RU189380U1

RU189380U1 - Scanning lidar for atmospheric sensing

Info

Publication number: RU189380U1
Application number: RU2019102493U
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: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2019-05-21

Abstract

Полезная модель относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы. Лидар включает приемопередатчик с лазерным излучателем с блоком питания, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком и системой регистрации лидарных сигналов, расположенные на платформе наклонного сканирования двухкоординатной сканирующей поворотной платформы, состоящей из двух жестко связанных между собой поворотных платформ горизонтального и наклонного сканирования. Блок питания лазерного излучателя, а также управляющий вычислительный комплекс и внешний модуль электропитания электрически связаны между собой и с фотоприемным блоком, системой регистрации и блоком питания лазера. При этом блок питания лазерного излучателя закреплен на платформе горизонтального сканирования. Конечные узлы валов вращения платформ выполнены в виде радиально упорных подшипников, в центральных отверстиях которых по оси вращения расположены переходные каналы для электрических кабелей от внешнего модуля электропитания и управляющего вычислительного комплекса, а также от блока питания лазера к лазерному излучателю. Технический результат заключается в уменьшении электрических помех при регистрации лидарных сигналов из-за электромагнитных наводок от внешних источников и при работе блока питания лазера. 1 ил.The invention relates to the field of technology for optical methods for monitoring the optical-physical parameters of the atmosphere. Lidar includes a transceiver with a laser emitter with a power supply, an optical receiving telescope with a photodetector unit and a system for recording lidar signals located on an inclined scanning platform of a two-coordinate scanning rotary platform consisting of two horizontal and inclined scanning rotary platforms. The power supply of the laser emitter, as well as the control computer system and the external power supply module are electrically connected with each other and with the photodetector unit, the recording system and the laser power supply unit. At the same time, the power supply unit of the laser emitter is fixed on the horizontal scanning platform. The final nodes of the rotation shafts of the platforms are made in the form of radial-thrust bearings, in the central holes of which along the axis of rotation there are transition channels for electrical cables from an external power supply module and a control computer complex, as well as from a laser power supply unit to a laser radiator. The technical result is to reduce electrical noise when registering lidar signals due to electromagnetic interference from external sources and during operation of the laser power supply. 1 il.

Description

Полезная модель, сканирующий лидар, относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы. Полезная модель предназначена для дистанционного определения места положения и оптико-микрофизических параметров плотных аэрозольных образований (облака и дымовые шлейфы) в атмосфере. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при контроле распространения лесных пожаров и выбросов промышленных предприятий, облаков пепла вулканической деятельности и т.д.The utility model, the scanning lidar, belongs to the field of optical technology techniques for monitoring the optical-physical parameters of the atmosphere. The utility model is intended for remote determination of the location and optical-microphysical parameters of dense aerosol formations (clouds and smoke plumes) in the atmosphere. The model can also be used to solve environmental problems of the atmosphere, in particular, in controlling the spread of forest fires and emissions of industrial enterprises, clouds of ash from volcanic activity, etc.

Метод лазерного зондирования атмосферы основан на эффектах рассеяния света на молекулах и аэрозольных частицах атмосферы, в том числе и обратном направлении в направлении источника излучения. Источник лазерного излучения направляет импульс света в атмосферу, а оптический сигнал обратного рассеяния поступает на приемный оптический телескоп, затем направляется на фотодетектор, где преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал преобразуется с помощью аналого-цифровых преобразователей или счетчиков фотонов в цифровой вид и направляется для обработки в ПЭВМ, где в соответствии с алгоритмами обработки сигналов извлекают информацию о параметрах атмосферы.The method of laser sounding of the atmosphere is based on the effects of light scattering on molecules and aerosol particles of the atmosphere, including the opposite direction in the direction of the radiation source. The laser source directs a pulse of light into the atmosphere, and the optical backscatter signal arrives at the receiving optical telescope, then it is directed to a photo detector, where it is converted into an electrical signal. The electrical signal is converted using analog-to-digital converters or photon counters into a digital form and is sent for processing to a PC, where information on the parameters of the atmosphere is extracted in accordance with signal processing algorithms.

Наиболее простые лидары основаны на использовании эффектов упругого рассеяния при зондировании атмосферы на одной или нескольких длинах волн.The simplest lidars are based on the use of elastic scattering effects when sounding the atmosphere at one or several wavelengths.

Известно устройство для исследований аэрозольных и облачных полей тропосферы, основанное на использовании лазера с одной или несколькими длин зондирования и последующей регистрацией простарнственной амплитуды развертки сигналами вдоль трассы зондирования [Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Из-во ИОА СОР АН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр. 89].A device is known for the study of aerosol and cloud fields of the troposphere, based on the use of a laser with one or several sensing lengths and the subsequent recording of the spatial amplitude of the sweep by signals along the sounding path [Zuev VE, Burlakov VD Siberian Lidar Station: 20 Years of Optical Monitoring of the Stratosphere // From-on IOA COP AN, Tomsk. 2008. 225 p. Chapter 3, p. 89].

