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.

Лидарный комплекс для контроля состояния атмосферы, содержащий импульсный источник лазерного излучения, расположенные в непосредственной близости от него приемные оптические телескопы ближней и дальней зон зондирования, на выходе каждого из которых установлен свой фотоприемный блок, электрические выходы которого подключены к системе управления, регистрации и обработки информации, отличающейся тем, что для повышения надежности и точности измерений, лидар содержит общий фотоприемный блок, вход которого связан с выходами оптических приемных телескопов через оптический дефлектор, связанный с системой управления и поочередно направляющий световые сигналы от телескопов.

В лидарном комплексе приемные телескопы имеют разный диаметр, при этом телескоп с минимальным диаметром охватывает ближнюю зону, непосредственно прилегающую к лидару.

Проведенные испытания показали, что полезная модель лидара с двумя телескопами позволяет регистрировать по вертикальной трассе (0,1÷30 км) сигналы в динамическом диапазоне до 9-10 порядков на одном фотоприемном блоке.

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 после фотометрирования солнца представляется только некоторый 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.

Основным 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.

Общим недостатком всех перечисленных известных устройств является ограничение, обусловленное требованием одновременного контроля атмосферы в широком высотном диапазоне. Это обусловлено тем, что линейность световой характеристики фотоприемника, как правило, не превышает 3 порядков. В то же время, мощность лидарного сигнала, в соответствие с уравнением лазерного зондирования, падает по мере удаления от лидара пропорционально квадратичной зависимости расстояния.

С учетом того, что величина коэффициента обратного рассеяния также значительно уменьшается с высотой, в совокупности это приводит к тому, что по вертикальной трассе при контроле атмосферы от приземного слоя до стратосферы (0,1-30 км) лидарный сигнал может изменяться в пределах 9-10 порядков.

Ни один фотоприемник таким диапазоном чувствительности не обладает, поэтому обычно производят специализацию лидаров: либо они зондируют нижние слои атмосферы, либо предназначены только для контроля тропосферы и стратосферы.

Для устранения указанного недостатка - сокращения динамического диапазона принимаемых сигналов и увеличения протяженности глубины зондирования атмосферы в известном устройстве [4] реализован принцип доставки лазерного излучения различной мощности в различные участки трассы зондирования. Для этого основной пучок зондирующего излучения с помощью отражателей расщепляют на несколько пучков, пересекающих оптическую ось приемника излучения на различных удалениях от места его размещения, причем мощность ближайшего к приемнику пучка не должна вызывать перегрузки приемника, а мощность последующих по дальности зондирования пучков увеличивают по мере их удаления от приемника излучения пропорционально ослаблению излучения. Угол поля зрения приемного телескопа целиком охватывает все расщепленные пучки зондирования.

Такая схемная реализация приемо-передатчика накладывает ограничения на точность восстановления сигнала из-за уменьшения энергии посылаемого излучения и сложной процедуры сшивания общего сигнала из полученных на отдельных участках.

Аналогом заявляемого лидарного комплекса является лидар, описанный в работе [5]. Данное устройство, предназначенное для определения прозрачности атмосферы состоит из источника лазерного излучения, двух приемных телескопов, настроенных на контроль атмосферы ближней и дальней зон трассы зондирования, двух фотоприемных систем, подключенных отдельно к своим телескопам и системы регистрации и обработки информации.

Такой состав лидара, а именно наличие двух телескопов, предназначен для снижения динамического диапазона лидарного сигнала, а также для обеспечения возможности работы лидара на малых дальностях. Основным недостатком этого устройства является наличие двух фотоприемных систем, что приводит к дополнительным ошибкам при формировании общего по всей трассе сигнала, а также зондирование только на одной длине волны лазерного излучения.

Ближайшим аналогом многоволнового лидарного комплекса для контроля оптического состояния атмосферы является лидар, описанный в работе [6]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения на базе Nd-лазера (532; 1064 нм) и приемных телескопов, расположенных в непосредственной близости от источника излучения. Два телескопа предназначены для раздельной регистрации сигналов в ближней и дальней зонах, третий - для регистрации сигналов комбинационного рассеяния.

Телескопы работают в автономном режиме, обладают различными углами поля зрения. Кроме того, в этих приемных телескопах раздельно установлены собственные фотодетекторы, работающие в аналоговом и счетно-фотонном режимах работы.

Основным недостатком прототипа, из-за использования в лидаре различных оптических приемных телескопа является то, что все лидарные сигналы регистрируются различными фотоприемниками. Вследствие этого возникают погрешности измерений, обусловленные необходимостью взаимной калибровки фотоприемников.

Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая прием всех сигналов в одном общем фотоприемном блоке. Решение поставленной задачи достигается следующим образом.

