RU193061U1

RU193061U1 - Scanning lidar for sensing atmospheric aerosol formations

Info

Publication number: RU193061U1
Application number: RU2019127301U
Authority: RU
Inventors: Юрий Степанович Балин; Михаил Михайлович Новоселов; Григорий Павлович Коханенко; Иоганес Эрнстович Пеннер; Светлана Викторовна Самойлова; Марина Георгиевна Клемашева; Сергей Владимирович Насонов; Тамара Викторовна Ходжер
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2019-10-11

Abstract

Лидар предназначен для дистанционного определения места положения и оптико-микрофизических параметров плотных аэрозольных образований (облака и дымовые шлейфы) в атмосфере. Сканирующий лидар для зондирования аэрозольных образований атмосферы, включающий приемо-передатчик лидара в составе лазера, оптического приемного телескопа, фотоприемного блока, расположенный на общей двухкоординатной поворотной платформе с позиционными бесконтактными магнитными датчиками с цифровым контроллером для определения углового положения платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, управляющий вычислительный комплекс, подключенный к лазеру, фотоприемному блоку и цифровому контроллеру, отличающийся тем, что позиционные бесконтактные магнитные датчики выполнены в виде пространственно разнесенных постоянного цилиндрического магнита и магнитного сенсора на эффекте Холла, так что постоянный магнит закреплен на основании неподвижной части платформы, а магнитный сенсор с цифровым контроллером размещен на вращающейся части платформы в непосредственной близости от поверхности постоянного магнита, при этом оси магнита и датчика и ось вращения платформы совпадают. Полезная модель позволяет получить информацию об угловом положении поворотной платформы в предыдущих сеансах зондирования, при ее отключении и повторном включении. 1 ил.Lidar is designed to remotely determine the position and optical-microphysical parameters of dense aerosol formations (clouds and smoke plumes) in the atmosphere. Scanning lidar for sensing aerosol formations of the atmosphere, including a lidar transceiver consisting of a laser, an optical receiving telescope, a photodetector, located on a common two-coordinate rotary platform with positional proximity magnetic sensors with a digital controller to determine the angular position of the platform in horizontal and vertical planes computing complex connected to a laser, a photodetector unit and a digital controller, characterized in that The non-contact magnetic sensors are made in the form of a spatially spaced permanent cylindrical magnet and a Hall effect magnetic sensor, so that the permanent magnet is fixed to the base of the fixed part of the platform, and a magnetic sensor with a digital controller is placed on the rotating part of the platform in close proximity to the surface of the permanent magnet, the axis of the magnet and the sensor and the axis of rotation of the platform are the same. The utility model provides information on the angular position of the turntable in previous sensing sessions, when it is turned off and on again. 1 ill.

Description

Полезная модель, сканирующий лидар для зондирования аэрозольных образований атмосферы, относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы. Лидар предназначен 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.A useful model scanning lidar for sensing aerosol formations of the atmosphere relates to the field of optical technologies for monitoring the optical and physical parameters of the atmosphere. Lidar is designed to remotely determine the position and optical-microphysical parameters of dense aerosol formations (clouds and smoke plumes) in the atmosphere. The model can also be used to solve the environmental problems of the atmosphere, in particular, when controlling the spread of forest fires and emissions of industrial enterprises, ash clouds of volcanic activity, etc.

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 probing 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 пространственной амплитуды развертки сигналами вдоль трассы зондирования [Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Из-во ИОА СОРАН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр.89].A device for studying aerosol and cloud fields of the troposphere, based on the use of a laser with one or more probe lengths and subsequent registration of the spatial amplitude of the sweep signals along the probe path [Zuev V.E., Burlakov VD Siberian lidar station: 20 years of optical monitoring of the stratosphere // Izvo IOA SORAN, Tomsk. 2008.225 s. Chapter 3 p. 89].

Основное предназначение устройства 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 the device is to obtain information about the altitude stratification of aerosol and cloud fields, as well as the altitude profile of the optical parameters (general and backscattering coefficients) of the atmosphere.

Основным недостатком этого устройства и других аналогичных устройств высотного зондирования атмосферы [Bösenberg J., Ansmann A., Baldasano J. M., Balis D., Böckmann C., Calpini B., Chaikovsky A., Flamant P., Hågård A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinell N.i, 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 L’Ecole 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 sounding of the atmosphere [Bösenberg J., Ansmann A., Baldasano JM, Balis D., Böckmann C., Calpini B., Chaikovsky A., Flamant P., Hågård 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 L’Ecole Polytechnique. 2001. P. 155–158] is the limited functionality of the device, since sounding is carried out only in the vertical direction, ie information can only be obtained in one direction along the sensing path. Thus, using an analogue, it is not possible to obtain two-dimensional spatial information about the parameters of the atmosphere in the sounding plane.

