RU161516U1

RU161516U1 - SCANNING LIDAR

Info

Publication number: RU161516U1
Application number: RU2015152682/28U
Authority: RU
Inventors: Юрий Степанович Балин; Григорий Павлович Коханенко; Марина Георгиевна Клемашева; Иоганес Эрнстович Пеннер; Светлана Викторовна Самойлова; Михаил Михайлович Новоселов
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2016-04-20

Abstract

Сканирующий лидар, включающий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на двухкоординатной поворотной платформе, валы вращения двигателей которой снабжены позиционными датчиками, обеспечивающими информацию об угловом положении платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, управляющий вычислительный комплекс, подключенный к лазеру, фотоприемному блоку, двигателям и цифровому контроллеру, при этом, на валах вращения двигателей установлены диски с кодированной магнитной лентой, последовательность кодов которой об угловом положении поворотной колонки считывается бесконтактными сенсорными магнитными датчиками, закрепленными неподвижно на корпусе платформы над поверхностью магнитной ленты, отличающийся тем, что в непосредственной близости бесконтактного сенсорного магнитного датчика дополнительно установлен цифровой контроллер, непосредственно осуществляющий сбор кодов об угловом положении и их первичную обработку, вход которого подключен к магнитному датчику, а выходы к управляющему вычислительному комплексу и непосредственно к двигателю.Scanning lidar, including a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector, located on a two-axis rotary platform, the shafts of the engines of which are equipped with position sensors that provide information about the angular position of the platform in horizontal and vertical planes, a control computer complex connected to the laser , photodetector unit, motors and a digital controller, while, on the shafts of rotation of the motors installed drives with magnetically coded a tape whose sequence of codes about the angular position of the rotary column is read by contactless magnetic sensors mounted fixedly on the platform casing above the surface of the magnetic tape, characterized in that in the immediate vicinity of the contactless magnetic sensor, an additional digital controller is installed that directly collects codes about the angular position and their primary processing, the input of which is connected to a magnetic sensor, and the outputs to the control computer Nome complex and directly to the engine.

Description

Полезная модель, сканирующий лидар, относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы. Лидар предназначен для дистанционного определения места положения и оптико-микрофизических параметров плотных аэрозольных образований (облака и дымовые шлейфы) в атмосфере. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при контроле распространения лесных пожаров и выбросов промышленных предприятий, облаков пепла вулканической деятельности и т.д.The utility model, scanning lidar, relates to the field of optical technologies for monitoring the optical-physical parameters of the atmosphere. Lidar is designed to remotely determine the position and optical-microphysical parameters of dense aerosol formations (clouds and smoke plumes) in the atmosphere. The model can also be used to solve the environmental problems of the atmosphere, in particular, when controlling the spread of forest fires and emissions of industrial enterprises, ash clouds of volcanic activity, etc.

Метод лазерного зондирования атмосферы основан на эффектах рассеяния света на молекулах и аэрозольных частицах атмосферы, в том числе и обратном направлении в направлении источника излучения. Источник лазерного излучения направляет импульс света в атмосферу, а оптический сигнал обратного рассеяния поступает на приемный оптический телескоп, затем направляется на фотодетектор, где преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал преобразуется с помощью аналого-цифровых преобразователей или счетчиков фотонов в цифровой вид и направляется для обработки в ПРЭВМ, где в соответствии с алгоритмами обработки сигналов извлекают информацию о параметрах атмосферы.The method of laser sensing of the atmosphere is based on the effects of light scattering by molecules and aerosol particles of the atmosphere, including the opposite direction in the direction of the radiation source. A laser light source directs a light pulse into the atmosphere, and an optical backscattering signal is fed to a receiving optical telescope, then sent to a photodetector, where it is converted into an electrical signal. An electric signal is converted using analog-to-digital converters or photon counters into a digital form and sent for processing to a computer, where, in accordance with the signal processing algorithms, information about the atmospheric parameters is extracted.

Наиболее простые лидары основаны на использовании эффектов упругого рассеяния при зондировании атмосферы на одной или нескольких длинах волн.The simplest lidars are based on the use of elastic scattering effects when probing the atmosphere at one or several wavelengths.

