Лидар

 

Использование: измерительная техника, в частности для дистанционного измерения концентраций различных атмосферных загрязнений. Сущность изобретения: одновременное получение сигналов спонтанного комбинационного рассеяния на исследуемых веществах в двух частотных диапазонах и совместной обработке этих сигналов. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения концентраций различных атмосферных загрязнений.

Известны многочисленные варианты газоанализаторов [1,2] в которых газовая смесь прокачивается через измерительную головку, а концентрации примесей определяются по изменению окраски цветных индикаторов. Такие газоанализаторы имеют низкую точность, кроме того, они не обеспечивают возможности дистанционного измерения атмосферных примесей, т.е. измерительный прибор должен находиться непосредственно в зоне загрязнения.

Известны также различные варианты интерферометров, позволяющих определять концентрации атмосферных примесей путем измерения показателя преломления воздуха [3] отечественные шахтные интерферометры ШИ-5, ШИ-7, газоанализаторы "Гази" (Карл Цейс Йена, ГДР), ИГА (СССР). Главный их недостаток заключается в отсутствии возможности дистанционного измерения загрязнений, т. е. измерительный прибор должен находиться непосредственно в зоне загрязнения. Кроме того, такие приборы обладают сравнительно низкой достоверностью, так как различные газовые примеси могут вызывать одинаковые изменения показателя преломления воздуха.

Известен также лидар, предназначенный для зондирования атмосферного озона [4] работа которого основана на дифференциальном поглощении. Принцип работы этого устройства заключается в определении средней концентрации газа в выбранном интервале расстояний путем анализа сигналов обратного рассеяния на двух длинах волн, настроенных соответственно на максимум и минимум спектрального поглощения исследуемого газа. Недостатки известного лидара заключаются в необходимости реализации точных значений обеих частот оптического излучения (что жестко ограничивает выбор источников излучения) и сложности обработки принятых сигналов (для получения достоверных результатов необходимо одновременно измерять профиль обратного аэрозольного рассеяния по трассе распространения зондирующих импульсов). Кроме того, при изменении типа исследуемого газа необходимо изменение обеих частот зондирующего оптического излучения, что обычно означает замену типов самих источников. Лидары такого типа обладают низкой достоверностью и точностью, так как на принимаемые сигналы могут наложиться посторонние сигналы как на частоте, соответствующей максимуму спектрального поглощения исследуемого вещества, так и на частоте, соответствующей минимуму спектрального поглощения исследуемого вещества, что приведет к искажению результатов измерений.

Наиболее близким к заявляемому является лидар [5] работа которого основана на приеме сигналов на частотах спонтанного комбинационного рассеяния. Он содержит лазер, передающую оптическую систему, блок обработки, блок регистрации, блок управления и последовательно оптически связанные приемную оптическую систему, частотный разделитель и фотоприемный блок. Выход лазера оптически связан с передающей оптической системой, первый выход блока управления соединен с управляющим входом лазера, второй выход блока управления соединен с первым входом блока обработки, выход фотоприемного блока соединен с вторым входом блока обработки, выход блока обработки соединен с входом блока регистрации. Приемная оптическая система выполнена по схеме Кассегрена. В качестве частотного разделителя использован монохроматор с дифракционной решеткой, использующейся во втором порядке. В состав фотоприемника входят фотоэлектронные умножители, регистрирующие сигналы спонтанного комбинационного рассеяния на исследуемом веществе и молекулярном азоте. Так как концентрацию и молекулярного азота, и молекулярного кислорода с достаточной для данных измерений точностью можно считать в атмосфере постоянной, то сигнал спонтанного комбинационного рассеяния на N₂ (О₂) используется для нормировки сигналов, соответствующих спонтанному комбинационному рассеянию на исследуемом веществе.

По сравнению с другими типами измерителей устройство, использующее сигналы на частотах спонтанного комбинационного рассеяния, имеет ряд преимуществ, главное из которых заключается в том, что нет необходимости специально подбирать длину волны излучения лазера и изменять ее при изменении типа исследуемого вещества, что обеспечивает универсальность любого выбранного для лидара типа лазера. Кроме того, так как частоты спонтанного комбинационного рассеяния отстоят от частоты зондирующего импульса на достаточном расстоянии в спектре, то сравнительно легко избавиться от влияния обратного аэрозольного и молекулярного рассеяния на частоте зондирующего импульса.

