Оптическое поляризационное устройство для зондирования атмосферы Советский патент 1982 года по МПК G01W1/00 G01N21/21 

1

Изобретение относится к области метеорологии, применяется для измерения оптических и микрофизических параметров атмосферы и может быть использовано для определения направления преимущественной ориентации частиц атмосферного аэрозоля неправильной формы.

Устройство позволяет выделять в кидкокапельных метеообразованиях области, состоящие из кристаллических частиц, опред,елять границы градоопасных зон.

Известны оптические поляризационные устройства для зондирования атмосферы, состоящие из источника линейно-поляризованного света, .фотоэлектрических приемников, расположенных в непосредственной близости от источника излучения, блока регистрации и оптической системы, содержащей поляризационные фильтры, делящие рассеянное в обратном направлении излучение на две взаимно-ортогональные компоненты, одна из которых параллельно плоскости поляризации излучаемого светового потока 1. Во всех этих устройствах на среду направляют пучок плоско-поляризованного света и измеряют степень деполяризации, имеющей место в результате многократного рассеяния света частицами. По степени деполяризации определяют границу области многократного рассеяния, концентрацию частиц и другие параметры среды. В качестве приемников излучения используются два телескопа с фотодетекторами, перед которыми установлены ноляризационные фильтры.

Ближайшим техническим решением задачи является оптическое устройство, состоящее из источника линейно-полярнзованного , одного приемного телескопа с поляризационным расщеннтелем (призма Волластона), отклоняющей призмой и двумя фотодетекторами, расположенного в непосредственной близости от источника излучения. Причем призма Волластона ориеитирована таким образом, чтобы на выходе получалнсь две взаимно-ортогональные компоненты рассеянного атмосферой излучения, одна из которых параллельна плоскости поляризации излучаемого светового

потока, а вторая ей ортогональна 2.

Недостатком известных устройств, является невозможность индикации преимущественной ориентации частиц атмосферного аэрозоля вследствие того, что зондирующее излучение имеет строго фиксированную в пространстве орнентацию плоскости поляризации, а поляризационный расщепитель жестко вставлен так, чтобы

одна из компонент рассеянного атмосферой

излучения была параллельна плоскости поляризации излучаемого света.

С целью возможности индикации направления преимущественной ориентации частиц атмосферного аэрозоля устройство снабжено установленными на выходе источника излучения блоком вращения плоскости поляризации в виде преобразователя линейно-поляризованного излучения в циркуляторно-поляризованное и поворотного поляризатора, который синхронно согласован с расщепителем-анализатором, отклоняющей призмой и фотодетекторами.

На чертеже представлена блок-схема оптического поляризационного устройства для зондирования атмосферы.

Устройство содержит источник 1 линейно-поляризованного излучения, блок 2 вращения плоскости поляризации. Рядом с передающей системой расположен приемный телескоп 3 с углом поля зрения, целиком охватывающим направляемый в атмосферу пучок излучения. Поляризационный расщепитель-анализатор 4 выполнен в виде призмы Волластона или Ротона и имеет линейные размеры, превышающие размеры диаметра светового пучка, падающего на него. Причем она синхронно согласована с блоком 2 вращения плоскости поляризации. Отклоняющая призма 5 установлена основанием перпендикулярно оси приемного телескопа, при этом боковая грань призмы превышает диаметр падающего на нее светового пучка. Расстояние от отклоняющей призмы 5 до расщепителя-анализатора 4 достаточное для разделения световых пучков на грани отклоняющей призмы 5. Угол при вершине призмы 5, обращенной в сторону анализатора 4, определяется углом между оптическими осями пучков на выходе анализатора 4 и условием перпендикулярности отклоняемых призмой 5 лучей к оптической оси приемного телескопа 3. Па пути отклоненных лучей установлены фотодетекторы 6 и 7 для регистрации оптических сигналов, далее блок 8 регистрации.

Система работает следующим образом.