Известно устройство для исследований аэрозольных и облачных полей тропосферы, основанное на использовании лазера с одной или несколькими длин зондирования и последующей регистрацией пространственной амплитуды развертки сигналами вдоль трассы зондирования [Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Из-во ИОА СОРАН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр. 89].A device for studying aerosol and cloud fields of the troposphere, based on the use of a laser with one or more probe lengths and subsequent registration of the spatial amplitude of the sweep signals along the probe path [Zuev V.E., Burlakov VD Siberian lidar station: 20 years of optical monitoring of the stratosphere // Izvo IOA SORAN, Tomsk. 2008.225 s. Chapter 3 p. 89].

Основное предназначение устройства заключается в получении информации о высотной стратификации аэрозольных и облачных полей, а также о высотном профиле оптических параметров (коэффициенты общего и обратного рассеяния) атмосферы.The main purpose of the device is to obtain information about the altitude stratification of aerosol and cloud fields, as well as the altitude profile of the optical parameters (general and backscattering coefficients) of the atmosphere.

Основным недостатком этого устройства и других аналогичных устройств высотного зондирования атмосферы [

., Ansmann A., Baldasano J.М., Balis D.,

., Calpini В., Chaikovsky A., Flamant P.,

., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinell N.i, Trickl Т., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET: a European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote Sensing, A. Dabas, C. Loth, and J. Pelon, eds. Editions de L'Ecole Polytechnique. 2001. P. 155-158] является ограниченные функциональные возможности устройства, поскольку зондирование проводится только в вертикальном направлении, т.е. информацию можно получать только в одном направлении вдоль трассы зондирования. Тем самым с использованием аналога отсутствует возможность получения двумерной пространственной информации о параметрах атмосферы в плоскости зондирования.The main disadvantage of this device and other similar devices for high-altitude sounding of the atmosphere [

., Ansmann A., Baldasano J.M., Balis D.,

., Calpini B., Chaikovsky A., Flamant P.,

., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinell Ni, Trickl T., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET: a European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote Sensing, A. Dabas, C. Loth, and J. Pelon, eds. Editions de L'Ecole Polytechnique. 2001. P. 155-158] is the limited functionality of the device, since sounding is carried out only in the vertical direction, ie information can only be obtained in one direction along the sensing path. Thus, using an analogue, it is not possible to obtain two-dimensional spatial information about the parameters of the atmosphere in the sounding plane.

Следующим шагом для расширения функциональных возможностей лидара является использование в составе лидара сканирующей платформы, при этом посылка лазерного излучения и регистрация сигналов осуществляется последовательно по различным направлениям трасс зондирования.The next step to expand the functionality of the lidar is to use a scanning platform as a part of the lidar, while sending laser radiation and registering signals is carried out sequentially in different directions of the sensing paths.

Известен сканирующий лидар для зондирования атмосферы, содержащий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на неподвижном основании. Сканирующая платформа оптически сопряженная с оптическими осями приемо-передатчика лидара выполнена на основе двух зеркал по целостатной схеме [Коханенко Г., Макогон М. Флуоресцентно-аэрозольный лидар «ФАРАН-М1» // Фотоника. 2010. №4. С. 50-53.].Known scanning lidar for sensing the atmosphere, containing a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector unit, located on a fixed base. The scanning platform optically coupled to the optical axes of the lidar transceiver is made on the basis of two mirrors according to an integrated scheme [G. Kokhanenko, M. Makogon. Fluorescence-aerosol lidar “FARAN-M1” // Photonics. 2010. No4. S. 50-53.].

Основным недостатком этого устройства является сложность и громоздкость конструкции. Для обеспечения полного перехвата оптических пучков размер зеркал сканирующей системы должен превышать диаметр приемного телескопа. Для описанного аналога, размер зеркал составляют 350×500 мм, а для поворота системы вокруг вертикальной оси необходим подшипник с внутренним диаметром 400 мм. Привод выполнен на шаговом двигателе с инкрементным энкодером и осуществляется через редуктор и шестереночную передачу. Это приводит к дополнительным погрешностям при определении угла поворота сканирующей платформы, т.е. к погрешностям определения угловых координат трассы зондирования.The main disadvantage of this device is the complexity and cumbersome design. To ensure complete interception of optical beams, the size of the mirrors of the scanning system must exceed the diameter of the receiving telescope. For the described analogue, the size of the mirrors is 350 × 500 mm, and a bearing with an inner diameter of 400 mm is required to rotate the system around the vertical axis. The drive is made on a stepper motor with an incremental encoder and is carried out through a gearbox and gear transmission. This leads to additional errors in determining the angle of rotation of the scanning platform, i.e. to errors in determining the angular coordinates of the sensing path.

