ES2331597A1

ES2331597A1 - Mejoras en la regulacion del sistema optomecanico receptor de un ceilometro lidar.

Info

Publication number: ES2331597A1
Application number: ES200602414A
Authority: ES
Inventors: Eduard Gregorio Lopez; Francesc Rocadenbosch Burillo
Original assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Current assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2010-01-08
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: ES2331597B1

Abstract

Mejoras en la regulación del sistema optomecánico receptor de un ceilómetro lidar. Sistema optomecánico receptor de un ceilómetro lidar (rádar láser para medida de altura de nubes) que incluye un conjunto de elementos ópticos que focalizan la energía láser retrodispersada por las nubes hacia la superficie de aquel fotodetector que se desee acoplar a su salida. El sistema optomecánico dispone además un diafragma (filtro espacial) ajustable en alineamiento que permite reducir el ruido de la señal recibida, así como de dos dispositivos de regulación de la distancia focal equivalente del sistema. Se consigue con ello un apreciable incremento en el alcance máximo del ceilómetro junto con notables mejoras en el rango de medida del instrumento. Esta invención puede aplicarse industrialmente formando parte de ceilómetros lidar así como en cualquier otra tipología de rádar láser que requiera las citadas prestaciones.

Description

Mejoras en la regulación del sistema optomecánico receptor de un ceilómetro lidar.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el sector de la teledetección óptica activa y más concretamente en el relativo a los radares láser habitualmente conocidos como sistemas lidar.

Estado de la técnica

El estado de la técnica actual comprende ceilómetros monoaxiales y ceilómetros biaxiales. Los ceilómetros monoaxiales se caracterizan porque presentan un sistema optomecánico común para emisión y recepción, estos instrumentos son capaces de realizar medidas en campo cercano pero su configuración optomecánica es compleja y habitualmente requieren una corrección electrónica de la señal para atenuar los picos excesivos originados por blancos próximos. Los ceilómetros biaxiales presentan dos sistemas optomecánicos diferenciados para emisión y recepción, y por su sencillez son los más difundidos en la actualidad, sin embargo permiten únicamente medidas en campo lejano. Ambas tipologías presentan focales fijas, de manera que no es posible adaptar sus campos de visión.

Por lo que se refiere a filtros espaciales, varios autores (Aguishev, Ravil R and Comeron, Adolfo. Spatial filtering efficientyc of monostatic biaxial lidar: analysis and applications. Applied Optics, Vol. 41 N° 36, pp. 7516-7521, 2002) han propuesto la utilización de diafragmas para mejorar la relación señal-ruido en sistemas lidar y han estudiando la forma óptima de sus aperturas.

De lo anteriormente expuesto se deduce que es de gran interés el desarrollo de un ceilómetro con capacidad de medida tanto en campo cercano como en campo lejano sin renunciar por ello a un adecuado alcance (relación señal-ruido).

Descripción de la invención

El sistema optomecánico receptor tiene como función captar la radiación láser retrodispersada por el blanco (usualmente nubes), transmitirla y focalizarla en la superficie fotodetectora del módulo optoelectrónico que lleve acoplado. Está constituido por los siguientes elementos característicos:

1.: Elementos ópticos cuyo diagrama se muestra en la figura 1. La radiación retrodispersada es captada por la lente primaria (1), a continuación la lente divergente (2) colima la radiación procedente de (1) de manera que la luz incida ortogonalmente en la superficie del filtro interferencial (3), por último una lente convergente (4) focaliza la luz sobre la superficie fotodetectora (6). La función del filtro interferencial (3) es eliminar aquellas radiaciones cuya longitud de onda no es objeto de estudio y su adecuado funcionamiento requiere que la luz incida perpendicularmente sobre su superficie. Asimismo, se muestra en la figura 1 un diafragma o filtro espacial (5) situado delante de la superficie fotodetectora (6).

