Двухволновой лидар для зондирования атмосферы

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 72096 01 Я 1/00, 3/б 51) ГОСУДАРСТВ Е Н Н ОЕ ПАТЕ НТН ОЕВЕДОМСТВО СССР(21) 2 б 05078/23 выход которого подклюцен к блоку ре=(йб) 07,02.93,. Бюл, й 5.тем, цто, с целью повышения тоцности(71) Институт. оптики атмосФеры СО измерений и увеличения дальности зонАН СССР, СКБ научного приборострое- . дирования, контур полевой диаФрагмыния "Оптика" СО АН СССР : образован из двух отрезков прямых,(72) А.И.Абрамоцкин, Ю,С.Балин, . сопряженных с дугами полуокружностей,А.АТихомиров, И,В,Самохвалов, обращенных друг к другу вогнутымиБ,В.Кауль и Г,В.Ушаков . сторонами, при этом радиус полуок(56) Гришин А,И., Матвиенко Г.Г. Ли-. ружностей равен радиусу изображениядарные исследования атмосФеры в при" рассеивающего объема атмосФеры набрежном районе. "Проблемы дистанци- . нацальной дальности зондирования, .онного зондирования атмосФеры". Изд- расстояние мейду центрами полуокруж"во ИОА, г. Томск, 1976, с. 33-11,ностей .1 определяется из .соотношеЗуев В.Е. и др, Оптический экспе-: ния:римент и результаты обращения данныхпо многочастотному лазерному зонди-" 1 =. - в , .,Брованию микроструктуры приземногослоя. "Проблемы дистанционного зон- где й - Фокусное расстояние объекдирования атмосФеры". Изд-во ИОА, . тиваг. Томск, 1976, с. 3-19 . Ь - расстояние межру осями из(54)(57) РВУХВОЛНГ 1 ВОИ, ЛИОТАР ДЛЯ. ЗОН- . лучдния передатциковрПИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащий два ,1, .- начальная дальность зондиоптических передатчика, оси излуце- рования,ния которых параллельны, и приемную а ось симметрии полевой диаФрагмы, Ясистему, включающую последовательно проходящая через центры полуокруж". С)установленные объектив, полевую диа- . ностей, расположена в той же плосФрагму, расположенную в Фокальной кости, цто и оптическая ось.приемнойплоскости объектива, Фотодетектор, системы и оси излучения передатчиков. Изобретение о оптического зонд применено в устр ного контроля. за сФеры. Известно вания атмосФ рх моноста"з лидароведатчикающей объектодетектор х волн, состоящее из ческих лидаров, Кажртоит из оптическогоприемной системы, вкл тив, полевую диаФрагму и блок регистрации,д носится к технике рования. и может бытйствах дистанционрязненности атмонатисоси юча Фо ство для зондиронескольких длиК недостаткам известного устройства относится трудность точной установки осей излучения оптических передатчиков на заданное направлениезондирования, что связано с отсутствием единой механической связи между ними,Ближайшим к изобретению являетсядвухволновой лидар для зондированияатмосферы, содержащий два оптических передатчика, оси излучения кото. рых параллельны, и приемную систему,.включающую последовательно установленйые объектив, полевую диафрагму,расположеннуюв Фокальной плоскостиобъектива, и Фотодетектор, выходкоторого порключен к блоку регист.рации. Полевая диафрагма при этомвыйолнена в Форме круга.Использование. двух передатчиков,,излучающих на разных длинах волн,повышает информативность работы лидара при этом требуется увеличивать угол поля зрения приемной сис темы (или, что тоже самое, диаметрполевой диаФрагмы). При увеличенииугла доля зрения приемной сйстемыпроисходит возрастайие фоновых за-,светок на Фотодетекторе, что снижа" 3 Оет отношение сигнал/шум и приводитсоответственно к уменьшению даль-ности зондирования. Кроме того, прирасположении передатчиков по одйу:сторону от приемной системы геомет. рические Факторы лидара для каждогоиз них получаются различными, таккак их диаграммы направМеййости будут на разных расстояниях пересекатьугол доля зрения приемной системы. .40Это ухудшает точность измерений исказывается на результатах обработки сигналов лазерного зондирования,Гак,. необходймцй диаметр центрйрованной полевой диаФрагмы для паралдельных оптйческих осей передатчиков и приемной системы в случае иходностороннего расположенйя определяется следующей Формулой:д Г (2 В, Ю,Ю)/)+ 9,1, (1) 50где Е -. фокус ное расстояние объе кти ваВ, - расстояние между оптическимиосями приемной системы и наи-,более удаленного .от нее передатчика;55Л, - диаметр выходной апертурынаиболее удаленного передатчика;указанная цель достигается тем, что контурполевой диафрагмы образован из двух отрезков прямых, сопряженных с дугами полуокружностей, обращенных друг к другу вогнутыми сторонами, при этом радиус полуок" ружностей равен радиусу изображения рассеивающего объема атмосферы на начальной дальности зондирования, расстояние между центрами полуокружностей 1 определяется из соотно- шения Г Ь1(2) где Е - Фокусное расстояние объектива;- диаметр входной апертуры объектива приемной системы;1. - расстояние, начиная с которого на Фотодетектор попадаютне виньетируемые световыепотоки, рассеянные от зондируюпего излучения наиболееудаленного передатчика (начальная дальность зондирования);О, - угол расходимости излученияэтого передатчика.