RU192991U9

RU192991U9 - Lidar for remote round-the-clock determination of temperature and humidity of the atmosphere

Info

Publication number: RU192991U9
Application number: RU2019111134U
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Жарков; Сергей Михайлович Бобровников; Евгений Владимирович Горлов
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-12-04
Also published as: RU192991U1

Abstract

Полезная модель относится к технике оптических методов измерения физико-химических параметров вещества и предназначена для удаленного измерения температуры и влажности атмосферы. Технический результат полезной модели заключается в уменьшении погрешности определения температуры и влажности атмосферы в дневное время суток в дальней зоне лидара. Данный результат достигается за счет независимой регистрации оптических лидарных откликов из ближней и дальней зон.The utility model relates to the technique of optical methods for measuring the physicochemical parameters of a substance and is intended for remote measurement of temperature and humidity of the atmosphere. The technical result of the utility model is to reduce the error in determining the temperature and humidity of the atmosphere in the daytime in the far zone of the lidar. This result is achieved through independent registration of optical lidar responses from the near and far zones.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы, и может быть использована на метеостанциях и в других системах мониторинга атмосферы. The utility model relates to measuring technique and is intended for remote measurement of temperature and humidity of the atmosphere, and can be used at weather stations and other atmospheric monitoring systems.

Известно устройство для измерения температуры (патент РФ № 129229, 2013 г.). Недостатком устройства является принципиальное отсутствие возможности проведения дистанционного измерения температуры. A device for measuring temperature is known (RF patent No. 129229, 2013). The disadvantage of this device is the fundamental lack of the ability to conduct remote temperature measurements.

Известен также аэрологический радиозонд (патент РФ № 59845, 2006 г.), содержащий датчик температуры и радиопередатчик, с помощью которого информация о температуре, поступающая по мере набора высоты радиозонда, передаётся на наземную станцию сопровождения. Относительно высокая стоимость одноразового измерительного модуля радиозонда при проведении регулярных измерений определяет высокую стоимость эксплуатации такой системы. Другим недостатком системы радиозондирования является неконтролируемость траектории подъема радиозонда. При среднестатистических скоростях переноса воздушных масс в атмосфере при подъеме на высоту в 15 – 20 километров зонд может оказаться смещенным от исходной точки запуска на десятки и даже сотни километров, что делает затруднительным использование таких профилей температуры в задачах метеопрогноза. При этом время подъема зонда составляет 1,5–2 часа, что приводит к смещению оценки средних значений температуры вследствие нарушения условия стационарности. An aerological radiosonde is also known (RF patent No. 59845, 2006), which contains a temperature sensor and a radio transmitter, with the help of which temperature information, which is received as the radiosonde climbs, is transmitted to a ground tracking station. The relatively high cost of a one-time measuring probe module during regular measurements determines the high cost of operating such a system. Another disadvantage of the radiosonde system is the uncontrollability of the elevation path of the radiosonde. At average statistical speeds for the transfer of air masses in the atmosphere when rising to a height of 15 - 20 kilometers, the probe may turn out to be tens or even hundreds of kilometers from the starting point, which makes it difficult to use such temperature profiles in weather forecasting tasks. At the same time, the probe’s rise time is 1.5–2 hours, which leads to a bias in the estimation of average temperature values due to violation of the stationarity condition.

Известен лидар, в котором измерение температуры связано с восстановлением профиля молекулярной плотности атмосферы (Shibata T., Kobuchi M., Maeda M. Measurement of density and temperature profiles in the middle atmosphere with a XeF lidar // Applied Optics. 1986. V.25. №5. PP. 685–688) и последующим его пересчетом в температуру, оправданном в предположении гидростатического равновесия атмосферы. Исходной информацией для лидаров такого типа является интенсивность упругого рассеяния зондирующего излучения, для которого принципиально неразделимы вклады молекулярного и аэрозольного рассеяния. Последнее обуславливает основной недостаток метода – он оказывается работоспособным лишь для области атмосферы, свободной от присутствия в ней аэрозоля. Обычно это интервал высот 30 – 70 километров (стратосфера). Кроме этого тропосферный аэрозоль ослабляет излучение рассеянное в стратосфере, что приводит к значительным ошибкам при восстановлении температуры в стратосфере. A known lidar in which temperature measurement is associated with the restoration of the molecular density profile of the atmosphere (Shibata T., Kobuchi M., Maeda M. Measurement of density and temperature profiles in the middle atmosphere with a XeF lidar // Applied Optics. 1986. V.25. No. 5. PP. 685–688) and its subsequent conversion to temperature, justified under the assumption of hydrostatic equilibrium of the atmosphere. The initial information for this type of lidar is the intensity of elastic scattering of the probe radiation, for which the contributions of molecular and aerosol scattering are fundamentally inseparable. The latter causes the main drawback of the method - it turns out to be workable only for the atmosphere, free from the presence of aerosol in it. Usually this is an interval of heights of 30 - 70 kilometers (stratosphere). In addition, the tropospheric aerosol attenuates the radiation scattered in the stratosphere, which leads to significant errors in the restoration of temperature in the stratosphere.

