Устройство для зондирования атмосферного озона на наклонных и горизонтальных трассах с адаптивной системой ВКР-преобразования Российский патент 2025 года по МПК G01S17/95 

Офбласть техники, к которой относится заявляемое изобретение, предназначено для дистанционного определения концентрации озона на наклонных и горизонтальных трассах, используя методы контроля атмосферы.

Озон играет определяющую роль в поглощении жесткой солнечной ультрафиолетовой радиации, поддерживая таким образом достаточно низкий и биологически безопасный уровень этого излучения у поверхности земли.

Для измерения на наклонных трассах концентрации озона применяются лазерные локаторы (лидары). Лидарные измерения озона выполняются на основе метода дифференциального поглощения рассеянной назад энергии лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне спектра 200-370 нм (полоса Хартли-Хаггинса).

В качестве прототипа выбрано устройство (RU 2803518 C1, 2023). Лидар работает на паре длин волн зондирования 299/341 нм с частотой повторения 20 Гц. Эти длины волн зондирования получаются после вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) - преобразования четвертой гармоники (266 нм) Nd:YAG лазера в ВКР-ячейке, заполненной водородом давлением 1 атм. Лазерное излучение после ВКР-ячейки попадает на поворотные зеркало. Отраженный от зеркала луч попадает в зеркальный пятикратный коллиматор, который после уширения диаметра пучка направляет лазерное излучение на выходное зеркало, расположенное над зеркалом в телескопе (коаксиальное исполнение) под углом 45°. Отраженное излучение попадает на выходное зеркало c регулируемым углом наклона от 45° до 90° и направляется в атмосферу. Обратно рассеянное оптическое излучение собирается приемным телескопом, выполненным по схеме Кассегрена с главным приемным зеркалом диаметром 0,35 м., селектируется в четырехканальной кювете спектральной селекции и регистрируется фотоэлектронными умножителями ФЭУ (Н12386-210) фирмы HAMAMATSU, работающими в режиме счета импульсов фототока. Электрические импульсы ФЭУ усиливаются усилителями-дискриминаторами фирмы HAMAMATSU и поступают на счетчик импульсов фототока (счетчик фотонов) PHCOUNT_4Е, где происходит их суммирование по 16384 временным интервалам с разрешением по высоте 1,5 м. Охватываемый лидаром вертикальный высотный диапазон соответствует 0,1-18 км.

Основным недостатком прототипа является фиксированное значение давления буферного газа в кювете ВКР-преобразования, следовательно, малая эффективность ВКР преобразования, в результате чего уменьшается максимальная высота зондирования.

Задачей изобретения является получение лидарных сигналов с помощью лидара с максимальным значением энергии ВКР преобразования, работающего на длинах волн 299/341 нм на наклонных и горизонтальных трассах длиной до 20 км с высоким пространственным разрешением равным 1,5 м.

Технический результат заключается в использовании при создании лидара на длинах волн зондирования 299/341 нм кюветы высокого давления для получения ВКР преобразования длины волны накачки 266 нм с максимальной эффективностью в длины 299 нм и 341 нм, способного стабильно функционировать в режимах дистанционного зондирования атмосферного озона, как на наклонных, так и на горизонтальных трассах до 20 км с пространственным разрешением равным 1,5 м.

Технический результат достигается тем, что в передающий тракт лидара установлены система нагнетания давления газа и светоделительное зеркало для системы измерения и индикации энергии длин волн зондирования 299/341 нм для отслеживания эффективности ВКР-преобразования длины волны накачки 266 нм.

В предлагаемом изобретении используется лидар дифференциального поглощения, в составе которого один Nd:YAG-лазер и одна ВКР-ячейка высокого давления водорода с возможностью изменения, оборудованная фокусирующей и коллимирующей линзами, которая позволяет преобразовать лазерное излучение от единственного источника изучения на длине волны 266 нм в излучение на паре длин волн 299/341 нм, системой измерения и индикации энергии длин волн зондирования на выходе кюветы и телескопа с диаметром главного зеркала 0,35 м. Лидар позволяет получать лидарные сигналы в высотном диапазоне 0,1-20 км и на этой основе восстанавливать профили озона. Увеличение высотного диапазона в изобретении достигается за счет повышения эффективности преобразования излучения в кювете высокого давления. Системой измерения и индикации энергии длин волн зондирования 299 нм и 341 нм фиксируется энергия в импульсе для каждой длины волны. Программное обеспечение лазера отображает энергию накачки на 266 нм. Эффективность ВКР преобразования достигается изменением давления водорода в ВКР ячейке с помощью системы нагнетания газа для получения максимально возможной энергии на длинах волн 299 нм и 341 нм. Зондирование на наклонных трассах достигается за счет введения в лидарную систему приемо-передающего регулируемого зеркала, уставленного над телескопом, который собран по схеме Кассегрена.

