Устройство для оптического зондирования атмосферы Советский патент 1992 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к технике оптического зондирования атмосферы и может быть применено в лазерных локаторах.

Известны устройства для оптического зондирования атмосферы и гидросферы по сигналу обратного рассеяния, содержащие

источник направленного излучения, расположенную рядом с ним приемную систему, включающую объектив, полевую диафрагму круглой формы, установленную в фокальной плоскости объектива, центрированную относительно его оптической оси, светофильтры и фотодетектор, и регистрирующую систему.

В устройствах с несовмещенными оптическими осями источника излучения и приемной системы размер изображения рассеивающего объема уменьшается, а само оно перемещается в плоскости полевой диафрагмы от края к центру по мере увеличения расстояния от устройства до рассеивающего объема. Потоки рассеянного излучения, поступающие с близких расстояний, виньетируются полевой диафрагмой, а поскольку обычно обрабатываются невиньетируемые потоки, то для зондирования областей, близко расположенных к устройству, увеличивают диаметр полевой диафрагмы. Увеличение размеров диафрагмы, следовательно, угла поля зрения приемной системы, приводит к возрастанию фонового потока на фотодетектор, если зондирование ведется в присутствии внешних фоновых излучений. Это уменьшает отношение сигнал/шум и ограничивает максимальную дальность зондирования, поскольку величина обратно рассеянного сигнала пропорциональна обратному квадрату расстояния.

Известно также устройство, которое имеет импульсный лазерный источник излучения и расположенную на близком расстоянии от него приемную систему с линзовым объективом, в фокальной плоскости которого центрированно относительно оптической оси установлена полевая диафрагма круглой формы с расположенными за ней светофильтрами и фотодетектором (фотоэлектронным умножителем). Сигнал с последнего поступает на регистрирующую систему. Источник излучения и приемная система установлены так, что их оптические оси могут либо пересекаться, либо не пересекаться в зондируемой среде.

Диаметр полевой диафрагмы выбирают из условия полного пересечения конусом поля зрения приемной системы конуса пучка лучей, выходящих из источника направленного излучения, на заданном расстоянии от устройства. Основная часть центрированной полевой диафрагмы не используется для пропускания полезного рассеянного потока из зондируемой среды, но через нее проходит поток внешнего фона, который ухудшает условия работы фотодетектора приемной системы и снижает отношение сигнал/шум.

Таким образом, размер полевой диафрагмы влияет как на начальную, так и на

максимальную дальность зондирования, которая определяется отношением сигнал/шум.

Увеличение диаметра диафрагм дает возможность уменьшить начальную дальность зондирования, но приводит к понижению отношения сигнал/шум на фотодетекторе в присутствии внешних фоновых излучений, что влечёт за собой ограничение максимальной дальности

зондирования. Уменьшение диаметра полевой диафрагмы приводит к возрастанию отношения сигнал/шум, но одновременно увеличивает начальную дальность зондирования.

Цель изобретения -увеличение отношения сигнал/шум при наличии внешнего фона и расширение диапазона зондирования по дальности.

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем источник направленного излучения и расположенную на близком расстоянии от источника приемную систему, в фокальной плоскости которой установлена круглая полевая

диафрагма, причем диаметр полевой диафрагмы определен из соотношения

d f(9o + (2B + )/2Lo,

а ее центр лежит на прямой, расположенной в плоскости, проходящей через оптические оси источника излучения и приемной системы и смещен относительно оптической оси последней на величину

d d - f(0o + 2 у)).

где f - фокусное расстояние приемной системы;

В - расстояние между оптическими осями источника направленного излучения и приемной системы в месте их расположения;

(р- угол между их оптическими осями;

LO - начальная дальность зондирования;

во - угол расходимости излучения источника;

DO - диаметр луча на выходе источника

излучения;

Dn - диаметр входной апертуры приемной системы.

На чертеже показана блок-схема устройства с изображением хода лучей от элемента зондирующего объема.

Устройство имеет источник 1 направленного излучения с начальным диаметром луча DO и расходимостью в, оптическую ось 2 источника излучения. Рядом с источником расположена приемная система 3, которая в качестве примера, изображена в виде линзового объектива с оптической осью 4. Объектив имеет диаметр входной апертуры Dn и фокусное расстояние f. В фокальной плоскости объектива расположена полевая диафрагма 5, центр которой смещен относительно оси 4. Оси 2 и 4 перемещаются в зондируемой среде под углом . За диафрагмой расположен фотодетектор 6 и регистрирующая система 7. Элемент 8 рассеивающего объема исследуемой среды находится на расстоянии, которое превышает U,

Часть светового потока, испускаемого источником 1 излучения, рассеивается элементом 8 и направляется к приемной системе 3. Крайние лучи обратно рассеянных световых потоков, попадающих на выходную апертуру приемной системы, показаны стрелками. Когда рассеивающий объем находится на расстоянии, равном LO, пятно изображения касается нижнего (по чертежу) края диафрагмы. При меньших расстояниях диафрагма виньетирует изображение.

По мере удаления рассеивающего объема пятно изображения перемещается в плоскости диафрагмы к противоположному ее краю, уменьшаясь при этом в размерах, а при максимальной дальности зондирования

оно касается этого края. Таким образом, в пропускании полезных световых потоков рассеянного излучения участвует почти вся площадь диафрагмы, а за счет уменьшения ее размера снижается уровень внешнего

фона, поступающего на фотодетектор 6. Световые потоки, прошедшие через диафрагму 5, преобразуются в фотодетекторе 6 в электрически°е сигналы и поступают на регцстрирующую систему 7.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее источники направленного излучения и расположенную рядом с ним приемную систему, в фокальной плоскости которой установлена полевая диафрагма круглой формы, фотодетектор и систему регистрации, отличающееся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум и расширения диапазона зондирования по дальности, полевая диафрагма выполнена с диаметром, определенным из соотношенияd^f[^o-f(^^+?°+^")], •^ LOгде f - фокусное расстояние приемной системы;Й5-угол расходимости пучка источника направленного излучения;В - расстояние между оптическими осями источника направленного излучения и приемной системы в месте их расположения;DO - диаметр пучка на выходе источника;Dn - диаметр входной апертуры приемной системы;LO - расстояние, начиная с которого поток обратно рассеянного излучения проходит через полевую диафрагму без виньетирования (начальная дальность зондирования), а ее центр расположен на прямой, походящей через оптические оси источника направленного излучения и приемной системы, и смещен относительно оптической оси последней на величинуd= ^[d-i(eo+2<p}lгде (р-•угол, под которым пересекаются оптические оси источника направленного излучения и приемной системы.(Лсел юON О Ою

/