Недостаток известного измерителя заключается в низкой достоверности и точности получаемых результатов, так как на сигнал, соответствующий спонтанному комбинационному рассеянию на исследуемом веществе, могут наложиться сигналы на той же (или близкой) частоте, обусловленные взаимодействием лазерного излучения с другими веществами, или же сигналы, обусловленные фоновым излучением, что приведет к искажению результатов измерений.

Цель изобретения повышение достоверности и точности измерений.

Цель достигается тем, что в известный лидар, содержащий лазер, передающую оптическую систему, блок обработки, блок регистрации, блок управления и последовательно оптически связанные приемную оптическую систему, частотный разделитель и фотоприемный блок, в котором первый выход блока управления соединен с управляющим входом лазера, выход блока обработки соединен с входом блока регистрации, внесены усовершенствования: в него дополнительно введены частотный преобразователь, первый и второй светоделители, первый и второй фотоприемники, запоминающий блок и считывающий блок, причем выход лазера оптически связан с входом частотного преобразователя, выход частотного преобразователя оптически связан с входом первого светоделителя, первый выход первого светоделителя оптически связан через первый фильтр с первым фотоприемником, второй выход первого светодителя оптически связан с входом второго светоделителя, первый выход второго светоделителя оптически связан через второй фильтр с вторым фотоприемником, второй выход второго светоделителя оптически связан с передающей оптической системой, выход первого фотоприемника соединен с первым калибровочным входом блока обработки, выход второго фотоприемника соединен с вторым калибровочным входом блока обработки, выходы фотоприемного блока соединены с соответствующими входами запоминающего блока, выходы запоминающего блока соединены с соответствующими входами считывающего блока, первый и второй нормировочные выходы считывающего блока соединены соответственно с первым и вторым нормировочными входами блока обработки, первый и второй информационные выходы считывающего блока соединены соответственно с первым и вторым информационными входами блока обработки, второй выход блока управления соединен с первым управляющим входом запоминающего блока, третий выход блока управления соединен с первым управляющим входом считывающего блока, четвертый выход блока управления соединен с вторым управляющим входом запоминающего блока и вторым управляющим входом блока обработки, а пятый выход блока управления соединен с управляющими входами частотного преобразователя, второго фильтра и частотного разделителя, а также с первым управляющим входом блока обработки и вторым управляющим входом считывающего блока.

Такое построение лидара позволяет одновременно получить сигналы спонтанного комбинационного рассеяния оптического излучения на исследуемых веществах в двух частотных диапазонах и провести их совместную обработку, что приводит к повышению достоверности и точности измерений за счет устранения возможности искажения результатов измерений помехами или сигналами, обусловленными взаимодействием оптического излучения с другими веществами.

В частном случае блок обработки содержит четыре запоминающих устройства, семь делителей, две линии задержки, два формирователя, четыре ключа, компаратор и сумматор, при этом первый вход первого запоминающего устройства соединен с выходом первого фотоприемника, первый вход второго запоминающего устройства соединен с выходом второго фотоприемника, первый вход третьего запоминающего устройства соединен с первым нормировочным выходом считывающего блока, первый вход четвертого запоминающего блока соединен с вторым нормировочным выходом считывающего блока, вторые входы запоминающих устройств соединены с четвертым выходом блока управления, первый вход третьего делителя соединен с первым информационным выходом считывающего блока, первый вход четвертого делителя соединен с вторым информационным выходом считывающего блока, выход первого запоминающего устройства соединен с вторым входом третьего делителя и вторым входом первого делителя, выход второго запоминающего устройства соединен с вторым входом четвертого делителя и вторым входом второго делителя, выход третьего запоминающего устройства соединен с первым входом первого делителя, выход четвертого запоминающего устройства соединен с первым входом второго делителя, выход первого делителя соединен с вторым входом пятого делителя, выход второго делителя соединен с вторым входом шестого делителя, выход третьего делителя соединен с первым входом пятого делителя, выход четвертого делителя соединен с первым входом шестого делителя, выход пятого делителя соединен с первым входом первой линии задержки и первым входом второго формирователя, выход шестого делителя соединен с первым входом седьмого делителя, выход седьмого делителя соединен с первым входом второй линии задержки и первым входом первого формирователя, пятый выход блока управления соединен с вторыми входами седьмого делителя, первой линии задержки, второй линии задержки, первого формирователя и второго фоpмиpователя, выход первой линии задержки соединен с первым входом первого ключа, выход первого формирователя соединен с вторым входом первого ключа, выход второй линии задержки соединен с первым входом второго ключа, выход второго фоpмиpователя соединен с вторым входом второго ключа, выход первого ключа соединен с первым входом третьего ключа и первым входом компаратора, выход второго ключа соединен с первым входом четвертого ключа и вторым входом компаратора, первый выход компаратора соединен с вторым входом третьего ключа, второй выход компаратора соединен с вторым входом четвертого ключа, выход третьего ключа соединен с первым входом сумматора, выход четвертого ключа соединен с вторым входом сумматора а выход сумматора соединен с входом блока регистрации.

