RU166564U1

RU166564U1 - POLARIZATION LIDAR

Info

Publication number: RU166564U1
Application number: RU2016125667/28U
Authority: RU
Inventors: Юрий Степанович Балин; Михаил Михайлович Новоселов; Григорий Павлович Коханенко; Иоганес Эрнстович Пеннер; Светлана Викторовна Самойлова; Марина Георгиевна Клемашева; Сергей Владимирович Насонов
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2016-12-10

Abstract

Поляризационный лидар для зондирования атмосферы, включающий источник линейно-поляризованного излучения, расположенный в непосредственной близости от него приемный оптический телескоп, на оптической оси которого установлены поляризационный расщепитель-анализатор и фотоприемный модуль из двух фотодетекторов с блоком регистрации, отличающийся тем, что фотоприемный модуль выполнен поворотным относительно неподвижного расщепителя-анализатора с возможностью вращения на 180° от его первоначального положения.A polarizing lidar for sensing the atmosphere, including a linearly polarized radiation source located in the immediate vicinity of it, a receiving optical telescope, on the optical axis of which there is a polarizing splitter analyzer and a photodetector module from two photodetectors with a recording unit, characterized in that the photodetector module is made rotary relatively stationary splitter analyzer with the possibility of rotation by 180 ° from its original position.

Description

Полезная модель относится к области использования лидарных технологий в метеорологии и атмосферной оптики, может быть применима для измерения оптических и микрофизических параметров атмосферы, использована для контроля уровня загрязнения атмосферы, распознавания кристаллических и градоопасных облаков и т.д.The utility model relates to the use of lidar technologies in meteorology and atmospheric optics, can be used to measure the optical and microphysical parameters of the atmosphere, and is used to control the level of atmospheric pollution, recognition of crystalline and hail clouds, etc.

Известен простейший тип лидара для зондирования атмосферы, основанный на использовании лазера, оптического телескопа с фотоприемником и системой регистрации, позволяющей записывать пространственный профиль амплитуды лидарного сигнала вдоль трассы зондирования (Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Изд-во ИОА СО РАН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр. 89). Предназначение этого лидара заключается в получении информации о высотном распределении параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы.The simplest type of lidar for atmospheric sounding is known, based on the use of a laser, an optical telescope with a photodetector and a recording system that allows you to record the spatial profile of the amplitude of the lidar signal along the sensing path (Zuev V.E., Burlakov V.D. Siberian lidar station: 20 years of optical monitoring of the stratosphere // Publishing House of the IOA SB RAS, Tomsk. 2008. 225 p. Chapter 3 p. 89). The purpose of this lidar is to obtain information on the altitude distribution of the parameters of aerosol and cloud fields of the atmosphere.

Основным недостатком этого и других аналогичных устройств (Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер Н.Э., Самойлова С.В. «Аэрозольно-рамановский лидар «ЛОЗА-М2» // Квантовая электроника. 2011. №10. С. 945-949) является ограниченные функциональные возможности, обусловленные трудностью выделения пространственных областей аэрозольной и облачной атмосферы содержащих несферические частицы, поскольку в лидарах не осуществляется поляризационный анализ принимаемых лидарных сигналов.The main disadvantage of this and other similar devices (Balin Yu.S., Bayrashin G.S., Kokhanenko G.P., Klemasheva M.G., Penner N.E., Samoilova S.V. "Aerosol-Raman lidar" LOZA -M2 ”// Quantum Electronics. 2011. No. 10. P. 945-949) is limited functionality due to the difficulty of distinguishing the spatial regions of the aerosol and cloud atmosphere containing nonspherical particles, since lidars do not carry out polarization analysis of received lidar signals.

Известны оптические поляризационные устройства для зондирования атмосферы, состоящие из источника линейно-поляризованного излучения, фотоэлектрических приемников, блока регистрации и оптической системы, содержащей поляризационные фильтры, делящие рассеянное в обратном направлении излучение на два взаимно ортогональных компонента, один из которых параллелен плоскости поляризации излучаемого светового потока (Авторское свидетельство СССР №373602, 1971; Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы. Изд. ИОА СО АН СССР, Томск, 1976, с. 236.).Known optical polarizing devices for sensing the atmosphere, consisting of a linearly polarized radiation source, photoelectric detectors, a recording unit and an optical system containing polarizing filters dividing the backscattered radiation into two mutually orthogonal components, one of which is parallel to the plane of polarization of the emitted light flux (USSR Author's Certificate No. 373602, 1971; Abstracts of the IV All-Union Symposium on Laser Sensing of the Atmosphere. Ed. I OA SO AN SSSR, Tomsk, 1976, p. 236.).

