Поляризационный лидар для зондирования 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.

Поляризационный лидар для зондирования атмосферы, включающий источник линейно-поляризованного излучения, приемный телескоп с расположенными на оптической оси четвертьволновой фазовой пластинкой, с возможностью вращения ею осью наибольшего пропускания, поляризационный расщепитель анализатор и два фотодетектора с блоком регистрации.

В лидаре на выходе источника поляризационного излучения установлена четвертьволновая фазовая пластинка, с возможностью синхронного вращения с фазовой пластинкой телескопа, что позволяет использовать линейную и круговую поляризацию лазерного излучения при зондировании атмосферы.

Проведенные испытания показали, что полезная модель поляризационного лидара с возможностью последовательного зондирования кристаллических облаков излучением с круговой и линейной поляризацией позволяет надежно контролировать в облаках области с упорядоченным расположением кристаллических частиц, которые обладают зеркальным отражением.

Полезная модель относится к области метеорологии и атмосферной оптики, применяется для измерения оптических и микрофизических параметров атмосферы и может быть использована для контроля уровня загрязнения атмосферы, распознавания кристаллических и градоопасных облаков.

Известны оптические поляризационные устройства для зондирования атмосферы, состоящие из источника линейно-поляризованного излучения, фотоэлектрических приемников, блока регистрации и оптической системы, содержащей поляризационные фильтры, делящие рассеянное в обратном направлении излучение на два взаимно ортогональных компонента, один из которых параллелен плоскости поляризации излучаемого светового потока [1,2].

В этих устройствах на среду направляют пучок плоскополяризованного света и измеряют степень деполяризации, которая является критерием границ области многократного рассеяния света. 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. Кроме того, наличие в приемном тракте только поляризационных фильтров позволяет определять только степень деполяризации, не получая информации о состоянии формы поляризации отраженной волны.

Известно также оптическое поляризационное устройство, состоящее из источника линейно-поляризованного света, одного приемного телескопа с поляризационным расщепителем (призма Волластона) и двумя фотодетекторами.

В этом устройстве призма Волластона ориентирована так, что на ее выходе один из компонентов эхо-сигнала параллелен плоскости поляризации излучаемого светового потока, а второй ей ортогонален [3].

Недостатком устройства являются трудности выделения в метеообразованиях областей, состоящих из частиц несферической формы и индикации их преимущественной пространственной ориентации. Это связано с тем, что зондирующее излучение и поляризационный расщепитель имеют строго фиксированную в пространстве ориентацию плоскостей поляризации, что не позволяет фиксировать наблюдаемое в эксперименте из-за наличия несферичности частиц вращения плоскости поляризации.

Ближайшее техническое решение к полезной модели - поляризационный лидар для зондирования атмосферы, включающий источник поляризационного излучения, приемный телескоп с расположенными на оптической оси четвертьволновой фазовой пластинкой, с возможностью вращения ею осью наибольшего пропускания, поляризационный расщепитель-анализатор и два фото детектора с блоком регистрации [4].

Основным недостатком этого устройства является трудности определения наличия зеркально отражающих частиц при измерении степени деполяризации в рассеивающем объеме атмосферы. Это связано с тем, что при использовании исходной линейной поляризации лазера, измеряемая степень деполяризации существенно зависит от ориентации плоскости референции лидара по отношению к направлению ориентации частиц.

Цель полезной модели - обнаружение зеркально отражающих слоев в атмосфере, образованных частицами, преимущественно ориентированными в горизонтальной плоскости.

Поставленная цель достигается тем, что на выходе источника линейно-поляризованного излучения установлена аналогичная четвертьволновая фазовая пластинка с возможностью синхронного вращения с фазовой пластинкой приемного телескопа. Это позволяет получать на выходе источника излучения круговую поляризацию, что является необходимым условием для обнаружения областей атмосферы с преимущественной ориентацией частиц в горизонтальной плоскости.

На фиг.1 схематично изображена блок-схема поляризационного лидара для зондирования атмосферы.

