RU177661U1

RU177661U1 - Compact aerosol lidar for recording backscatter enhancement in the atmosphere

Info

Publication number: RU177661U1
Application number: RU2017115434U
Authority: RU
Inventors: Игорь Александрович Разенков; Виктор Арсентьевич Банах
Priority date: 2017-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2018-03-05

Abstract

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля и атмосферной турбулентности.Устройство содержит лазер для генерации световых импульсов, линзовый коллиматор для формирования узкого зондирующего пучка, антенный переключатель для точного совмещения оптических осей передающего и принимающих каналов, приемопередающий и принимающий афокальные зеркальные телескопы, интерференционный светофильтр, два фотодетектора, закрепленные на оптической скамье, систему регистрации с возможностью подключения к компьютеру, афокальные телескопы с размером 50 мм, составленные из внеосевых параболических зеркал, и полупроводниковые лавинные фотодетекторы со светочувствительными площадками, равными 100 мкм, которые выполняют роль апертурных диафрагм и тем самым формируют поля зрения приемной части лидара.Технический результат заключается в повышении чувствительности лидара. 1 ил.The invention relates to optical instrumentation and can be used in laser locator circuits for remote sensing of atmospheric aerosol and atmospheric turbulence. The device contains a laser for generating light pulses, a lens collimator for forming a narrow probe beam, an antenna switch for accurately combining the optical axes of the transmitting and receiving channels transmitting and receiving afocal specular telescopes, interference filter, two photodetectors, zak insulated on an optical bench, a recording system with the ability to connect to a computer, afocal telescopes with a size of 50 mm, composed of off-axis parabolic mirrors, and semiconductor avalanche photodetectors with photosensitive areas equal to 100 μm, which act as aperture diaphragms and thereby form the field of view of the receiving parts of lidar. The technical result is to increase the sensitivity of lidar. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована 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 153460 U1, 2014], обладающего афокальным приемопередающим телескопом, в котором реализуется полное совмещение передающего и принимающего каналов. При этом роль антенного переключателя выполняет светоделительная пластинка с равными коэффициентами пропускания и отражения. Эффективность такого переключателя составляет 25%, т.к. только половина мощности передается в атмосферу, и только половина эхосигнала может быть зарегистрирована. Схема прототипа модели предполагает использование фотоприемников с большим размером чувствительной площадки, т.е. фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), обладающих низкой квантовой эффективностью (≈10%). Недостатками данной полезной модели являются недостаточная чувствительность для регистрации усиления обратного рассеяния и большие размеры приемопередатчика из-за использования стандартного телескопа, состоящего из пары параболических зеркал (система Мерсена).A lidar device is known for detecting backscatter amplification (RBM) [RU 153460 U1, 2014], which has an afocal transceiver telescope in which a complete combination of the transmitting and receiving channels is realized. In this case, a beam splitter plate with equal transmittance and reflection coefficients plays the role of an antenna switch. The efficiency of such a switch is 25%, because only half of the power is transmitted to the atmosphere, and only half of the echo can be recorded. The prototype model scheme involves the use of photodetectors with a large sensitive area, i.e. photomultiplier tubes (PMTs) with low quantum efficiency (≈10%). The disadvantages of this utility model are the lack of sensitivity for recording backscatter amplification and the large size of the transceiver due to the use of a standard telescope consisting of a pair of parabolic mirrors (Mersen system).

Наиболее близким к заявленному устройству является [RU 165087 U1, 2016] устройство для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР), в котором применен эффективный антенный переключатель, состоящий из тонкопленочного поляризатора и четвертьволновой пластинки. К недостаткам данной полезной модели также относятся низкая чувствительность фотодетекторов (ФЭУ) и большие габаритные размеры (≈1 м). Большой размер системы обусловлен использованием зеркального телескопа диаметром ≈30 см. Заметим, что при этом используется только несколько процентов его площади, т.к. для регистрации УОР-эффекта необходим малый размер апертур ≈5 см. Так же к недостатком можно отнести большие размеры устройства.Closest to the claimed device is [RU 165087 U1, 2016] a device for detecting backscatter amplification (RBM), in which an effective antenna switch is used, consisting of a thin-film polarizer and a quarter-wave plate. The disadvantages of this utility model also include the low sensitivity of photodetectors (PMTs) and large overall dimensions (≈1 m). The large size of the system is due to the use of a mirror telescope with a diameter of ≈30 cm. Note that this uses only a few percent of its area, because To register the RBM effect, a small aperture size of ≈5 cm is required. The disadvantage is the large size of the device.

Раскрытие полезной модели.Disclosure of a utility model.

Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции лидара, обладающей высокой чувствительностью.The objective of the claimed utility model is to create a lidar design with high sensitivity.