Основное предназначение этого утройства заключается в получении информации о высотной стратификации аэрозольных и облачных полей, а также о высотном профиле оптических параметров (коэффициенты общего и обратного рассеяния) атмосферы.The main purpose of this device is to obtain information on the altitude stratification of aerosol and cloud fields, as well as the altitude profile of the optical parameters (total and backscatter coefficients) of the atmosphere.

Основным недостатком этого устройства и других аналогичных устройств высотного зондирования атмосферы

J., Ansmann A., Baldasano J. М., Balis D.,

С., Calpini В., Chaikovsky A., Flamant P.,

A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinell N.i, Trickl Т., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET: a European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote Sensing, A. Dabas, C. Loth, and J. Pelon, eds. Editions de

Polytechnique. 2001. P. 155-158] является ограниченные функциональные возможности устройства, поскольку зондирование проводится только в вертикальном направлении, т.е. информацию можно получать только в одном направлении вдоль трассы зондирования. Тем самым с использованием аналога отсутствует возможность получения двумерной пространственной информации о параметрах атмосферы в плоскости зондирования.The main disadvantage of this device and other similar devices for high-altitude sensing of the atmosphere

J., Ansmann A., Baldasano J.M., Balis D.,

S., Calpini V., Chaikovsky A., Flamant P.,

A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinell Ni, Trickl T., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET: a European aerosol research lidar network / Advances in Laser Remote Sensing, A. Dabas, C. Loth, and J. Pelon, eds. Editions de

Polytechnique. 2001. P. 155-158] is the limited functionality of the device, since the sounding is carried out only in the vertical direction, i.e. Information can only be received in one direction along the sounding path. Thus, using the analog, it is not possible to obtain two-dimensional spatial information about the parameters of the atmosphere in the sensing plane.

Следующим шагом для расширения функциональных возможностей лидара является использование в составе лидара сканирующей платформы, при этом посылка лазерного излучения и регистрация сигналов осуществляется последовательно по различным направлениям трасс зондирования.The next step to expand the functionality of the lidar is to use a scanning platform as part of the lidar, while sending laser radiation and registering signals is carried out sequentially in different directions of the probing paths.

Известен сканирующий лидар для зондирования атмосферы, содержащий приемопередатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на неподвижном основании. Сканирующая платформа оптически сопряженная с оптическими осями приемо-передатчика лидара выполнена на основе двух зеркал по целостатной схеме [Коханенко Г., Макогон М. Флуоресцентно-аэрозольный лидар «ФАРАН-М1» // Фотоника. 2010. №4. С. 50-53.].Known scanning lidar for atmospheric sensing, containing a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector unit, located on a fixed base. Scanning platform optically coupled to the optical axes of the lidar transceiver is made on the basis of two mirrors according to the integral diagram [Kokhanenko G., Makogon M. Fluorescent aerosol lidar “FARAN-M1” // Fotonika. 2010. №4. Pp. 50-53.].

