Устройство для измерения флуктуаций коэффициента преломления атмосферы

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ . Ж „„1 153ббО А1 (st>s G 01 N 21/41

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕ НТН0Е

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3693053/25 (22) 24.01.84 (46) 15.01.93. Бюл. N 2 (71) Институт оптики атмосферы СО

АН СССР (72) А.П.Годлевский, А..Ф.Жуков и P.I.Öâûê (56) Семенов А.А., Арсеньян Г. И.

Флуктуации электромагнитных волн на приземных трассах. M., Наука, 1978, с. 169.

Авторское свидетельство СССР

-l;. 386325, кл. G 01 N 21/41, 1973. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ФЛУКТУАЦИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее непрерывный лазерный источник, телескоп из двух зеркал, расположенный на выходе лазерного источника и связанный с ним оптически, и фотоприемник, о т л иИзобретение относится к измерительной технике и может быть исполь.зовано для оптических измерений характеристик турбулентности атмосферы. . Известно устройство. для измерения флуктуаций фазы лазерного излучения, прошедшего,- слой турбулентной атмосферы, которое состоит из лазера, делительного зеркала и интерферометра

Жамена. Лазерный пучок разделяют на два и каждый из них направляют параллельно друг другу по измерительной трассе, затем эти лучи объединяют и. направляют на интерферометр и по видности интерференционных полос измеряют флуктуации фазы лазерного иэлуч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения чувствительности измерений, в него введены генератор периодических колебаний, электрически сое диненный с перестраиваемым приводом, селективный перестраиваемый фильтр, электрически связанный с блоком синхронизации, и блок регистрации амплитуды электрических сигналов, причем одно иэ зеркал телескопа снабжено перестраиваемым приводом, фотоприемник оптически связан с резонатором лазера и электрически через селективный перестраиваемый фильтр с блоком регистрации амплитуды электрического сигнала, а генератор периодических колебаний перестраиваемого привода одним иэ выходов электрически соединен с входом блока синхронизации перестраиваемого Фильтра. чения, по которым определяют флуктуа: ции коэффициента преломления атмосферы.

Недостатком этого устройства является недостаточная чувствительность в случае слабых флуктуаций коэффициента преломления атмосферы на малых измерительных трассах. Также мала чувствительность в случае больших оптических толщ атмосферы (туман, снегопад), когда оптический сигнал существенно ослабляется, особенно в далекой инфракрасной области, где нет, достаточно чувствительных фотоприем-. ников. Недостатком известного устройства является также малая помехоэа1! 53660 щищенность от фонового излучения атмосферы. Например, при измерениях в солнечную погоду, когда помехи требуют установки перед Фотоприемником уз- 5 кополосных интерференционных фильтров, которые значительно ослабляют излучение.

Наиболее близким по технической сущности. к изобретению является уст- !р ройство для измерения флуктуаций коэффициента преломления атмосферы, включающее непрерывный лазерный источник, телескоп из двух зеркал, расположенный на выходе лазерного источ- !а; ника и связанный с ним оптически, и фотоприемник.

В данном устройстве коллимированный лазерный пучок направляется через атмосферу и принимается телескопом, в Фокусе которого расположен фотоприемник. Турбулентные характеристики атмосферы определяют по размытию изображения источника излучения в фокусе телескопа измеряемым Фото- 25 приемником.

Недостатком его является недостаточная чувствительность при малых трассах, а также малая помехозащищенность при больших Фоновых помехах, gp например, в дневное время.

Целью изобретения является увеличение чувствительности и помехозащищенности при измерении флуктуации коэффициента преломления атмосферы.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения флуктуаций коэффициента преломления атмосферы, содержащее непрерывный лазерный источник, телескоп из двух 4р зеркал, расположенный на выходе лазерного источника и связанный с ним оптически, и Фотоприемник, введены генератор периодических колебаний, . электрически соединенный с перестраи- 4 ваемым приводом, селективный перестраиваемый фильтр, электрически соединенный с блоком синхронизации и блок регистрации амплитуды электрических сигналов, причем одно из зеркал теле- 5О скопа снабжено перестраиваемым приводом, Фотоприемник оптически связан с резонатором лазера и электрически через селективный перестраиваемый фильтр с блоком регистрации амплитуды электрического сигнала, а генера- 55 тор периодических колебаний перест. раиваемого привода одним из .выходов электрически соединен с входом блока синхронизации перестраиваемого фильтра.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Устройство состоит из непрерывного лазерного источника 1 с двумя Ilo лупрозрачными зеркалами резонатора, например лазера на СО, Не-Ne или другого, телескопа Кассегрена с колеблющимся зеркалом 2 (выгнутым), например, при помощи пьезокерамики установленного на одной оптической оси с лазерным источником, генератора синусоидального напряжения 3 (например

