RU187227U1

RU187227U1 - Cloud Meter with Fiber Optic Transceiver

Info

Publication number: RU187227U1
Application number: RU2018122155U
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Крючков; Анатолий Иванович Гришин; Геннадий Григорьевич Матвиенко
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2019-02-25

Abstract

Полезная модель относится к оптическому приборостроению в частности к приборам для измерения оптических характеристик атмосферы и может быть использована в облакомерах, лазерных дальномерах, лидарах и других устройствах. Измеритель параметров облаков с оптоволоконным приемопередающим трактом, включающий в себя источник оптического излучения, детектор, оптические волокна, оптическую систему, в фокальной плоскости которой расположены оптические волокна, оптическое волокно с числовой апертурой 0,5 совпадает с числовой апертурой оптической системы при этом оптическое волокно с числовой апертурой 0,39 размещено так, чтобы свет от излучателя полностью попадал в оптическую систему. Технический результат - уменьшение габаритов и теневой зоны, увеличение энергетического потенциала и лидарной системы, при этом геометрический фактор лидара остается практически неизменным на любой дальности зондирования и может быть принят за единицу в уравнении лидарного зондирования. 2 ил.The utility model relates to optical instrumentation, in particular, to instruments for measuring the optical characteristics of the atmosphere and can be used in ceilometers, laser rangefinders, lidars and other devices. A cloud parameter meter with a fiber optic transceiver path, which includes an optical radiation source, a detector, optical fibers, an optical system in the focal plane of which optical fibers are located, an optical fiber with a numerical aperture of 0.5 coincides with the numerical aperture of the optical system, and the optical fiber with 0.39 numerical aperture is placed so that the light from the emitter completely enters the optical system. EFFECT: reduced dimensions and shadow zone, increased energy potential and lidar system, while the geometric lidar factor remains virtually unchanged at any sounding distance and can be taken as a unit in the lidar sounding equation. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению в частности к приборам для измерения оптических характеристик атмосферы и может быть использована в облакомерах, лазерных дальномерах, лидарах и других устройствах.The utility model relates to optical instrumentation, in particular, to instruments for measuring the optical characteristics of the atmosphere and can be used in ceilometers, laser rangefinders, lidars and other devices.

Известны облакомеры, в которых источник и приемник излучения расположены на расстоянии друг от друга, то есть имеют некоторую базу. Например, приемо-передающий блок измерителя высоты нижней границы облаков (BY 9929), содержащий источник света и приемник световых сигналов, каждый со свой оптической системой, для формирования разнесенных с параллельными оптическими осями диаграмм направленности излучателя и приемника.Clouds meters are known in which the radiation source and receiver are located at a distance from each other, that is, have some base. For example, a transmitter / receiver unit for measuring the height of the lower boundary of the clouds (BY 9929), containing a light source and a receiver of light signals, each with its own optical system, to form radiation patterns of the emitter and receiver spaced apart from parallel optical axes.

Недостатком аналога является, что наклон и взаимное расположение приемника и передатчика влияет на достоверность результатов измерений, разнесенные оси не позволяют в малых габаритах устройства осуществить большой диаметр пучка, а также присутствие в оптической схеме теневой зоны, делающей невозможность полного перехвата сигнала с малых дальностей.The disadvantage of the analogue is that the slope and relative position of the receiver and transmitter affect the reliability of the measurement results, the spaced axes do not allow the beam to be large in small dimensions of the device, as well as the presence of a shadow zone in the optical scheme, making it impossible to completely intercept the signal from short ranges.

Из уровня техники известен облакомер (RU 175866), включающий в себя приемопередающую оптическую систему, содержащую лазерный излучатель, приемный канал, передающий канал, объектив, являющийся общим для обоих каналов, плоское зеркало с отверстием, установленное с возможностью разделения передающего и приемного каналов.A ceilometer (RU 175866) is known from the prior art, which includes a transceiving optical system comprising a laser emitter, a receiving channel, a transmitting channel, a lens that is common to both channels, a flat mirror with an opening mounted to separate the transmitting and receiving channels.

