RU165087U1

RU165087U1 - DEVICE FOR REGISTRATION OF REINFORCEMENT STRENGTHENING IN THE ATMOSPHERE

Info

Publication number: RU165087U1
Application number: RU2016117721/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Александрович Разенков; Виктор Арсентьевич Банах
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2016-10-10

Abstract

Устройство для регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере, включающее лазер для генерации световых импульсов, линзовый коллиматор для формирования узкого зондирующего пучка, антенный переключатель для точного совмещения оптических осей передающего и принимающих каналов, приемопередающий афокальный зеркальный телескоп, двойную апертурную диафрагму, формирователь угла поля зрения приемников, интерференционный светофильтр и два фотодетектора, систему регистрации и компьютер, отличающееся тем, что в качестве антенного переключателя применяется тонкопленочный поляризатор и четвертьволновая пластинка, который всю мощность линейно поляризованного лазерного излучения направляет через телескоп в атмосферу.A device for recording backscattering amplification in the atmosphere, including a laser for generating light pulses, a lens collimator for forming a narrow probe beam, an antenna switch for precisely combining the optical axes of the transmitting and receiving channels, a transmitting-transmitting afocal mirror telescope, a double aperture diaphragm, and a receiver field of view imager , an interference filter and two photodetectors, a registration system and a computer, characterized in that as an antenna lyuchatelya apply a thin film polarizer and a quarter-wave plate, that all the power linearly polarized laser radiation is directed through a telescope into the atmosphere.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля и атмосферной турбулентности.The utility model relates to optical instrumentation and can be used in laser locator circuits for remote sensing of atmospheric aerosol and atmospheric turbulence.

Известно устройство лидара для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР) [RU 116245 U1, 2011], обладающего перископом, в котором с помощью подвижного зеркала лазерный пучок последовательно перенаправляется в атмосферу то вдоль оси приемного телескопа, то на расстоянии не менее четырех зон Френеля от оси телескопа. Устройство обладает низкой чувствительностью из-за невозможности регистрировать сигнал точно на оси зондирующего пучка из-за блокирования вторичным зеркалом телескопа части принимаемого сигнала и из-за невозможности использовать малые приемные апертуры, сравнимые с размером зоны Френеля. Это устройство обладает низкой чувствительностью еще и потому, что не учитывает факт непрерывного движения атмосферы и предполагает последовательное проведение измерений на оси и вне оси приемной системы.A lidar device is known for recording backscattering amplification (RBM) [RU 116245 U1, 2011], which has a periscope in which, using a movable mirror, the laser beam is sequentially redirected to the atmosphere either along the axis of the receiving telescope or at a distance of at least four Fresnel zones from the axis telescope. The device has low sensitivity due to the inability to register the signal exactly on the axis of the probe beam due to the blocking of the received signal by the secondary mirror of the telescope and due to the inability to use small receiving apertures comparable to the size of the Fresnel zone. This device also has low sensitivity because it does not take into account the fact of continuous motion of the atmosphere and assumes consistent measurements on the axis and outside the axis of the receiving system.

Наиболее близким к заявленному устройству является [RU 153460 U1, 2014] устройство для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР), обладающего афокальным приемо-передающим телескопом, в котором с помощью светоделительной пластинки узкий пучок направляется в атмосферу и затем производится одновременная регистрация рассеянной мощности строго назад на оси зондирующего пучка и на расстоянии не менее шести зон Френеля от оси телескопа. Устройство позволяет производить регистрацию точно на оси пучка и вне оси пучка одновременно из одного зондируемого объема в атмосфере. Это устройство обладает высокой надежностью, т.к. передача и прием осуществляются через один телескоп, который одновременно и расширяет лазерный пучок и понижает ошибку рассогласования между осями передатчика и приемника. Однако полное пропускание такого устройства в лучшем случае составляет всего 25%. Это связано с тем, что только половина мощности лазерного излучения отражается от светоделительной пластинки и посылается в атмосферу, и с тем, что только половина приходящей обратно рассеянной мощности проходит сквозь светоделительную пластинку и регистрируется фотоприемником. Недостатком данной полезной модели является не достаточная чувствительность для регистрации усиления обратного рассеяния.Closest to the claimed device is [RU 153460 U1, 2014] a device for recording backscatter amplification (RBM), having an afocal receiving and transmitting telescope, in which a narrow beam is sent to the atmosphere using a beam splitter and then the scattered power is recorded simultaneously strictly back on the axis of the probe beam and at a distance of at least six Fresnel zones from the axis of the telescope. The device allows registration precisely on the axis of the beam and outside the axis of the beam simultaneously from one probed volume in the atmosphere. This device is highly reliable since transmission and reception are carried out through one telescope, which simultaneously expands the laser beam and reduces the error of mismatch between the axes of the transmitter and receiver. However, the full transmission of such a device at best is only 25%. This is due to the fact that only half of the laser radiation power is reflected from the beam splitter and sent to the atmosphere, and because only half of the backscattered power transmitted through the beam splitter is detected by the photodetector. The disadvantage of this utility model is not enough sensitivity to register the backscatter gain.

Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции, обладающей повышенной чувствительностью для регистрации усиления обратного рассеяния.The objective of the claimed utility model is to create a design with increased sensitivity for recording amplification of backscattering.

Поставленная задача решается с помощью антенного переключателя, состоящего из тонкопленочного поляризатора и четверть-волновой пластинки, которые позволяют всю мощность лазерного пучка отправить в атмосферу и зарегистрировать все пришедшее обратно из атмосферы излучение. Линейно поляризованное излучение лазера под углом Брюстера направляется на тонкопленочный поляризатор, полностью отражается от него и после прохождения сквозь четверть-волновую пластинку преобразуется в излучение с круговой поляризацией, которое телескопом направляется в атмосферу. Рассеянное в атмосфере и пришедшее обратно излучение тоже имеет круговую поляризацию, но после вторичного прохождения сквозь четверть-волновую пластинку вновь преобразуется в линейно поляризационное излучение с плоскостью поляризации, которая повернута на 90 градусов по отношению к плоскости поляризации излучения лазера. Это позволяет пришедшему пучку полностью пройти сквозь тонкопленочный поляризатор и быть зарегистрированным фотоприемником.The problem is solved with the help of an antenna switch, consisting of a thin-film polarizer and a quarter-wave plate, which allow all the power of the laser beam to be sent to the atmosphere and to register all the radiation that came back from the atmosphere. The linearly polarized laser radiation at a Brewster angle is directed to a thin-film polarizer, is completely reflected from it, and after passing through a quarter-wave plate it is converted into circularly polarized radiation, which is sent to the atmosphere by a telescope. The radiation scattered in the atmosphere and coming back also has circular polarization, but after a second passage through a quarter-wave plate it is again converted into linearly polarized radiation with a plane of polarization that is rotated 90 degrees with respect to the plane of polarization of the laser radiation. This allows the incoming beam to pass completely through the thin-film polarizer and be registered by the photodetector.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере и регистрации коэффициента деполяризации атмосферного аэрозоля. Фиг. 1 включает подробную оптическую схему устройства и схематично изображает электронную часть и атмосферу. Фиг. 2 иллюстрирует предложенную идею построения антенного переключателя устройства на основе преобразования поляризации передаваемого и принимаемых световых пучков.In FIG. 1 schematically shows a device for detecting backscattering gain in the atmosphere and detecting the depolarization coefficient of atmospheric aerosol. FIG. 1 includes a detailed optical diagram of the device and schematically depicts the electronic part and the atmosphere. FIG. 2 illustrates the proposed idea of constructing an antenna switch of the device based on the polarization conversion of the transmitted and received light beams.

