RU190705U1

RU190705U1 - Lidar for atmospheric sensing

Info

Publication number: RU190705U1
Application number: RU2019113351U
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: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2019-07-09

Abstract

Полезная модель относится к области использования лидарных технологий в метеорологии и атмосферной оптики. Лидар для зондирования атмосферы включает расположенные на общей платформе и жестко связанные между собой источник лазерного излучения с фотодатчиком, вырабатывающим электрический старт-импульс, приемный оптический телескоп, на выходе которого расположен фотоприемный модуль, систему регистрации лидарных сигналов, сигнальный вход которой подключен к фотоприемному модулю, а вход синхронизации к фотодатчику. Между выходом фотоприемного модуля и входом системы регистрации установлен усилитель со ступенчатым по времени коэффициентом усиления электрических сигналов, вход синхронизации которого подключен к фотодатчику. При этом в первоначальный промежуток времени, отсчитываемого с момента посылки в атмосферу лазерного излучения, коэффициент усиления имеет минимальное значение, а затем ступенчато увеличивается по заданному закону в последующие временные промежутки. Технический результат заключается в обеспечении равномерной погрешности измерения интенсивности лидарного сигнала во всем диапазоне дальности действия лидара. 1 ил.The invention relates to the use of lidar technology in meteorology and atmospheric optics. An atmospheric sensing lidar includes a laser source with a photosensor that generates an electrical start-pulse, an optical receiving telescope, the output of which is a photoreceiver module, a lidar signal recording system whose signal input is connected to the photoreceiver module located on a common platform and rigidly interconnected and sync input to the photo sensor. Between the output of the photoreceiver module and the input of the recording system, there is an amplifier with a time-step gain of electrical signals, the synchronization input of which is connected to the photosensor. At the same time, in the initial period of time counted from the moment of sending laser radiation to the atmosphere, the gain factor has a minimum value, and then increases in steps according to a given law in subsequent time intervals. The technical result consists in providing a uniform error in measuring the intensity of the lidar signal in the whole range of the lidar action. 1 il.

Description

Полезная модель относится к области использования лидарных технологий в метеорологии и атмосферной оптики, может применятся для измерения оптических и микрофизических параметров атмосферы, для контроля уровня загрязнения атмосферы, распознавания кристаллических и градоопасных облаков и т.д.The utility model relates to the use of lidar technology in meteorology and atmospheric optics, it can be used to measure the optical and microphysical parameters of the atmosphere, to control the level of atmospheric pollution, to recognize crystalline and highly hazardous clouds, 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. 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 optical backscatter signal is fed to the receiving optical telescope, then sent to a photodetector, 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.

Основной проблемой технической реализации метода лазерного зондирования атмосферы является проблема регистрации лидарных сигналов вдоль трассы зондирования в большом динамическом диапазоне их изменения, поскольку фотоприемников с таким динамическим диапазоном в пределах линейной характеристики фоточувствительности не существует. Достаточно сказать, что согласно уравнению лазерного зондирования атмосферы, интенсивность сигнала вдоль трассы зондирования уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Это означает, что только вследствие этого фактора, динамический диапазон сигнала в высотном промежутке 0.1-10 км будет составлять четыре порядка.The main problem of the technical implementation of the method of laser atmospheric sensing is the problem of detecting lidar signals along the sounding path in a large dynamic range of their change, since photodetectors with such a dynamic range do not exist within the linear characteristic of photosensitivity. Suffice it to say that according to the equation of laser sensing of the atmosphere, the signal intensity along the sounding path decreases in proportion to the square of the distance. This means that only because of this factor, the dynamic range of the signal in the altitude interval of 0.1-10 km will be four orders of magnitude.

В настоящее время для сокращения динамического диапазона сигналов применяют оптико-электронные, электронные и оптико-механические методы. At present, optical-electronic, electronic, and optical-mechanical methods are used to reduce the dynamic range of signals.

