Двухволновой лидар для зондирования атмосферы

 

ДВУХВОЛНПВОЙ. ЛИДАР ДЛЯ. ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащий два оптических передатчика, оси излуче- .ния которых параллельны, и приемную систему, включаю1цую последовательно установленные об-ьектив, полевую диафрагму, расположенную в фокальной плоскости объектива, фотодетектор.выход которого Подключен к блоку pe-i гистрации, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью Повышения точности измерений и увеличения дальности зондирования, контур полевой диафрагмы образован из двух отрезков прямых, сопряженных с ^цугами полуокружностей, обращенных друг; к другу вогнутыми сторонами, при этом радиус полуокружностей равен рад.иусу изображения рассеивающего Объема атмосферы на Начальной дальности зондирования, расстояние между центрами полуокружностей 1 определяется из соотношё- •'ния: ' • . ;!••'";'.;'•"". ,•'•••'. .'':s\ •' /::•'. •. "•'•;' •' -1 =llЬ_-^'^• ••^•'^^•:;.^;.Л:-;:\:;/:-\.- -•.-'•V^:,;.;^:,-;'•;.•• .:/•;.:,.где f - фокусное расстояние объектива j'; . ' • '• . •• • _ • . Ь - расстояние междз' осями излучения передатчиков; .L^ .- начальная дальность зондирования, ' • . ' . : .; а ось симметрии полевой диафрагмы, проходящая через центры полуокружностей, расположёна в три же плоскости , что и оптическая ось приемной системы и оси излучения передатчиков^С/)GVJгоо ю о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ социалистических ;Ц 72О961 А1 (я)з 01 S 1/00, 3/64

ГОСУДАРСТВ E Н Н ОЕ ПАТЕ НТН ОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:: . 1

К АBTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2605078/23 (22) 10.04.78 (46) 07.02.93,. Бюл. н 5. (71) Институт. оптики атмосферы СО

АН СССР, СКБ научного приборостроения "Оптика" CA АН СССР (72) А.И.Абрамочкин, Ю.С.Балин, А.А„Тихомиров, И.В.Самохвалов, Б,В.Кауль и Г.В.Ушаков (56) Гришин А.И., Матвиенко Г.Г. Лидарные исследования атмосферы в прибрежном районе. "Проблемы дистанци онного зондирования атмосФеры". Издао ИОА, г. Томск, 1976, с. 33-41.

Зуев B.E. и др, Оптический эксперимент и результаты обращения данных по многочастотному лазерному зондированию микроструктуры приземного слоя. "Проблемы дистанционного зондирования атмосферы". Изд-во ИОА, г. Томск, 1976, с. 3-19„ (54)(57) ДВУХВОЛНОВОИ. ЛИОТАР ДЛЯ. ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащий два оптических передатчика, оси излучения которых параллельны, и приемную систему, включающую последовательно установленные объектив, полевую диаФрагму, расположенную в Фокальной плоскости объектива, фотодетектор, Изобретение относится к технике оптического зондирования и может быть применено в устройствах дистанционного контроля. загрязненности атмосферы.

Известно устройство для зондирования атмосФеры на нескольких дливыход которого подключен к блоку ре= гистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и увеличения дальности зондирования, контур полевой диаФрагмы образован из двух отрезков прямых, сопряженных с дугами полуокружностей, обращенных друг к другу вогнутыми сторонами, при этом радиус полуокружностей равен рариусу изображения рассеивающего объема атмосферы на начальной дальности зондирования, расстояние между центрами полуокруж" ностей .1 определяется из .соотноше-::. ния:

f ° b

1 = -—

T. где f — фокусное расстояние объектива

Ь - расстояние межру осями излучения передатчиков;

1, .- начальная дальность зондирования а ось симметрии полевой диафрагмы, проходящая через центры полуокруж-. ностей, расположена в той же плоскости, что и оптическая ось.приемной системы и оси излучения передатчиков. нах волн, состоящее из двух моностатических лидаров, Кажяый из лидаров состоит из оптического передатчика и приемной системы, включающей объектив, полевую диафрагму, Фотодетектор и блок регистрации.

72D961

К недостаткам известного устройства относится трудность точной установки осей излучения оптических передатчиков на заданное направление зондирования, что связано с отсутствием единой механической связи между ними.

Ближайшим к изобретению является двухволновой лидар для зондирования атмосферы, содержащий два оптических передатчика, оси излучения которых параллельны, и приемную систему, .включающую последовательно установленйые объектив, полевую диафрагму, расположенную в фокальной плоскости объектива, и Фотодетектор, выход которого порключен к блоку регист.рации. Полевая диафрагма при этом выйолнена в Форме круга.

Использование.лвух передатчиков, излу .ающих на разных длинах волн, повышает информативность работы лидара„ при этом требуется увеличивать угол поля зрения приемно" сис-..25 темы (или, что тоже самое, диаметр полевой диафрагмы). При увеличении угла поля зрения приемной сйстемы происходит возрастайие фоновых за-, светок на Фотодетекторе, что снижа- Щ ет отношение сигнал/шум и приводит соответственно к уменьшению даль- . ности зойдирования. Кроме того, при .расположении передатчиков по одйу

:сторону от приемной системы геомет. рические Факторы лиотара для каждого из них получаются различными, так как их диаграммы направМенности будут на разных расстояниях пересекать угол поля зрения приемной системы "4О

Это ухудшает точность измерений и сказывается на результатах обработки сигналов лазерного зондирования.

