Устройство регистрации лидарного сигнала

Устройство относится к средствам для измерений интенсивности оптического излучения и может быть использовано для приема и обработки сигналов обратного рассеяния при исследованиях дисперсных сред оптическими методами, в оптической локации, в прикладной метеорологии для оценки микроструктуры облаков, при контроле уровня аэрозольных загрязнений. Устройство содержит соосно расположенные: основной объектив; регулируемую диафрагму; фотоприемное устройство, состоящее из двух дополнительных объективов и светофильтра между ними; малоразмерного зеркального экрана и двух матричных фотодетекторов с объективами. При этом, для расширения диапазона изучения объектов, находящихся на различных расстояниях производится адаптация системы регистрации благодаря фокусирующему механизму, обеспечивающему совмещение плоскости изображения, сформированного основным объективом с передней фокальной плоскостью первого дополнительного объектива, в которой размещена регулируемая диафрагма. Малоразмерный зеркальный экран установлен таким образом, чтобы создаваемое основным и двумя дополнительными объективами увеличенное изображение пространства от компоненты однократного рассеяния полностью попадало на его отражающую поверхность, отражалось и проектировалось объективом первого матричного фотодетектора на его светочувствительную поверхность, а не перекрываемое изображение пространства от компоненты многократного рассеяния проектировалось объективом второго фотодетектора на его светочувствительную плоскую поверхность.

Настоящая полезная модель относится к средствам для измерений пространственного распределения интенсивности оптического излучения и может быть использована для приема и обработки сигналов обратного рассеяния лазерного излучения при исследованиях дисперсных сред оптическими методами, в оптической локации, в прикладной метеорологии для оценки микроструктуры облаков, при контроле уровня аэрозольных загрязнений.

Регистрация получаемых данных лидарной системой сводится к получению пространственной картины распределения плотности мощности (интенсивности) в плоскости изображения рассеивающего объема для всей совокупности дальностей. Для эффективной работы лидара на дальних расстояниях чувствительная площадка фотоприемника должна располагаться в фокальной плоскости приемной антенны лидара. Однако, в этом случае, излучение от рассеивающих объемов исследуемой среды (атмосферы), расположенных на близком или среднем расстояниях от лидара, не фокусируется в фокальной плоскости приемной антенны. Вместо этого в фокальной плоскости приемной антенны образуется диффузно освещенная область, и если расположить в этом месте фотодетектор небольшого размера, то он не зарегистрирует все пришедшее излучение. Это имеет большое значение в том случае, когда лидарные измерения должны обеспечиваться в большом интервале расстояний (Р.Межерис Лазерное дистанционное зондирование: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 550 с.).

Известно устройство наблюдения за пространством (Физический энциклопедический словарь. //М.: Советская энциклопедия, 1984, с.480), заключающееся в формировании действительного оптического изображения пространства объективом с регулируемой диафрагмой на поверхности матричного фотоэлектрического приемника оптического излучения. Варьируя размерами диафрагмы, можно менять интенсивность падающего на фотоэлектрический приемник сигнала. Существенным недостатком данного устройства является потеря информации о ближних слоях атмосферы, что сказывается на точности получаемых результатов в целом. При этом следует учитывать, что при зондировании оптически плотных сред (облака, дымовые шлейфы) эффекты многократного рассеяния приводят к увеличению размеров рассеивающего объема по мере прохождения лазерного импульса в облако. В этом случае из рассеивающего объема поступает однократно рассеянное излучение вместе с многократным. Для исследования эффектов многократного рассеяния проводят пространственную селекцию различных участков рассеивающего объема, с помощью различных пространственных фильтров выполненных в виде круглых и кольцевых диафрагм разного диаметра, расположенных центрировано относительно оптической оси приемной антенны, при использование коаксиальных лидаров.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство, описанное статье А.И.Абрамочкин, А.А.Тихомиров "Оптимизация приемной системы лидара. 2. Пространственные фильтры" (Оптика атмосферы и океана, том 12, 4, 1999 г., с.345-356). Это устройство содержит приемную антенну, фотоэлектрический приемник оптического излучения и регулируемую диафрагму, которая представляет собой непрозрачный вращающийся диск, по периферии которого сделаны отверстия разного диаметра. Диафрагма расположена на фиксированном расстоянии - в фокальной плоскости объектива приемной антенны, поэтому при исследовании объектов находящихся на близких расстояниях невозможно проводить установку диафрагмы в плоскость изображения, т.е проводить подфокусировку изображения в зависимости от дальности до объекта. Сложно количественно оценить энергетический вклад в лидарный сигнал компонент однократного и многократного рассеяния. Интенсивность компоненты однократного рассеяния на порядок и более превышает интенсивность компоненты многократного рассеяния.

