RU187812U1 - Измеритель параметров облаков с совмещенной передающей системой - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к приборам для измерения оптических характеристик атмосферы, и может быть использовано в облакомерах, лазерных дальномерах, лидарах и других устройствах. Измеритель параметров облаков с совмещенной передающей системой, включающий в себя источники оптического излучения, детектор, оптические волокна, оптическую систему. При этом в фокальной плоскости оптической системы расположен пучок оптических волокон, центральное оптическое волокно с числовой апертурой 0,5 совпадает с числовой апертурой оптической системы, оптическое волокно с числовой апертурой 0,39, размещены так, чтобы свет от излучателей полностью попадал в оптическую систему, центральное волокно соединяется с детектором, а волокна с числовой апертурой 0,39 - с источниками оптического излучения. Технический результат - 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. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к приборам для измерения оптических характеристик атмосферы, и может быть использовано в облакомерах, лазерных дальномерах, лидарах и других устройствах.

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.

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.

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.

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.

Также известен моностатический оптический приемопередатчик, (RU 2638095) который содержит передающее оптическое волокно, соединенное с передатчиком, приемное оптическое волокно, соединенное с приемником, объединенные через волоконно-оптический дуплексер, торец выходного волокна которого размещен вблизи фокальной плоскости моностатической оптической системы.

Использование в этом аналоге только одного передатчика, из-за конструкции оптического дуплексера, снижает энергетический потенциал лидарной системы.

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.

Так как прототип предназначен для оптической атмосферной линии связи, то применение его в лидарной системе будет сопряжено со следующими неудобствами: одновременно работает только один излучатель, что снижает энергетический потенциал лидарной системы, а также 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.

Задачей заявляемой полезной модели является 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.

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 излучателей полностью попадал в оптическую систему, несмотря сдвиг от ее оптической оси, противоположные торцы волокон соответственно соединяются центральное волокно с детектором, а остальные - каждый со своим лазерным источником, лазеры генерируют зондирующий импульс одновременно на одной длине волны.

Увеличение энергетического потенциала лидарной системы достигается посредствам генерации зондирующего импульса одновременно всеми излучателями, т.е. потенциал лидарной системы увеличивается пропорционально увеличению числа лазеров.

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.

На фигуре 1 показано сечение сборки оптических волокон совмещенного приемопередающего тракта облакомера, здесь области 1 - торцы оптических волокон, а области 2 - оболочки оптических волокон.

Для излучения используются сразу все, оптические волокна, кроме центрального. При этом зондирующий импульс генерируется одновременно всеми излучателями, 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. Использование импульсов от нескольких лазеров позволяет увеличить потенциал лидарной системы, пропорционально увеличению числа лазеров.

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.

Расчет распространения лучей в случае использования одной асферической линзы в качестве оптической системы, в простейшем случае показан на фигуре 2.

Структурная схема оптоволоконного приемо-передающего блока лидарной системы показана на фигуре 3. Устройство состоит следующих элементов: излучатель (1), детектор (2), блок обработки сигнала и управления (3), оптоволокно с числовой апертурой 0,39 (4), оптоволокно с числовой апертурой 0,5 (5), сборка пучка волокон (6), оптическая система (7), корпус (8).

Устройство работает следующим образом: оси приемного канала и каналов излучателей 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 (8), обеспечивающем герметичность и взаимное расположение частей облакомера, детектор (2) соединяется с оптической системой (7) через оптоволокно (5), а излучатели (1) соединяются с оптической системой (7), каждый через свое оптоволокно (4), причем выходные торцы оптических волокон собираются в пучок (6), таким образом, чтобы оптоволокно (5), подключенное к детектору (2) было в центре сборки оптических волокон (6), а оптоволокна (4), подключенные к излучателям (1), вокруг него. Сборка оптических волокон (6) устанавливается перед оптической системой (7) таким образом, чтобы на выходе формировался слаборасходящийся пучок света от излучателей (1), и одновременно фокусировалось на торце волокна (5) излучение, рассеянное назад со всех дальностей зондирования. Запуск излучателей (1) и их синхронную работу, обработку сигнала с детектора (2) и вычисление из него высоты нижней границы облачности выполняет блок обработки сигнала и управления (3).

Claims (1)

1. Измеритель параметров облаков с совмещенной передающей системой, включающий в себя источники оптического излучения, детектор, оптические волокна, оптическую систему, отличающийся тем, что в фокальной плоскости оптической системы расположен пучок оптических волокон, центральное оптическое волокно с числовой апертурой 0,5 совпадает с числовой апертурой оптической системы, оптические волокна с числовой апертурой 0,39 размещены так, чтобы свет от излучателей полностью попадал в оптическую систему, центральное волокно соединяется с детектором, а волокна с числовой апертурой 0,39 с источниками оптического излучения.

Images