Устройство состоит из передающей и приемной частей. Передающая часть одноканальная, а принимающая - двухканальная, состоящая из осевого канала и внеосевого канала. Общими для передатчика и всех приемных каналов являются четверть-волновая пластинка 5 и афокальный приемо-передающий телескоп, состоящий из зеркал 6 и 7. В осевом приемном канале установлен тонкопленочный поляризатор 4, который отражает зондирующий лазерный пучок 8 на телескоп, а приходящий сигнал 12 пропускает через себя. Лазерные приемо-передатчики (лидары) с общим телескопом называют «системами с расширением лазерного пучка через приемный телескоп» и характеризуют как системы с повышенной термо-механической стабильностью. Передатчик состоит из лазера 1, коллимирующей линзы 2, поворотного зеркала 3, тонкопленочного поляризатора 4, четверть-волновой пластинки 5 и телескопа 6-7. Между приемо-передатчиком и атмосферой устанавливается двойная диафрагма 9, через верхнее отверстие которой уходит в атмосферу зондирующий пучок 8, а возвращается излучение осевого приемного канала 12. Через нижнее отверстие диафрагмы 9 возвращается излучение внеосевого приемного канала 13. Предлагаемая конструкция позволяет регистрировать одновременно все сигналы из одного рассеивающего объема и при этом достигается абсолютное совмещение приходящего пучка осевого канала с зондирующим пучком, что имеет принципиальное значение при регистрации УОР. Далее принимаемые пучки 12 и 13 проходят через четвертьволновую пластинку 5, причем, пучок 12 проходит еще сквозь тонкопленочный поляризатор 4. Затем пучки поступают на формирователь поля зрения приемной системы, состоящий из фокусирующей линзы 14, апертурной диафрагмы 15 и коллимирующей линзы 16. Далее установлен интерференционный фильтр 17, отсекающий фоновую засветку. После фильтра 17 осевой пучок 12 поступает на детектор 18, а внеосевой пучок поступает на детектор 19. Устройство работает следующим образом.The device consists of a transmitting and receiving parts. The transmitting part is single-channel, and the receiving part is two-channel, consisting of an axial channel and an off-axis channel. Common to the transmitter and all receiving channels are a quarter-wave plate 5 and an afocal receiving-transmitting telescope consisting of mirrors 6 and 7. A thin-film polarizer 4 is installed in the axial receiving channel, which reflects the probe laser beam 8 to the telescope, and the incoming signal 12 passes through myself. Laser transceivers (lidars) with a common telescope are called "systems with the expansion of the laser beam through the receiving telescope" and are characterized as systems with increased thermo-mechanical stability. The transmitter consists of a laser 1, a collimating lens 2, a rotary mirror 3, a thin-film polarizer 4, a quarter-wave plate 5 and a telescope 6-7. Between the transceiver and the atmosphere, a double diaphragm 9 is installed, through the upper hole of which the probe beam 8 goes into the atmosphere, and the radiation of the axial receiving channel 12 is returned. Through the lower hole of the diaphragm 9, the radiation of the off-axis receiving channel 13 is returned. The proposed design allows to register simultaneously all signals from one scattering volume and at the same time absolute alignment of the incoming beam of the axial channel with the probe beam is achieved, which is of fundamental importance for oration of RBM. Next, the received beams 12 and 13 pass through the quarter-wave plate 5, and the beam 12 passes through the thin-film polarizer 4. Then the beams enter the imaging field of view of the receiving system, consisting of a focusing lens 14, aperture diaphragm 15 and collimating lens 16. Next, an interference filter 17, cutting off the background light. After the filter 17, the axial beam 12 enters the detector 18, and the off-axis beam enters the detector 19. The device operates as follows.

