Двухволновой лидар для зондирования атмосферы Советский патент 1993 года по МПК G01S1/00 G01S3/64 

Изобретение относится к технике оптического зондирования и может быть применено в устройствах дистанционного контроля загрязненности атмосферы.

Известно устройство для зондирования атмосферы на нескольких длинах волн, состоящее из двух моностатических лидарово Каждый из лидаров состоит из оптического передатчика и приемной системы, включающей объектив, полевую диафрагму, фотодетектор и блок регистрациио к нея.остаткам известного устройства относится трудность точной уст новки осей излучения оптических перелатчиков ня заданное направление зондирования, что связано с отсутст вием единой механической связи между ними Ближайшим к изобретению является двухволновой лидар для зондирования атмосферы, содержащий два оптических передатчика, оси излучения кото рых параллельны, и приемную систему . включаю1Цую последовательно установленные объектив, полевую диафрагму, расположенную в фокальной плоскости объектива, и фотодетектор, выход которого под ключен к блоку регист..рации. Полевая диафрагма при этом в:Ь1Г1блнена в форме круга „ . .Использование двух передатчиков, Iизлу;чаю1чих на разных длинах волн, повышает Информативность работы лидера, при этом требуется увеличивать yroh псЛя ; зрения приёмной сиетемы (или, что тоже самоё, д,йамётр полевой диафрагмы)с При увеличении угла поля зрения приемной системы происходит возрастание фоновых за-. светок на фотодетёкторё, что снижает отнЬшенйе сигнал/шум и П1эиврдит соотеетствённо к уменьшению дальности зоидированйя о Кроме того. При .расположении передатчикое по одну хторону от приемной системы геометрические фа кторй лидера для каждого из них прлумаются различными, так как их диаграммы Направленности будут на разных расстояниях пересекат угол ПОЛИ зрения приемной системЫо Это ухудшает точность измерений и сказывается, на результатах обработки сигнялов лазерного зондирований Так, Необходимый диаметр центрированной полевой диафрагмы для napaiiлёльных оптических осей перёдатчи ков и приемной системы в случае их однс сторЬннего расположения определяется следующей формулой: :. d f (2B,+D,4D) 9, (1) фокусное |засстояние объектив расстояние между оптическими осями приемной системы и на более удаленного от нее пер датчика; диаметр выходной апертуры наиболее удаленного передат чика; П - диаметр входной апертуры объектива приемной системы; T.Q - расстояние, начиная с которого на фотодетектор попадают не виньетируемые световые потоки, рассеянные от зондирующего излучения наиболее удаленного передатчика (начальная дальность зондирования) ; в, - угол расходимости излучения этого передатчика„ Таким образом необходимость уменьшения величины Теневой зоны требует увеличения диаметра полевой диафрагмы d, , В to 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 с, Остальная часть круглой полевой диафрагмь про- . пускает только фоновое излучение, что. снижает отношение сигнал/шум и уменьшает максимальную .дальность зон- : Дир6;ванияо; . ; .. . -Для передатчика, расположенного ближе к приёмной системе, начальная дальность зондирования с диафрагмой, диаметр которой определяется выражёнием. (1.) , получается- меньшей, чем . для удаленного передатчика, поэтому пр1И обработке сигналов надо обяза-Г тельно учитывать, геометрические фак- .Торы лидара для каждого из передатчиков, . :- - , : . .- :.. Целью изобретения является повь1шенйе точности измерений и увеличе- ; ние Дальности зондирования. Указанная цель достигается тем, что контур полевой диафрагмы образован из двух 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 соотногде f - фокусное расстояние объектива;b - расстояние между осями излучения передатчиков; l.g - начальная дальность зондирования, а ось симметрии полевой диафрагмы, проходящая через центры полуокружностей, расположена в той же плоскости, что и оптическая ось приемной системы и оси излучения передатчиков. Диафрагма такой конфигурации ограничивает фоновые световые потоки, в то же время полезные обратно рассеянные световые потоки в заданном диапазоне дальностей проходят через полевую диафрагму без виньетирования Таким образом отношение сигнал/ /шум повышается о .. Радиус дуги полуокружности г определяется при 3toM из соотношения г 6,4- (D, -ь D)/Lj/2 (3) Ядесь все обозначения соответст- вуют обозначениям в выражении (l)o В случае, если расходимости излучения и начальные диаметры зондирующих пучков обоих передатчиков отличаются, то для определения радиуса г второй дуги полубкружности нужно В/выражение (3) представить соответствущие параметры afdporb передатчи ка В любом случае значения геометричёскр о фактора лидара и начальные дальности зондирования рля любого ; пе1эедатчЙ а будут-бдинакбвЫо Это при ведет к увеличений точности зондиро: ваниЯаГ .-; .,: ./,. - -;; ; .:. .; ;: На фиг,1 vl3o6pameHa блок-схема, предлагаемого двухволнового лидара для зондирования атмосферы; на фиго2 полевая диафрагма этого лидарао .. Лвухволйовой лидер включает оптические Передатчики 1, расположенные симметрично oтнocиtёльнo приемной системы, которая представлена (в упрощенном виде) рб-ьвктивбм 2, полевой диафрагмой 3, установленной в фо кальной плоскости объектива, фотодетектором k, соединенным с блоком регистрации 5о Полевая диафрагма выпол нена в виде щели и ограничена по оси симметрии по дугами двух полуокружностей 6, центры которых разнесены н расстояние, определяемое по формуле (2), боковые сторонь диафрагмы 7 являются касательными к этим дугам. Ось симметрии диафрагмы 00 лежит в той же плоскости, что и оптические оси источников излучения 0,0, и и приемной системы Установлена диафрагма в фокальной плоскости так, что ее цеНтр лежит на оптической оси приемной системы 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 веществе среды„ Поступающий на приемный объектив рассеянный поток создает изображение сопряженного рассеиваю1цего объема , Если .рассеивающий объем наход,ится от устройства на расстоянии, равном начальной дальности зондирования, то поток из него заполняет часть диафрагмы, ограниченную дугой полуокружности (слева или справа) в зависимости от работащегб передатчика. Потоки, поступающие с меньших расстояний, будут виньетироваться этим краем диафрагмы. Увеличение расстояния до рассеивающего объема ПриВодит к смещению изображения к центральной части диафра1ГМы, Одновременно с этим происходит уменьшение размеров пятна изображения рассеивающего 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, ограниченного дугой полуокружности к центральной части диафрагмы. Таким образом, в отличие от ранее используемой круглой диафрагмы отверстие предлагаемой диафрагмы служит в основном только для пропускания полезных обратнорассеянных потоков. Использование полевой диафрагмы предлагаемой формы в двухволновых лидарах увеличивает отношение сигнал/шум в несколько раз (2-5) при наличии фоновых излучений и позволяет увеличить диапазон зондирования по дальности в несколько раз (1,5-2)

7 .t

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