Известен также сканирующий аэрозольный лидар «ЛОЗА», включающий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком расположенный на двухкоординатной электромеханической поворотной платформе, на валах вращения двигателей которой через паразитные шестеренчатые передачи установлены угловые позиционные датчики в виде вращающихся трансформаторов, подключенных к вычислительному комплексу, управляющему двигателями, лазером и фотоприемным блоком. [Региональный мониторинг атмосферы. Ч. 2. Новые приборы и методики измерений: Коллективная монография / Под общей редакцией М.В. Кабанова. Томск: изд-во «Спектр» Института оптики атмосферы СО РАН, 1997. 295 с. Гл. 1. Приборы и методики лазерного зондирования атмосферы. П. 1.1. Аэрозольные мобильные лидары серии «ЛОЗА». Стр. 16.] Недостатком аэрозольного лидара «ЛОЗА», является сложность конструкции из-за наличия большого количества трущихся вращающихся элементов, что повышает как погрешности углового позиционирования, так и износ поверхностей из-за влияния загрязнений.Also known is the scanning aerosol lidar "LOZA", which includes a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector unit located on a two-coordinate electromechanical rotary platform, on the shafts of rotation of the engines of which angular position sensors are installed in the form of rotating transformers connected to the computing transmissions via spurious gears a complex controlling engines, a laser and a photodetector unit. [Regional monitoring of the atmosphere. Part 2. New instruments and measurement methods: Collective monograph / Edited by M.V. Kabanova. Tomsk: “Spectrum” publishing house of the Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 1997.295 s. Ch. 1. Instruments and techniques for laser sensing of the atmosphere. P. 1.1. Aerosol mobile lidars of the LOZA series. Page 16.] The disadvantage of the aerosol lidar "LOZA" is the design complexity due to the presence of a large number of rubbing rotating elements, which increases both the angular positioning errors and surface wear due to the influence of contaminants.

Прототипом заявляемой полезной моделью является сканирующий лидар для зондирования атмосферы, включающий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на двухкоординатной поворотной платформе, валы вращения двигателей которой снабжены позиционными датчиками, обеспечивающими информацию об угловом положении платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, управляющий вычислительный комплекс, подключенный к лазеру, фотоприемному блоку, двигателям и позиционным датчикам, при этом, на валах вращения двигателей установлены диски с кодированной магнитной лентой, последовательность кодов которой об угловом положении поворотной колонки считывается бесконтактными сенсорными магнитными датчиками, закрепленными неподвижно на корпусе платформы в непосредственной близости от поверхности магнитной ленты [Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В., Новоселов М.М., заявка на ПМ, №2015118898 от 19.05.2015 Сканирующий лидар для зондирования атмосферы. Заявитель: ИОА СО РАН].The prototype of the claimed utility model is a scanning lidar for sensing the atmosphere, including a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector block, located on a two-axis rotary platform, the shafts of rotation of the engines of which are equipped with position sensors that provide information about the angular position of the platform in horizontal and vertical planes , a control computer complex connected to a laser, a photodetector, engines and position sensors, at ohm, disks with encoded magnetic tape are installed on the shafts of rotation of the engines, the sequence of codes of which about the angular position of the rotary column is read by contactless magnetic sensors mounted fixed on the platform body in the immediate vicinity of the surface of the magnetic tape [Balin Yu.S., Kokhanenko G.P. ., Klemasheva MG, Penner IE, Samoilova SV, Novoselov MM, application for PM, No. 2015118898 from 05/19/2015 Scanning lidar for sensing the atmosphere. Applicant: IOA SB RAS].