Основным недостатком этого устройства является сложность и громоздкость конструкции. Для обеспечения полного перехвата оптических пучков размер зеркал сканирующей системы должен превышать диаметр приемного телескопа. Для описанного аналога, размер зеркал составляют 350×500 мм, а для поворота системы вокруг вертикальной оси необходим подшипник с внутренним диаметром 400 мм. Привод выполнен на шаговом двигателе с инкрементным энкодером и осуществляется через редуктор и шестереночную передачу. Это приводит к дополнительным погрешностям при определении угла поворота сканирующей платформы, т.е. к погрешностям определения угловых координат трассы зондирования.The main disadvantage of this device is the complexity and bulkiness of the design. To ensure complete interception of optical beams, the size of the mirrors of the scanning system must exceed the diameter of the receiving telescope. For the analogue described, the size of the mirrors is 350 × 500 mm, and to rotate the system around a vertical axis, a bearing with an internal diameter of 400 mm is required. The drive is made on a stepper motor with an incremental encoder and is carried out through a gearbox and gear transmission. This leads to additional errors in determining the angle of rotation of the scanning platform, i.e. to the errors in determining the angular coordinates of the probing path.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является сканирующий лидар для зондирования атмосферы, включающий приемо-передатчик с лазерным излучателем, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком и системой регистрации, расположенные на платформе наклонного сканирования двухкоординатной электромеханической поворотной платформы, а также блок питания лазера, модуль внешнего электропитания и управляющий вычислительный комплекс, установленные неподвижно на поверхности земли в непосредственной близости от двухкоординатной платформы. [Патент на полезную модель №157285 «Сканирующий лидар для зондирования атмосферы» Зарегистрировано в Госреестре полезных моделей РФ 15 ноября 2015 г.]. Недостатком прототипа является ненадежность эксплуатации лидара при горизонтальном сканировании из-за необходимости увеличения длины и частого запутывания соединительных проводов между неподвижными блоками питания и подвижными оптико-электронными устройствами приемо-передатчика лидара (лазерный излучатель, блок фотоприемников), а также между управляющим вычислительным комплексом и системой регистрации сигналов. Кроме того, что увеличение длины кабелей приводит к дополнительным электрическим помехам при регистрации лидарных сигналов из-за электромагнитных наводок от внешних источников и при работе блока питания лазера.The closest analogue of the claimed utility model is a scanning lidar for atmospheric sensing, including a transceiver with a laser emitter, an optical receiving telescope with a photoreceiver unit and a recording system, located on an oblique scanning platform of a two-coordinate electromechanical turntable, as well as a laser power unit, an external power supply module and control computer complex, installed motionless on the surface of the earth in the immediate vicinity of the two-coordinate oh the platform. [Patent for utility model No. 157285 “Scanning lidar for atmospheric sounding” Registered in the State Register of Utility Models of the Russian Federation on November 15, 2015]. The disadvantage of the prototype is the unreliability of operation of the lidar during horizontal scanning due to the need to increase the length and frequent entanglement of the connecting wires between fixed power supply units and moving optical-electronic devices of the lidar transceiver (laser transmitter, photodetector unit), as well as between the control computer complex and the system registration signals. In addition, the increase in cable length leads to additional electrical noise when registering lidar signals due to electromagnetic interference from external sources and during operation of the laser power supply.

Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, благодаря тому, что все соединительные электрические кабели проходят через переходные каналы, расположенные по осям вращения платформ в горизонтальной и вертикальной плоскостях.The proposed utility model eliminates this drawback due to the fact that all connecting electrical cables pass through transition channels located along the axes of rotation of the platforms in the horizontal and vertical planes.

Решение поставленной задачи достигается тем, что блок питания лазерного излучателя расположен на подвижной платформе горизонтального сканирования, а конечные узлы валов вращения платформ выполнены в виде радиально упорных подшипников, в центральных отверстиях которых расположены переходные каналы для электрических кабелей, что предотвращает их скручивание и обрыв при поворотах платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях.The solution of this problem is achieved by the fact that the power supply unit of the laser emitter is located on a movable horizontal scanning platform, and the final nodes of the platform rotation shafts are made in the form of radial thrust bearings, in the central openings of which are transition channels for electrical cables, which prevents them from twisting and breaking during turns platforms in horizontal and vertical planes.

На фиг. 1 изображена блок-схема сканирующего лидара. Лидар состоит из лазерного излучателя 1, приемного телескопа 2 с фотоприемным блоком 3 и системой регистрации лидарных сигналов 4, расположенные на общем основании платформы наклонного сканирования 5 с радиально упорным подшипником 6 на оси вращения. Блок питания лазерного излучателя 7 расположен на основании платформы горизонтального сканирования 8 с аналогичным радиально упорным подшипником 6 на оси вращения. Управляющий вычислительный комплекс 9 и внешний модуль электропитания 10 расположены в непосредственной близости от приемо-передатчика лидара на неподвижной поверхности.FIG. 1 is a block diagram of a scanning lidar. The lidar consists of a laser emitter 1, a receiving telescope 2 with a photodetector unit 3 and a system for recording lidar signals 4, located on a common base of an oblique scanning platform 5 with a radially resistant bearing 6 on the axis of rotation. The power supply of the laser emitter 7 is located on the base of the horizontal scanning platform 8 with a similar radially resistant bearing 6 on the axis of rotation. The control computer complex 9 and the external power supply module 10 are located in close proximity to the lidar transceiver on a fixed surface.

Сканирующий в горизонтальной и вертикальной плоскостях платформы 5 и 8 составляют единое целое - двухкоординатную сканирующую платформу 11. Оптоэлектронные и электромеханические блоки составляющий лидар: лазерный излучатель 1, фотоприемный блок 3, система регистрации 4, блок питания лазера 7, электромеханические поворотные платформы 5 и 8 электрически связаны с управляющим вычислительным комплексом 9 и модулем электропитания 10 посредством кабелей, проходящих через центральные отверстия каналов радиально упорных подшипников 6.Scanning platforms 5 and 8 in horizontal and vertical planes form a single whole - two-coordinate scanning platform 11. Optoelectronic and electromechanical blocks constituting a lidar: laser emitter 1, photodetector unit 3, recording system 4, laser power supply unit 7, electromechanical turntables 5 and 8 electrically connected with the control computer complex 9 and the power supply module 10 by means of cables passing through the central openings of the channels of the angular contact bearings 6.

