Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для дистанционного измерения температуры атмосферы, 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 дистанционным определением молекулярной плотности атмосферы на основе эффекта релеевского рассеяния [Shibata Т., Kobuchi М., Maeda М. 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 восстановлением профиля температуры, 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, где влиянием эффекта аэрозольного рассеяния можно пренебречь. Обычно это интервал высот 30-70 километров (стратосфера).
В качестве прототипа выбран лидар для измерения температуры атмосферы на основе эффекта спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) с использованием оптического скремблера для выравнивания аппаратной функции (RU №160856 от 23 марта 2016 г.). Известное устройство включает источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемный телескоп и далее через оптический скремблер в двойной полихроматор, селектирующий соответствующие оптические сигналы участков чисто вращательных спектров комбинационного рассеяния, которые с выхода полихроматора по моноволоконным световодам поступают на катоды фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих оптические сигналы в электрические. Далее, электрические сигналы оцифровываются и поступают в блок обработки данных, где выполняется алгоритм вычисления температуры, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода.
Недостатком устройства является большое время измерения температурных профилей атмосферы, обусловленное большим объемом накопления сигналов, необходимым для получения заданной погрешности измерения температуры.
Известно, что время накопления сигнала при измерении температуры атмосферы по отношению интенсивностей участков чисто вращательных спектров СКР на молекулах азота и кислорода определяется как сечением рассеяния, так и крутизной температурной чувствительности выбранных участков спектра и определяется выражением [Бобровников С.М., Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Сериков И.Б., Суханов А.Я. Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы // Томск. Изд-во ИОА СО РАН. 2014. 510 с. - ISBN 978-5-94458-148-8].
где -  и  - средние частоты следования фотоотсчетов лидарных сигналов для участков спектра с отрицательной и положительной зависимостью от температуры соответственно;  - отношение интенсивностей термочувствительных участков спектра; ΔT - погрешность измерения температуры, К;  - крутизна температурной чувствительности отношения сигналов. Интенсивности сигналов  и  определяются энергетическими характеристиками лидара, в то время как крутизна температурной чувствительности отношения сигналов определяется положением выбранных участков в спектре СКР. При этом время накопления квадратично зависит от крутизны температурной чувствительности отношения.
В рассматриваемом прототипе выбранные участки сцентрированы на шестые и двенадцатые линии чисто вращательного спектра СКР на молекулах азота. Выбор участков определился дисперсией монохроматора и размерами применяемых световодов, обеспечивающих надежное выделение участков и подавление фона линии несмещенного рассеяния. При этом, как показывает расчет, крутизна температурной чувствительности отношения сигналов не является оптимальной. Этим и обусловлено относительно большое время накопления сигналов.
В этой связи с целью уменьшения времени накопления сигналов предлагается повысить крутизну температурной чувствительности отношения за счет выделения в двойном полихроматоре не шестых и двенадцатых линий стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, как в прототипе, а четвертых и двенадцатых линий, сохранив при этом адекватное подавление фона линии несмещенного рассеяния. Как показывает расчет, использование четвертых и двенадцатых линий вместо шестых и двенадцатых позволяет повысить крутизну температурной чувствительности отношения в 1,18 раза и соответственно снизить время накопления сигнала в 1,4 раза.
Для решения этой задачи необходимо использовать моноволоконные световоды с меньшим диаметром, что приведет к использованию узкого поля зрения приемо-передающей системы лидара. Использование узкого поля зрения лидара требует использования лазера с дифракционной расходимостью излучения и лазерного расширителя, для уменьшения расходимости лазерного излучения до величины, меньшей, чем поле зрения приемной системы лидара. Кроме этого, узкое поле зрения лидара накладывает определенные ограничения на механическую стабильность и эксплуатационные характеристики лидарной системы.
Меньший диаметр световода одно из возможных технических средств, которое позволяет выделить четвертые и двенадцатые линии стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота. Новизна полезной модели заключается в использование четвертой и двенадцатой линий стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, что приведет к повышению крутизны температурной чувствительности отношения в 1,18 раза и соответственно снизит время накопления сигнала в 1,4 раза Таким образом, используя моноволоконные световоды с меньшим диаметром, в двойном полихроматоре выделяются четвертые и двенадцатые линии стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, сохранив при этом адекватное подавление фона линии несмещенного рассеяния. Использование четвертых и двенадцатых линий позволит повысить крутизну температурной чувствительности отношения в 1,18 раза и соответственно снизить время накопления сигнала в 1,4 раза.
Блок схема предлагаемого лидара приведена на фиг. 1.
Лидар для дистанционного измерения температуры тропосферы 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, ФЭУ 2,); 8 - блок обработки данных. Все блоки и узлы лидара располагаются и закреплены на одном основании и находятся в конструктивном единстве.
Принцип работы предлагаемой лидарной системы 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 СКР. 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 сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра СКР 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
4
где I, I - интенсивности сигналов четвертых и двенадцатых линий стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, соответственно, α, β - калибровочные константы полохроматоров.