В этих устройствах на среду направляют пучок плоскополяризованного света и измеряют степень деполяризации, как отношение сигналов двух ортогональных компонент, которая является критерием границ области многократного рассеяния света и присутствия несферических частиц. В качестве приемников излучения используются два телескопа с фото детекторами, перед которыми установлены поляризационные фильтры.In these devices, a plane-polarized light beam is directed to the medium and the degree of depolarization is measured as the ratio of the signals of two orthogonal components, which is a criterion for the boundaries of the region of multiple light scattering and the presence of nonspherical particles. Two telescopes with photo detectors, in front of which polarizing filters are installed, are used as radiation detectors.

Недостатком подобных устройств является необходимость использования двух приемных телескопов, что усложняет конструкцию локатора и вызывает трудность точной совместной настройки телескопов на один рассеивающий объем.The disadvantage of such devices is the need to use two receiving telescopes, which complicates the design of the locator and makes it difficult to accurately adjust the telescopes to one scattering volume.

Ближайшее техническое решение заявляемой к полезной модели (Toshiyuki Murayama, Hajime Okamoto, Naoki Kaneyasu, Hiroki Kamataki, and Kazuhiko Miura. Application of lidar depolarization measurement in the atmospheric boundary layer: Effects of dust and sea-salt particles // Journal of Geophysical Research, vol. 104, no. d24, pages 31, 781-31, 792, December 27, 1999), включающий источник поляризационного излучения, приемный телескоп с расположенными на оптической оси поляризационным расщепителем-анализатором, делящим рассеянное в обратном направлении излучение на два пучка со взаимно ортогональными компонентами и двумя фотодетекторами с блоком регистрации.Closest technical solution of the claimed utility model (Toshiyuki Murayama, Hajime Okamoto, Naoki Kaneyasu, Hiroki Kamataki, and Kazuhiko Miura. Application of lidar depolarization measurement in the atmospheric boundary layer: Effects of dust and sea-salt particles // Journal of Geophysical Research, vol. 104, no. d24, pages 31, 781-31, 792, December 27, 1999), including a polarizing radiation source, a receiving telescope with a polarizing analyzer splitter located on the optical axis, dividing the backscattered radiation into two beams with mutually orthogonal components and two photodetectors with a registration unit.

Основным недостатком этого устройства является аппаратная погрешность измерения степени деполяризации в рассеивающем объеме атмосферы. Это связано с тем, что при использовании двух фотоприемников, измеряемая степень деполяризации существенно зависит от погрешности регистрации отношения лидарных сигналов фотодетекторов, чувствительность которых различна, поскольку двух одинаковых фотодетекторов не существует.The main disadvantage of this device is the hardware error of measuring the degree of depolarization in the scattering volume of the atmosphere. This is due to the fact that when using two photodetectors, the measured degree of depolarization substantially depends on the error in registering the ratio of lidar signals of photodetectors, the sensitivity of which is different, since there are no two identical photodetectors.

Цель полезной модели - уменьшение погрешности измерения степени деполяризации сигналов поляризационного лазера.The purpose of the utility model is to reduce the error in measuring the degree of depolarization of the signals of a polarization laser.

Поставленная цель достигается тем, что фотоприемный модуль из двух фотодетекторов выполнен поворотным на 180° относительно неподвижного поляризационного расщепителя анализатора. Это позволяет в процессе измерений произвести взаимную калибровку чувствительности фотодетекторов, путем их взаимной пространственной замены друг другом. Отношение сигналов фотодетекторов при установке их последовательно во времени на пути расщепленных световых пучков является величиной коэффициента калибровки, т.е. коэффициентом пропорциональности чувствительности между двумя фотодетекторами.This goal is achieved in that the photodetector module of two photodetectors is made rotatable 180 ° relative to the stationary polarizing splitter of the analyzer. This allows during the measurement process to mutually calibrate the sensitivity of the photodetectors by mutually interchanging them with each other. The ratio of the signals of photodetectors when they are installed sequentially in time on the path of split light beams is the value of the calibration coefficient, i.e. coefficient of proportionality of sensitivity between two photodetectors.

На фиг. 1 схематично изображена блок-схема поляризационного лидара для зондирования атмосферы.In FIG. 1 schematically shows a block diagram of a polarization lidar for sensing the atmosphere.