Задачей данного технического решения является количественное измерение энергетического вклада в лидарный сигнал компонент однократного и многократного рассеяния.

Поставленная цель достигается тем, что предложенное устройство регистрации лидарного сигнала содержит соосно расположенные основной объектив, регулируемую диафрагму, а так же фотоприемное устройство, состоящее из двух дополнительных объективов и светофильтра между ними, малоразмерного зеркального экрана, который установлен за вторым дополнительным объективом в его плоскости изображения под углом в 45 градусов к оптической оси, так, что отраженное излучение, приходящее из области пространства освещаемого прямым лазерным пучком (этот рассеивающий объем ограничен диаграммой направленности передатчика и длительностью импульса лазера) проектируется объективом на светочувствительную матрицу фотоэлектрического приемника, а не экранированное изображение проецируется объективом другого фотоэлектрического приемника на его матрицу. Размер и форма малоразмерного зеркального экрана определяется из условия: проекция этого экрана на плоскость перпендикулярную оптической оси основного объектива должна иметь форму кружка с диаметром, вычисляемым по формуле: , где - 2 угловая расходимость зондирующего излучения; f' ₀, f'₁, f'₂ - фокусные расстояния основного и двух дополнительных объективов. С целью расширения диапазона изучения объектов, находящихся на различных расстояниях, производится адаптация системы регистрации благодаря фокусирующему механизму.

В отличие от известного, фотоприемное устройство состоит из двух дополнительных объективов с фокусными расстояниями f'₁, f'₂ и светофильтра между ними, малоразмерного зеркального экрана и двух матричных фотоэлектрических детекторов оптического излучения (например, приборов зарядовой связи: ПЗС-матриц) с объективами. Регулируемая диафрагма установлена на фиксированном расстоянии, в переднем фокусе первого дополнительного объектива, и имеет подвижку вместе с этим объективом вдоль оптической оси основного объектива, благодаря фокусирующему механизму, с целью совмещения плоскости изображения исследуемого объема среды, построенного основным объективом, с диафрагмой. Так как плоскость изображения совмещена с передним фокусом первого дополнительного объектива, то изображение строится в бесконечности. За первым объективом распространяется параллельный пучок лучей, в котором размещен светофильтр для проведения спектральной селекции излучения. Второй дополнительный объектив, расположенный за светофильтром, строит изображение исследуемого пространства в плоскости малоразмерного зеркального экрана. Поперечный размер зеркального экрана соответствует размеру изображения пространства, сформированного однократным рассеянием и определяется по выше приведенной формуле. Отражаясь от зеркального экрана, с помощью объектива первого детектора изображение строится на его светочувствительном слое на плоской поверхности светочувствительной матрицы. Изображение, сформированное компонентой многократного рассеяния, не перекрываемое малоразмерным экраном, переносится объективом второго детектора на его светочувствительную плоскую матрицу, тем самым, регистрируется распределение интенсивности компоненты многократного рассеяния.