В качестве прототипа выбран лидар для измерения температуры и влажности атмосферы с минимальной мертвой зоной зондирования (RU № 177419 от 21 февраля 2018 г.). Известное устройство включает источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу. Рассеянное в направлении назад излучение собирается четырьмя приемными телескопами и далее через моноволоконные световоды направляется на оптический скремблер. Далее оптическое излучение через моноволоконный световод попадает на светоделительный фильтр. Часть оптического излучения прошедшие светоделительный фильтр попадает в двойной полихроматор, селектирующий соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР), которые на выходе полихроматора через моноволоконные световоды поступают на фотоэлектронные умножители (ФЭУ), преобразующие оптические сигналы в электрические, которые поступают в блок обработки данных, где электрические сигналы преобразуются в цифровые, а затем вычисляется температура, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода. Часть оптического излучения отраженного от светоделительного фильтра попадает в одинарный полихроматор, который осуществляет выделение участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара. Регистрация участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара, прошедших через одинарный полихроматор происходит с помощью фотоэлектронных умножителей, электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных, где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется влажность, из отношения интенсивностей сигналов колебательно-вращательных полос азота и водяного пара.As a prototype, a lidar was chosen for measuring the temperature and humidity of the atmosphere with a minimum dead zone of sounding (RU No. 177419 of February 21, 2018). The known device includes a laser radiation source, at the output of which there is a transmitting optical system that sends laser radiation to the atmosphere. The radiation scattered in the backward direction is collected by four receiving telescopes and then sent through monofilament fibers to an optical scrambler. Further, optical radiation through a monofilament fiber is incident on a beam splitting filter. Part of the optical radiation transmitted through the beam splitting filter falls into a double polychromator, which selects the corresponding optical signals of the purely rotational Raman spectrum (Raman), which at the output of the polychromator through monofilament fibers arrive at photoelectronic multipliers (PMTs), which convert the optical signals into electrical ones that enter the processing unit data, where electrical signals are converted to digital, and then the temperature is calculated, from the ratio of signal intensities to tempo sensitively sensitive areas of the purely rotational Raman spectrum on nitrogen and oxygen molecules. Part of the optical radiation reflected from the beam splitter falls into a single polychromator, which selects sections of the vibrational-rotational bands of nitrogen and water vapor. The registration of sections of the vibrational-rotational bands of nitrogen and water vapor passing through a single polychromator is carried out using photoelectronic multipliers, the electrical signals from which are fed to the data processing unit, where the electrical signals are converted digitally, and then the humidity is calculated from the ratio of the intensities of the signals of the vibrational-rotational bands nitrogen and water vapor.

Недостатком устройства является большая погрешность измерения температуры и влажности атмосферы в дневное время суток в дальней зоне лидараThe disadvantage of this device is the large error of measuring temperature and humidity in the daytime in the far zone of the lidar

за счет большого суммарного поля зрения четырех приемных телескопов. Это связанно с тем, что полезный сигнал собирается каждым телескопом со своей дальности, а в дневное время суток вместе с полезным сигналом в приемные телескопы попадает фон солнечного рассеянного излучения, который будет суммироваться со всех телескопов на фотоприемнике. А поскольку полезный сигнал в дальней зоне лидара минимальный (прототип RU № 177419 от 21 февраля 2018 г.), как за счет увеличения дальности, так и за счет уменьшения концентрации молекул атмосферы в зависимости от высоты, то погрешность измерения в дальней зоне лидара будет максимальна. due to the large total field of view of the four receiving telescopes. This is due to the fact that the useful signal is collected by each telescope from its range, and in the daytime, along with the useful signal, the background of solar scattered radiation enters the receiving telescopes, which will be summed from all telescopes on the photodetector. And since the useful signal in the far zone of the lidar is minimal (prototype RU No. 177419 of February 21, 2018), both by increasing the range and by reducing the concentration of atmospheric molecules depending on the height, the measurement error in the far zone of the lidar will be maximum .

Для решения этой задачи предлагается техническое решение, позволяющее уменьшить вклад фона солнечного излучения в канал дальней зоны лидара и обеспечивающее измерения температуры и влажности атмосферы на дистанциях от 5 до 3000 метров с минимальной погрешностью, как в ночное, так и в дневное время суток. To solve this problem, a technical solution is proposed that reduces the contribution of the background of solar radiation to the channel of the far zone of the lidar and provides measurements of the temperature and humidity of the atmosphere at distances from 5 to 3000 meters with a minimum error, both at night and in the daytime.