Таким образом необходимость уменьшения величины теневой зоны требует увеличения диаметра полевой диафрагмы д В то же время потоки обратно рассеянного излучения от зондирующего. объема проходят не через всю диафрагму, а только через ее часть, которая близка к плоскости, в которой лежат оптические оси приемной системы и передатчика. Остальная часть круглой полевой диафрагмы пропускает только Фоновое излучение, что. снижает .отношение сигнал/шум и уменьшает максимальную дальность зон- . дирования..Для передатчика, расположенного ближе к приемной системе,. начальная дальность зондированйя с риафрагмой, диаметр которой ойределяется выражением.(1.)., получаетсяменьшей, чем для удаленного передатчика, поэтому при обработке сигналов надо обязательно учитывать геометрические Фак- . торы лидара для каждого из передатчиков.Целью изобретения является повышение точности измерений и увеличение ральности зондирования.7209" 10 раничивает Фоновые световые потоки, в то же время полезные обратно рассеянные световые потоки в заданном 5 щих пучков обоих передатчиков отличаются, то лля определения радиусаг второй. дуги полуокружности нужно З 0в выражение (3) .представить соответпредлагаемого двухволнового лидара 40 Ь - расстояние между осями излучения передатчиков;К - начальная дальность зондироо вания, а ось симметрии полевой диафрагмы, проходящаячерез центры полуокружностей, расположена в той жеплоскости, что и оптическая ось приемной системы и оси излучения передатчиков.Диафрагма такой конфигурации огдиапазоне дальностей проходя черезполевую лиафрагму без виньетирования. Таким образом отношение сигнал//шум повышается,Радиус луги полуокружности т, определяется при этом из соотношейия,;: 9 В, . о)/1,д/2 (3) здесь все обозначения соответствуют обозна/чениям в выражении (1),В случае, если расходимости излучения и начальные диаметры зондируюствующие .параметры второго передатчика. В любом случае значенйя.геометрического Фактора лидара и начальныедальности зондирования рля любого передятчика будуг одинаковы. Это приведет:к увеличению точности зондирования. . На Фиг.1 йзображена блок-схема для зондирования атмосферы; на Фиг.2 полевая диафрагма этого лидара.Лвухволновой лидар включает опти" ческие передатчики 1, расположенные симметрично относительно. приемнойсистемы, которая представлена (в упрощенном вире) объектйвом 2, полевои диафрагмой 3, установленной в фокальной плоскости объектива, Фотодетектором 1, соединенным с блоком регистрации 5, Полевая диафрагма выпол" нена в виде щели и ограничена по оси симметрии ЙО дугами двух полуокружностей б, центры которых разнесены на расстояние, определяемое по Формуле(2), боковые стороны диафрагмы 7 являются касательными к этим дугам. 1 6Ось симметрии диафрагмы ОО лежит втой же плоскости, что и оптические/оси источников излучения 00, и О О5и приемной системы ОО , Установленадиафрагма в Фокальной плоскости так,что ее центр лежит на оптической/оси приемной системы ОО Центры дугполуокружностей совпадают с центрамипятен изображения от рассеивающихобъемов, расположенных на начальнойдальности зондирования.При посылке одним из передатчиковлидара зондирующего излучения в исследуемую атмосферу происходит егорассеяние на веществе среды. Поступающий на приемный объектив рассеянный поток создает изображение сопряженного рассеивающего объема. Еслирассеивающий объем находится от уст"ройства на расстоянии, равном на"чальной дальности зондирования, топоток из него заполняет часть диа:Фрагмы, ограниченную дугой полуокружности (слева или справа) в за висимости от работающего передатчика, Потоки, поступающие с меньшихрасстояний, будут виньетироватьсяэтим краем диафрагмы, Увеличение расстояния до рассеивающего объема при водит к смещению изображения к цент"ральной части диафрагмы. Одновремен.но с этим происходит уменьшение размеров пятна изображения рассеиваю 5щего объема. Поток рассеянного излучения, поступающий с предельной дальности зондирования, проходит черезцентральную часть диафрагмы,Изображения рассеивающего объема,создаваемого зондирующим излучением,при работе второго передатчика перемещаются в другой части диафрагмы,также от соответствующего края, ог. раниченного дугой полуокружности к45 центральной части диафрагмы. Такимобразом, в отличие от ранее используемой круглой диафрагмы отверстиепредлагаемой диафрагмы служит в основном только для пропускания полез 50 ных обратнорассеянных потоков.Использование полевой диафрагмыпредлагаемой Формы в двухволновыхлидарах увеличивает отношение сигнал/шум в несколько раз (2-5) при5 наличии фоновых излучений и позволяет увеличить диапазон зондированияпо дальности в несколько раз (1,5-2),орректор Е.Па едакт ГКНТ СС зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород агарина, 10 Зэказ 1093 Тираж,8 НИИПИ Государственного комитета и13035, Иосква, И Подписноеизобретениям и открыт5, Рауаская наб д,м