В данном случае первый вход первого запоминающего устройства выполняет роль первого калибровочного входа блока обработки, первый вход второго запоминающего устройства выполняет роль второго калибровочного входа блока обработки, первый вход третьего запоминающего устройства выполняет роль первого нормировочного входа блока обработки, первый вход четвертого запоминающего устройства выполняет роль второго нормировочного входа блока обработки, вторые входы запоминающих устройств выполняют роль второго входа блока обработки, совокупность вторых входов первого формирователя, второго фоpмиpователя, первой линии задержки, второй линии задержки и седьмого делителя выполняет роль первого входа блока обработки, первый выход третьего делителя выполняет роль первого информационного входа блока управления, а первый вход четвертого делителя выполняет роль второго информационного входа второго делителя.

На фиг. 1 приведена функциональная схема заявляемого лидара; на фиг.2 схема блока обработки.

Лидар содержит (фиг. 1) первый фотоприемник 1, второй фотоприемник 2, первый фильтр 3, второй фильтр 4, лазер 5, частотный преобразователь 6, первый светоделитель 7, второй светоделитель 8, передающую оптическую систему 9, блок 10 управления, блок 11 обработки, считывающий блок 12, запоминающий блок 13, фотоприемный блок 14, частотный разделитель 15, приемную оптическую систему 16 и блок 17 регистрации. Выход лазера 5 оптически связан с входом частотного преобразователя 6, выход частотного преобразователя 6 оптически связан с входом первого светоделителя 7, первый выход первого светоделителя 7 оптически связан через первый фильтр 3 с первым фотоприемником 1, второй выход первого светоделителя 7 оптически связан с входом второго светоделителя 8, первый выход второго светоделителя 8 оптически связан через второй фильтр 4 с вторым фотоприемником 2, второй выход второго светоделителя 8 оптически связан с передающей оптической системой 9. Приемная оптическая система 16, частотный разделитель 15 и фотоприемный блок 14 последовательно оптически связаны друг с другом. Первый выход блока 10 управления соединен с управляющим входом лазера 5, выход блока 11 обработки соединен с входом блока 17 регистрации, выходы фотоприемного блока 14 соединены с соответствующими входами запоминающего блока 13, выходы запоминающего блока 13 соединены с соответствующими входами считывающего блока 12, первый и второй нормировочные выходы считывающего блока 12 соединены соответственно с первым и вторым нормировочными входами блока 11 обработки, первый и второй информационные выходы считывающего блока 12 соединены соответственно с первым и вторым информационными входами блока 11 обработки, второй выход блока 10 управления соединен с первым управляющим входом запоминающего блока 13, третий выход блока 10 управления соединен с первым управляющим входом считывающего блока 12, четвертый выход блока 10 управления соединен с вторым управляющем входом запоминающего блока 13 и вторым управляющим входом блока 11 обработки, а пятый выход блока 10 управления соединен с управляющими входами частотного преобразователя 6, второго фильтра 4 и частотного разделителя 15, а также с первым управляющим входом блока 11 обработки и вторым управляющим входом считывающего блока 12. При этом выход первого фотоприемника 1 соединен с первым калибровочным входом блока 11 обработки, а выход второго фотоприемника 2 соединен с вторым калибровочным входом блока 11 обработки.

Лидар работает следующим образом.

По сигналу, передаваемому с первого выхода блока 10 управления на управляющий вход лазера 5, лазер 5 формирует импульс когерентного оптического излучения с длиной волны λ₁. При прохождении через частотный преобразователь 6 часть оптического излучения преобразуется в оптическое излучение с длиной волны λ₂=λ₁/k, где k положительное число. Таким образом, на входе частотного преобразователя 6 оптическое излучение представляет собой совокупность двух оптических сигналов с длинами волн λ₁ и λ₂. При прохождении оптического излучения через первый светоделитель 7 часть излучения ответвляется и через первый выход первого светоделителя 7 проходит через первый фильтр 3, который пропускает только излучения с длиной волны λ₁, и попадает на первый фотоприемник 1. Сигнал с выхода первого фотоприемника 1 поступает на первый калибровочный вход блока 11 обработки. После выхода из первого светоделителя 7 оптическое излучение проходит через второй светоделитель 8, где часть излучения ответвляется и через первый выход второго светоделителя 8 направляется к второму фильтру 4, который пропускает к второму фотоприемнику 2 оптическое излучение только с длиной волны λ₂. Сигнал с выхода второго фотоприемника 2 поступает на второй калибровочный вход блока 11 обработки. После второго светоделителя 8 оптическое излучение проходит через передающую оптическую систему 9, которая формирует требуемую диаграмму направленности и посылает оптическое излучение в заданном направлении.

