– интерференционные фильтры; 17, 19 – фокусирующие линзы; 20, 21– модули фотоэлектронных умножителей Н12386-210 HAMAMATSU; 22– счетчик фотонов PHCOUNT_4Е; 23– световод для синхронизации работы счетчика фотонов и импульсного Nd:YAG -лазера; 24 – оптическая скамья.
Устройство работает следующим образом:
(1)
(2, 3),
4)
4)
(5)
4)
6)
6)
(7)
(8),
(9, 10)
(10)
внут
Излучение Nd:YAG лазера на длине волны 266 нм (4-ая гармоника)  проходя и отражаясь от зеркал  попадает на ВКР-ячейку с водородом. Необходимая для получения эффекта вынужденного комбинационного рассеяния плотность мощности накачки обеспечивается линзой ( с фокусным расстоянием 0,52 м. После линзы (лазерное излучение попадает в ВКР-ячейку с водородом - трубу из нержавеющей стали ∅ 3 см ×1,04 м, оборудованную линзами ( и ( в качестве входных и выходных окон, выполненных из материала КУ-1. Энергия импульса накачки на длине волны 266 нм составляет 29 мДж. После ВКР-ячейки лазерное излучение проходит через коллимирующую линзу (с фокусным расстоянием 0,52 м. Далее лазерное излучение на длинах волн 299 и 341 нм отражаясь от поворотного зеркала  попадает в зеркальный коллиматор который расширяет луч в 5 раз, тем самым уменьшает расходимость до 0,2 мрад. После зеркального коллиматора с помощью поворотных зеркал  излучение направляется в атмосферу. Поворотное зеркало установлено соосно в центре приемного телескопа. Собранная коаксиальная схема вывода лазерного излучения в атмосферу позволяет получить нулевую базу лидара и обеспечить полный прием лидарных сигналов.
(11)
(13)
(12
(14)
(15),
(15).
(16)
(18)
(17, 19)
(20, 21)
(22)
(22)
(23)
(1-11)
(24).
Оптический сигнал обратного рассеяния из атмосферы собирается приемным телескопом, разработанным по схеме Кассегрена с главным приемным зеркалом  ∅ 35 cм и фокусным расстоянием 0,7 м. Принятое из атмосферы телескопом обратно рассеянное излучение лазера направляется в кювету спектральной селекции. В фокусе главного премного зеркала располагается полевая диафрагма . После полевой диафрагмыдиаметром1 мм оптический сигнал поступает в кювету спектральной селекции ), где, проходя линзу  - коллимируется. Параллельное излучение попадает на дихроичное зеркало где происходит селекция по длинам волн. Излучение на длине волны 299 нм отражается, а 341 нм пропускается  После дихроичного зеркала излучение проходит через узкополосные интерференционные фильтры  для 299 нм и  для 341 нм и затем фокусируется линзами  на фотокатод модулей фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) Н12386-210 фирмы HAMAMATSU  на соответствующей длине волны. Модули ФЭУ служат для преобразования оптического сигнала в электрический сигнал уровней транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Электрические сигналы с модулей ФЭУ через коаксиальные кабели поступают на автономный счетчик фотонов PHCOUNT_4Е  в регистрирующем тракте лидара, где счетчиком происходит суммирование оцифрованных сигналов по 16384 временным интервалам с разрешением 10 нм (1,5 м). Автономный счетчик фотонов PHCOUT_4E работает как веб-сервер, доступ к которому можно получить с любого подключенного к Интернету компьютера, введя IP-адрес в веб-браузере. PHCOUT_4E можно подключить к сети либо с помощью сетевого кабеля, либо через Wi-Fi. Для синхронизации работы счетчика фотонов  с импульсным Nd:YAG лазером используется оптический световод  , который установлен после ячейки ВКР-преобразования. Все устройства  включая PHCOUNT_4Е закреплены резьбовым соединением на оптической скамье
На фиг. 2 показан пример восстановленного ВРО с пространственным разрешением 46,5 м в высотном диапазоне 0,1–12 км.
Как показали проведенные испытания, полезная модель позволяет измерять вертикальное распределение озона в высотном диапазоне 0,1–12 км с пространственным разрешением 46,5 м на основе получаемых лидарных сигналов с высоким пространственным разрешением 1,5 м по 16384 временным интервалам.