Способ и лидарная система для обнаружения ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере Российский патент 2024 года по МПК G01S17/95 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и области метеорологии и физики атмосферы и может быть использовано в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля.

Известен способ дистанционного зондирования частиц кристаллических облаков, основанный на измерении полной матрицы рассеяния света (Самохвалов И.В., Волков С.Н., Кауль Б.В. Методика обработки результатов лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15. № 11. С. 982-986). Недостатком способа является необходимость определения полной матрицы рассеяния, состоящей из 16-ти элементов, с помощью сложной многоканальной лидарной системы.

Известен способ дистанционного зондирования ориентированных кристаллов в атмосфере с помощью лидара высокого спектрального разрешения (Eloranta E.W, Razenkov I.I., Garcia J.P. Observation of Orientated Ice Crystals with a Zenith Scanning High Spectral Resolution Lidar. Geophysical Research Abstracts. Vol. 20, EGU2018-9842, 2018). Недостатком способа является необходимость проведения измерений с помощью сложной лидарной системы высокого спектрального разрешения и необходимости сканирования в пределах 20° от направления в зенит.

Известен способ дистанционного обнаружения в облаках областей с преимущественной или хаотической ориентацией кристаллических ледяных частиц с помощью поляризационного аэрозольного лидара (Ю.С. Балин, и др. Способ лазерного зондирования атмосферных кристаллических образований, патент RU 2772071 C1, 2021). Недостатком способа является длительная процедура измерений, включающая необходимость зондирования атмосферы с линейной и круговой поляризацией.

Известен способ дистанционного обнаружения в облаках областей с преимущественной или хаотической ориентацией кристаллических ледяных частиц с помощью поляризационного аэрозольного лидара (Ю.С. Балин, и др. Способ лазерного зондирования перистых облаков, патент RU 2790804 C1, 2022). Недостатком способа является длительная процедура измерений, включающая необходимость зондирования атмосферы с линейной и круговой поляризацией.

Известен способ дистанционного обнаружения в облаках областей с преимущественной ориентацией кристаллических частиц и определения их формы и размеров с помощью поляризационного аэрозольного лидара (Ю.С. Балин, и др. Способ лазерного зондирования кристаллических облаков, патент RU 2787316 C1, 2022). Недостатком способа является длительная и сложная процедура измерений, включающая сканирование лазерным пучком в вертикальной плоскости в диапазоне зенитных углов от ноля до 60°.

Известен способ дистанционного обнаружения в облаке областей с преимущественной ориентацией кристаллических частиц с помощью поляризационного аэрозольного лидара (Ю.С. Балин, и др. Способ поляризационного лазерного зондирования кристаллических облаков, патент RU 2790806 C1, 2022). Недостатком способа является сложная и длительная процедура измерений, включающая азимутальное коническое сканирование.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ дистанционного обнаружения кристаллов льда в атмосфере, когда лидар регистрирует разницу в поляризации при отражениях излучения под углом 43° (A.G. Borovoi at el. Contribution of corner reflections from oriented ice crystals to backscattering and depolarization characteristics for off-zenith lidar profiling // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2018. V. 212 С. 88-96). Недостатком способа является предположение об идеальности гексагональной формы кристаллов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является способ и лидарная система для обнаружения ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере, где передача и прием осуществляются через один телескоп, который одновременно и расширяет лазерный пучок и делит его на две равные части, направляя одну часть пучка в зенит, а другую часть пучка под углом 3° к вертикальной оси.

Достижение технического результата в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет применения аэрозольного лидара для зондирования одновременно по двум направлениям в зенит и под углом 3° к вертикали, а также за счет установки на выходе телескопа стеклянной пластины, одна половина которой плоскопараллельная, а другая половина имеет форму клина.