Для того, чтобы регистрировать все сигналы от оптических телескопов в одном фотоприемном блоке, предлагается известное устройство дополнить оптическим дефлектором, которое направляет оптические сигналы от выходов телескопов на вход фотоприемного блока. Фотоприемный блок может содержать как один фотоприемник, так и несколько, предназначенных для регистрации сигналов на разных длинах волн. Известно, что интенсивность лидарного сигнала, согласно уравнению лазерного зондирования прямо пропорционально площади приемного телескопа и уменьшается по трассе пропорционально квадрату расстояния. Поэтому диаметры телескопов, охватывающие ближнюю и дальнюю зоны желательно делать различными, телескоп с минимальным диаметром охватывает ближнюю зону, непосредственно прилегающую к лидару. А соотношение диаметров телескопов примерно будет соответствовать отношению расстояний, на которых достигаются первые максимумы сигналов телескопов. В Институте оптики атмосферы разработан и создан многоволновой лидар «ЛОЗА», в котором реализована оптическая схема с двумя приемными телескопами, позволяющий контролировать оптическое состояние атмосферы, используя исходные лазерные длины волн 1064, 532 и 355 нм и регистрируя сигналы упругого и комбинационного рассеяния в широком высотном диапазоне от 0,08÷30 км. Схема предлагаемого лидара приведена на фигуре 1.

Лидар содержит: 1 - твердотельный лазер на основе Nd:YAG, излучающий по одной оси световые импульсы на длинах волн 1064, 532 и 355 нм; 2 - приемный телескоп ближней зоны с углом поля зрения, охватывающим трассу зондирования, начиная с 10 м; 3 - основной приемный телескоп дальней зоны, с углом поля зрения, охватывающим трассу зондирования, начиная со 100 м; 4 - оптический обтюратор, направляющий оптическое излучение от телескопов 2 и 3 на фотоприемный блок 5; 5 - фотоприемный блок, который включает в себя фотоприемники для регистрации сигналов упругого и комбинационного рассеяния в аналоговом и счетно-фотонном режимах регистрации; 6 - система управления, регистрации и обработки информации.

Принцип работы предлагаемого лидарного комплекса заключается в следующем. Световой пучок, сформированный в лазере (1) с частотой посылок 10 Гц направляется в атмосферу и одновременно формирует старт-импульс для системы управления (6). Обратно рассеянное атмосферное излучение поступает на вход телескопов ближней (2) и дальней (3) зоны. Телескоп ближней зоны (2) охватывает зону от 0,01 до 3 км, а телескоп дальней зоны от 0,1 до 50 км. С выходов оптических телескопов излучение поступает на зеркальный дефлектор (4), который вращается с частотой 10 Гц, синхронизированный с помощью системы управление (6) с частотой вспышек лазера и позволяет поочередно подавать излучение с телескопов (2) и (3) на фотоприемный блок (5). В фотоприемном блоке (5) происходит спектральная селекция лидарных сигналов по длинам волн, преобразование световых сигналов в электрические и их последующая оцифровка. Оцифрованная информация поступает в систему (6), где происходит формирование из двух сигналов ближней и дальней зон одного общего для всей трассы сигнала от десятков метров до десятков километров. В дальнейшем по этому общему сигналу в системе (6) в соответствие с алгоритмами обработки осуществляется вычисление профилей оптических параметров атмосферы.

В качестве примера на фиг.2 представлена реализация сигналов на двух телескопах лидара «ЛОЗА» на длине волны зондирования 532 нм. Здесь: 1 - Аналоговый сигнал с ближней зоны; 2 - Аналоговый сигнал с дальней зоны; 3 - восстановленный сигнал с аналоговых каналов; 4 - счетно-фотонный сигнал с дальней зоны; 5 - восстановленный аналого-счетнофотонный сигнал. Как видно из фиг.2 общий аналоговый сигнал (кривая 3) охватывает диапазон 0,1÷10 км, а восстановленный аналого-счетнофотонный сигнал (кривая 5), охватывает высотный диапазон от 0,1÷30 км.

Таким образом, проведенные испытания показали, что полезная модель лидара с двумя телескопами позволяет регистрировать по вертикальной трассе сигналы в динамическом диапазоне до 9-10 порядков на одном фотоприемном блоке.

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., VaughanG., 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. Авторское свидетельство 496524. Авторы: И.В.Самохвалов, Ю.С.Балин, В.С.Шаманаев «Способ оптического зондирования атмосферы».

5. А.И.Абрамочкин, Ю.С.Балин, П.П.Ваулин, А.Ф.Кутелев, И.В.Самохвалов Лазерный локатор для определения прозрачности атмосферы. В кн. Измерительные приборы для исследования параметров приземных слоев атмосферы. Изд-во ИОА СО АН СССР, 1977, с.5-16.

6. 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. Лидарный комплекс для контроля состояния атмосферы, содержащий импульсный источник лазерного излучения, расположенные в непосредственной близости от него приемные оптические телескопы ближней и дальней зон зондирования, систему управления, регистрации и обработки информации, отличающийся тем, что лидар содержит общий фотоприемный блок, вход которого связан с выходами оптических приемных телескопов через оптический дефлектор, связанный с системой управления и поочередно направляющий световые сигналы от телескопов.

2. Лидарный комплекс по п.1, отличающийся тем, что приемные телескопы имеют разный диаметр, при этом телескоп с минимальным диаметром охватывает ближнюю зону, непосредственно прилегающую к лидару.