Технический результат заключается в повышении чувствительности лидара. Поставленная задача повышения чувствительности устройства решается заменой ФЭУ, применяемых в прототипах, на лавинно-пролетные диоды (ЛПД), обладающие в 5 раз большей квантовой эффективностью по сравнению с ФЭУ. Физический размер чувствительной площадки ЛПД маленький и равен 100 мкм, поэтому в предлагаемом техническом решении фотодетекторы выполняют роль апертурных диафрагм и, следовательно, определяют поля зрения приемных каналов. Такое решение позволяет упростить приемную часть и тем самым повысить ее надежность.The technical result is to increase the sensitivity of the lidar. The task of increasing the sensitivity of the device is solved by replacing the PMTs used in the prototypes with avalanche-span diodes (LPD), which have 5 times higher quantum efficiency compared to PMTs. The physical size of the sensitive LPD pad is small and equal to 100 μm, therefore, in the proposed technical solution, photodetectors play the role of aperture diaphragms and, therefore, determine the field of view of the receiving channels. This solution allows you to simplify the receiving part and thereby increase its reliability.

В нашей модели предлагается вместо одного большого афокального телескопа применить два маленьких, составленных из внеосевых параболических зеркал. В отличие от прототипов апертуры этих телескопов используются полностью, т.к. их размеры точно совпадают с требуемым физическим размером приемопередающей апертуры, равной первой зоне Френеля (≈50 мм). Это обязательное условие при использовании эффекта усиления обратного рассеяния (УОР). Применение внеосевых параболических зеркал позволяет значительно сократить габаритные размеры устройства по сравнению с прототипами.In our model, it is proposed to use instead of one large afocal telescope two small ones made up of off-axis parabolic mirrors. Unlike prototypes, the apertures of these telescopes are fully used, as their sizes exactly coincide with the required physical size of the transceiver aperture equal to the first Fresnel zone (≈50 mm). This is a prerequisite when using the backscattering enhancement effect (RBM). The use of off-axis parabolic mirrors can significantly reduce the overall dimensions of the device compared to prototypes.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

На фиг. 1 схематично изображен компактный аэрозольный лидар для регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере. Фиг. 1 включает подробную оптическую схему устройства и схематично изображает электронную часть и атмосферу.In FIG. 1 schematically shows a compact aerosol lidar for detecting backscattering enhancement in the atmosphere. FIG. 1 includes a detailed optical diagram of the device and schematically depicts the electronic part and the atmosphere.

Устройство состоит из передающей и принимающей частей. Передающая часть одноканальная, а принимающая - двухканальная, состоящая из осевого канала и внеосевого канала. Все элементы приемопередатчика закреплены на оптической скамье 24. Передатчик состоит из лазера 1, коллимирующей линзы 2, поворотного зеркала 3, тонкопленочного поляризатора 4, четвертьволновой пластинки 5 и телескопа, состоящего из внеосевых параболических зеркал 6 и 7. Телескоп 6-7 передает пучок 8 в виде световых импульсов в атмосферу 9, а рассеянное атмосферой излучение 11 из объема 10 поступает обратно на телескоп 6-7. Телескоп внеосевого канала идентичен телескопу осевого канала, состоит из внеосевых параболических зеркал 13 и 14 и служит для приема эхосигнала 12 из того же объема атмосферы 10.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. All elements of the transceiver are mounted on an optical bench 24. The transmitter consists of a laser 1, a collimating lens 2, a swivel mirror 3, a thin-film polarizer 4, a quarter-wave plate 5, and a telescope consisting of off-axis parabolic mirrors 6 and 7. The telescope 6-7 transmits the beam 8 to in the form of light pulses into the atmosphere 9, and the radiation 11 scattered by the atmosphere from the volume 10 is fed back to the telescope 6-7. The off-axis channel telescope is identical to the axial channel telescope, consists of off-axis parabolic mirrors 13 and 14 and is used to receive an echo signal 12 from the same volume of the atmosphere 10.

Пришедшие обратно пучки осевого 11 и внеосевого 12 каналов направляются в приемный ящик. Оба пучка 11 и 12 проходят сквозь четвертьволновую пластинку 4, пучок осевого канала 11 проходит сквозь поляризатор 4, пучок внеосевого канала 12 проходит сквозь поляризатор 18. Далее пучки проходят сквозь интерференционный светофильтр 15 и затем фокусируются линзами 16 и 20, соответственно, на детекторах 17 и 21. Плоское поворотное зеркало 19 направляет пучок 12 на линзу 20.The return beams of the axial 11 and off-axis 12 channels are sent to the receiving box. Both beams 11 and 12 pass through the quarter-wave plate 4, the beam of the axial channel 11 passes through the polarizer 4, the beam of the off-axis channel 12 passes through the polarizer 18. Next, the beams pass through the interference filter 15 and then are focused by lenses 16 and 20, respectively, on the detectors 17 and 21. A flat rotary mirror 19 directs the beam 12 to the lens 20.

