Многоволновый лидарный комплекс для контроля оптического состояния атмосферы

Полезная модель относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы и предназначена для дистанционного определения профилей оптических параметров аэрозольных и облачных полей. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при картировании пространственно-временного распределения аэрозольных полей антропогенного происхождения в воздушном бассейне промышленного центра, при контроле трансграничных переносов аэрозольных примесей в период лесных пожаров и активной вулканической деятельности. Многоволновой лидарный комплекс для контроля оптического состояния атмосферы, содержащий источник лазерного излучения на нескольких длинах волн и расположенный в непосредственной близости от него приемный оптический телескоп, на оптической оси которого последовательно установлены спектроделительный блок в виде интерференционных фильтров и дихроичных зеркал и фотоприемный блок, работающий в аналоговом и счетнофотонном режимах для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, выход которого подключен к системе управления, регистрации и обработки информации, отличающейся тем, что для одновременной регистрации сигналов в спектроделительный блок введены неселективные спектроделители, разделяющие неравномерно световой поток аналоговых и счетнофотонных сигналов упругого рассеяния, а также интерференционные полосовые заградительные фильтры для подавления сигналов упругого рассеяния при регистрации сигналов комбинационного рассеяния.

Полезная модель относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы и предназначена для дистанционного определения профилей оптических параметров аэрозольных и облачных полей. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при картировании пространственно-временного распределения аэрозольных полей антропогенного происхождения в воздушном бассейне промышленного центра, при контроле трансграничных переносов аэрозольных примесей в период лесных пожаров и активной вулканической деятельности.

В настоящее время для контроля оптического состояния всей толщи атмосферы широко используются многоволновые солнечные фотометры. Наиболее известна совокупность этих фотометров под названием мировая сеть AERONET.

Основной недостаток подобного рода аппаратуры заложен в самом принципе измерений, когда фотометрирования солнца представляется только интегральный параметр всей толщи атмосферы и нельзя с высоким пространственным разрешением определить его высотный профиль.

Дистанционное лазерное зондирование устраняет этот недостаток и позволяет создать новый класс приборов дистанционного мониторинга атмосферы.

Метод лазерного зондирования атмосферы основан на эффектах рассеяния света на молекулах и аэрозольных частицах атмосферы, в том числе и обратном направлении в направлении источника излучения. Это является основой метода дистанционного зондирования при регистрации обратного рассеяния лазерного импульса. Оптический сигнал поступает на приемный оптический телескоп, затем направляется на фотодетектор, где преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал преобразуется с помощью аналого-цифровых преобразователей или счетчиков фотонов в цифровой вид и направляется для обработки в ПЭВМ, где в соответствии с алгоритмами обработки сигналов извлекают информацию о параметрах атмосферы.

Многообразие эффектов взаимодействия излучения с атмосферой упругое и комбинационное рассеяния, доплеровское рассеяние, поляризационное зондирование, многоволновое зондирование, однократное и многократное рассеяние обуславливает такое же многообразие способов и устройств зондирования атмосферы.

Наиболее простые из них основаны на использовании эффектов упругого рассеяния при зондировании атмосферы на одной длине волны.

Известно устройство для исследований аэрозольных и облачных полей тропосферы, основанное на использовании лазера с одной длиной зондирования и последующей регистрацией пространственной амплитуды развертки сигнала вдоль трассы зондирования [1].

Основное предназначение этого устройства заключается в получении информации о высотной стратификации аэрозольных и облачных полей, а также о высотном профиле оптических параметров (коэффициенты общего и обратного рассеяния) атмосферы.

Основным недостатком этого устройства являются трудности обработки получаемой информации, поскольку в уравнение лазерного зондирования, которое непосредственно связывает параметры атмосферы с характеристиками сигнала, входят одновременно несколько неизвестных параметров. Тем самым задача обработки сигнала с математической точки зрения является некорректной и приходится накладывать определенные априорные ограничения на свойства самой атмосферы.

Следующим шагом для расширения функциональных возможностей лидара является использование в процессе зондирования двух волн зондирования, при этом регистрация сигналов осуществляется только на этих длинах волн, т.е. используются только эффекты упругого рассеяния.

Известен двухволновой лидар для зондирования атмосферы, содержащий два лазерных передатчика, оси излучения которых параллельны и приемную систему, включающие последовательно установленные приемный объектив, блок смены интерференционных и нейтральных светофильтров и фотодетекторы, выход которых подключен к блоку регистрации [2].