При взаимодействии оптического излучения с компонентами воздушной среды за счет спонтанного (рамановского) комбинационного рассеяния в спектре принимаемого оптического излучения кроме линий, характеризующих падающий свет, наблюдаются добавочные линии, сопровождающие каждую из линий падающего излучения. Различие в частотах возбуждающей первичной линии и появляющихся с спектре добавочных линий характерно для каждого рассеивающего вещества и равно частотам собственных колебаний молекул. Далее будут приняты следующие обозначения: λ_1н, λ₁₁, λ₁₂, λ_1i. длины волн оптического излучения, соответствующие спонтанному комбинационному рассеянию излучения с длиной волны λ₁ на молекулярном азоте (молекулярном кислороде), первом, втором, 1-м, исследуемых веществах, соответственно, а λ_2н, λ₂₁, λ₂₂, λ_2i, длины волн оптического излучения, соответствующие спонтанному комбинационному рассеянию излучения с длиной волны λ₂ на молекулярном азоте (молекулярном кислороде), первом, втором, 1-м, исследуемых веществах, соответственно.

Приемная оптическая система 16 направляет оптическое излучение в частотный разделитель 15, который осуществляет пространственное разделение спектральных линий принятого света. Спектральные составляющие с выхода частотного разделителя 15 попадают на вход фотоприемного блока 14, сигналы с выхода фотоприемного блока 14 попадают на соответствующие входы запоминающего блока 13. На первый управляющий вход запоминающего блока 13 поступают сигналы с второго выхода блока 10 управления, осуществляющие стробирование принятых сигналов, т.е. выбор требуемого участка трассы, на котором производится определение концентрации исследуемых веществ. После завершения цикла измерений на второй управляющий вход запоминающего блока 13 поступают сигналы с четвертого выхода блока 10 управления, которые осуществляют стирание сигналов в запоминающем блоке 13. Сигналы с выходов запоминающего блока 13 поступают на соответствующие входы считывающего блока 12. После завершения операции стробирования на первый управляющий вход считывающего блока 12 поступают сигналы, осуществляющие запуск считывающего блока 12, который передает сигналы, записанные в запоминающем блоке 13, на нормировочные и информационные входы блока 11 обработки, причем на первый нормировочный вход блока 11 обработки подается сигнал, соответствующий спонтанному комбинационному рассеянию света с длиной волны λ₁ на молекулярном азоте (или молекулярном кислороде), на второй нормировочный вход блока 11 обработки подается сигнал, соответствующий спонтанному комбинационному рассеянию света с длиной волны λ₁ на молекулярном азоте (или молекулярном кислороде), на первый информационный вход блока 11 обработки поступают сигналы, сформированные при считывании спектра, полученного при спонтанном комбинационном рассеянии света с длиной волны λ₂ на исследуемых веществах, а на второй информационный вход поступают сигналы, сформированные при считывании спектра, полученного при спонтанном комбинационном рассеянии света с длиной волны λ₂ на исследуемых веществах. Сигналы, поступающие на калибровочные входы блока 11 обработки, позволяют провести учет мощности генерируемого излучения как на длине волны λ₁, так и на длине волны λ₂. Сигналы, поступающие на первый и второй ноpмиpовочные входы блока 11 обработки, позволяют провести нормировку исследуемых сигналов по спонтанному комбинационному рассеянию света на эталонном газе (молекулярном азоте или молекулярном кислороде). Блок 11 обработки с учетом калибровочных и нормировочных сигналов осуществляет сравнение сигналов, соответствующих спонтанному комбинационному рассеянию излучения на исследуемых веществах с учетом различия их сечений рассеяния на длинах волн λ₁ и λ₂. Получение сигналов спонтанного комбинационного рассеяния на двух длинах волн и совместная обработка этих сигналов в блоке 11 обработки позволяет повысить достоверность и точность измерений. Сигнал с выхода блока 11 обработки поступает на выход блока 17 регистрации. После завершения цикла измерений сигнал, поступающий с четвертого выхода блока 10 управления на второй управляющий вход блока 11 обработки, приводит блок 11 обработки в исходное состояние.