Г3-109), электрически связанного одним выходом с пьезокерамикой колебания зеркала 2 телескопа, отражающего . объекта 4, например стены здания или топографического объекта, фотоприемника 5 (фотосопротивление, фотоэлемент и др.), установленного на оптической оси лазерного источника со стороны полупрозрачного зеркала резонатора, селективного фильтра 6 с перестраиваемой полосой пропускания, электрически связанного с фотоприемником 5, блоком регистрации амплитуды электрических сигналов 7 (магнитограф, самописец) и через блок синхронизации 8 с генератором синусоидального напряжения 3.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазерного источника 1 формируется телескопом в параллельный пучок и направляется на отражающий или диффузнорассеивающий объект

4 и в резонатор лазерного источника

1. При этом излучение модулируется по фазе благодаря колебанию зеркала телескопа 2 на величину половины длины волны ---. При отсутствии фазовых

Ъ

2 возмущений на трассе между телескопом 2 и отражателем 4 вводимая в резонатор волна интерферирует со стоячей волной в резонаторе лазера 1. В случае совпадения фазы вводимой волны в резонаторе будет наблюдаться увеличение энергии излучения, а в случае противофазного соотношения уменьшение. При модуляции фазы зеркалом 2 телескопа с частотой f, генерация лазерного источника 1 также будет промодулирована с частотой f.

Излучение лазерного источника 1 регистрируется Фотоприемником, 5, сигнал его усиливается селективным пере60

30 где

1, (0+K„)где р„„-,5 11536 страиваемым благодаря блоку синхронизации 8 фильтром 6, настроенным на

t частоту модуляции, что позволяет отсечь "паразитные" частоты, например, шумы лазерного источника 1. Величина сигнала от фотоприемника измеряется блоком регистрации амплитуды 7.

При прохождении луча в реальной атмосФере, когда фаза излучения хао- 10 тично изменяется в широком спектральном диапазоне (примерно от 0,1 до 67 кГц), величина модуляции лазера будет зависеть от величины сбоя фазы в атмосфере. При перестройке частоты 15 фазовой модуляции лазерного источника за счет изменения частоты колебания зеркала, телескопа 2, она изменяется в пределах частотного спектра флуктуаций фазы в атмосфере. 20

Теоретический анализ величины относительного изиенейия интенсивности излучения I при взаимодействии внеш: ней волны со стоячей волной в резо наторе лазера, для однородно уширен- 25 ного контура линии генерации приводит к следующему выражению

Ь 1 - ra

1 - (.P+ <р) в.(1 +, ) (), коэффициент отражения выходного зеркала резонатора .перед телескопом; 35 соответственно длина и потери в резонаторе; коэффициент отражения внешнего отражателя на трассе, „ 40 насыщающая интенсивность,. коэффициент, указывающий амплитудные и фазовые соотношения вводимой волны в резонаторе, который 45 имеет вид

<(e) - le " I people пространственный радиус 50 когерентности поля;

0 - радиус приемной апертуры, причем (экоР 0(;

lf(t) - результирующая фаза отраженной волны.

Пространственная когерентность лазерного пучка после прохождения в атмосфере зависит от состояния атмосферы и длины трассы. Условие Pq p fдостигается в том случае, когда увеличение приемника не приводит к уве" личению среднего сигнала на выходе фотоприемника 5.

Таким образом, частота флуктуации фазы в турбулентной атмосфере связана с кинетикой генерации лазера.

Оценка показывает, например, 1ÎÎÔную модуляцию относительного отклика лазера, вызывает изменение коэффициента преломления атмосферы gп 10"> при длине трассы 100 м и коэффициенте отражения выходного зеркала r> = 50X.

Данное устройство позволяет измерять структурную характеристику флуктуаций коэффициента преломления атмосферы на малых трассах с высокой чувствительностью, турбулентные ха.рактеристики в слабых осадках, когда в известных способах требуются .длинные измерительные трассы. Существенным преимуществом данного устройства. является возможность измерения в далекой ИК-области, так как не требуется использование высокочувствительных приемников для измерения слабых отра" женных или рассеянных сигналов от удаленного объекта. В этом случае благодаря высокой чувствительности лазера к слабому входящему в резонатор. сигналу (до 10 Вт) возможно измерение флуктуаций коэффициента преломления атмосферы при использовании в качестве внешних отражателей естественных объектов, стен зданий, поверхности земли, облачного слоя, что крайне актуально при измерений вертикального профиля турбулентности, При этом приемник измеряет излучение, генерируемое самим лазером, в связи с чем нет необходимости применения высокочувствительного приемника.

Редактор Т.Иарганова Техред М.Моргентал Корректор Л.Филь

Заказ 1085 Тираж Подписное

ВНИИПК Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, _#_-35, Раушская наб., д. 4/5

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