Жестко заданное положение приемника и передатчика относительно оптической системы в этом аналоге не позволяет разделить конструктив оптической части от блоков электронной обработки, что, а также присутствие в оптической схеме теневой зоны, делающей невозможность полного перехвата сигнала с малых дальностей.The rigidly set position of the receiver and transmitter relative to the optical system in this analogue does not allow to separate the construct of the optical part from the electronic processing units, which, as well as the presence of a shadow zone in the optical circuit, making it impossible to completely intercept the signal from short ranges.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является приемо-передающее устройство оптической атмосферной линии связи (RU 2306673 С2, 20.09.2007), выполненное в виде внешнего и внутреннего блоков, взаимодействующих с противоположным приемо-передающим устройством линии связи второго абонента, содержащее интерфейс, источник оптического излучения, приемник оптического излучения, фокусирующую систему и волоконный световод, один конец которого закреплен на внешнем блоке, а другой конец оптически соединен с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, причем внешний блок выполнен во всепогодном исполнении и в нем расположена фокусирующая система, а интерфейс, источник оптического излучения и приемник оптического излучения установлены во внутреннем блоке, выполненном для комнатных условий, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительными световодами, одни концы которых вместе с одним концом волоконного световода, расположенные во внешнем блоке, объединены в сборку, образующий волоконно-оптический коллектор, а другие концы всех световодов, расположенные во внутреннем блоке, оптически соединены, по крайней мере, с одним источником и приемником оптического излучения с возможностью коммутации.Closest to the technical nature of the claimed utility model is a transceiver optical atmospheric communication line (RU 2306673 C2, 09/20/2007), made in the form of external and internal units interacting with the opposite transceiver device of the communication line of the second subscriber, containing an interface , an optical radiation source, an optical radiation receiver, a focusing system and a fiber waveguide, one end of which is mounted on an external unit, and the other end is optically connected to an optical source optical radiation and an optical radiation receiver, wherein the external unit is weatherproof and has a focusing system in it, and the interface, optical radiation source and optical radiation receiver are installed in an indoor unit designed for indoor conditions, characterized in that the device is equipped with additional optical fibers, some ends of which, together with one end of the fiber, located in the external unit, are combined into an assembly forming a fiber optic collector, and the other ends The fibers of all optical fibers located in the indoor unit are optically connected to at least one source and receiver of optical radiation with the possibility of switching.

Так как прототип предназначен для оптической атмосферной линии связи, то применение его в лидарной системе будет сопряжено со следующими неудобствами: потери света на приеме увеличиваются вследствие того, что площадь, занимаемая фотоприемниками, составляет значительно меньше 50% площади сердцевины световода, по которому распространяется свет, как из-за присутствия излучателей, расположенных на той же площадке, так и из-за наличия обязательных защитных барьеров между приемниками и излучателями.Since the prototype is intended for an atmospheric optical communication line, its use in a lidar system will be associated with the following disadvantages: the reception light loss increases due to the fact that the area occupied by photodetectors is significantly less than 50% of the core area of the light guide through which the light propagates, both because of the presence of emitters located on the same site, and because of the presence of mandatory protective barriers between the receivers and emitters.

Задачей заявляемой полезной модели является уменьшение габаритов и теневой зоны, при этом геометрический фактор лидара остается практически неизменным на любой дальности зондирования и может быть принят за единицу в уравнении лидарного зондирования.The objective of the claimed utility model is to reduce the size and shadow zone, while the geometric factor of the lidar remains virtually unchanged at any sensing range and can be taken as a unit in the lidar sounding equation.

Технический результат достигается тем, что в фокальной плоскости оптической системы (линзовый телескоп) размещается торцы сборки пучка оптических волокон, причем они собраны максимально плотно, с минимальными зазорами, обеспечивающими оптическую изоляцию друг от друга, а центральное оптическое волокно, используемое для приема, имеет числовую апертуру (0,5), совпадающую с числовой апертурой оптической системы, а оптические волокна, расположенные вокруг центрального, используемые для излучения зондирующего импульса, имеют числовую апертуру (0,39) меньше центрального оптического волокна, но максимально возможную в данной оптической системе, чтобы свет от излучателя полностью попадал в оптическую систему, несмотря сдвиг от ее оптической оси, противоположные торцы волокон соответственно соединяются центральное волокно с детектором, а боковой - с лазерным источником.The technical result is achieved by the fact that the ends of the optical fiber bundle assembly are located in the focal plane of the optical system (lens telescope), and they are assembled as tightly as possible, with minimal clearances providing optical isolation from each other, and the central optical fiber used for reception has a numerical the aperture (0.5), which coincides with the numerical aperture of the optical system, and the optical fibers located around the central one used to emit a probe pulse have a numerical aperture ru (0.39) is smaller than the central optical fiber, but the maximum possible in this optical system so that the light from the emitter completely enters the optical system, despite a shift from its optical axis, the opposite ends of the fibers respectively connect the central fiber to the detector, and the side fiber to laser source.

Измеритель построен по принципу импульсной лазерной локации: мощный, но короткий, по длительности, зондирующий импульс света излучается передающей системой и распространяется в направлении трассы зондирования; сигнал, отраженный назад, от слоя облачности, собирается приемной системой и передается на детектор; система регистрации, учитывая скорость распространения света, параметры зондирующего импульса и сигнал, полученный с детектора, вычисляет оптические характеристики атмосферы.The meter is built on the principle of a pulsed laser location: a powerful but short, in duration, probe light pulse is emitted by a transmitting system and propagates in the direction of the sensing path; the signal reflected back from the cloud layer is collected by the receiving system and transmitted to the detector; The registration system, taking into account the speed of light propagation, the parameters of the probe pulse and the signal received from the detector, calculates the optical characteristics of the atmosphere.