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности перемещения поворотной платформы в заданное положение с той точностью, которую обеспечивает система позиционирования на основе бесконтактных сенсорных магнитных датчиков. Причиной этого является совокупность временных задержек передачи данных между управляющим вычислительным комплексом и позиционными датчиками, при отслеживании достижения платформой заданного положения, и, так же, задержек передачи команд остановки от управляющего вычислительного комплекса к двигателям, в момент достижения платформой заданного положения. Все вышеперечисленные задержки обусловлены физическими интерфейсами передачи данных, и, так же, временными задержками операционной системы управляющего вычислительного комплекса.The disadvantage of this device is the inability to move the turntable to a predetermined position with the accuracy that a positioning system based on non-contact magnetic touch sensors provides. The reason for this is the combination of time delays in data transmission between the control computer complex and position sensors when tracking the platform reaching a predetermined position, and also, delays in transmitting stop commands from the control computer complex to the engines when the platform reaches a predetermined position. All of the above delays are due to physical data transfer interfaces, and, also, time delays of the operating system of the control computer complex.

Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, благодаря дополнительно установленному в непосредственной близости к магнитному датчику цифровому контроллеру.The proposed utility model eliminates this drawback, thanks to the digital controller additionally installed in close proximity to the magnetic sensor.

Решение поставленной задачи достигается тем, что дополнительный цифровой контроллер осуществляет сбор кодов об угловом положении системы непосредственно с магнитных датчиков, получает от управляющего вычислительного комплекса информацию о значении кода заданного положения, и, отслеживая достижение заданного положения, выдает управляющий сигнал остановки непосредственно двигателям. Так же цифровой контроллер осуществляет приведение кодов углового положения в соответствующий формат и, по запросу, передает их в управляющий вычислительный комплекс.The solution to this problem is achieved by the fact that an additional digital controller collects codes about the angular position of the system directly from magnetic sensors, receives information about the value of the code for the set position from the control computer complex, and, tracking the achievement of the set position, gives the control stop signal directly to the engines. The digital controller also brings the codes of the angular position into the appropriate format and, upon request, transfers them to the control computer complex.

На фиг. 1 изображена блок-схема сканирующего лидара. Лидар состоит из твердотельного импульсного лазера 1, и расположенного в непосредственной близости от него оптического приемного телескопа 2 с фотоприемным блоком 3, установленными на общем основании двухкоординатной поворотной платформе 4. На осях вращения платформы 4 расположены двигатели 5 и диски 6 с круговой координатной магнитной лентой, которая имеет намагниченные области переменной полярности. Области намагниченности ленты периодически повторяются с пространственным шагом, определяемым необходимым минимальным угловым разрешением. В реализованной полезной модели области намагниченности периодически повторяются с шагом 4 миллиметра по всему диаметру магнитной ленты (2 мм - зона намагниченности одной полярности). Над поверхностью ленты (на расстоянии 0,3÷0,7 мм) расположены бесконтактные сенсорные магнитные датчики 7, вблизи которых находятся цифровые контроллеры 9, посредством которых считывается информация о кодах магнитной ленты 6. Оптоэлектронные и электромеханические блоки составляющие лидар: лазер - 1, фотоприемный блок - 3, поворотная платформа - 4, двигатели - 5, датчики - 7, цифровой контроллер 9, электрически связаны с управляющим вычислительным комплексом - 8 и между собой.In FIG. 1 shows a block diagram of a scanning lidar. The lidar consists of a solid-state pulsed laser 1, and located in the immediate vicinity of it an optical receiving telescope 2 with a photodetector 3 mounted on a common base of a two-axis rotary platform 4. On the axis of rotation of the platform 4 are motors 5 and discs 6 with a circular coordinate magnetic tape, which has magnetized regions of variable polarity. The magnetization regions of the tape are periodically repeated with a spatial step determined by the required minimum angular resolution. In the implemented utility model, the magnetization regions are periodically repeated with a step of 4 mm along the entire diameter of the magnetic tape (2 mm is the magnetization zone of one polarity). Above the surface of the tape (at a distance of 0.3 ÷ 0.7 mm) there are contactless touch magnetic sensors 7, near which there are digital controllers 9, by means of which information on the codes of the magnetic tape is read 6. Optoelectronic and electromechanical units comprising lidar: laser - 1, photodetector unit - 3, rotary platform - 4, engines - 5, sensors - 7, digital controller 9, are electrically connected to the control computer complex - 8 and among themselves.