Электрические сигналы с детекторов 17 и 21 поступают в систему регистрации 22, где они накапливаются и затем передаются в компьютер 23.Electrical signals from the detectors 17 and 21 enter the registration system 22, where they are accumulated and then transmitted to the computer 23.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

Устройство использует эффект «усиления обратного рассеяния», который можно наблюдать только в пределах первой зоны Френеля, равной ≈50 мм. Схема устройства, включая атмосферу и рассеивающий объем, приведена на фиг. 1. Все оптические элементы, включая лазер и фотодетекторы, закреплены на оптической скамье 24. Размер зоны Френеля определяет размер зондирующего пучка 8 за телескопом 6-7 и определяет размеры приходящих обратно пучков 11 и 12. Во время работы короткий световой импульс от лазера 1 проходит через линзу 2 направляется зеркалом 3 на тонкопленочный поляризатор 4 и четвертьволновую пластинку 5, являющиеся антенным переключателем осевого приемного канала. Поляризатор 4 отражает световой импульс и направляет его через четвертьволновую 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 направляется в турбулентную атмосферу 9. Обратно рассеянное излучение из объема 10 приходит на телескопы 6-7 и 13-14. На телескоп 6-7 приходит излучение, которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности, и это излучение формирует осевой приемный канал. На телескоп 13-14 приходит излучение, которое от верхней приемопередающей апертуры через одни турбулентные неоднородности дошло до рассеивающего объема 10, а 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 И и излучение вне оси 12 проходят через телескопы 6-7 и 13-14, четвертьволновую пластинку 5, осевой сигнал 11 еще раз проходит сквозь тонкопленочный поляризатор 4, а внеосевой сигнал 12 проходит сквозь поляризатор 18, выполняющий роль анализатора. Приходящее из атмосферы излучение пучков 11 и 12 имеет круговую поляризацию. После второго прохождения через четвертьволновую пластинку 5 излучение вновь становится линейно поляризованным, но при этом плоскость поляризации поворачивается на 90°. Поэтому в осевом канале пучок 11 беспрепятственно проходит через тонкопленочный поляризатор 4, а во внеосевом канале пучок 12 проходит сквозь поляризатор 18. Далее пучки идут через интерференционный фильтр 15, отсекающий фоновую засветку неба. Затем осевой пучок 11 фокусируется линзой 16 на фото детекторе 17, а внеосевой пучок 12 плоским зеркалом 19 направляется на линзу 20 и фокусируется на площадке фото детектора 21. Электрические сигналы с детекторов 17 и 21 идут в систему регистрации 22. Кроме того, в систему регистрации 22 от лазера 1 поступает сигнал синхронизации в момент посылки зондирующего импульса в атмосферу. Система регистрации 22 производит накопление сигналов, и затем информация в цифровом виде передается в компьютер 23. Компьютер 23 используется для расчета калибровочных коэффициентов (здесь не приводится) и для вычисления фактора усиления, равного отношению осевого сигнала ко внеосевому сигналу. Величина фактора усиления 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, equal to ≈50 mm A diagram of the device, including the atmosphere and the scattering volume, is shown in FIG. 1. All optical elements, including a laser and photodetectors, are mounted on an optical bench 24. The size of the Fresnel zone determines the size of the probe beam 8 behind the telescope 6-7 and determines the sizes of the returning beams 11 and 12. During operation, a short light pulse from laser 1 passes through the lens 2 is directed by a mirror 3 to a thin-film polarizer 4 and a quarter-wave plate 5, which are 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 is sent to the turbulent atmosphere 9. The backscattered radiation from the volume 10 comes to the telescopes 6-7 and 13-14. The telescope 6-7 receives radiation that has twice passed through the same turbulent inhomogeneities, and this radiation forms an axial receiving channel. Radiation arrives at the telescope 13-14, which from the upper transceiver aperture through some turbulent inhomogeneities reaches the scattering volume 10, and 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 And axis and radiation outside the 12 axis pass through telescopes 6-7 and 13-14, the quarter-wave plate 5, the axial signal 11 passes through the thin-film polarizer 4 again, and the off-axis signal 12 passes through the polarizer 18, which acts as an analyzer. The radiation from the beams 11 and 12 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 11 passes unhindered through the thin-film polarizer 4, and in the off-axis channel, the beam 12 passes through the polarizer 18. Next, the beams pass through an interference filter 15, which cuts off the background illumination of the sky. Then, the axial beam 11 is focused by the lens 16 on the photo detector 17, and the off-axis beam 12 with a flat mirror 19 is directed to the lens 20 and focused on the site of the photo detector 21. The electrical signals from the detectors 17 and 21 go to the registration system 22. In addition, to the registration system 22 from the laser 1 receives a synchronization signal at the time of sending the probe pulse to the atmosphere. The registration system 22 accumulates the signals, and then the information is digitally transmitted to the computer 23. The computer 23 is used to calculate calibration coefficients (not shown here) and to calculate the gain equal to the ratio of the axial signal to the off-axis signal. The magnitude of the amplification factor in the absence of turbulence is equal to unity, and if it is greater than unity, depending on its intensity.

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 and receiving afocal mirror telescopes, an interference optical filter, two photodetectors, fixed photodetectors on an optical bench, a registration system with the ability to connect to a computer, characterized in that in the axial transceiver 50 mm afocal telescopes made up of off-axis parabolic mirrors and semiconductor avalanche photodetectors with photosensitive areas equal to 100 μm, which act as aperture diaphragms and thereby form the field of view of the receiving part of the lidar, are used in the receiving and off-axis receiving channels.