Лидар содержит источник 1 линейно поляризованного излучения (лазер), на выходе которого размещена четвертьволновая кварцевая пластинка 2 с возможностью установки быстрой оси фазовой пластинки под углом 0 или ±45⁰ к плоскости референции. Это позволяет формировать световой пучок с линейной или круговой поляризацией излучения.

Рядом с передатчиком расположен приемный оптический телескоп 3 с углом поля зрения, охватывающим весь световой пучок, направляемый источником в атмосферу. На выходе оптического телескопа также установлена четвертьволновая кварцевая фазовая пластинка 4, с возможностью синхронного вращения с фазовой пластинкой передатчика излучения. После фазовой пластинки 4 на оптической оси расположен оптический 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 фотодетекторы 6 и 7, преобразующие световые сигналы в электрические, которые оцифровываются в блоке регистрации 8 и обрабатываются.

Поляризационный лидар работает следующим образом.

Быстрая ось /4 пластинок может устанавливаться под углом 0 или ±45° к плоскости референции. Векторы Стокса лазерного излучения единичной интенсивности в этом случае записываются как вектор-столбец для радиации, линейно поляризованной в плоскости референции, и для правоциркулярной поляризации. Принимаемые сигналы имеют две компоненты: параллельную I_p и ортогональную I. Направление поворота пластинок выбрано так, что в случае зеркального отражения и линейная и круговая исходная поляризация дают компоненту с максимальной интенсивностью на том же детекторе (I_p>I). Поворачивая одновременно пластинки перед источником и приемником, мы можем измерять либо второй (Q) либо четвертый (V) вектора Стокса обратно рассеянного излучения.

От источника 1 излучение поступает на фазовую пластинку 2. В начальный момент времени быстрая ось фазовых пластинок 2 и 4 устанавливается под углом 0 градусов к плоскости референции. Тогда от источника излучения 1 через фазовую пластину 2 в атмосферу посылается линейно-поляризованное излучение. Рассеянное в обратном направлении излучение поступает на приемный оптический телескоп 3, собирается в узкий световой пучок, коллимируется и направляется на приемную фазовую пластинку 4, положение быстрой оси которой синфазно оси фазовой пластинки 2 передатчика. Далее световой поток поступает 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 одновременно регистрируются в блоке регистрации 8. В дальнейшем через измеренные интенсивности сигналов ортогональных компонент определяется второй параметр Стокса и степень деполяризации обратно рассеянного излучения.

Во второй момент времени фазовые пластинки 2 и 4 поворачиваются под углом 45⁰ и вновь производится посылка линейно поляризованного излучения от источника 1. В этом случае на выходе фазовой пластинки 2 формируется световой пучок с круговой поляризацией, который направляется в атмосферу. Оптический телескоп 2 собирает рассеянное в обратном направлении атмосферой излучение и направляет его через фазовую пластинку 4, расщепитель 5 на фотодетекторы 6 и 7, электрические сигналы с которых регистрируются в блоке 8.

В этом случае в процессе измерений с использованием круговой поляризации посылаемого в атмосферу излучения измеряется четвертый параметр вектора Стокса и степень деполяризации обратно рассеянного излучения. Анализируя между собой полученные параметры двух актов зондирования атмосферы судят о наличии сферических и несферических частиц, хаотической или упорядоченной ориентации аэрозольных частиц атмосферы, наличии областей частиц с зеркальным отражением.

Литература.

1. Авторское свидетельство СССР 373602, кл. G01W 1/00, 1971

2. Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы. Изд. ИОА СО АН СССР, Томск, 1976, с.236.

3. 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.

4. Авторское свидетельство 731410, авторы: Балин Ю.С., Кауль Б.В., Самохвалов И.В. «Оптическое поляризационное устройство для зондирования атмосферы»

Поляризационный лидар для зондирования атмосферы, включающий источник линейно-поляризованного излучения, приемный телескоп с расположенными на оптической оси четвертьволновой фазовой пластинкой с возможностью вращения ею осью наибольшего пропускания, поляризационный расщепитель анализатор и два фотодетектора с блоком регистрации, отличающийся тем, что на выходе источника поляризационного излучения установлена четвертьволновая фазовая пластинка с возможностью синхронного вращения с фазовой пластинкой телескопа.