Лидары, использующие оптико-механические методы состоят из источника лазерного излучения, приемного телескопа, фотодетектора, подключенного через систему регистрации к ЭВМ, а также электромеханического затвора в виде дискового модулятора, установленного непосредственно перед фотодетектором. Модулятор представляет собой диск с отверстиями, который вращается с заданной скоростью и периодически перекрывает световой поток. Непрозрачный участок диска перекрывает обратно рассеянное атмосферой лазерное излучение от ближних к лидару слоев атмосферы, а затем при вращении через отверстия на фотодетектор попадает излучение от дальней зоны зондирования (Лидарные системы и их оптико-электронные компоненты» / Ю.М.Андреев [и др.]; Под общ. Ред. М.В.Кабанова, Зуев В.В. Лазерное зондирование средней атмосферы / В.В.Зуев, А.В.Ельников, В.Д.Бурлаков). Недостатком подобных лидарных систем является отсутствие возможности получения информации об атмосфере на начальном значительном участке трассы зондирования, который обычно составляет несколько километров.Lidars using opto-mechanical methods consist of a laser source, a receiving telescope, a photodetector connected through a recording system to a computer, and an electromechanical shutter in the form of a disk modulator installed directly in front of the photodetector. A modulator is a disk with holes that rotates at a given speed and periodically blocks the luminous flux. The opaque part of the disk blocks the laser radiation backscattered by the atmosphere from atmospheric layers closest to the lidar, and then when rotating through holes the radiation from the far sensing zone enters the photodetector (Lidar systems and their optical-electronic components ”/ Yu.M.Andreev [and others. ]; Under the general editorship of MV Kabanova, Zuev V.V. Laser sounding of the middle atmosphere / V.V. Zuev, A.V.Elnikov, V.D. Burlakov). The disadvantage of such lidar systems is the inability to obtain information about the atmosphere at the initial significant part of the sensing route, which is usually several kilometers.

Среди аналогов, реализующих оптико-электронный метод известен поляризационный лидар для зондирования атмосферы, состоящий из лазера и соосно расположенных приемного объектива, поляризаторов, электрооптического затвора и фотодетектора (Патент № 106759). В этом лидаре для подавления интенсивности лидарного сигнала в ближней зоне на электрооптический затвор, расположенный непосредственно перед фотодетектором подают запирающее напряжение, минимизируя коэффициент пропускания затвора.Among the analogs implementing the optoelectronic method, there is a polarization lidar for atmospheric sensing, consisting of a laser and coaxially arranged receiving lens, polarizers, an electro-optical shutter and a photodetector (Patent No. 106759). In this lidar, in order to suppress the intensity of the lidar signal in the near zone, a blocking voltage is applied to the electro-optical shutter located directly in front of the photodetector, minimizing the gate transmittance.

Недостатком подобного лидара является ограниченные функциональные возможности, обусловленные нелинейной зависимостью пропускания затвора от величины управляющего напряжения, что приводит к дополнительным погрешностям измерения сигналов в ближней зоне.The disadvantage of this lidar is the limited functionality due to the nonlinear dependence of the gate transmission on the control voltage, which leads to additional errors in measuring signals in the near zone.

Ближайшее техническое решение к полезной модели, выбранное в качестве прототипа – лидар для зондирования, включающий источник лазерного излучения с фотодатчиком, вырабатывающим электрический старт-импульс, приемный оптический телескоп с фотоприемным модулем и систему регистрации лидарных сигналов патент № 155857.The closest technical solution to the utility model, selected as a prototype, is a sensing lidar, which includes a laser source with a photosensor that generates an electrical start-up pulse, a receiving optical telescope with a photoreceiver module and a patent number 155857.

Основным недостатком прототипа является то, что вследствие большого динамического диапазона лидарного сигнала, его регистрация с одинаковой степенью погрешности невозможна по всей трассе, т.е. в ближней и дальней зонах.The main disadvantage of the prototype is that due to the large dynamic range of the lidar signal, its registration with the same degree of error is impossible along the whole route, i.e. in the near and far zones.

Предполагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, обеспечивая равномерную погрешность измерения интенсивности лидарного сигнала во всем диапазоне дальности действия лидара.The proposed utility model eliminates this disadvantage by providing a uniform error in measuring the intensity of the lidar signal over the entire range of the lidar action.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от прототипа, предложенная модель содержит дополнительный электронный блок-усилитель со ступенчатым по времени коэффициентом усиления электрических лидарных сигналов, подключенный к выходу фотомодуля и входу системы регистрации. При этом в первоначальный промежуток времени, отсчитываемого с момента посылки в атмосферу лазерного излучения, коэффициент усиления имеет минимальное значение, а затем ступенчато увеличивается по заданному закону в последующие временные промежутки. Тем самым в полезной модели реализуется электронный метод уменьшения динамического диапазона лидарного сигнала перед его оцифровкой в системе регистрации.This goal is achieved by the fact that, unlike the prototype, the proposed model contains an additional electronic block amplifier with a stepwise gain of electric lidar signals connected to the output of the photo module and the input of the recording system. At the same time, in the initial period of time counted from the moment of sending laser radiation to the atmosphere, the gain factor has a minimum value, and then increases in steps according to a given law in subsequent time intervals. Thus, in the utility model, an electronic method is implemented to reduce the dynamic range of a lidar signal before it is digitized in the recording system.