2.: Diafragma y dispositivo de alineamiento. La radiación retrodispersada por un blanco forma sobre la superficie fotodetectora una imagen (mancha de luz) conocida habitualmente como "spot". En la figura 2 se representa sobre una superficie fotodetectora circular (6) los "spots" correspondientes a blancos situados a distancias R_{1} > R_{2} > R_{3}. Nótese que para distancias cada vez más lejanas los "spots" son progresivamente más pequeños y además, según sea la distancia R del blanco, el "spot" se desplaza linealmente sobre la superficie fotodetectora (6). En esta invención, se sitúa delante de la superficie fotodetectora (6) un diafragma (5) cuya función es bloquear la radiación de fondo (ruido) permitiendo únicamente el paso a través de su apertura (rectangular en figura 2) de los "spots" originados por los blancos. Con el objetivo de ajustar con precisión la posición de la apertura con los "spots" de luz, el presente sistema optomecánico receptor incorpora un dispositivo de alineamiento que permite rotar el diafragma (5) sobre un eje normal a su superficie.

3.: Dispositivos de regulación de la distancia focal equivalente. El sistema optomecánico receptor que se presenta permite regular la distancia focal equivalente en recepción y por tanto, el campo de visión del ceilómetro. Para ello, esta invención incorpora dos dispositivos de regulación: el primero de ellos permite ajustar la separación (d_{1}) entre la lente primaria (1) y la lente divergente (2), mientras que el segundo dispositivo permite regular la separación (d_{2}) entre la lente convergente (4) y la superficie fotodetectora (6). Como es ampliamente conocido, la variación de las posiciones relativas entre diferentes elementos que conforman un sistema óptico complejo modifican la distancia focal equivalente del mismo. En la figura 4 se muestra una posible realización del dispositivo de regulación de la separación entre la lente primaria (1) y la lente divergente (2) mediante un mecanismo de tuercas de paso fino.

Se concluye que el sistema optomecánico receptor objeto de esta invención, permite la adaptación de su campo de visión, gracias a múltiples ajustes en la distancia focal, y por otro lado mejora el alcance del ceilómetro, debido al aprovechamiento de las ventajas de los diafragmas para atenuar la radiación de fondo.

Descripción de las figuras

A través de los dibujos que acompañan esta memoria se pretende facilitar la comprensión de la descripción de la invención (figuras 1 y 2) así como mostrar un caso práctico de realización de la misma (figuras 3, 4, 5 y 6).

La figura 1 muestra el esquema óptico del sistema optomecánico receptor objeto de la invención; en la figura 2 se representa sobre una superficie fotodetectora circular las posiciones relativas del diafragma (filtro espacial) y de los "spots" de luz originados por blancos situados a diferentes distancias; la figura 3 es una vista en perspectiva de una posible realización del sistema optomecánico receptor, en esta vista así como en las que siguen, no se representa la lente primaria debido a sus grandes dimensiones; las figuras 4 y 5 muestran dos vistas en sección de esta misma realización; la figura 6 es una vista de detalle de la sección representada en la figura 4 y en la que se pueden apreciar los elementos micromecánicos que constituyen el dispositivo de alineamiento del diafragma.

Descripción de una realización preferida

Se presenta una posible realización del sistema optomecánico receptor, que en este caso forma parte de un ceilómetro lidar biaxial, instrumento de teledetección basado en tecnología lidar (radar láser) y orientado principalmente a la monitorización de nubes. En esta realización se diferenciaran dos grandes subsistemas constitutivos del sistema optomecánico receptor: por un lado la lente primaria y por otro, el cabezal receptor móvil, formado por los restantes elementos ópticos y micromecánicos.

La lente primaria (1) es, en esta realización, una lente de Fresnel sujeta estáticamente mediante la estructura mecánica del ceilómetro y separada del cabezal receptor móvil situado debajo. Evidentemente, los ejes ópticos de lente primaria y cabezal receptor son coincidentes. En las figuras que acompañan esta memoria, se ha optado por no representar la lente primaria, dado que ésta presenta unas dimensiones excesivas en relación a la escala requerida para una correcta visualización de los restantes componentes. Se ofrecen varias vistas en perspectiva y sección del cabezal receptor móvil (figura 3, 4 y 5).

En la figura 4 se muestran los siguientes elementos ópticos: lente divergente (2), filtro interferencial (3), lente convergente (4) así como la superficie fotodetectora (6). Dicha superficie forma parte del módulo optoelectrónico fotodetector (7), visto de perfil en la figura 4, dispositivo comercial que si bien no forma parte del sistema optomecánico receptor, resulta necesario presentar para una correcta comprensión de la invención. Los diferentes elementos ópticos se separan mediante varias arandelas (8) y (9) y están colocados en un cilindro portalentes (10), quedando sujetos gracias a una tapa roscada (11) en su parte superior. Se observa que el cilindro portalentes está unido solidariamente a la carcasa del cabezal receptor móvil (12) mediante tornillos (13).