Недостатком этого устройства является низкая оперативность измерений. Это обусловлено тем, что при каждом акте зондирования на оптической оси объектива приемной системы может быть установлен только один интерференционный фильтр, соответствующий в данный момент времени длине волны работающего передатчика, а затем требуется временной промежуток для замены. Таким образом, производится попеременное зондирование атмосферы. Кроме того, при регистрации сигналов только упругого рассеяния на длинах волн зондирования по прежнему остаются проблемы связанные с решением обратной задачи по восстановлению оптических параметров атмосферы по данным зондирования.

Общим недостатком известных устройств использующих только упругое рассеяние являются большие погрешности восстановления оптических параметров и микроструктурных аэрозольных частиц.

Наиболее перспективными средствами лазерного зондирования атмосферы являются устройства сочетающие прием сигналов как, на посылаемых длинах волн излучения, так и использующих эффекты комбинационного рассеяния света. В большинстве известных систем [3] для этого используют колебательно-вращательный спектр комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода. Поскольку сечение рассеяния света на этих газах известно, то это позволяет непосредственно из сигналов комбинационного рассеяния без всяких априорных допущений о свойствах атмосферы определять оптические параметры среды.

Аналогом лидарной системы для многоволнового зондирования атмосферы является лидар Института физики Академии наук (Беларусь) [3]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения, генерирующего одновременно световые импульсы на трех длинах волн: 1064, 532 и 355 нм, приемного телескопа с набором интерференционных фильтров, позволяющих селектировать эти оптические сигналы, фотодетекторов, подключенных через блоки регистрации электрических сигналов к ПЭВМ.

Основным недостатком этого многоволнового лазерного устройства является отсутствие каналов комбинационного рассеяния света, что не позволяет независимым образом определять оптические параметры атмосферы.

Ближайшим аналогом многоволнового лидарного комплекса для контроля оптического состояния атмосферы является лидар, описанный в работе [4]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения на базе Nd-лазера (532; 1064 нм) и трех приемных телескопов, расположенных в непосредственной близости от источника излучения. Эти три телескопа предназначены для раздельной регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, обладают различными углами поля зрения. Кроме того, в этих приемных телескопах раздельно установлены фотодетекторы, работающие в аналоговом и счетно-фотонном режимах работы.

Основным недостатком прототипа, вследствие использования в лидаре трех различных оптических приемных телескопа является то, что лидарные сигналы проходит не один оптический путь, поскольку находятся не на одной оптической оси. Вследствие этого возникают погрешности измерений, обусловленные как атмосферной неоднородностью, так и тем, что лидарные сигналы формируются с различными геометрическими функциями телескопов в ближней зоне.

Предполагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая прием всех сигналов упругого и комбинационного рассеяния на одном приемном телескопе.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом.

Для того, чтобы одновременно регистрировать все сигналы на одном приемном телескопе в спектроделительный блок в виде интерференционных фильтров и дихроичных зеркал и фотоприемный блок, работающий в аналоговом и счетнофотонном режимах для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, введены неселективные спектроделители, разделяющие неравномерно световой поток аналоговых и счетнофотонных сигналов упругого рассеяния, а также интерференционные полосовые заградительные фильтры для подавления сигналов упругого рассеяния при регистрации сигналов комбинационного рассеяния. При этом спектроделители разделяют неравномерно световой поток таким образом, что фотоприемники для аналоге и счетнофотонного режимов работают в линейном диапазоне чувствительности, а дихроичные зеркала отражают коротковолновое излучение и пропускают длинноволновую часть спектра.

В Институте оптики атмосферы СО РАН разработан и создан многоволновой стационарный лидар, в котором полностью реализована схема одновременного наблюдения лидарных сигналов упругого и комбинационного рассеяния при облучении среды на лазерных длинах волн 1064, 532 и 355 нм. Лидар построен на основе лазера LOTIS-2135 на Nd:YAG и приемного зеркального телескопа системы Кассегрена диаметром 300 мм. Основные параметры лидара: энергия излучения на длинах волн: 1064 нм - 140 мДж, 532 нм - 120 мДж, 355 нм - 40 мДж. Диаметр зондирующего пучка 50 мм, расходимость 0.5 мрад. Поле зрения приемника 1 мрад. Кроме эхо-сигналов упругого рассеяния, лидар регистрирует сигналы комбинационного рассеяния (КР) на молекулярном азоте (387 нм и 607 нм) и в дальнейшем КР водяным паром (407 нм).

Принципиальная оптическая схема лидара приведена на рисунке.

DP1 - дихроичная пластинка, отражение 355, 387 и 407 нм на уровне 98%.

NF1 - фильтр, обрезающий излучение 532 нм (<0.01%).

DP2 - дихроичная пластинка, отражение излучения 355 нм (99%).

NF2 - фильтр, обрезающий излучение 355 нм (<0.02%).

GP1 - стеклянная пластина, отделение 4% излучения 387 нм.

