Лидар

Полезная модель относится к области измерительной техники. Лидар предназначен для зондирования атмосферной турбулентности. Он содержит импульсный лазер (1) для генерирования узкого зондирующего пучка (2) излучения. В выводящей оптической системе имеются неподвижное плоское отклоняющее зеркало (3), расположенное на оптической оси принимающего рассеянное излучение (6) телескопа в плоскости его входного отверстия, и подвижное отклоняющее зеркало (4), размещенное на оптической оси импульсного лазера (1) и выполненное с возможностью перенаправления зондирующего пучка (2) излучения на неподвижное плоское отклоняющее зеркало (3) посредством поворотного механизма. Зеркала (3) и (4) образуют перископ. Расстояние между их центрами выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля. Принимающий телескоп может содержать выполненное вогнутым главное зеркало (7) с центральным отверстием (8) и размещенное напротив него вторичное зеркало (9). В фокусе принимающего телескопа размещен фотодетектор (11), подключенный к электронному блоку (10) обработки данных и управления, с которым связаны также поворотный механизм и импульсный лазер (1). Такая конструкция лидара позволяет реализовать эффект усиления обратного рассеяния в турбулентной среде и использовать мощные импульсные лазеры (1). Это обеспечивает значительное увеличение дальности обнаружения турбулентности. Кроме того, использование эффекта усиления обратного рассеяния избавляет от необходимости учитывать оптические свойства рассеивающего объема (5), которым может являться, например, аэрозоль. 1 н.з.п. ф-лы. 1 ил.

Полезная модель относится к области измерительной техники и может использоваться в приборах для зондирования атмосферной турбулентности, в том числе на дальних расстояниях для заблаговременного предупреждения об опасных для летательных аппаратов зонах повышенной турбулентности, на основе использования эффекта усиления обратного рассеяния в турбулентной среде.

Известны лидары для обнаружения турбулентности, использующие импульсные когерентные доплеровские лазеры с оптическими системами различной конструкции, позволяющие оперативно определять турбулентности любой природы, в том числе турбулентность ясного неба (clear air turbulence), не определяемую традиционными длинноволновыми метеорадарами (например, RU 43657 U1, 2005; RU 2032180 C1, 1995; RU 2335786 C1, 2008; RU 2365523 C2, 2009; RU 2373554 C2, 2009; US 5610703 A, 1997; US 6509566 B1, 2003; DE 4013702 A1, 1991). Однако все они из-за малой мощности применяемых лазеров позволяют индицировать турбулентность на расстояниях не более 1 км.

Из известных устройств наиболее близким к заявленному является лидар, содержащий импульсный лазер для генерирования зондирующего пучка излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом, расположенным на оптической оси принимающего рассеянное излучение телескопа в плоскости его входного отверстия, и связанный с импульсным лазером электронный блок обработки данных и управления, к которому подключен размещенный в фокусе принимающего рассеянное излучение телескопа фотодетектор (RU 2405172 C2, 2010). В этом лидаре импульсный лазер генерирует расширенный зондирующий пучок излучения. В направлении интересующей области пространства посылается зондирующий пучок в два момента времени, а принимаемое рассеянное излучение после принимающего телескопа направляется на два фотодетектора. При этом измеряют распределение интенсивности в поперечном сечении принимаемого рассеянного излучения и на основании сравнения двух распределений интенсивности определяют турбулентность атмосферы, обнаруживая спеклы и сравнивая спекл-структуры. Т.е. дистанционное обнаружение атмосферной турбулентности основано на наблюдении спекл-структур в рассеивающем объеме, поперечные размеры которого определяются шириной зондирующего пучка излучения, а продольный размер - длительностью лазерного импульса. Источником информации для измерения турбулентности служит различие хаотических спекл-структур в двух параллельных плоскостях поперечного сечения зондирующего пучка излучения.

Такой лидар позволяет обнаружить неоднородности и движения воздуха на значительной площади. Однако обнаружение спеклов, наблюдая молекулярное/аэрозольное рассеяние при освещении атмосферы широким лазерным лучем, крайне затруднено из-за искажающего действия турбулентности на пути от рассеивающего объема к пункту наблюдения. Турбулентность этим лидаром возможно обнаруживать на расстоянии нескольких сотен метров, не более 1 км.

Задача, решаемая полезной моделью, состоит в создании лидара, лишенного недостатков прототипа. Технический результат полезной модели заключается в увеличении расстояния, на котором надежно фиксируется атмосферная турбулентность, в том числе за счет обеспечения возможности применения мощных некогерентных лазеров.