El cabezal receptor podrá moverse en dirección ortogonal respecto la pletina de sujeción (14), la cual forma parte de la estructura del ceilómetro. En dicho movimiento, el cabezal se desliza por la superficie interior de dos arandelas de sujeción (15) y (16) situadas respectivamente en la parte superior e inferior de la pletina de sujeción (14) y unidas a ésta mediante tornillos (17, figura 5). Además, en la figura 4 se muestra una chaveta (18) que tiene como función guiar este movimiento, evitando así posibles rotaciones del cabezal. La regulación micrométrica de la posición del cabezal se consigue mediante dos tuercas de paso fino (19) y (20) que roscan con la parte exterior de la carcasa (12). Dado que la lente primaria (1) permanece siempre estática respecto la estructura del ceilómetro, el movimiento vertical del cabezal receptor permite ajustar la distancia (di) entre la lente primaria (1) y la lente divergente (2).

Por otro lado, el dispositivo para regular la distancia entre la lente convergente (4) y la superficie fotodetectora (6) está constituido por un émbolo (21) que, guiado mediante una espiga (22), se desliza verticalmente por el interior de la carcasa (12). El módulo optoelectrónico fotodetector (7) se sujeta solidariamente a este émbolo de manera que cuando se mueva, variará la distancia (d_{2}) entre la superficie fotodetectora (6) y la lente convergente (4). Un ajuste preciso de dicha distancia se consigue mediante un tornillo sin fin (23) que, accionado por un mando (24), se rosca en el émbolo (21) provocando así su deslizamiento.

En la figura 6 se muestran con detalle los diferentes elementos que constituyen el dispositivo de alineamiento del diafragma (5), basado en un mecanismo reductor piñón (25) + corona (26) obteniéndose así una elevada precisión. Mediante el mando (27, figura 4) se acciona el piñón (25) que engrana con la corona (26). A través de unos tornillos (28) se transmite la rotación de la corona al módulo optoelectrónico fotodetector (7) y al diafragma (5), hasta que se alcanza el alineamiento deseado.

Claims

1. Mejoras en la regulación del sistema optomecánico receptor de un ceilómetro lidar, mediante las cuales se logra la regulación de la distancia focal equivalente del sistema así como la atenuación de la radiación de fondo recibida, permitiendo de esta forma la realización de medidas tanto en campo cercano como en campo lejano simultáneamente con un incremento del alcance del instrumento, formado por un conjunto de elementos ópticos y diafragma, cuya función es captar, transmitir, filtrar y focalizar la radiación recibida y caracterizado porque comprende:

-: un dispositivo de alineamiento del diafragma (5),

-: un dispositivo de regulación de la separación (d_{1}) entre lente primaria (1) y lente divergente (2) y

-: un dispositivo de regulación de la separación (d_{2}) entre lente convergente (4) y superficie fotodetectora (6).

2. Mejoras en la regulación del sistema optomecánico receptor de un ceilómetro lidar según reivindicación 1 caracterizado porque dicho dispositivo de alineamiento del diafragma consiste en un mecanismo reductor piñón (25) + corona (26) que, accionado por un mando (27), hace girar el diafragma (5) hasta conseguir el alineamiento deseado.

3. Mejoras en la regulación del sistema optomecánico receptor de un ceilómetro lidar según reivindicación 1 caracterizado porque dicho dispositivo de regulación de la separación (d_{1}) entre lente primaria (1) y lente divergente (2) consiste en un sistema de dos tuercas de paso fino (19) y (20) cuyo accionamiento logra regular la separación entre lente primaria (1), que permanece estática, y el resto de elementos ópticos, móviles

4. Mejoras en la regulación del sistema optomecánico receptor de un ceilómetro lidar según reivindicación 1 caracterizado porque dicho dispositivo de regulación de la separación (d_{2}) entre lente convergente (4) y superficie fotodetectora (6) consiste en un émbolo (21), portador de dicha superficie fotodetectora, que accionado por un tornillo sin fin (23), varía su separación respecto la lente convergente (4), que permanece estática.