В этой связи предлагается разделить приемные апертуры телескопов на две группы, создав два независимых канала регистрации оптических лидарных откликов из ближней и дальней зоны, соответственно. Для приёма сигналов дальней зоны (800 м ÷ ∞) предлагается использовать апертуру диаметром 500 мм. Другие три апертуры, объединённые с помощью световодов, обеспечивают прием лидарных сигналов из ближней зоны с расстояний 5 ÷ 800 м. Использование двух независимых каналов, в отличие от прототипа, потребует установки дополнительного оптического скремблера, светоделительного фильтра, двойного и одинарного полихроматоров, а также четырех дополнительных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). In this regard, it is proposed to divide the receiving apertures of the telescopes into two groups, creating two independent channels for recording optical lidar responses from the near and far zones, respectively. It is proposed to use an aperture with a diameter of 500 mm for receiving signals from the far zone (800 m ÷ ∞). The other three apertures, combined with the help of optical fibers, provide reception of lidar signals from the near zone from distances of 5 ÷ 800 m. Using two independent channels, unlike the prototype, will require the installation of an additional optical scrambler, a beam splitter filter, double and single polychromators, as well as four additional photomultiplier tubes (PMTs).

Таким образом, создание дополнительного канала регистрации оптических откликов из ближней зоны лидара позволяет разделить процессы регистрации сигналов в ближней и дальней зонах лидара. Такой подход позволяет использовать в канале дальней зоны минимальной поле зрения, обеспечивающее максимальное отношение сигнал/шум при работе в дневное время. Thus, the creation of an additional channel for recording optical responses from the near zone of the lidar allows us to separate the processes of signal registration in the near and far zones of the lidar. This approach allows the use of a minimum field of view in the far-field channel, which ensures the maximum signal-to-noise ratio during daytime operation.

Блок схема предлагаемого лидара приведена на фиг. 1. A block diagram of the proposed lidar is shown in FIG. one.

Лидар для дистанционного круглосуточного определения температуры и влажности атмосферы состоит: 1 – лазер, работающий на длине волны 355 нм; 2 – передающая оптическая система; 3 – приемная оптическая система ближней зоны, состоящая из трех приемных апертур различного диаметра, расположенных непосредственно рядом с передающей оптической системой; 4 – приемная оптическая система дальней зоны, состоящая из одной приемной апертуры диаметром 500 мм, расположенной непосредственно рядом с передающей оптической системой; 5 – оптический скремблер ближней зоны; 6 – оптический скремблер дальней зоны; 7 – светоделительный фильтр ближней зоны; 8 – светоделительный фильтр дальней зоны; 9 – одинарный полихроматор для измерения влажности ближней зоны лидара; 10 – одинарный полихроматор для измерения влажности дальней зоны лидара; 11 – двойной полихроматор для измерения температуры ближней зоны лидара; 12 – двойной полихроматор для измерения температуры дальней зоны лидара; 13, 14 – фотоэлектронные умножители (ФЭУ 1, ФЭУ 2,) для измерения температуры ближней зоны лидара; 15, 16 – фотоэлектронные умножители (ФЭУ 3, ФЭУ 4) для измерения температуры дальней зоны лидара; 17, 18 – фотоэлектронные умножители (ФЭУ 5, ФЭУ 6,) для измерения влажности ближней зоны лидара; 19, 20 – фотоэлектронные умножители (ФЭУ 7, ФЭУ 8,) для измерения влажности дальней зоны лидара; 21 – блок обработки данных. Все блоки и узлы лидара располагаются и закреплены на одном основании и находятся в конструктивном единстве. The lidar for remote round-the-clock determination of the temperature and humidity of the atmosphere consists of: 1 - a laser operating at a wavelength of 355 nm; 2 - transmitting optical system; 3 - receiving optical system of the near zone, consisting of three receiving apertures of various diameters located directly next to the transmitting optical system; 4 - receiving optical system of the far zone, consisting of one receiving aperture with a diameter of 500 mm, located directly next to the transmitting optical system; 5 - optical scrambler near zone; 6 - optical scrambler of the far zone; 7 - beam splitting filter of the near zone; 8 - beam splitting filter of the far zone; 9 - single polychromator for measuring the humidity of the near zone of the lidar; 10 - single polychromator for measuring the humidity of the far zone of the lidar; 11 - double polychromator for measuring the temperature of the near zone of the lidar; 12 - double polychromator for measuring the temperature of the far zone of the lidar; 13, 14 - photomultiplier tubes (PMT 1, PMT 2,) for measuring the temperature of the near zone of the lidar; 15, 16 - photomultiplier tubes (PMT 3, PMT 4) for measuring the temperature of the far zone of the lidar; 17, 18 - photomultiplier tubes (PMT 5, PMT 6,) for measuring the humidity of the near zone of the lidar; 19, 20 - photomultiplier tubes (PMT 7, PMT 8,) for measuring the humidity of the far zone of the lidar; 21 is a data processing unit. All blocks and nodes of the lidar are located and fixed on one base and are in constructive unity.