Это достигается тем, что в лидаре, содержащем импульсный лазер для генерирования зондирующего пучка излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом, расположенным на оптической оси принимающего рассеянное излучение телескопа в плоскости его входного отверстия, и связанный с импульсным лазером электронный блок обработки данных и управления, к которому подключен размещенный в фокусе принимающего рассеянное излучение телескопа фотодетектор, импульсный лазер выполнен с возможностью формирования зондирующего пучка излучения узким, в выводящую оптическую систему введено образующее с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом перископ подвижное плоское отклоняющее зеркало, размещенное на оптической оси импульсного лазера и выполненное с возможностью перенаправления зондирующего пучка излучения на неподвижное плоское отклоняющее зеркало посредством поворотного механизма, связанного с электронным блоком обработки данных и управления, а расстояние между центрами подвижного и неподвижного плоских отклоняющих зеркал выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля. Принимающий рассеянное излучение телескоп может содержать выполненное вогнутым главное зеркало с центральным отверстием, напротив которого размещено вторичное зеркало.

Конструкция лидара выполнена таким образом, чтобы могло быть реализовано действие эффекта усиления обратного рассеяния в турбулентной среде, открытого советскими учеными (Виноградов А.Г. и др. Закономерность увеличения рассеяния волн. Государственный реестр открытий СССР 359, 02.12.1988). При обратном рассеянии падающая и рассеянные волны излучения проходят через одни и те же турбулентные неоднородности показателя преломления. При этом турбулентность приводит к перераспределению интенсивности волны в пространстве. Интенсивность, рассеянная в обратном направлении, увеличивается по сравнению с той, которая наблюдалась бы при обратном рассеянии на том же препятствии при отсутствии турбулентности. При распространении оптических волн в атмосфере это явление наблюдается в небольшом телесном угле в окрестности направления рассеяния точно назад.

При лидарном зондировании атмосферы регистрируется излучение, рассеянное молекулами воздуха и/или частицами аэрозоля, размеры которых сравнимы с длиной волны излучения, в заднюю полусферу. Если излучатель и приемник совмещены в пространстве, а разделение посылаемого лазерного импульса и регистрируемого рассеянного излучения происходит за счет селекции по времени, то принимаемые волны дважды проходят через одни и те же оптические неоднородности. Двойное прохождение приводит к изменению индикатрисы рассеяния на частице, находящейся в турбулентной среде, по сравнению с индикатрисой для той же частицы в свободном пространстве. Турбулентность обуславливает перераспределение рассеянной мощности по углам так, что в направлении назад рассеянная средняя мощность увеличивается. Угловая ширина области усиления составляет где L - расстояние от источника до рассеивающей частицы (от лидара до рассеивающего объема). Например, для расстояния 10 км и длины волны =1 мкм этот угол равен 10 мкрад, при этом эффект усиления обратного рассеяния наблюдается при условии, что радиус апертуры наблюдателя не превышает 10 см.

Лидар содержит импульсный лазер 1 для генерирования узкого зондирующего пучка 2 излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным 3 и подвижным 4 плоскими отклоняющими зеркалами, принимающий рассеянное рассеивающим объемом 5 излучение 6 телескоп, который может содержать выполненное вогнутым главное зеркало 7 с центральным отверстием 8 и размещенное напротив него вторичное зеркало 9, выполненное, например, плоским, электронный блок 10 обработки данных и управления и подключенный к нему фотодетектор 11, который размещен в фокусе принимающего рассеянное излучение 6 телескопа. Неподвижное плоское отклоняющее зеркало 3 расположено на оптической оси принимающего рассеянное излучение 6 телескопа в плоскости его входного отверстия. Подвижное плоское отклоняющее зеркало 4 размещено на оптической оси зондирующего пучка 2 импульсного лазера 1 и выполнено так, что оно посредством поворотного механизма (на чертеже не показан) может занимать два положения - одно вне зондирующего пучка 2 или другое, перенаправляя зондирующий пучок 2 на неподвижное плоское отклоняющее зеркало 3. Поворотный механизм связан с электронным блоком 10 обработки данных и управления. Неподвижное 3 и подвижное 4 плоские отклоняющие зеркала образуют собой перископ. Расстояние d между центрами подвижного 4 и неподвижного 3 плоских отклоняющих зеркал выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля. Важно, что конструкция лидара выполнена так, что обеспечивается параллельность направления зондирующих пучков 2 излучения оптической оси принимающего рассеянное излучение 6 телескопа.