От источника 1 излучения пучок линейнополяризованного излучения поступает на блок 2 вращения плоскости поляризации, который вначале преобразует линейно-поляризованное излучение в циркулярно-поляризованное с помощью, например, четвертьволновой пластинки, вырезанной перпендикулярно оптической оси (ось составляет 45° с плоскостью поляризации зондирующего излучения и далее поляризатором из него выделяется линейно-поляризованный свет. Причем поляризатор может вращаться вокруг оси в пределах О-180°.

В начальный момент времени в атмосферу посылается ориентированное в некотором заданном направлении линейно-поляризованное излучение. Рассеянное атмосферой в направлении назад излучение поступает на приемный телескоп 3.

Далее световой поток идет на поляризационный расщепитель-анализатор 4, который расщепляет его на две взаимно-ортогональные компоненты, одна из которых параллельна плоскости поляризации излучаемого светового потока, а вторая ей ортогональна и разделяет эти две взаимно-ортогональные компоненты пространственно. Ортогональные компоненты светового потока поступают на отклоняющую призму 5 и, отразившись от ее зеркальных граней, поступают на фотодетекторы 6 и 7, где

оптические сигналы преобразуются в электрические, которые поступают одновременно на регистрирующее устройство - блок 8, который выполняет операцию деления амплитуды деполяризованной компоненты

рассеянного светового потока на амплитуду компоненты, сохранившей первоначальное положение .скости поляризации. Причем отсчеты каждой пары амплитуд производятся на одинаковом заданном временном интервале от момента посылки импульса в атмосферу. Результат деления выводится на цифровое индикаторное устройство, на котором оператор визуально наблюдает результат.

Во второй момент времени поляризатор блока 2 совместно с синхронно согласованными с ним анализатором 4, отклоняющей призмой 5 и фотодетекторами 6 и 7 вращается на некоторый угол, определяемый заданной точностью определения направления преимущественной ориентации частиц, и в атмосферу посылается линейно-поляризованное излучение, которое ориентировано в другом направлении. Фиксируются новый

результат деления амплитуды деполяризованной компоненты на амплитуду компоненты с поляризацией, параллельной поляризации зондирующего излучения и угол поворота поляризатора.

Далее производится отсчет при третьем положении плоскости поляризации зондирующего излучения и т. д.

Для определения пространственного положения большей и меньшей осей атмосферной частицы продолговатой формы необходимо обнаружить угловое положение двух экстремальных значений степени деполяризации рассеянного излучения. Причем максимальное значение степени деполяризации соответствует случаю, когда угол между одной из осей атмосферной частицы и плоскостью поляризации зондирующего излучения равен 45°, а минимальное значение - при параллельности большей оси

атмосферной частицы и плоскости поляризации зондирующего излучения.

Таким образом, вращая плоскость поляризации зондирующего излучения на 180° относительно первоначального положения,

блоком 2 плоскости поляризации определяют угловое положение двух экстремальных значений стенени деполяризации рассеянного излучения, но которым судят о направлении преимущественной ориентации частиц атмосферного аэрозоля.

Формула изобретения

Оптическое поляризационное устройство для зондирования атмосферы, содержащее источник линейно-поляризованного излучения, приемный телескоп с поляризационным расщепителем-анализатором, отклоняющей призмой и двумя фотодетекторами, отличающееся тем, что, с целью возможности индикации направления преимущественной ориентации частиц атмосферного аэрозоля, оно снабжено установленным на выходе источника излучения блоком вращения плоскости поляризации в виде преобразователя линейно-поляризационного излучения в циркулярно-поляризационное и поворотного поляризатора, который

синхронно согласован с расщепителем-анализатором, отклоняющей призмой и фотодетекторами, также выполненными поворотными.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство № 373602, кл. G01W 1/00, 1970.

2.Задде Г. О., Кауль Б. В., Ушаков Г. В. Двухволновой поляризационный лидер для

изучения атмосферных аэрозолей. Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы, Томск, изд. ИОА СО АН СССР, 1976, с. 236.