Сканирующий лидар работает следующим образом. В начальный момент времени управляющий вычислительный комплекс 8 передает цифровым контроллерам 9 значения кодов о необходимом местоположении, также выдает команды на двигателиScanning lidar works as follows. At the initial moment of time, the control computer complex 8 transmits to the digital controllers 9 the values of the codes about the required location, also issues commands to the engines

5, которые устанавливают поворотную платформу 4 в исходное состояние. Например, исходное состояние это горизонтальная плоскость (угол места ноль), а азимутальное направление также нулевое (например, направление на север).5, which set the turntable 4 to its original state. For example, the initial state is a horizontal plane (elevation angle is zero), and the azimuthal direction is also zero (for example, the direction to the north).

После этого, управляющий комплекс 8 выдает команду на включение лазера 1 и цифровые контроллеры 9, также двигатели 5 платформы для осуществления сканирования зондирующим излучением в выбранном направлении.After that, the control complex 8 issues a command to turn on the laser 1 and digital controllers 9, as well as platform engines 5 for scanning with probing radiation in a selected direction.

Лазерное излучение направляется в атмосферы, рассеянный в обратном направлении атмосферой свет попадает на приемный телескоп 2, затем на фотоприемный блок 3, где световой сигнал преобразуется в электрический, оцифровывается и поступает далее для записи и обработки в управляющий вычислительный комплекс 8.The laser radiation is directed into the atmosphere, the light scattered in the opposite direction by the atmosphere enters the receiving telescope 2, then to the photodetector unit 3, where the light signal is converted into an electric signal, digitized and then transferred to the control computer complex 8 for recording and processing.

При осуществлении сканирования поворотной платформы происходит круговое вращение дисков 6 с магнитной лентой относительно магнитного датчика 7.When scanning the turntable, the discs 6 with the magnetic tape are rotated in a circular manner relative to the magnetic sensor 7.

Принцип действия датчика основан на измерении напряженности магнитного поля и считывания кодов положения зон намагниченности ленты. Цифровые контроллеры 9 считывают с датчиков 7 код положения магнитной ленты при ее движении в момент выстрела лазера 1, осуществляют вычисление номера текущей зоны магнитной ленты относительно первоначальных «нулевых» значений, и тем самым вычисляется угловое положение поворотной колонки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и, направляют эту информацию в вычислительный комплекс 8.The principle of operation of the sensor is based on measuring the magnetic field strength and reading the codes of the position of the magnetization zones of the tape. Digital controllers 9 read the position code of the magnetic tape from the sensors 7 when it is moving at the moment of laser 1 shot, calculate the number of the current zone of the magnetic tape relative to the initial "zero" values, and thereby calculate the angular position of the rotary column in the vertical and horizontal planes, and, send this information to the computer complex 8.

Таким образом, управляющий вычислительный комплекс 8 формирует файл с паспортом акта лазерного зондирования атмосферы, в котором записана информация об амплитудном распределении лидарного сигнала вдоль трассы зондирования, а также дата и время зондирования и угловые положения трассы зондирования.Thus, the control computing complex 8 generates a file with a certificate of the act of laser sensing of the atmosphere, in which information is recorded on the amplitude distribution of the lidar signal along the sounding path, as well as the date and time of the sounding and the angular positions of the sounding path.

Claims

Scanning lidar, including a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector, located on a two-axis rotary platform, the rotation shafts of the engines of which are equipped with position sensors that provide information about the angular position of the platform in horizontal and vertical planes, a control computer complex connected to the laser , photodetector unit, motors and a digital controller, while, on the shafts of rotation of the motors installed drives with magnetically coded a tape whose sequence of codes about the angular position of the rotary column is read by contactless magnetic sensors mounted fixedly on the platform casing above the surface of the magnetic tape, characterized in that in the immediate vicinity of the contactless magnetic sensor, an additional digital controller is installed that directly collects codes about the angular position and their primary processing, the input of which is connected to a magnetic sensor, and the outputs to the control computer Nome complex and directly to the engine.