DP3 - дихроичная пластинка, отражение излучения 532 и 607 нм (98%).

GF1 - стеклянный фильтр ЖС11 для подавления излучения 355 нм (<0.01%).

DP4 - дихроичная пластинка, отражение излучения 532 нм.

GP2 - стеклянная пластина, отделение 4% излучения 532 нм на счетный канал.

GF2 - стеклянный фильтр КС15 для подавления излучения 355 и 532 нм.

IF - узкополосные интерференционные фильтры.

Система спектрального разделения принимаемых сигналов основана на последовательном расщеплении пучка с помощью дихроичных пластинок (DP). Ослабление излучения возбуждающей линии с помощь обрезающих (NF) фильтров в сумме с интерференционными светофильтрами, установленными на каждом фотоприемнике, позволяет осуществить подавление возбуждающего излучения (355 и 532 нм) на каналах комбинационного рассеяния на уровне 10^-10 для 387 и 407 нм, и 10^-6 для 607 нм, и на уровне 10^-7 для канала 1064 нм.

Сигналы упругого рассеяния на 355 нм и 532 нм регистрируются в токовом режиме фотоэлектронными умножителями ФЭУ-84 с оригинальными (разработка ИОА) блоками питания, позволяющими устранять влияние фоновых солнечных засветок на чувствительность ФЭУ.

Оцифровка аналоговых сигналов на длинах волн 355 нм и 532 нм производится 12-разрядными АЦП с пространственным разрешением от 1,5 м. Сигнал на 1064 нм регистрируется фотоприемным модулем ЛФД-30956-ТЕ, в состав которого входит лавинный фотодиод С30956Е Perkin&Elmer с микрохолодидьником и 14-разрядным АЦП. Сигналы комбинационного рассеяния регистрируются фотоприемными модулями Н5783Р (Hamamatsu), с усилителями разработки ИОА и счетной платой PMS-400A (Becker&Hickl GmbH), позволяющей проводить счет фотонов до частоты 800 МГц с пространственным разрешением 37.5 м. Для корректного сравнения сигналов комбинационного и упругого рассеяния часть (около 5%) излучения на 355 нм и 532 нм отводится в аналогичные счетные каналы. При частоте повторения импульсов лазера 10 Гц и накоплении фотонов в течение 30 мин. сигналы КР на молекулярном азоте в отсутствие облачности уверенно регистрируются до высоты тропопаузы. Пробные сигналы КР водяным паром на длине волны 407 нм показывают возможность регистрации водяного пара до высот 2-4 км в зависимости от синоптических условий.

Литература:

1. Bairashin G.S., Balin Yu.S., Ershov A.D., Kokhanenko G.P., Penner I.E. Lidar "LOZA-MS" for investigation of aerosol fields in troposphere. // Optical Engineering. 2005. V.44 (7). P.071209-1-071209-7.

2. Авторское свидетельство 801721, авторы: Балин Ю.С., Кауль Б.В., Самохвалов И.В., Зуев В.Е., Жильцов В.И., Козинцев В.И. «Двухволновой оптический локатор для зондирования атмосферы»

3. Bösenberg J., Ansmann A., Baldasano J., Balis D., Böckmann C., Calpini В., Chaikovsky A., Flamant P., Hagard A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinelli, Trickle Т., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET-A European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote sensing: Selected papers 20-th Int. Laser Radar Conference (ILRC). Vichi. France. 10-14 July 2000. 2000. P.155-158.

4. 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

1. Многоволновой лидарный комплекс для контроля оптического состояния атмосферы, содержащий источник лазерного излучения на нескольких длинах волн и расположенный в непосредственной близости от него приемный оптический телескоп, на оптической оси которого последовательно установлены спектроделительный блок в виде интерференционных фильтров и дихроичных зеркал и фотоприемный блок, работающий в аналоговом и счетнофотонном режимах для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния, выход которого подключен к системе управления, регистрации и обработки информации, отличающийся тем, что для одновременной регистрации сигналов в спектроделительный блок введены неселективные спектроделители, разделяющие неравномерно световой поток аналоговых и счетнофотонных сигналов упругого рассеяния, а также интерференционные полосовые заградительные фильтры для подавления сигналов упругого рассеяния при регистрации сигналов комбинационного рассеяния.

2. Многоволновой лидарный комплекс по п.1, отличающийся тем, что спектроделители разделяют неравномерно световой поток таким образом, что фотоприемники для аналогового и счетнофотонного режимов работают в линейном диапазоне чувствительности.

3. Многоволновой лидарный комплекс по п.1, отличающийся тем, что дихроичные зеркала отражают коротковолновое излучение и пропускают длинноволновую часть спектра.