Техническое решение позволяет проводить измерение озона на наклонных трассах в высотном диапазоне 0,1-20 км и получать лидарные сигналы с высоким пространственным разрешением 1,5 м. Из зарегистрированных лидарных сигналов восстанавливаются профили озона с пространственным разрешением 46,5 м.

На фиг. 1 приведена блок-схема лидара, где 1 - твердотельный импульсный лазер SOLARLS; 2, 3, 10, 12-14 - поворотные зеркала; 4 - фокусирующая линза; 5 - ячейка вынужденного комбинационного рассеяния с водородом или ВКР-ячейка, оборудованная линзами; 6 - нагнетания давления газа; 7 - коллимирующая линза; 8 - светоделительное зеркало; 9 - система измерения и индикации энергии длин волн на выходе ВКР-ячейки; 11 - зеркальный коллиматор; 15 - приемный телескоп, собранный по схеме Кассегрена с главным зеркалом диаметром 0,35 м; 16 - кювета спектральной селекции; 17 - полевая диафрагма; 18 - коллимирующая линза; 19 - спектроделительное зеркало; 20, 25 - светоделительные зеркала с пропусканием ~90% и отражением ~10%; 21, 23, 26, 29 - интерференционные фильтры; 22, 24, 27, 28 - фокусирующие линзы; 30-33 - модули фотоэлектронных умножителей Н12386-210 HAMAMATSU; 34 - счетчик фотонов PHCOUNT_4Е; 35 - компьютер; 36 - световод для синхронизации работы счетчика фотонов и импульсного Nd:YAG-лазера; 37 - оптическая скамья.

Устройство работает следующим образом:

Излучение Nd:YAG лазера на длине волны 266 нм (4-ая гармоника) (1) проходя и отражаясь от зеркал (2, 3), попадает на ВКР-ячейку с водородом. Необходимая для получения эффекта вынужденного комбинационного рассеяния плотность мощности накачки обеспечивается линзой (4) с фокусным расстоянием 0,52 м. После линзы (4) лазерное излучение попадает в ВКР-ячейку (5) с водородом под регулируемым давлением c помощью системы нагнетания (6) до 45 атмосфер - трубу из нержавеющей стали ∅_внут 5 см × 0,8 м, оборудованную линзами (4) и (7) в качестве входных и выходных окон, выполненных из материала КУ-1. Энергия импульса накачки на длине волны 266 нм достигает до 25 мДж. После ВКР-ячейки лазерное излучение проходит через коллимирующую линзу (6) с фокусным расстоянием 0,52 м. Далее лазерное излучение на длинах волн 299 и 341 нм отражаясь от светоделительного зеркала (8) попадает в систему измерения и индикации энергии длин волн (9), которая отслеживает эффективность ВКР-преобразования для зондирующих длин волн и состоит из спектроделительного зеркала и двух измерителей мощности. После идентификации ВКР-преобразования пройдя через светоделительное зеркало (8) излучение попадает на поворотное зеркало (10) и перенаправляется в зеркальный коллиматор (11), который расширяет луч в 5 раз, тем самым уменьшает расходимость до 0,2 мрад. После зеркального коллиматора с помощью поворотных зеркал (12, 13) излучение направляется на поворотное зеркало (14) c регулируемым углом наклона от 45° до 90° и направляется в атмосферу. Поворотное зеркало (14) установлено соосно в центре приемного телескопа. Собранная коаксиальная схема вывода лазерного излучения в атмосферу позволяет получить нулевую базу лидара и обеспечить полный прием лидарных сигналов.

