Способ и устройство лазерного зондирования атмосферы

 

1.Способ лазерного зондирования атмосферы путем посылки в атмосферу оптических сигналов с задержкой опорных сигналов на время, соответствующей заданной дальности зондирования, и приема отраженных эхо сигналов,отличающийсяИзобретение относится к метеорологиескому приборостроению и может быть ис- |.ользовано для дистанционного измерения параметров атмосферы.Известны способы и устройства лазерного зондирования атмосферы (способы обратного зондирования), по которым передатчик и приемник размещают на одной платформе, так что база (расстояние между осями передающей и приемной антенн) мала по сравнению с глубиной зондирования. При этом обычно осуществляют задержку формирующего опорного сигналатем, что, с целью повышения надежности и коэффициента полезного действия излучателя сигналов, в атмосферу посылают серию импульсов, излучаемых в режиме свободной генерации твердотельным лазером, а принятые эхо-сигналы, перемноженные на задержанный опорный сигнал, интегрируют и по результату судят о параметрах аттуюдферы.2. Устройство для осуществления способа лазерного зондирования по п. 1, содержащее источник излучения в виде твердотельного лазера и приемную часть с фотодетектором, блоком формирования опорного сигнала, блоком регулируемой задержки и регистрирующим устройством, о т- .личающееся тем, что оно снабжено коррелятором, подключенным одним входом к фотодетектору, а другим - через блок регулируемой задержки к блоку формирования опорного сигнала, при этом выход коррелятора связан с регистрирующим устройством.•на время, соответствующее заданно^й дальности зондирования.Устройства, реализующие этот способ, содержат источник лазерного излучения и приемную часть с фотодетектором, блок формирования опорного сигнала, устройство регулируемой задержки и индикатор.Способ обратного зондирования характеризуется необходимостью зондировать атмосферу очень коротким и очень мощным одиночным импульсом, поскольку длительность импульса определяет разрешающую способность, а мощность импульса - даль-сл ю4i^ 00ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Э (si)s G 01 W 1/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ (21) 2309956/10 (22) 04.01.76 (46) 15.12.92. Бюл. t+ 46 (71) Новосибирский электротехнический институт связи и Институт оптики атмосферы

СО АН СССР (72) Е.Ф.Квашнин, И.В.Самохвалов, В.А.Костяков и Г.О,Задде (53) 551.508(088.8) (56) Зуев В.Е. Лазер-метеоролог. Л.: Гидрометеоиздат, 1974, с. 3-18.

Лидар для исследований пространственной структуры аэрозоля. — Экспресс-информация. Радиолокация, телевидение,,радиосвязь, 1973, ЬЬ 3, с. 7-21. (54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНОГО

ЗОНДИ РО ВАН ИЯ АТМОСФ Е P Ы (57)1.Способ лазерного зондирования атмосферы путем посылки в атмосферу оптических сигналов с задержкой опорных сигналов на время, соответствующей заданной дальности зондирования, и приема отраженных эхо сигналов, отличающийся

Изобретение относится к метеорологиескому приборостроению и может быть uc- .

i,oëü3oâàío для дистанционного измерения параметров атмосферы.

Известны способы и устройства лазерного зондирования атмосферы (способы обратного зондирования), по которым передатчик и приемник размещают на одной платформе, так что база (расстояние между осями передающей и приемной антенн) мала по сравнению с глубиной зондирования. При этом обычно осуществляют задержку формирующего опорного сигнала

„, . Ы„„594819 А1 тем, что, с целью повышения надежности и коэффициента полезного действия излучателя сигналов, в атмосферу посылают серию импульсов, излучаемых в режиме свободной генерации твердотельным лазером, а принятые эхо-сигналы, перемноженные на задержанный опорный сигнал, интегрируют и по результату судят о параметрах атмосферы.

2. Устройство для осуществления епособа лазерного зондирования по и. 1, содержащее источник излучения в виде твердотельного лазера и приемную часть с фотодетектором, блоком формирования опорного сигнала, блоком регулируемой задержки и регистрирующим устройством, о т.л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено коррелятором, подключенным одним входом к фотодетектору, а другим — через блок регулируемой задержки к блоку формирования опорного сигнала, при этом выход коррелятора связан с регистрирующим устройством.. 4

Ъ на время, соответствующее заданноМ дальности зондирования.

Устройства, реализующие этот способ, содержат источник лазерного излучения и приемную часть с фотодетектором, блок формирования опорного сигнала, устройство регулируемой задержки и индикатор.