Гак, . необходймый диаметр центрйро-ванйой полевой диафрагмы для параМ- j5 лельных оптйческих осей передатчиков и приемной системы в случае их одностороннего расположенйя определяется следующей Формулой:

d f (<ЛВ, +И,+Л)/L,+ 9,J, (1) 50 гре Е - . фокус ное расстояние объе кти ва

В - расстояние между оптическими осями приемной системы и наи-. более удаленного .от нее передатчика;

- диаметр выходной апертуры наиболее удаленного передатчика;

Указанная цель достигается тем, что контур полевой диафрагмы образован из лвух отрезков прямых, сопряженных с дугами полуокружностей, обращенных друг к другу вогнутыми сторонами, при этом радиус полуокружностей равен радиусу изображения рассеивающего объема атмосферы на начальной дальности зондирования, расстояние между центрами полуокружностей 1 определяется из соотношения

F. Ь

7llo (2) где f — Фокусное расстояние объектива;

Э вЂ” диаметр вхолной апертуры объектива приемной системы; расстояние, начиная с которого на Фотодетектор попадают не виньетируемые световые потоки, рассеянные от зондирую,его излучения наиболее удаленного передатчика (начальная дальность зондирования

О, - угол расходимости излучения этого передатчика.

Таким образом необходимость уменьшения величины теневой зоны требует увеличения диаметра полевой диафрагмы d<„ 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 зондирования. .Для передатчика, расположенного ближе к приемной системе,. начальная дальность зондированйя с риафрагмой, диаметр которой ойределяется выражением.(1.}., получается меньшей, 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 дальности зондирования.

7209"

35 предлагаемого двухволнового лидара 40

b - расстояние между осями излучения передатчиков;

1, - начальная дальность зондиро о вания, а ось симметрии полевой диафрагмы, проходящая через центры полуокружностей, расположена в той же плоскости, что и оптическая ось приемной системы и оси излучения передатчиков. 1иафрагма такой конфигурации orраничивает Фоновые световые потоки, в то же время полезные обратно рассеянные световые потоки в заданном диапазоне дальностей проходя через полевую лиафрагму без виньетирования. Таким образом отношение сигнал/

/шум повышается.

Радиус луги полуокружности r, опрелеляется при этом из соотношейия г = f (B, + (D< + D)/1. )/2 (3) здесь все обозначения соответствуют обозначениям в выражении (1), В случае, если расхолимости излучения и начальные диаметры зондирующих юу обоих передатчиков отличаются, то лля определения радиуса второй. дуги полуокружности нужно в выражение (3) .представить соответствующие .параметры второго передатчика. В любом случае значенйя.геометрического Фактора лидара и начальные дальности зондирования рля любого передятчика будуг одинаковы. Это приведет:к увеличению точности зондировани я. . На фиг.1 йзображена блок-схема для зондирования атмосферы; на фиг,2полевая диафрагма этого лидара„.

Двухволновой лидар включает оптические передатчики 1, расположенные симметрично относительно. приемной системы, которая представлена (в упрощенном виде} объектйвом 2, полевои диафрагмой 3,, установленной в фокальной плоскости объектива, Фотодетектором 4, соединенным с блоком регистрации 5. Полевая диафрагма выпол" нена в виде щели и ограничена по оси симметрии 00 дугами двух полуокружностей б, центры которых разнесены на расстояние, определяемое по Формуле (2), боковые стороны диафрагмы 7 являются касательными к этим дугам.

1 6

Ось симметрии диафрагмы 00 лежит в той же плоскости, что и оптические

I I оси источников излучения 0<0< и 0 0 !

5 и приемной системы 0z0 . Установлена диафрагма в фокальной плоскости так, что ее центр лежит на оптической

I оси приемной системы 0 0 „Центры дуг полуокружностей совпадают с центрами пятен изображения от рассеивающих объемов, расположенных на начальной дальности зондирования.

При посылке одним из передатчиков лидара зондирующего излучения в исследуемую атмосферу происходит его рассеяние на вец)естве среды. Поступаюц)ий на приемный объектив рассеянный поток создает изображение сопряженного рассеивающего объема. Если рассеиваюций объем находится от устройства на расстоянии, равном начальной дальности зондирования, то поток из него заполняет часть диа:фрагмы, ограниченную дугой полуокружности (слева или справа) в за висимости от работающего передатчика. Потоки, поступающие с меньших расстояний, будут виньетироваться этим краем диафрагмы. Увеличение расстояния до рассеивающего объема при водит к смещению изображения к центральной части диафрагмы. Одновременно с этим происходит уменьшение размеров пятна изображения рассеиваю цего объема. Поток рассеянного излучения, поступающий с предельной дальности зондирования, проходит через центральную 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 к

45 центральной части диафрагмы. Таким образом, в отличие от ранее используемой круглой диафрагмы отверстие предлагаемой диафрагмы служит в осНоВНоН только для пропускания полез50 ных обратнорассеянных потоков.

Использование полевой диафрагмы предлагаемой формы в двухволновых лидарах увеличивает отношение сигнал/шум в несколько раз (2-5) при

5 наличии фоновых излучений и позволяет увеличить диапазон зондирования по дальности в несколько раз (1,5-2), 720961

0g

Редактор п.филиппова Техрел И.Моргентап Корректор E.Ïàïï

Зэказ 1093 Тираж, Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, N-35, Раушская наб., д. 4/5

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