Оптический сигнал обратного рассеяния из атмосферы при вертикальном зондировании озона (при отсутствии поворотного зеркала (14) или с наклонной трассы зондирования (при установке поворотного зеркала с регулируемым углом наклона (14)) собирается приемным телескопом, разработанным по схеме Кассегрена с главным приемным зеркалом (15) ∅0,35 м и фокусным расстоянием 0,7 м. Принятое из атмосферы телескопом обратно рассеянное излучение лазера направляется в кювету спектральной селекции (16). В фокусе главного премного зеркала располагается полевая диафрагма (17). После полевой диафрагмы диаметром 1 мм оптический сигнал поступает в кювету спектральной селекции (16), где, проходя линзу (17) - коллимируется. Параллельное излучение попадает на дихроичное зеркало (18), где происходит селекция по длинам волн. Излучение на длине волны 299 нм отражается, а 341 нм пропускается (18). После дихроичного зеркала излучение проходит через светоделительные зеркала (20, 25), которые пропускают 90% светового потока и отражают 10%. Данные зеркала необходимы для работы модулей фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) в линейном режиме и расширения высотного диапазона измерений. После светоделительных зеркал оптическое излучение проходит через узкополосные интерференционные фильтры (21, 23) для 299 нм и (26, 29) для 341 нм и затем фокусируется линзами (22, 24, 27, 28) на фотокатод модулей фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) Н12386-210 фирмы HAMAMATSU (30-33) на соответствующей длине волны. Модули ФЭУ служат для преобразования оптического сигнала в электрический сигнал уровней транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Электрические сигналы с модулей ФЭУ через коаксиальные кабели поступают на автономный четырехканальный счетчик фотонов PHCOUNT_4Е (34) в регистрирующем тракте лидара, где счетчиком происходит суммирование оцифрованных сигналов по 16384 временным интервалам с разрешением 10 нм (1,5 м) на трассе до 20 км. Автономный счетчик фотонов PHCOUT_4E работает как веб-сервер, доступ к которому можно получить с любого подключенного к Интернету компьютера (35), введя IP-адрес в веб-браузере. PHCOUT_4E можно подключить к сети либо с помощью сетевого кабеля, либо через Wi-Fi. Для синхронизации работы счетчика фотонов (34) с импульсным Nd:YAG лазером используется оптический световод (36), который установлен после ячейки ВКР-преобразования. Все устройства (1-36), включая PHCOUNT_4Е, закреплены резьбовым соединением на оптической скамье (37). На фиг. 2. представлен результат измерений в виде лидарных сигналов в логарифмической форме, покрывающих трассу протяженностью 20 км.

Изобретение относится к мобильным лидарам для зондирования тропосферного озона на наклонных и горизонтальных трассах. Сущность: устройство состоит из твердотельного импульсного лазера (1) поворотных зеркал, ячейки (5) вынужденного комбинационного рассеяния с водородом, зеркального коллиматора (11), приемо-передающих регулируемых зеркал (2, 3, 10, 12-14), собранного по схеме Кассегрена приемного телескопа (15), кюветы (16) спектральной селекции, полевой диафрагмы (17), коллимирующих линз (7, 18), спектроделительного зеркала (19), светоделительных зеркал (20, 25), интерференционных фильтров (21, 23, 26, 29), фокусирующих линз (4, 22, 24, 27, 28), модулей (30-33) фотоэлектронных умножителей, счетчика (34) фотонов, подключаемого к компьютеру (35), световода (36) для синхронизации работы счетчика (34) фотонов и импульсного лазера (1). В передающий тракт лидара установлены система (6) нагнетания давления газа и система (9) измерения и индикации энергии длин волн зондирования со светоделительным зеркалом (8). Причем система (9) измерения и индикации энергии длин волн зондирования состоит из спектроделительного зеркала и двух измерителей мощности. Технический результат: зондирование атмосферного озона как на наклонных, так и на горизонтальных трассах с пространственным разрешением, равным 1,5 м. 2 ил.

Мобильный лидар для зондирования тропосферного озона на наклонных и горизонтальных трассах, состоящий из твердотельного импульсного лазера поворотных зеркал, ячейки вынужденного комбинационного рассеяния с водородом (ВКР-ячейки), зеркального коллиматора, приемо-передающих регулируемых зеркал, приемного телескопа, собранного по схеме Кассегрена, кюветы спектральной селекции, полевой диафрагмы, спектроделительного зеркала, светоделительных зеркал, интерференционных фильтров, модулей фотоэлектронных умножителей, счетчика фотонов с возможностью подключения к компьютеру, световода для синхронизации работы счетчика фотонов и импульсного лазера, отличающийся тем, что в передающий тракт лидара установлены система нагнетания давления газа и светоделительное зеркало для системы измерения и индикации энергии длин волн зондирования, которая состоит из спектроделительного зеркала и двух измерителей мощности.