Величина k выбирается, исходя из конкретных условий эксплуатации лидара. В простейшем случае k может быть равно целому числу, например двум (трем, четырем, ), в этом случае частотный преобразователь 6 пропускает основную гармонику с длиной волны λ₁ и формирует вторую (третью, четвертую,) гармонику. Изменение величины k производится по команде, поступающей с пятого выхода блока 10 на управляющий вход частотного преобразователя 6. Этот же сигнал поступает на управляющие входы второго фильтра 4 и частотного разделителя 15 и перестраивает их на новое значение λ₂. Сигнал с пятого выхода блока 10 управления также поступает на второй управляющий вход считывающего блока 12, в результате чего скорости считывания первого и второго спектров изменяются в соответствии с новым значением k. Кроме того, сигнал с пятого выхода блока 10 управления поступает на первый управляющий вход блока 11 обработки, этот сигнал позволяет блоку 11 обработки учесть изменение величины сечения спонтанного комбинационного рассеяния при изменении длины волны λ₂ (величина сечения рассеяния пропорциональна четвертой степени длины волны).

Выходы первого фотоприемника 1 и второго фотоприемника 2 могут быть снабжены индикаторами, с помощью которых возможен контроль (например, визуальный) за режимом работы лазера 5 и частотного преобразователя 6, что позволит определить наличие внештатного режима работы лазера 5 или частотного преобразователя 6, например, при падении мощности принимаемого излучения второй гармоники до значения, соизмеримого с пороговой чувствительностью фотоприемного блока 14.

Конструктивная реализация заявляемого лидара не вызывает затруднений. Например, частотный разделитель 15 может быть выполнен на основе дисперсионной призмы или дифракционной решетки либо их комбинации. В качестве фотоприемного блока 14 может быть использована, например, линейка (матрица) фотоприемников или ПЗС-линейка (матрица).

В частном случае (фиг.2) блок 11 обработки содержит четыре запоминающих устройства 18, 19, 20 и 21, семь делителей 22, 23, 24, 25, 26, 27 и 28, две линии 29 и 30 задержки, два формирователя 31 и 32, четыре ключа 33, 34, 35 и 36, компаратор 37 и сумматор 38.

Первый вход первого запоминающего устройства 18 соединен с выходом первого фотоприемника 1, первый вход второго запоминающего устройства 19 соединен с выходом второго фотоприемника 2, первый вход третьего запоминающего устройства 20 соединен с первым нормировочным выходом считывающего блока 12, а первый вход четвертого запоминающего устройства 21 соединен с вторым нормировочным выходом считывающего блока 12. Вторые входы запоминающих устройств 18, 19, 20 и 21 соединены с четвертым выходом блока 10 управления, первый вход третьего делителя 24 соединен с первым информационным выходом считывающего блока 12, первый вход четвертого делителя 25 соединен с вторым информационным выходом считывающего блока 12, выход первого запоминающего устройства 18 соединен с вторым входом третьего делителя 24 и вторым входом третьего делителя 22, выход второго запоминающего устройства 19 соединен с вторым входом четвертого делителя 25 и вторым входом второго делителя 23, выход третьего запоминающего устройства 20 соединен с первым входом первого делителя 22, а выход четвертого запоминающего устройства 21 соединен с первым входом второго делителя 23. Выход первого делителя 22 соединен с вторым входом пятого делителя 26, а выход второго делителя 23 соединен с вторым входом шестого делителя 27. Выход третьего делителя 24 соединен с первым входом пятого делителя 26, выход четвертого делителя 25 соединен с первым входом шестого делителя 27, выход пятого делителя 26 соединен с первым входом первой линии 29 задержки и первым входом второго формирователя 32, выход шестого делителя 27 соединен с первым входом седьмого делителя 28, выход седьмого делителя 28 соединен с первым выходом второй линии 30 задержки и первым входом первого формирователя 31, а пятый выход блока 10 управления соединен с вторыми входами седьмого делителя 28, первой линии 29 задержки, второй линии 30 задержки, первого фоpмиpователя 31 и второго формирователя 32. Выход первой линии 29 задержки соединен с первым входом первого ключа 33, выход первого фоpмиpователя 31 соединен с вторым входом первого ключа 33, выход второй линии 30 задержки соединен с первым выходом второго ключа 34, выход второго формирователя 32 соединен с вторым входом второго ключа 34, выход первого ключа 33 соединен с первым входом третьего ключа 35 и первым входом компаратора 37, а выход второго ключа 34 соединен с первым входом четвертого ключа 36 и вторым входом компаратора 37. Первый выход компаратора 37 соединен с вторым входом третьего ключа 35, второй выход компаратора 37 соединен с вторым входом четвертого ключа 36, выход третьего ключа 35 соединен с первым входом сумматора 38, выход четвертого ключа 36 соединен с вторым входом сумматора 38, а выход сумматора 38 соединен с входом блока 17 регистрации.

