ЛИДАР ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ АТМОСФЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПТИЧЕСКОГО СКРЕМБЛЕРА

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для дистанционного измерения температуры и может быть использована на метеостанциях и в других системах мониторинга атмосферы.
Известно устройство для измерения температуры (патент РФ №129229, 2013 г.). Недостатком устройства является принципиальное отсутствие возможности проведения дистанционного измерения температуры.
Известен также аэрологический радиозонд (патент РФ №59845, 2006 г.), содержащий датчик температуры и радиопередатчик, с помощью которого информация о температуре, поступающая по мере набора высоты радиозонда, передается на наземную станцию сопровождения. Относительно высокая стоимость одноразового измерительного модуля радиозонда при проведении регулярных измерений определяет высокую стоимость эксплуатации такой системы. Другим недостатком системы радиозондирования является неконтролируемость траектории подъема радиозонда. При среднестатистических скоростях переноса воздушных масс в атмосфере при подъеме на высоту в 15-20 километров зонд может оказаться смещенным от исходной точки запуска на десятки и даже сотни километров, что делает затруднительным использование таких профилей температуры в задачах метеопрогноза. При этом время подъема зонда составляет 1,5-2 часа, что приводит к смещению оценки средних значений температуры вследствие нарушения условия стационарности.
Известен лидар, в котором измерение температуры связано с восстановлением профиля молекулярной плотности атмосферы (Shibata Т., Kobuchi M., Maeda M. Measurement of density and temperature profiles in the middle atmosphere with a XeF lidar // Applied Optics. 1986. V. 25. №5. PP. 685-688) и последующим его пересчетом в температуру, оправданном в предположении гидростатического равновесия атмосферы. Исходной информацией для лидаров такого типа является интенсивность упругого рассеяния зондирующего излучения, для которого принципиально неразделимы вклады молекулярного и аэрозольного рассеяния. Последнее обуславливает основной недостаток метода - он оказывается работоспособным лишь для области атмосферы, свободной от присутствия в ней аэрозоля. Обычно это интервал высот 30-70 километров (стратосфера). Кроме этого тропосферный аэрозоль ослабляет излучение рассеянное в стратосфере, что приводит к значительным ошибкам при восстановлении температуры в стратосфере.
В качестве прототипа выбрана система для измерения температуры в атмосфере (CN 101718871 от 25.07.2012 г.). Известное устройство включает источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу, приемный телескоп, оптически подключенный через моноволоконный световод к входу двойного полихроматора, селектирующий соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния, которые на выходе полихроматора через моноволоконные световоды поступают на фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие оптические сигналы в электрические, которые поступают в блок обработки данных, где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется температура, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР) на молекулах азота и кислорода.
Недостатком устройства является низкая достоверность измерений температуры в «ближней зоне» лидара, из-за неоднородности процесса формирования геометрической функции лидара (фиг. 1 Схема, поясняющая геометрический механизм зависимости величины фокального отношения пучка лучей на выходе приемной оптической системы лидара от дальности расположения рассеивающего объема для трех положений рассеивающего объема). В результате изменения фокального отношения входного пучка в зависимости от дальности зондирования возникает изменение направления хода лучей в спектральных каналах двойного полихроматора, что приводит к возникновению зависимости отношения пропускания спектральных каналов от дальности зондирования. Разная зависимость пропускания спектральных каналов лидара от дальности зондирования приводит к систематической ошибке при определении температуры по отношению интенсивностей двух участков чисто вращательных спектров КР на молекулах азота и кислорода.
Для решения этой задачи предлагается техническое решение, позволяющее уменьшить систематические ошибки при определении температуры, за счет устранения зависимости величины фокального отношения пучка лучей на выходе приемного телескопа лидара от дальности расположения рассеивающего объема.
Как видно из фигуры 1 установка единичного моноволоконного световода не позволяет ликвидировать зависимость величины фокального отношения пучка лучей на выходе приемного телескопа лидара от дальности расположения рассеивающего объема в силу принципиальной способности идеального моноволоконного световода передавать углы входа лучей во входной торец на выход без искажений. Однако при этом информация о распределении интенсивности по входному торцу, световода полностью теряется на выходе световода за счет интегрирования по углам входа лучей.
В этой связи предлагается моноволоконный световод передающий оптические сигналы от приемного телескопа к двойному полихроматору заменить на оптический скремблер, который состоит из двух моноволоконных световодов, оптически соединенных между собой с помощью линзы. Причем линза расположена на равноудаленном расстоянии от торцов световодов, равном ее фокусу.
Установка специальным образом линзы и дополнительного моноволоконного световода (оптического скремблера) уменьшит систематические ошибки при определении температуры, за счет устранения зависимость величины фокального отношения пучка лучей на выходе приемного телескопа лидара от дальности расположения рассеивающего объема. Линза осуществляет Фурье преобразование угол-координата, а затем второй отрезок моноволоконноый световод производит интегрирование по углу. В результате на выходе второго световода распределение по углу будет равномерным от 0 до максимального значения, которое определяется отношением диаметра входного световода к фокусному расстоянию Фурье-линзы (фиг. 2 Принципиальная схема оптического скремблера).
Таким образом, за счет двойного перемешивания лучей в моноволоконный световодах до и после оптического Фурье преобразования происходит устранение зависимости величины фокального отношения пучка лучей на выходе приемного телескопа лидара от дальности расположения рассеивающего объема, что исключает систематическую ошибку при определении температуры.
Блок схема предлагаемого лидара приведена на фиг. 3.
Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы состоит: 1 - лазер, работающий на длине волны 355 нм; 2 - передающая оптическая система; 3 - приемный телескоп; 4 - оптический скремблер; 5 - двойной полихроматор; 6, 7 - фотоэлектронные умножители (ФЭУ 1 и ФЭУ 2); 8 - блок обработки данных.
Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. Пучок, сформированный в лазере (1), через передающую оптическую систему (2) направляется в атмосферу. При распространении в атмосфере лазерное излучение испытывает рассеяние, в том числе и КР. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемный телескоп (3) и далее через оптический скремблер (4) в двойной полихроматор (5), который осуществляет выделение участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода. Регистрация температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР прошедшего через двойной полихроматор происходит с помощью фотоэлектронных умножителей (6, 7), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (8), где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется температура по формуле:
12
6
где I, I - интенсивности сигналов шестых и двенадцатых линий стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, соответственно, α, β - калибровочные константы полохроматоров.