Сканирующий лидар работает следующим образом. Управляющий вычислительный комплекс 9 выдает команду на внешний модуль электропитания 10 для подачи напряжения на оптоэлектронные, электронные и электромеханические блоки лидара: блок питания лазера 7, фотомодуль 3, систему регистрации 4, электромеханические блоки поворотных платформ 5 и 8. После этого, управляющий комплекс 9 выдает команду на включение через блок питания 7 лазерного излучателя 1, а также старт-импульс на запуск временной развертки системы регистрации лидарных сигналов 4.Scanning lidar works as follows. The control computer complex 9 issues a command to the external power supply module 10 for supplying voltage to the optoelectronic, electronic and electromechanical lidar blocks: laser power supply unit 7, photo module 3, recording system 4, electromechanical blocks of turntables 5 and 8. Thereafter, the control complex 9 issues a command to turn on the laser emitter 1 through the power supply unit 7, as well as a start-pulse to start the time sweep of the lidar signal detection system 4.

Лазерное излучение от излучателя 1 направляется в атмосферу, рассеивается атмосферой в обратном направлении и попадает на приемный телескоп 2, а затем направляется на фотоприемный блок 3, где световой сигнал преобразуется в электрический. Электрический сигнал с фотоприемного блока 3 поступает на вход системы регистрации лидарных сигналов 4, где осуществляется его оцифровка. Далее оцифрованный сигнал передается по интерфейсному кабелю, проходящему через осевые каналы радиально упорных подшипников 6 платформ наклонного и горизонтального сканирования 5 и 8 в управляющий вычислительный комплекс 9, где осуществляется его запись и последующая обработка по заданным алгоритмам.The laser radiation from the emitter 1 is sent to the atmosphere, scattered by the atmosphere in the opposite direction and enters the receiving telescope 2, and then sent to the photoreceiver unit 3, where the light signal is converted into electrical. The electrical signal from the photodetector unit 3 is fed to the input of the registration system of lidar signals 4, where it is digitized. Next, the digitized signal is transmitted via the interface cable passing through the axial channels of the angular contact bearings 6 platforms of inclined and horizontal scanning 5 and 8 to the control computer complex 9, where it is recorded and subsequently processed according to specified algorithms.

Работа в следующем сеансе зондирования осуществляется аналогичным образом, меняя угловое положение трассы лазерного зондирования, путем поворота сканирующих платформ 5 и 8 по заданной программе. При этом при полном обороте при горизонтальном сканировании не происходит неполадок в функционировании соединительных электрических и интерфейсных кабелей между внутренними и внешними блоками лидара.The work in the next sensing session is carried out in a similar way, changing the angular position of the laser sensing route, by rotating the scanning platforms 5 and 8 according to a given program. At the same time, with a full turn during horizontal scanning, there are no malfunctions in the functioning of the connecting electrical and interface cables between the internal and external blocks of the lidar.

Таким образом, управляющий вычислительный комплекс 9 формирует файл с паспортом акта лазерного зондирования атмосферы, в котором записана информация об амплитудном распределении лидарного сигнала вдоль трассы зондирования, а также дата и время зондирования и угловые положения трассы зондирования.Thus, the control computer complex 9 generates a file with a passport of the act of laser atmospheric sensing, which contains information about the amplitude distribution of the lidar signal along the sensing route, as well as the date and time of sensing and the angular position of the sensing route.

В Институте оптики атмосферы разработан, изготовлен и прошел натурные испытания экспериментальный образец лидара, который показал эффективность предложенного технического решения.At the Institute of Atmospheric Optics, an experimental sample of lidar was developed, manufactured and passed field tests, which showed the effectiveness of the proposed technical solution.

Claims

Scanning lidar for atmospheric sensing, including a transceiver with a laser emitter with a power supply, an optical receiving telescope with a photoreceiver unit and a system for recording lidar signals, located on an inclined scanning platform of a two-coordinate scanning rotary platform consisting of two rigidly connected horizontal and inclined scanning platforms , power supply unit of laser emitter, as well as control computer complex and external power supply module electrically connected with each other and with a photodetector unit, a registration system and a laser power supply unit, characterized in that the power supply unit of the laser emitter is mounted on a horizontal scanning platform, while the end nodes of the rotation shafts of the platforms are made in the form of radial thrust bearings, in the central holes of which are axially rotation are located transition channels for electrical cables from an external power supply module and a control computer complex, as well as from a laser power supply to a laser ents.