В данном случае (фиг.2) первый вход первого запоминающего устройства 18 выполняет роль первого калибровочного входа блока 11 обработки, первый вход второго запоминающего устройства 19 выполняет роль второго калибровочного входа блока 11 обработки, первый вход третьего запоминающего устройства 20 выполняет роль первого нормировочного входа блока 11 обработки, первый вход четвертого запоминающего устройства 21 выполняет роль второго нормировочного входа блока 11 обработки, вторые входы запоминающих устройств 18, 19, 20 и 21 выполняют роль второго входа блока 11 обработки, совокупность вторых входов первого формирователя 31, второго формирователя 32, первой линии 29 задержки, второй линии 30 задержки и седьмого делителя 28 выполняет роль первого входа блока 11 обработки, первый вход третьего делителя 24 выполняет роль первого информационного входа блока 11 управления, а первый вход четвертого делителя 25 выполняет роль второго информационного входа блока 11 обработки.

Такой вариант блока 11 обработки работает следующим образом.

На первый вход первого запоминающего устройства 18 поступает сигнал, пропорциональный мощности уходящего излучения с длиной волны λ₁, а на первый вход второго запоминающего устройства 19 поступает сигнал, пропорциональный мощности уходящего излучения с длиной волны λ₂. На первый вход третьего запоминающего устройства 20 поступает сигнал, соответствующий излучению с длиной волны λ_1н, т.е. сигнал, соответствующий спонтанному комбинационному рассеянию уходящего излучения с длиной волны λ₁ на эталонном газе, а на первый вход четвертого запоминающего устройства 21 поступает сигнал, соответствующий излучению с длиной волны λ_2н, т.е. сигнал, соответствующий спонтанному комбинационному рассеянию уходящего излучения с длиной волны λ₂ на эталонном газе. Запоминающие устройства 18, 19, 20 и 21 поддерживают на своих выходах поданные на их первые входы сигналы до тех пор, пока на их вторые входы не поступит сигнал стирания с четвертого выхода блока 10 управления. Сигнал с первого информационного выхода считывающего блока 12, соответствующий оптическим сигналам с длинами волн λ₁₁, λ₁₂, λ_1i, поступает на первый вход третьего делителя 24 в виде временной последовательности импульсов, причем амплитуда каждого импульса пропорциональна концентрации соответствующего данному импульсу исследуемого вещества. Третий делитель 24 делит сигнал, поступающий на его первый вход, на сигнал, поступающий на его второй вход с выхода первого запоминающего устройства 18, и тем самым осуществляет калибровку спектра, полученного при рассеянии излучения с длиной волны λ₁, на исследуемых веществах. Сигнал с второго информационного выхода считывающего блока 12, соответствующий оптическим сигналам с длинами волн λ₂₁, λ₂₂, λ_2i, поступает на первый вход четвертого делителя 25, который делит этот сигнал на сигнал, поступающий с выхода второго запоминающего устройства 19 на второй вход четвертого делителя 25, и тем самым осуществляет калибровку спектра, полученного при рассеянии излучения с длиной волны λ₂ на исследуемых веществах. Первый делитель 22 делит поступающий на его первый вход с выхода третьего запоминающего устройства 20 нормировочный сигнал, соответствующий рассеянию излучения с длиной волны λ₁ на эталонном газе, на поступающий с выхода первого запоминающего устройства 18 сигнал, тем самым осуществляя калибровку первого нормировочного сигнала. Второй делитель 23 делит поступающий на его первый вход с выхода четвертого запоминающего устройства 21 сигнал на поступающий с выхода второго запоминающего входа 19 сигнал, тем самым осуществляя калибровку второго нормировочного сигнала.