На фиг.1 схематично изображена блок-схема лидара для зондирования атмосферы. Figure 1 shows a schematic block diagram of a lidar for atmospheric sensing.

Лидар содержит общую платформу 1, на которой расположены жестко связанные между собой источник лазерного излучения 2, на выходе которого установлена светоотклоняющая пластинка 3, направляющая часть лазерного излучения на фотодатчик 4, вырабатывающий электрический старт-импульс временной синхронизации, а также приемный оптический телескоп 5. На выходе телескопа 5 вдоль его оптической оси установлен фотоприемный модуль 6, электрически подключенный к усилителю 7, вход синхронизации которого подключен к выходу фотодатчика 4. В свою очередь выход усилителя 7 электрически связан с сигнальным входом системы регистрации 8, подключенной для синхронизации к выходу фотодатчика 4.Lidar contains a common platform 1, on which laser sources 2 rigidly interconnected are located 2, at the output of which a light-deflecting plate 3 is installed, the guiding part of laser radiation on a photosensor 4 generating an electrical start-time synchronization pulse, and on the output of the telescope 5 along its optical axis is installed photodetector module 6, electrically connected to the amplifier 7, the synchronization input of which is connected to the output of the photosensor 4. In turn, you the course of the amplifier 7 is electrically connected to the signal input of the recording system 8 connected for synchronization to the output of the photosensor 4.

Лидар работает следующим образом.Lidar works as follows.

Излучение лазера 2 направляется в атмосферу, при этом часть излучения посредством разделительной пластинки 3 отводится на фотодатчик 4, который формирует электрический стартовый импульс. Этот импульс одновременно подается на входа синхронизации усилителя 7 и системы регистрации сигналов 8. Обратно рассеянное атмосферой излучение собирается приемным телескопом 5 и поступает на фотоприемный модуль 6, где преобразуется в электрический сигнал, который направляется на вход усилителя 7, а затем для дальнейшей оцифровки в систему регистрации 8. В первоначальный промежуток времени коэффициент усиления имеет минимальное значение. Например, равен единице на интервале 100÷300 м. В дальнейшем, по мере распространения импульса по трассе зондирования, значение коэффициента будет увеличиваться. Возьмем за основу закона увеличения коэффициента обратную квадратичную зависимость величины сигнала от расстояния. Тогда в промежуток времени, соответствующий пространственному интервалу 300÷1000 м, коэффициент усиления равен 10, а для интервала 1000÷3000 м соответствует 100.The radiation of the laser 2 is directed to the atmosphere, while part of the radiation through the separation plate 3 is given to the photo sensor 4, which forms an electrical starting pulse. This pulse is simultaneously applied to the synchronization inputs of the amplifier 7 and the signal acquisition system 8. The radiation backscattered by the atmosphere is collected by the receiving telescope 5 and fed to the photoreceiver module 6, where it is converted into an electrical signal that is sent to the input of the amplifier 7 and then for further digitization into the system registration 8. In the initial period of time, the gain is minimal. For example, it is equal to one in the interval of 100 ÷ 300 m. Further, as the pulse propagates along the sounding path, the value of the coefficient will increase. Let us take the inverse quadratic dependence of the signal magnitude on the distance as the basis for the law of increasing the coefficient. Then, in the time interval corresponding to the spatial interval of 300 ÷ 1000 m, the gain is 10, and for the interval of 1000 ÷ 3000 m it corresponds to 100.

Таким образом, на вход системы регистрации 8 поступает лидарный сигнал, амплитуда которого с расстоянием изменяется примерно в одном динамическом диапазоне во всем интервале трассы зондирования.Thus, the lidar signal arrives at the input of the recording system 8, the amplitude of which varies with distance in approximately the same dynamic range throughout the sensing path interval.

Claims

Lidar for atmospheric sensing, including a laser source located on a common platform and rigidly interconnected with a photosensor generating an electrical start-pulse, an optical receiving telescope, the output of which is a photoreceiver module, a system for recording lidar signals whose signal input is connected to the photoreceiver module and a synchronization input to the photo sensor, characterized in that between the output of the photoreceiver module and the input of the recording system is installed an amplifier with a stepwise time gain electrical signals, the sync input of which is connected to the photo sensor, while in the initial period of time, counted from the moment of sending laser radiation to the atmosphere, the gain has a minimum value, and then stepwise increases according to a given law in subsequent time intervals.