Принцип работы предлагаемой лидарной системы заключается в следующем. Пучок, сформированный в лазере (1), через передающую оптическую систему (2) направляется в атмосферу. При распространении в атмосфере лазерное излучение испытывает рассеяние, в том числе и КР. Рассеянное в направлении назад излучение попадает на приемную оптическую систему, состоящую из трех приемных телескопов ближней зоны (3) и одного приемного телескопа дальней зоны (4), собранное телескопами излучение с помощью моноволоконных световодов попадает через оптические скремблеры ближней и дальней зоны (5, 6) на соответствующие светоделительные фильтры (7, 8). Часть оптического излучения прошедшего светоделительные фильтры (7, 8) попадает в двойные полихроматоры для ближней и дальней зоны (9, 10), которые осуществляют выделение участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода. Регистрация температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР прошедшего через двойные полихроматоры происходит с помощью фотоэлектронных умножителей для ближней зоны (13, 14) и для дальней зоны (15, 16), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (21), где электрические сигналы преобразуются в цифровые, а затем вычисляется температура, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР) на молекулах азота и кислорода. Часть оптического излучения отраженного от светоделительных фильтров (7, 8) попадает в одинарные полихроматоры для ближней и дальней зоны (11, 12), которые осуществляют выделение участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара. Регистрация участков колебательно-вращательных полос азота и водяного пара, прошедших через одинарные полихроматоры происходит с помощью фотоэлектронных умножителей для ближней зоны (17, 18) и дальней зоны (19, 20), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (21), где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется влажность, из отношения интенсивностей сигналов колебательно-вращательных полос азота и водяного пара. The principle of operation of the proposed lidar system is as follows. The beam formed in the laser (1) is sent through the transmitting optical system (2) to the atmosphere. When propagating in the atmosphere, laser radiation undergoes scattering, including Raman scattering. The radiation scattered in the backward direction enters the receiving optical system, which consists of three near-field receiving telescopes (3) and one far-field receiving telescope (4), the radiation collected by the telescopes using monofilament fibers passes through the optical near and far scramblers (5, 6 ) to the corresponding beam splitting filters (7, 8). Part of the optical radiation transmitted through the beam splitting filters (7, 8) falls into double polychromators for the near and far zones (9, 10), which select sections of the purely rotational Raman spectrum on nitrogen and oxygen molecules. The registration of temperature-sensitive sections of the purely rotational Raman spectrum transmitted through double polychromators is carried out using photoelectronic multipliers for the near field (13, 14) and for the far zone (15, 16), the electrical signals from which enter the data processing unit (21), where electrical signals are converted into digital, and then the temperature is calculated from the ratio of the intensities of the signals of the temperature-sensitive sections of the purely rotational Raman spectrum (Raman) on nitrogen and oxygen molecules. Part of the optical radiation reflected from the beam splitting filters (7, 8) falls into single polychromators for the near and far zones (11, 12), which select sections of the vibrational-rotational bands of nitrogen and water vapor. The sections of the vibrational-rotational bands of nitrogen and water vapor that passed through single polychromators are recorded using photoelectronic multipliers for the near zone (17, 18) and the far zone (19, 20), the electrical signals from which enter the data processing unit (21), where electrical signals are converted digitally, and then humidity is calculated from the ratio of signal intensities of vibrational-rotational bands of nitrogen and water vapor.

Claims

Lidar for remote round-the-clock determination of atmospheric temperature and humidity, including a base, a laser radiation source, at the output of which there is a transmitting optical system that sends laser radiation to the atmosphere, a receiving optical system consisting of four apertures of various diameters, an optical scrambler, an LED filter to separate the assembled a receiving system and radiation transmitted through an optical scrambler, a double polychromator for receiving part of the optical radiation transmitted with a beam splitting filter, and selecting the corresponding optical signals of a purely rotational Raman spectrum, a single polychromator for receiving part of the optical radiation reflected from the beam splitting filter, and selecting the optical signals of the vibrational-rotational bands of nitrogen and water vapor, photoelectric multipliers for supplying electrical signals to the data processing unit , used to convert electrical signals to digital to calculate the temperature and humidity of the atmosphere, I distinguish iysya in that the lidar is an additional scrambler optical, beam-splitting filter, a double and a single polychromators, as well as four additional photoelectron multiplier tube (PMT) for separate optical selection and registration lidar signals from the near and far zones.