Пятый делитель 26 осуществляет деление поступающего на его первый вход с выхода третьего делителя 24 сигнала на поступающий с выхода первого делителя 22 сигнал, тем самым осуществляя нормировку спектра, полученного при спонтанном комбинационном рассеянии излучения с длиной волны λ₁ на исследуемых веществах. Шестой делитель 27 осуществляет деление поступающего на его первый вход с выхода четвертого делителя 25 сигнала на поступающий с выхода второго делителя 23 сигнал и тем самым осуществляет нормировку спектра, полученного при спонтанном комбинационном рассеянии излучения с длиной волны λ₂ на исследуемых веществах.

Сигнал с выхода шестого делителя 27 поступает на первый вход седьмого делителя 28, на второй вход которого поступает сигнал с пятого выхода блока 10 управления. Так как величина сечения спонтанного комбинационного рассеяния пропорциональна четвертой степени длины волны зондирующего импульса, то для дальнейшей обработки необходимо в описываемом варианте конструктивного исполнения блока 11 обработки выравнивание амплитуд сигналов, соответствующих первому и второму спектрам. Седьмой делитель 28 осуществляет эту операцию. При изменении режима работы частотного преобразователя 6 (т.е. при изменении числа k, задающего соотношение между λ₁ и λ₂) изменяется также и величина сигнала, поступающего на второй вход седьмого делителя 28, в результате чего изменяется коэффициент деления седьмого делителя 28.

Сигнал с выхода седьмого делителя 28 поступает на первые входы первого формирователя 31 и второй линии 30 задержки, а сигнал с выхода пятого делителя 26 поступает на первые входы первой линии 29 задержки и второго формирователя 32. Формирователи 31 и 32 формируют импульсы требуемой длительности, открывающие первый 33 и второй 34 ключи соответственно. Если на первые входы первого 33 и второго 34 ключей во время открытого состояния этих ключей синхронно поступают импульсы, то они проходят на первый и второй входы компаратора 37 соответственно. Если в данный момент времени присутствует сигнал только в одном из спектров, например в первом, то он не пройдет на первый вход компаратора 37 и первый вход третьего ключа 35, так как в этот момент времени первый ключ 33 будет закрыт. Если же сигнал присутствует только во втором спектре, то он не пройдет на второй вход компаратора 37, так как второй ключ 34 будет в это время закрыт. Таким образом, дальнейшей обработке подвергаются только те сигналы, которые одновременно присутствуют в обоих спектрах, т. е. занимающие определенные заранее известные участки спектра. Если же импульс присутствует только в одном спектре, а во втором отсутствует, то это не сигнал, а помеха, следовательно, описываемый вариант конструктивного исполнения блока 11 обработки обеспечивает повышение достоверности измерений.

Компаратор 37 сравнивает по амплитуде сигналы, соответствующие первому и второму спектрам. Компаратор 37 работает следующим образом. Если сигнал на его первом входе меньше или равен сигналу на его втором входе, то на его первом выходе формируется сигнал, достаточный для открывания третьего ключа 35, а на его втором выходе сигнал отсутствует, т.е. четвертый ключ 36 оказывается закрытым. Если же сигнал на первом входе компаратора 37 больше сигнала на его втором входе, то на его первом выходе сигнал отсутствует, в результате чего третий ключ 35 закрывается, а на втором выходе компаратора 37 формируется сигнал, достаточный для открывания четвертого ключа 36. Таким образом, при поступлении на первый и второй входы компаратора 37 одинаковых сигналов (т. е. когда помехи отсутствуют в обоих спектрах) на первый вход сумматора 38 через третий ключ 35 поступает сигнал, соответствующий первому спектру, а сигнал на втором входе сумматора 38 отсутствует. Если сигнал на втором входе компаратора 37 больше сигнала на его первом входе (т.е. когда в сигнале во втором спектре присутствует помеха), то на первый вход сумматора 38 через третий ключ 35 поступает сигнал, соответствующий первому спектру, а на втором входе сумматора 38 сигнал отсутствует. Если сигнал на первом входе компаратора 37 больше сигнала на его втором входе (т.е. когда в сигнале первого спектра присутствует помеха), то на второй вход сумматора 38 поступает сигнал, соответствующий второму спектру, а сигнал на первом входе сумматора 38 отсутствует.

Таким образом, описываемый вариант конструктивного исполнения блока 11 обработки обеспечивает повышение достоверности и точности измерений.