На фигуре представлена принципиальная оптическая схема устройства регистрации лидарного сигнала. Устройство содержит: основной объектив (1), построенный по классической схеме Кассегрена; регулируемую диафрагму (2) с первым дополнительным объективом (3); светофильтр (4); второй дополнительный объектив (5); малоразмерный отражающий экран (6); два матричных фотоэлектрических детектора (7) и (8) с объективами, фокусирующий механизм (9), выполненный в виде дифференциального винтового механизма.

Устройство работает следующим образом. Рассеянное излучение от наблюдаемого объекта фокусируется в плоскости изображения рассеивающего объема, построенного основным объективом (1), в которой устанавливается регулируемая по диаметру диафрагма (2). Для полного прохождения лучей от изображаемого рассеивающего объема исследуемой среды необходимо, чтобы размер круглого отверстия диафрагмы (2) соответствовал размеру поперечного сечения светового пучка, проходящего через диафрагму. Диафрагма является полевой диафрагмой и ограничивает угол поля зрения. Размер, изображаемого пятна в плоскости приемной антенны мал, и выделить компоненту многократного рассеяния в суммарном потоке мощности компонент однократного и многократного рассеяния сложно. Поэтому за диафрагмой устанавливают два дополнительных объектива (3) и (5) с целью переноса увеличенного промежуточного изображения исследуемого пространства в дополнительную плоскость промежуточного изображения. В данной плоскости сформированное изображение имеет больший размер, что позволяет выделить компоненту однократного рассеяния из суммарного потока мощности лидарного сигнала, устанавливая зеркальный экран (6), размер которого не превышает размера изображения яркого пятна от компоненты однократного рассеяния. Отраженное, зеркальным экраном, изображение пятна однократного рассеяния переносится объективом (7) на светочувствительную матрицу фотоэлектрического детектора. А сформированное изображение сигнала от компоненты многократного рассеяния, не перекрываемое зеркальным малоразмерным экраном, переносится объективом (8) на светочувствительную матрицу второго детектора. Таким образом, экранирование центральной части диафрагмы позволяет регистрировать вторым матричным детектором (8) только изображение сигнала от компоненты многократного рассеяния.

Из вышеизложенного следуют следующие преимущества предложенного устройства регистрации лидарного сигнала:

- обеспечена возможность адаптации системы по дальности приема;

- обеспечена возможность увеличения дальности зондирования, обусловленная оптимальным согласованием динамического диапазона лидарного сигнала с динамическим диапазоном фоторегистрирующего устройства приемной системы;

- увеличена точность регистрации сигнала многократного рассеяния на разных дистанциях.

1. Устройство регистрации лидарного сигнала, содержащее соосно расположенные основной объектив, регулируемую диафрагму, а также фотоприемное устройство, отличающееся тем, что фотоприемное устройство состоит из двух дополнительных объективов и светофильтра между ними, малоразмерного зеркального экрана, который установлен за вторым дополнительным объективом в его плоскости изображения под углом 45° к оптической оси так, что отраженный поток однократно рассеянного излучения, формирующий изображение рассеивающего, обусловленного длительностью зондирующего импульса и диаграммой направленности передатчика, проектируется объективом на светочувствительную матрицу первого фотодетектора, а неэкранированное изображение, формируемое многократным рассеянием, проецируется аналогичным объективом на светочувствительную матрицу второго фотодетектора, причем размер и форма малоразмерного зеркального экрана соответствуют размеру изображения пространства, сформированного однократным рассеянием, и определяется из условия: проекция этого экрана на плоскость, перпендикулярную оптической оси основного объектива, должна иметь форму кружка с диаметром, вычисляемым по формуле: , где 2 - угловая расходимость зондирующего излучения; f' ₀, f'₁, f'₂ - фокусные расстояния основного и двух дополнительных объективов, при этом регулируемая диафрагма установлена на фиксированном расстоянии в переднем фокусе первого дополнительного объектива и имеет подвижку вместе с этим объективом вдоль оптической оси основного объектива для совмещения плоскости изображения, построенного основным объективом, с диафрагмой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено фокусирующим механизмом.