Устройство использует эффект «усиления обратного рассеяния», который можно наблюдать только в пределах первой зоны Френеля, не превышающим 40 мм. Схема устройства, включая атмосферу и рассеивающий объем, приведена на фиг. 1. Размер зоны Френеля определяет: размер зондирующего пучка 8 за телескопом, диаметры приемных апертур d=40 мм двойной диафрагмы 8 и расстояние между ними D=6d=240 мм. Приемо-передающий телескоп должен быть сфокусирован на дистанцию L=1-3 км путем изменения расстояния l между зеркалами телескопа 6 и 7. Во время работы короткий световой импульс от лазера 1 проходит через линзу 2, направляется зеркалом 3 на тонкопленочный поляризатор 4 и четверть-волновую пластинку 5, являющиеся антенным переключателем осевого приемного канала. Поляризатор 4 отражает световой импульс и направляет его через четверть-волновую пластинку 5, которая преобразует линейную поляризацию излучения лазера в круговую. Затем излучение приходит на зеркальный афокальный телескоп 6-7, расширяющий пучок 8 до размера зоны Френеля. Пучок 8 через верхнее отверстие двойной диафрагмы 9 направляется в турбулентную атмосферу 10. С дистанции L обратно рассеянное излучение из объема 11 приходит на телескоп. На верхнюю приемную апертуру приходит излучение, которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности и это излучение формирует осевой приемный канал. На нижнюю приемную апертуру приходит излучение, которое от верхней приемо-передающей апертуры через одни неоднородности дошло до рассеивающего объема 11, возвращается обратно другим путем и формирует внеосевой приемный канал. Согласно эффекту УОР, открытому в 1973 году Виноградовым, Кравцовым и Татарским, рассеянное назад излучение на оси пучка должно превышать излучение вне оси пучка. Приходящее излучение на оси 12 и излучение вне оси 13 проходят через телескоп 7-6, четверть-волновую пластинку 5, а осевой сигнал 12 еще проходит сквозь тонкопленочный поляризатор 4. Приходящее из атмосферы излучение 12 и 13 имеет круговую поляризацию. После второго прохождения через четверть-волновую пластинку 5 излучение вновь становится линейно поляризованным, но при этом плоскость поляризации поворачивается на 90°. Поэтому в осевом канале пучок 12 беспрепятственно проходит через тонкопленочный поляризатор 4, установленный под углом Брюстера (~56°). Далее пучки поступают в приемный ящик через фокусирующую линзу 14, в фокусе которой располагается апертурная диафрагма 15, которая определяет равные поля зрения для всех каналов. После диафрагмы 15 пучок осевого канала 12 и пучок вне осевого канала 13 коллимируются линзой 16 и проходят сквозь интерференционный фильтр 17, отсекающий фоновую засветку неба. Затем осевой пучок 12 поступает на фотодетектор 18, а внеосевой пучок 13 поступает на фото детектор 18. Электрические сигналы с детекторов 18 и 19 идут в систему регистрации 20. Кроме того, в систему регистрации 20 от лазера 1 поступает сигнал синхронизации в момент посылки зондирующего импульса в атмосферу. Система регистрации 20 производит накопление сигналов и затем информация в цифровом виде передается в компьютер 21. Компьютер 21 используется для расчета калибровочных коэффициентов (здесь не приводится) и для вычисления отношения осевого сигнала и внеосевого сигнала, величина которого в отсутствие турбулентности равна единице, а при ее наличии больше единицы в зависимости от ее интенсивности.The device uses the effect of "backscatter amplification", which can be observed only within the first Fresnel zone, not exceeding 40 mm. A diagram of the device, including the atmosphere and the scattering volume, is shown in FIG. 1. The size of the Fresnel zone determines: the size of the probe beam 8 behind the telescope, the diameters of the receiving apertures d = 40 mm of the double diaphragm 8 and the distance between them D = 6d = 240 mm. The transmitter-receiver telescope should be focused at a distance L = 1-3 km by changing the distance l between the telescope mirrors 6 and 7. During operation, a short light pulse from the laser 1 passes through the lens 2, is directed by the mirror 3 to the thin-film polarizer 4 and the quarter wave plate 5, which is the antenna switch of the axial receiving channel. The polarizer 4 reflects the light pulse and directs it through the quarter-wave plate 5, which converts the linear polarization of the laser radiation into a circular one. Then the radiation arrives at the specular afocal telescope 6-7, expanding the beam 8 to the size of the Fresnel zone. The beam 8 through the upper hole of the double diaphragm 9 is sent to the turbulent atmosphere 10. From a distance L, the backscattered radiation from the volume 11 comes to the telescope. Radiation arrives at the upper receiving aperture, which twice passed through the same turbulent inhomogeneities, and this radiation forms an axial receiving channel. Radiation arrives at the lower receiving aperture, which from the upper receiving and transmitting aperture through some inhomogeneities reaches the scattering volume 11, returns back in another way and forms an off-axis receiving channel. According to the RBM effect, discovered in 1973 by Vinogradov, Kravtsov, and Tatarsky, backward scattered radiation on the beam axis should exceed radiation outside the beam axis. The incoming radiation on the axis 12 and the radiation outside the axis 13 pass through the telescope 7-6, the quarter-wave plate 5, and the axial signal 12 still passes through the thin-film polarizer 4. The radiation 12 and 13 coming from the atmosphere has circular polarization. After the second passage through the quarter-wave plate 5, the radiation again becomes linearly polarized, but the plane of polarization rotates 90 °. Therefore, in the axial channel, the beam 12 passes unhindered through a thin-film polarizer 4 mounted at a Brewster angle (~ 56 °). Next, the beams enter the receiving box through the focusing lens 14, in the focus of which is the aperture diaphragm 15, which determines equal fields of view for all channels. After the diaphragm 15, the beam of the axial channel 12 and the beam outside the axial channel 13 are collimated by the lens 16 and pass through the interference filter 17, cutting off the background illumination of the sky. Then the axial beam 12 enters the photodetector 18, and the off-axis beam 13 enters the photo detector 18. The electrical signals from the detectors 18 and 19 go to the registration system 20. In addition, the synchronization signal 20 from the laser 1 receives a synchronization signal at the time of sending the probe pulse in atmosphere. The registration system 20 accumulates the signals and then digitally transmits the information to the computer 21. Computer 21 is used to calculate calibration coefficients (not shown here) and to calculate the ratio of the axial signal and the off-axis signal, the value of which in the absence of turbulence is unity, and when it is the presence of more than one, depending on its intensity.