Лидар функционирует следующим образом. Импульсный лазер 1 по команде электронного блока 10 обработки данных и управления (выполненного преимущественно в виде компьютера) генерирует мощный узкий зондирующий пучок 2 излучения, которое направляется в перископ. При одном положении управляемого электронным блоком 10 подвижного плоского отклоняющего зеркала 4 (показанном на чертеже сплошной линией), зондирующий пучок 2 излучения полностью перехватывается им и направляется на неподвижное плоское отклоняющее зеркало 3, отражаясь от которого, направляется в атмосферу вдоль оптической оси телескопа. Мощность отраженного от рассеивающего объема 5 рассеянного излучения 6 измеряется фотодетектором 11 и фиксируется в электронном блоке 10 как функция времени, который измеряет расстояние L по времени запаздывания рассеянного излучения 6. При другом положении подвижного плоского отклоняющего зеркала 4 (показанном на чертеже пунктиром) оно полностью выводится из зондирующего пучка 2 излучения, который направляется в атмосферу, минуя перископ. При этом электронный блок 10 фиксирует мощность, отличающуюся на угол d/L от направления точно назад. Учитывая малость угла d/L, рассеивающий объем 5 остается практически одним и тем же при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4. С той же точностью зондирующие пучки 2 излучения и лучи рассеянного излучения 6 идут по одинаковым путям при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4. Отношение мощностей рассеянного излучения 6 при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4 дает значение коэффициента усиления обратного рассеяния. Т.е. информация о турбулентности получается в результате сравнения мощностей принятого рассеянного излучения 6 при двух положениях подвижного плоского отражающего зеркала 4. Расстояние d между центрами подвижного 4 и неподвижного 3 плоских отклоняющих зеркал (расстояние между оптической осью принимающего рассеянное излучение 6 телескопа и оптической осью импульсного лазера 1, т.е. приемная апертура лидара) выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля, равного (Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М., «Наука», 1978, с. 310-311). Масштаб Френеля определяет масштаб корреляции флуктуаций интенсивности излучения с длиной волны , наблюдаемого на расстоянии L, а это определяет масштаб области, в которой наблюдается эффект усиления обратного рассеяния. При выборе указанного расстояния менее величины в четыре масштаба Френеля исчезает разница наблюдаемых мощностей принимаемого рассеянного излучения 6 при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4, которая позволяет реализовать необходимое функционирование лидара, что подтверждается экспериментально. Максимальное же значение расстояния d определяется только соображениями конструкции лидара. Например, для расстояния L=10 км и длины волны =1 мкм масштаб Френеля равен 10 см, а величина расстояния d для одной из возможных конкретных конструкций лидара равна 40-50 см.

Измерение турбулентности лидаром не зависит от свойств рассеивающего аэрозоля, распределения его частиц по размерам и т.п. Кроме того, использование в лидаре для приема рассеянного излучения 6 одного и того же фотодетектора 11 и одного и того же принимающего телескопа уменьшает систематическую ошибку при измерениях, которая могла бы возникнуть при использовании разнесенных приемников. Это дополнительно способствует надежности и объективности контроля.

Лидар, выполненный в соответствии с полезной моделью, за счет реализации эффекта усиления обратного рассеяния в турбулентной среде, обеспечивает надежное обнаружение турбулентности и оценку ее величины на расстояниях до 30 км, что значительно больше чем для известных лидаров. Это позволяет, в частности, создавать высокоэффективные системы раннего оповещения летательных аппаратов при приближении к зонам турбулентности.

1. Лидар, содержащий импульсный лазер для генерирования зондирующего пучка излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом, расположенным на оптической оси принимающего рассеянное излучение телескопа в плоскости его входного отверстия, и связанный с импульсным лазером электронный блок обработки данных и управления, к которому подключен размещенный в фокусе принимающего рассеянное излучение телескопа фотодетектор, отличающийся тем, что импульсный лазер выполнен с возможностью формирования зондирующего пучка излучения узким, в выводящую оптическую систему введено образующее с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом перископ подвижное плоское отклоняющее зеркало, размещенное на оптической оси импульсного лазера и выполненное с возможностью перенаправления зондирующего пучка излучения на неподвижное плоское отклоняющее зеркало посредством поворотного механизма, связанного с электронным блоком обработки данных и управления, а расстояние между центрами подвижного и неподвижного плоских отклоняющих зеркал выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля.

2. Лидар по п.1, отличающийся тем, что принимающий рассеянное излучение телескоп содержит выполненное вогнутым главное зеркало с центральным отверстием, напротив которого размещено вторичное зеркало.