Лидар содержит источник 1 линейно поляризованного излучения (лазер), рядом с которым расположен приемный оптический телескоп 2 с углом поля зрения, охватывающим весь световой пучок, направляемый источником в атмосферу.The lidar contains a linearly polarized radiation source 1 (laser), next to which there is a receiving optical telescope 2 with an angle of view covering the entire light beam directed by the source into the atmosphere.

На выходе оптического телескопа установлен расщепитель-анализатор 3 (призма Волластона). который разделяет световой пучок на два компонента с ортогональной поляризацией (параллельный и перпендикулярный). На выходе анализатора 3 на пути расщепленных лучей установлен фотомодуль 4 из двух фотодетекторов 5 и 6, преобразующих световые сигналы в электрические, которые оцифровываются в блоке регистрации 7 и обрабатываются.At the output of the optical telescope, a splitter-analyzer 3 (Wollaston prism) is installed. which divides the light beam into two components with orthogonal polarization (parallel and perpendicular). At the output of the analyzer 3, a photomodule 4 of two photodetectors 5 and 6 is installed on the path of the split beams, converting the light signals into electric ones, which are digitized in the recording unit 7 and processed.

Поляризационный лидар работает следующим образом.Polarization lidar works as follows.

В первый момент времени от источника излучения 1 в атмосферу посылается линейно-поляризованное излучение. Рассеянное в обратном направлении излучение поступает на приемный оптический телескоп 2, собирается в узкий световой пучок, коллимируется и направляется на поляризационный расщепитель-анализатор 3, который разделяет его на два взаимно-ортогональных компонента. Ортогональные компоненты светового потока направляются на фотодетекторы 5 и 6 фотомодуля 4, которые преобразуют их в электрические сигналы и затем в блок регистрации 7. В дальнейшем через измеренное отношение интенсивности сигналов ортогональных компонент определяется степень деполяризации обратно рассеянного излучения.At the first time, a linearly polarized radiation is sent to the atmosphere from the radiation source 1. The radiation scattered in the opposite direction enters the receiving optical telescope 2, is collected in a narrow light beam, collimated, and sent to the polarization splitter-analyzer 3, which divides it into two mutually orthogonal components. The orthogonal components of the light flux are sent to photodetectors 5 and 6 of photomodule 4, which convert them into electrical signals and then to the recording unit 7. Subsequently, the degree of depolarization of the backscattered radiation is determined through the measured ratio of the signal intensities of the orthogonal components.

Во второй момент времени фотомодуль 4 вместе с фотодетекторами 5 и 6 поворачиваются на угол 180° и фотодетекторы взаимно меняются местами. Затем вновь производится посылка линейно поляризованного излучения от источника 1. Рассеянное в обратном направлении излучение также поступает на приемный оптический телескоп 2, далее на расщепитель-анализатор 3 на фотодетекторы 5 и 6, а затем на блок регистрации 7.At the second moment of time, the photomodule 4 together with the photodetectors 5 and 6 are rotated through an angle of 180 ° and the photodetectors are mutually interchanged. Then, linearly polarized radiation is sent again from source 1. The backscattered radiation also arrives at the receiving optical telescope 2, then to the splitter-analyzer 3 to photodetectors 5 and 6, and then to the recording unit 7.

При этом фотодетектор 6 регистрирует лидарный сигнал с той же поляризацией, который ранее регистрировал фотодетектор 5 и наоборот. В обоих измерениях амплитуды этих сигналов будут различны, поскольку чувствительность фотодетекторов практически никогда не бывает одинаковой. Отношение этих сигналов определяет коэффициент калибровки фотодетекторов между собой, т.е. учитывает степень различия чувствительностей фотодетекторов. Этот коэффициент в дальнейшем учитывается при определении степени деполяризации обратно рассеянного излучения через отношение амплитуды сигналов двух фотодетекторов.When this photodetector 6 registers a lidar signal with the same polarization, which previously recorded photodetector 5 and vice versa. In both measurements, the amplitudes of these signals will be different, since the sensitivity of photodetectors is almost never the same. The ratio of these signals determines the calibration coefficient of photodetectors among themselves, i.e. takes into account the degree of difference in sensitivity of photodetectors. This coefficient is further taken into account when determining the degree of depolarization of backscattered radiation through the ratio of the amplitude of the signals of two photodetectors.

Claims

A polarizing lidar for sensing the atmosphere, including a linearly polarized radiation source located in the immediate vicinity of it, a receiving optical telescope, on the optical axis of which there is a polarizing splitter analyzer and a photodetector module from two photodetectors with a recording unit, characterized in that the photodetector module is made rotary relatively stationary splitter-analyzer with the possibility of rotation by 180 ° from its original position.