Рассмотрим, в чем заключается преимущество описанного выше устройства по сравнению с аналогом. На фиг. 2 показано как работает оптический антенный переключатель устройства. Для наглядности пучки на рисунке имеют схематическое представление. Пучок 8 от лазера поляризован горизонтально (основная поляризация), он отражается от тонкопленочного поляризатора 4 и направляется на четвертьволновую пластинку 5. Пластинка 5 преобразует пучок 8 с линейной поляризацией в пучок с левоциркулярной поляризацией, который направляется в атмосферу. Из атмосферы возвращаются осевой пучок 12 и внеосевой пучок 13 рассеянного излучения, имеющие правоциркулярную круговую (либо эллиптическую) поляризацию. После второго прохода через четверть-волновую пластинку 5 опять имеем пучки с линейной поляризацией, но уже повернутой на 90°. В обоих каналах приходящие пучки 12 и 13 с основной поляризацией теперь поляризованы вертикально. В отличие от прототипа предложенная схема построения оптического антенного переключателя позволяет всю энергию излучения отправить в атмосферу и полностью регистрировать эхосигналы с основной поляризацией. Без учета потерь пропускание предлагаемого антенного переключателя составляет 90%, а пропускание переключателя прототипа - 25%.Consider what is the advantage of the device described above in comparison with the analogue. In FIG. 2 shows how the optical antenna switch of the device works. For clarity, the beams in the figure have a schematic representation. The laser beam 8 is polarized horizontally (primary polarization), it is reflected from the thin-film polarizer 4 and sent to the quarter-wave plate 5. Plate 5 converts the beam 8 with linear polarization into a beam with left-circular polarization, which is sent to the atmosphere. An axial beam 12 and an off-axis scattered radiation beam 13 having a circular circular (or elliptical) polarization are returned from the atmosphere. After the second pass through the quarter-wave plate 5, we again have beams with linear polarization, but already rotated 90 °. In both channels, the incoming beams 12 and 13 with the main polarization are now polarized vertically. Unlike the prototype, the proposed scheme for constructing an optical antenna switch allows you to send all the radiation energy into the atmosphere and completely record the echo signals with the main polarization. Excluding losses, the transmission of the proposed antenna switch is 90%, and the transmission of the prototype switch is 25%.

Claims

A device for recording backscattering amplification in the atmosphere, including a laser for generating light pulses, a lens collimator for forming a narrow probe beam, an antenna switch for precisely combining the optical axes of the transmitting and receiving channels, a transmitting-transmitting afocal mirror telescope, a double aperture diaphragm, and a receiver field of view imager , an interference filter and two photodetectors, a registration system and a computer, characterized in that as an antenna lyuchatelya apply a thin film polarizer and a quarter-wave plate, that all the power linearly polarized laser radiation is directed through a telescope into the atmosphere.