На фигуре 1 показано сечение сборки оптических волокон совмещенного приемопередающего тракта облакомера, здесь области 1 - торцы оптических волокон, а области 2 - оболочки оптических волокон.The figure 1 shows a cross section of the assembly of optical fibers of the combined transceiver path of the ceilometer, here region 1 is the ends of the optical fibers, and region 2 is the shell of the optical fibers.

Для излучения используются сразу все, оптические волокна, кроме центрального. При этом зондирующий импульс генерируется излучателем, на приемник синхронно с этим импульсом поступает рассеянное назад излучение из зондируемого объема, зная скорость распространения света можно вычислить дальность до объекта, а по форме и амплитуде сигнала характеристики среды.For radiation, all optical fibers are used at once, except for the central one. In this case, the probe pulse is generated by the emitter, and the receiver receives synchronized backscattered radiation from the probe volume, knowing the speed of light propagation, you can calculate the distance to the object, and the medium’s characteristics from the shape and amplitude of the signal.

Чтобы обеспечить полное использование энергии импульса необходимо учитывать, что оптическая ось совпадает только для центрального оптического волокна, а оптические волокна (вместе со своими осями) сдвинуты относительно нее.To ensure the full use of the pulse energy, it is necessary to take into account that the optical axis coincides only for the central optical fiber, and the optical fibers (together with their axes) are shifted relative to it.

Расчет распространения лучей в случае использования одной асферической линзы в качестве оптической системы, в простейшем случае показан на фигуре 2.The calculation of the propagation of rays in the case of using one aspherical lens as an optical system, in the simplest case is shown in figure 2.

Структурная схема оптоволоконного приемо-передающего блока лидарной системы показана на фигуре 3. Устройство состоит следующих элементов: излучатель (3), детектор (4), блок обработки сигнала и управления (5), оптоволокно с числовой апертурой 0,39 (6), оптоволокно с числовой апертурой 0,5 (7), сборка пучка волокон (8), оптическая система (9), корпус (10).The structural diagram of the fiber optic transceiver unit of the lidar system is shown in figure 3. The device consists of the following elements: emitter (3), detector (4), signal processing and control unit (5), optical fiber with a numerical aperture of 0.39 (6), optical fiber with a 0.5 numerical aperture (7), fiber bundle assembly (8), optical system (9), housing (10).

Устройство работает следующим образом: оси приемного канала и канал излучателя параллельны и не совпадают, и из-за небольших размеров оптических волокон, становится возможным сблизить на расстояние равное диаметру самого оптического волокна (0,4 мм), что позволяет использовать одну и ту же оптическую систему. Облакомер собирается в корпусе (10), обеспечивающем герметичность и взаимное расположение частей облакомера, детектор (4) соединяется с оптической системой (9) через оптоволокно (7), а излучатель (3) соединяется с оптической системой (9), через свое оптоволокно (6), причем выходные торцы оптических волокон собираются в пучок (8), таким образом, чтобы оптоволокно (7), подключенное к детектору (4) было в центре сборки оптических волокон (8), а оптоволокно (6), подключенное к излучателям (3), рядом. Сборка оптических волокон (8) устанавливается перед оптической системой (9) таким образом, чтобы на выходе формировался слаборасходящийся пучок света от излучателя (3), и одновременно фокусировалось на торце волокна (7) излучение, рассеянное назад со всех дальностей зондирования. Запуск излучателя (3) и их синхронную работу, обработку сигнала с детектора (4) и вычисление из него высоты нижней границы облачности выполняет блок обработки сигнала и управления (5).The device operates as follows: the axes of the receiving channel and the emitter channel are parallel and do not coincide, and due to the small size of the optical fibers, it becomes possible to draw a distance equal to the diameter of the optical fiber itself (0.4 mm), which makes it possible to use the same optical the system. The cloud meter is assembled in the housing (10), which ensures the tightness and relative position of the parts of the cloud meter, the detector (4) is connected to the optical system (9) through the optical fiber (7), and the emitter (3) is connected to the optical system (9), through its optical fiber ( 6), and the output ends of the optical fibers are collected in a beam (8), so that the optical fiber (7) connected to the detector (4) is in the center of the optical fiber assembly (8), and the optical fiber (6) connected to the emitters ( 3) near. The assembly of optical fibers (8) is installed in front of the optical system (9) in such a way that a weakly diverging light beam from the emitter (3) is formed at the output, and radiation scattered back from all sensing ranges is focused at the fiber end (7). Starting the emitter (3) and their synchronous operation, processing the signal from the detector (4) and calculating from it the height of the lower cloud boundary is performed by the signal processing and control unit (5).

Claims

A cloud parameter meter with a fiber optic transceiver path, including an optical radiation source, a detector, optical fibers, an optical system, characterized in that optical fibers are located in the focal plane of the optical system, an optical fiber with a numerical aperture of 0.5 coincides with the numerical aperture of the optical system while an optical fiber with a numerical aperture of 0.39 is placed so that the light from the emitter completely enters the optical system.