Оптическая ось телескопа лидара должна быть направлена в зенит. В этом случае одна половина лазерного пучка проходит сквозь плоскопараллельную часть стеклянной пластины телескопа и, не меняя направления распространения, посылается вертикально вверх, т.е. в зенит. Вторая половина лазерного пучка проходит сквозь клиновидную часть стеклянной пластины телескопа и, меняя направление распространения, посылается в атмосферу под углом 3° к вертикальной оси, т.е. под зенитным углом 3°. Передатчик лидара с помощью специальной стеклянной пластины делит лазерный импульсный пучок пополам, посылает две части лазерного импульса в атмосферу под разными углами и принимает эхосигналы от обеих частей лазерного импульса. Эхосигналы вертикального и наклонного приемных каналов регистрируются фотоприемниками в режиме счета фотонов, затем в виде электрических одноэлектронных импульсов поступают в систему регистрации, где они накапливаются. Затем накопленные эхосигналы передаются в блок обработки, где они обрабатываются. Результатом работы системы является информация о количественном содержании ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере.

На фиг. 1 схематично изображен аэрозольный лидар для регистрации ориентированных кристаллов в атмосфере. Фиг. 1 включает подробную оптическую схему системы и схематично изображает электронную часть и атмосферу, содержащую ледяные ориентированные кристаллы.

Система состоит из передающей и приёмной частей. Передающая часть двухканальная, и принимающая - двухканальная. На фиг. 1 передающий канал заполняет весь телескоп, а приёмные каналы (левый, вертикальный) и (правый, наклонный) идентичны и каждый принимает половину приходящего из атмосферы излучения. Общими для передатчика и всех приёмных каналов являются тонкоплёночный поляризатор 4, четвертьволновая пластинка 5 и афокальный приёмо-передающий телескоп, состоящий из зеркал 6 и 7. Лазерные приёмопередатчики (лидары) с общим телескопом называют «системами с расширением лазерного пучка через приёмный телескоп» и характеризуют как системы с повышенной термомеханической стабильностью. Передатчик состоит из лазера 1, коллимирующей линзы 2, тонкоплёночного поляризатора 4, четвертьволновой пластинки 5 и зеркального афокального телескопа 6-7. Излучение лазера 1 линейно поляризованное с плоскостью поляризации, перпендикулярной рисунку на фиг. 1. После четвертьволновой пластинки 5 излучение имеет круговую поляризацию. Лазерный пучок 3 расширяется телескопом 6-7 и проходит сквозь стеклянную пластину 10, которая пучок 3 делит пополам, причем, левая половина пучка 8 уходит в атмосферу вертикально вверх (в зенит), а правая половина пучка 9 уходит в атмосферу под углом 3° к вертикали. Возвращаются обратно пучки 12 (левый, вертикальный) и 13 (правый, наклонный). При наличии в атмосфере ориентированных ледяных кристаллов 11 , вертикальный пучок 12 по величине будет больше наклонного пучка 13 из-за дополнительного сигнала за счет зеркального отражения от кристаллов 11. Принимаемые пучки 12 и 13 сужаются телескопом 6-7 и проходят сквозь четвертьволновую пластинку 5, при этом поляризация излучения вновь становится линейной с плоскостью поляризации, совпадающей с рисунком на фиг. 1. Затем оба пучка 12 и 13 проходят сквозь тонкоплёночный поляризатор 4, интерференционный фильтр 14, отсекающий фоновую засветку, и поступают на формирователь поля зрения приёмной системы, состоящий из фокусирующей линзы 15 и апертурной диафрагмы 16. Пучок 13 проходит прямо на детектор 19, а пучок 12 отражается от поворотного зеркала 17 и поступает на детектор 18.

Электрические сигналы с детекторов 18 (вертикальный эхосигнал P_v(x), где x - дистанция от лидара) и 19 (наклонный эхосигнал P_s(x)) идут в систему регистрации 20. Кроме того, в систему регистрации 20 от лазера 1 поступает сигнал синхронизации в момент посылки зондирующего импульса в атмосферу. Система регистрации 20 производит накопление сигналов, поскольку устройство работает в режиме счёта фотонов, и затем информация в цифровом виде передаётся в блок обработки 21. Блок обработки 21 используется для вычисления фактора f(x) влияния ледяных кристаллов на среднюю мощность рассеянного света на приемнике согласно алгоритму:

.