При изменении режима работы частотного преобразователя 6 (т.е. при изменении числа k, задающего соотношение между λ₁ и λ₂) с пятого выхода блока 10 управления на вторые входы первого формирователя 31, первой линии 29 задержки, второго формирователя 32 и второй линии 30 задержки поступают сигналы, изменяющие их паpаметpы в соотношении с новым значением k.

Формула изобретения

1. Лидар, содержащий лазер, передающую оптическую систему, блок обработки, блок регистрации, блок управления и последовательно оптически связанные приемную оптическую систему, частотный разделитель и фотоприемный блок, при этом первый выход блока управления соединен с управляющим входом лазера, выход блока обработки соединен с входом блока регистрации, отличающийся тем, что в него дополнительно введены частотный преобразователь, первый и второй светоделители, первый и второй фотоприемники, запоминающий блок и считывающий блок, причем выход лазера оптически связан с входом частотного преобразователя, выход частотного преобразователя оптически связан с входом первого светоделителя, первый выход первого светоделителя оптически связан через первый фильтр с первым фотоприемником, второй выход первого светоделителя оптически связан с входом второго светоделителя, первый выход второго светоделителя оптически связан через второй фильтр с вторым фотоприемником, второй выход второго светоделителя оптически связан с передающей оптической системой, выход первого фотоприемника соединен с первым калибровочным входом блока обработки, выход второго фотоприемника соединен с вторым калибровочным входом блока обработки, выходы фотоприемного блока соединены с соответствующими входами запоминающего блока, выходы запоминающего блока соединены с соответствующими входами считывающего блока, первый и второй нормировочные выходы считывающего блока соединены соответственно с первым и вторым нормировочными входами блока обработки, первый и второй информационные выходы считывающего блока соединены соответственно с первым и вторым информационными входами блока обработки, второй выход блока управления соединен с первым управляющим входом запоминающего блока, третий выход блока управления соединен с первым управляющим входом считывающего блока, четвертый выход блока управления соединен с вторым управляющим входом запоминающего блока и вторым управляющим входом блока обработки, а пятый выход блока управления соединен с управляющими входами частотного преобразователя, второго фильтра и частотного разделителя, а также с первым управляющим входом блока обработки и вторым управляющим входом считывающего блока.

2. Лидар по п. 1, отличающийся тем, что блок обработки содержит четыре запоминающих устройства, семь делителей, две линии задержки, два формирователя, четыре ключа, компаратор и сумматор, при этом первый вход первого запоминающего устройства соединен с выходом первого фотоприемника, первый вход второго запоминающего устройства соединен с выходом второго фотоприемника, первый вход третьего запоминающего устройства соединен с первым нормировочным выходом считывающего блока, первый вход четвертого запоминающего блока соединен с вторым нормировочным выходом считывающего блока, вторые входы запоминающих устройств соединены с четвертым выходом блока управления, первый вход третьего делителя соединен с первым информационным выходом считывающего блока, первый вход четвертого делителя соединен с вторым информационным выходом считывающего блока, выход первого запоминающего устройства соединен с вторым входом третьего делителя и вторым входом первого делителя, выход второго запоминающего устройства соединен с вторым входом четвертого делителя и вторым входом второго делителя, выход третьего запоминающего устройства соединен с первым входом первого делителя, выход четвертого запоминающего устройства соединен с первым входом второго делителя, выход первого делителя соединен с вторым входом пятого делителя, выход второго делителя соединен с вторым входом шестого делителя, выход третьего делителя соединен с первым входом пятого делителя, выход четвертого делителя соединен с первым входом шестого делителя, выход пятого делителя соединен с первым входом первой линии задержки и первым входом второго формирователя, выход шестого делителя соединен с первым входом седьмого делителя, выход седьмого делителя соединен с первым входом второй линии задержки и первым входом первого формирователя, пятый выход блока управления соединен с вторыми входами седьмого делителя, первой линии задеожки, второй линии задержки, первого и второго формирователей, выход первой линии задержки соединен с первым входом первого ключа, выход первого формирователя соединен с вторым входом первого ключа, выход второй линии задержки соединен с первым входом второго ключа, выход второго формирователя соединен с вторым входом второго ключа, выход первого ключа соединен с первым входом третьего ключа и первым входом компаратора, выход второго ключа соединен с первым входом четвертого ключа и вторым входом компаратора, первый выход компаратора соединен с вторым входом третьего ключа, второй выход компаратора соединен с вторым входом четвертого ключа, выход третьего ключа соединен с первым входом сумматора, выход четвертого ключа соединен с вторым входом сумматора, а выход сумматора соединен с входом блока регистрации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2