Способ обратного зондирования характеризуется необходимостью зондировать атмосферу очень коротким и очень мощным одиночным импульсом, поскольку длительность импульса определяет разрешающую способность, а мощность импульса — даль594819

55 ность зондирования. Никакие другие сигналы, кроме одиночного импульса, не подходят для обратного зондирования, почему этот способ зондирования называется моноимпульсным, Для формирования одиночного импульса приходится использовать твердотельный лазер в режиме модуляции добротности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является моноимпульсный способ обратного зондирования и лидарная система для его осуществления, по которому в атмосферу посылают мощный одиночный зондирующий импульс, который формируют рубиновым лазером с модулированной добротностью, В качестве модулятора добротности используют ячейку

Поккельса, Принятые эхо-сигналы атмосферы подают на регистрирующее устройство.

Однако включение модулирующей ячейки Поккельса усложняет конструкцию лазерного передатчика и снижает его КПД, Цель изобретения — повышение наде>кности и коэффициента полезного действия излучателя сигналов. Для этого по предлагаемому способу в атмосферу посылают серию импульсов, излучаемых в режиме свободной генерации твердотельным лазером, а принятые эхо-сигналы, перемноженные на задер>канный опорный сигнал, интегрируют и по результату судят о параметрах атмосферы.

При этом реализующее способ устройство снабжено коррелятором, подключенным одним входом к фотодетектору приемной части, а другим — через блок регулируемой задержки к блоку формирования опорного сигнала, при этом выход коррелятора связан с регистрирующим устройством.

Таким образом исключается модулирующая ячейка, На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ: на фиг. 2 — структурная схема устройства для измерения функции взаимной корреляции.

Оно содержит лазер 1, оптическую передающую систему 2, фотодетектор 3, блок

4 регулируемой задержки, оптическую приемную систему 5, фотодетектор б приемной части, перемножитель 7, интегратор 8, регистрирующее устройство 9.

В режиме свободной генерации твердотельный лазер излучает серию отдельных оптических импульсов, которая имеет характер.случайной последовательности. Общая длительность серии порядка 1 мс, число импульсов в серии порядка нескольких сотен. Расстояние между импульсами внутри серии изменяется случайным образом и может составлять от 0 до 10 мкс. Ширина отдельных импульсов порядка 30-50 нс.

Использовать показанную на фиг. 2 серию импульсов для зондирования атмосферы при обычном способе приема сигналов невозмо>кно, так как на вход приемника будут одновременно поступать эхо-сигналы от всех импульсов, находящихся на различных расстояниях от лидара, т.е. лидар потеряет разрешающую способность. Однако при корреляционном приеме эхо-сигналов и при условии, что функции автокорреляции (ФАК) зондирующей серии импульсов близки к д-функции, зондирование указанной серии дает тот же результат, что и зондирование одиночным импульсом, При зондировании атмосферы узким одиночным импульсом по существу производится измерение импульсной характеристики атмосферы б(т).

Однако импульсную характеристику линейной системы можно определить по функции взаимной корреляции (ФВК) B

B>:y(t) = x (t — X )ó(t)ñ1t, гдето — задержка входного сигнала относительно выходного, Измерение ФВК в соответствии с приведенной формулой производится с помощью коррелятора, состоящего из перемно>кителя и интегратора (см. фиг. 2).

Выходной сигнал лазера в режиме свободной генерации достаточно хорошо удовлетворяет требованию соответствия ФАК д-функции и может быть использован для зондирования атмосферы предлагаемым способом.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Лазер 1, работающий в импульсном режиме свободной генерации, через оптическую передающую систему 2 излучает в атмосферу зондирующие импульсы. С помощью фотодетектора получается электрический опорный сигнал, для чего на вход фотодетектора необходимо подать часть энергии оптических выходных импульсов лазера. Этого можно добиться либо помещая на выходе лазера делительное зеркало, либо просто располагая фотодетектор вблизи от выхода лазера и используя рассеянную воздухам часть излучения.

Эхо-сигналы атмосферы через оптическую приемную систему 5 поступают на фо594819 тодетектор 6, где преобразуются в электрические сигналы, подаваемые на один из входов коррелятора, содержащего перемножитель 7 и интегратор 8. На второй вхоц коррелятора подается опорный сигнал, за- 5 держанный в блоке 4 регулируемой задержки на время г, Выходной сигнал коррелятора поступает на регистрирующее устройство 9, показания которого пропорциональны величине отраженного сигнала с 10 дальности I, Требуемая дальность !устанавливаетсяя изменением времени задержки г в соответствии с формулой где с — скорость света.

Дальнейшая обработка полученных результатов производится, как и в известном способе моноимпульсного зондирования.

Переиножитап

Янлгесритор

Составитель Е.Квашнин

Редактор О.Филиппова Техред М.Моргентал Корректор В,Петраш

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 563 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5