Лидарная система для контроля содержания ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере, состоит из приемопередатчика, блока регистрации эхо-сигналов 20 и блока обработки информации 21. Приемопередатчик аэрозольного лидара безопасный для глаз, ось приемопередающего телескопа должна быть направлена вертикально вверх (в зенит). Лидаром с пространственным разрешением 15 м до высоты 30 км производится зондирование атмосферы по двум направлениям - в зенит и под углом 3° от вертикали. Принимаемые приемопередатчиком эхосигналы в виде фотоэлектрических импульсов поступают в блок регистрации 20, где они регистрируются и накапливаются вдоль всей трассы зондирования. Накопленная информация о пространственном распределении эхосигналов вертикального P_v(x) и наклонного P_s(x) приемных каналов, где x - дистанция от лидара, из блока регистрации 20 передается в блок обработки информации 21. Время накопления эхосигналов в каждом цикле измерений составляет 1 мин. В блоке обработки 21 вычисляют фактор f(x) влияния ориентированных ледяных кристаллов на среднюю мощность рассеянного света на приемнике согласно алгоритму: . В отсутствие ледяных кристаллов фактор f(x)=0, а когда f(x)>0, тогда величина f(x) позволяет оценить содержание ориентированных кристаллов количественно.

Предлагаемое изобретение позволит повысить точность и надежность контроля содержания ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере.

Группа изобретений относится к лидарным средствам для контроля содержания ледяных кристаллов в атмосфере. Сущность: лидарная система включает лазер (1), коллимирующую линзу (2), тонкопленочный поляризатор (4), четвертьволновую пластинку (5), два зеркала (6, 7), образующие двухзеркальный афокальный телескоп, стеклянную пластину (10), интерференционный фильтр (14), фокусирующую линзу (15), апертурную диафрагму (16), поворотное зеркало (17), два детектора (18, 19), блок (20) регистрации и блок (21) обработки информации. При этом одна половина стеклянной пластины (10) плоскопараллельная, а другая половина имеет форму клина. Технический результат: повышение точности контроля содержания ледяных кристаллов в атмосфере. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля содержания ледяных кристаллов в атмосфере с помощью лидарной системы, направленной в зенит, отличающийся тем, что лидар формирует два одинаковых зондирующих пучка, один из которых направлен в зенит, а другой - под углом 3° к вертикали, определяют из эхосигналов вертикального Pv(x) и наклонного Ps(x) приемных каналов, где x - дистанция от лидара, фактор f(x) влияния ледяных кристаллов на среднюю мощность рассеянного света на приемнике согласно алгоритму , фактор f(x), пропорциональный содержанию ледяных кристаллов в атмосфере.

2. Лидарная система контроля содержания ледяных кристаллов в атмосфере, работающая по п.1, включающая приемопередатчик, состоящий из лазера, коллимирующей линзы, тонкопленочного поляризатора, четвертьволновой пластинки, двухзеркального афокального телескопа, интерференционного фильтра, фокусирующей линзы, апертурной диафрагмы, поворотного зеркала, пары детекторов и электронных блоков регистрации и обработки информации, отличающаяся тем, что над приемо-передающим телескопом, направленным в зенит, помещается стеклянная пластина, одна половина которой плоскопараллельная, а другая половина имеет форму клина, приемопередатчик посылает в атмосферу короткие световые импульсы и принимает эхосигналы, в электронный блок поступают принимаемые приемопередатчиком эхосигналы в виде фотоэлектрических импульсов, где они регистрируются счетчиком фотонов, и производится накопление информации о пространственном распределении эхосигналов вертикального Pv(x) и наклонного Ps(x) приемных каналов, где x - дистанция от лидара.