Известен сканирующий лидар для зондирования атмосферы, содержащий приемо-передатчик 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. C.50-53.].Known scanning lidar for sensing the atmosphere, containing a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector unit, located on a fixed base. The scanning platform optically coupled to the optical axes of the lidar transceiver is made on the basis of two mirrors according to an integrated scheme [G. Kokhanenko, M. Makogon. Fluorescent aerosol lidar “FARAN-M1” // Photonics. 2010. No4. C.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 350х500 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 cumbersome 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 described analogue, the size of the mirrors is 350x500 mm, and for turning the system around the vertical axis, a bearing with an inner 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 errors in determining the angular coordinates of the sensing path.

Известен также сканирующий аэрозольный лидар «ЛОЗА», включающий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком расположенный на двухкоординатной электромеханической поворотной платформе, на валах вращения двигателей которой через паразитные шестеренчатые передачи установлены угловые позиционные датчики в виде вращающихся трансформаторов, подключенных к вычислительному комплексу, управляющему двигателями, лазером и фотоприемным блоком. [Региональный мониторинг атмосферы. Ч.2. Новые приборы и методики измерений: Коллективная монография/ Под общей редакцией М.В.Кабанова. Томск: изд-во «Спектр» Института оптики атмосферы СО РАН, 1997. 295 с.Гл.1. Приборы и методики лазерного зондирования атмосферы. П.1.1.Аэрозольные мобильные лидары серии «ЛОЗА». Стр.16.] Недостатком аэрозольного лидара «ЛОЗА», является сложность конструкции из-за наличия большого количества трущихся вращающихся элементов, что повышает как погрешности углового позиционирования, так и износ поверхностей из-за влияния загрязнений. Also known is the scanning aerosol lidar "LOZA", which includes a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector unit located on a two-coordinate electromechanical rotary platform, on the shafts of rotation of the engines of which angular position sensors are installed in the form of rotating transformers connected to the computing transmissions via spurious gears a complex controlling engines, a laser and a photodetector unit. [Regional monitoring of the atmosphere. Part 2. New Instruments and Measurement Techniques: Collective Monograph / Edited by M.V. Kabanov. Tomsk: Publishing House "Spectrum" of the Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 1997.295 s. Ch. 1. Instruments and techniques for laser sensing of the atmosphere. Clause 1.1. Aerosol mobile lidars of the LOZA series. P.16.] The disadvantage of the LOSA aerosol lidar is the design complexity due to the presence of a large number of rubbing rotating elements, which increases both angular positioning errors and surface wear due to the influence of contaminants.

Прототипом заявляемой полезной моделью является сканирующий лидар для зондирования атмосферы, включающий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на двухкоординатной поворотной платформе, с позиционными бесконтактными магнитными датчиками с цифровым контроллером, обеспечивающими информацию об угловом положении платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, управляющий вычислительный комплекс, подключенный к лазеру, фотоприемному блоку и цифровому контроллеру. [Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В., Новоселов М.М., ПМ, № 161516 от 05.04.2016 Сканирующий лидар. Патентообладатель: ИОА СО РАН].The prototype of the claimed utility model is a scanning lidar for sensing the atmosphere, including a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector block, located on a two-axis rotary platform, with positional proximity magnetic sensors with a digital controller that provide information about the angular position of the platform in horizontal and vertical planes, a control computer complex connected to a laser, a photodetector unit and a digital controller. [Balin Yu.S., Kokhanenko G.P., Klemasheva M.G., Penner I.E., Samoilova S.V., Novoselov M.M., PM, No. 161516 dated 04/05/2016 Scanning lidar. Patent holder: IOA SB RAS].

Недостатком прототипа является отсутствие возможности абсолютного измерения величины углового перемещения поворотной колонки в горизонтальной и вертикальной плоскостях, поскольку в прототипе измеряются только относительные изменения углового положения поворотной колонки, путем считывания кодов с магнитной ленты. Это приводит к полному отсутствию информации об угловом положении поворотной платформы в предыдущих сеансах зондирования, при ее отключении и повторном включении.The disadvantage of the prototype is the lack of absolute measurement of the angular displacement of the rotary column in horizontal and vertical planes, since in the prototype only relative changes in the angular position of the rotary column are measured by reading codes from magnetic tape. This leads to a complete lack of information about the angular position of the turntable in previous sensing sessions, when it is turned off and on again.

Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, благодаря тому, что бесконтактные магнитные датчики выполнены в виде пространственно разнесенных постоянного двухполюсного цилиндрического магнита и магнитного сенсора (чипа) на эффекте Холла с цифровым контроллером.The proposed utility model eliminates this drawback due to the fact that the proximity magnetic sensors are made in the form of spatially separated permanent bipolar cylindrical magnet and magnetic sensor (chip) on the Hall effect with a digital controller.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом. Постоянный двухполюсный магнит имеет магнитное поле перпендикулярное его поверхности, при этом распределение интенсивности вертикального компонента меняется по синусоидальному закону. Поэтому при угловом вращении относительно друг друга пары постоянный магнит – магнитный сенсор, Холл-технология обеспечивает измерение интенсивности магнитного поля по поверхности сенсора, т.е. измерение абсолютного углового положения. The solution to this problem is achieved as follows. A permanent bipolar magnet has a magnetic field perpendicular to its surface, while the intensity distribution of the vertical component changes according to a sinusoidal law. Therefore, with an angular rotation of a permanent magnet – magnetic sensor pair relative to each other, the Hall technology provides a measure of the magnetic field intensity over the sensor surface, i.e. measurement of absolute angular position.

На фиг.1 изображена блок-схема сканирующего лидара. Лидар состоит из твердотельного импульсного лазера 1, и расположенного в непосредственной близости от него оптического приемного телескопа 2 с фотоприемным блоком 3, установленными на общем основании двухкоординатной поворотной платформе 4. На осях вращения платформы 4 на ее неподвижном основании расположены постоянные двухполюсные магниты 5, а на вращающейся части платформы магнитные сенсоры 6 на основе эффекта Холла с цифровыми контроллерами 7 для считывания угловых кодов и передачи их в управляющий вычислительный комплекс 8.Figure 1 shows a block diagram of a scanning lidar. The lidar consists of a solid-state pulsed laser 1, and located in the immediate vicinity of it an optical receiving telescope 2 with a photodetector 3 mounted on a common base of a two-axis rotary platform 4. Permanent bipolar magnets 5 are located on the fixed axes of the platform 4 on its fixed base, and the rotating part of the platform, magnetic sensors 6 based on the Hall effect with digital controllers 7 for reading angle codes and transferring them to the control computer complex 8.

Оптоэлектронные и электромеханические блоки, составляющие лидар: лазер - 1, фотоприёмный блок – 3, поворотная платформа - 4, датчики - 6, цифровой контроллер - 7, электрически связаны с управляющим вычислительным комплексом – 8 и между собой.The optoelectronic and electromechanical units that make up the lidar: laser - 1, photodetector unit - 3, rotary platform - 4, sensors - 6, digital controller - 7, are electrically connected to the control computer complex - 8 and among themselves.

В реализуемой полезной модели с постоянным цилиндрическим магнитом диаметром 6-8 мм и высотой 2,5 мм магнитное поле меняется в диапазоне ±40mT вдоль радиуса вращения. Измерения абсолютного значения углов поворота платформы обеспечивается измерением углового положения магнита относительно датчика с разрешением 0,0879⁰, что соответствует разбиению диапазона амплитуды интенсивности магнитного поля на 4096 уровня.In the current utility model with a permanent cylindrical magnet with a diameter of 6-8 mm and a height of 2.5 mm, the magnetic field varies in the range of ± 40 mT along the radius of rotation. The measurement of the absolute value of the platform rotation angles is provided by measuring the angular position of the magnet relative to the sensor with a resolution of 0.0879 ⁰ , which corresponds to dividing the amplitude range of the magnetic field intensity at 4096 levels.

Сканирующий лидар для зондирования аэрозольных образований атмосферы работает следующим образом. В начальный момент времени, управляющий вычислительный комплекс 8 передает цифровым контроллерам 7 значения нулевых кодов о необходимом местоположении, также выдает команды, которые устанавливают поворотную платформу 4 в исходное состояние. Например, исходное состояние это горизонтальная плоскость (угол места ноль), а азимутальное направление также нулевое (например, направление на север).Scanning lidar for sensing aerosol formations of the atmosphere works as follows. At the initial time, the control computing complex 8 transmits to the digital controllers 7 the values of the zero codes of the required location, also issues commands that set the turntable 4 to its original state. For example, the initial state is a horizontal plane (elevation angle is zero), and the azimuthal direction is also zero (for example, the direction to the north).

После этого, управляющий комплекс 8 выдает команду на включение лазера 1 и цифровые контроллеры 7 для осуществления сканирования зондирующим излучением в выбранном направлении.After that, the control complex 8 issues a command to turn on the laser 1 and digital controllers 7 for scanning with probing radiation in a selected direction.

Лазерное излучение направляется в атмосферы, рассеянный в обратном направлении атмосферой свет попадает на приемный телескоп 2, затем на фотоприемный блок 3, где световой сигнал преобразуется в электрический, оцифровывается и поступает далее для записи и обработки в управляющий вычислительный комплекс 8.The laser radiation is directed into the atmosphere, the light scattered in the opposite direction by the atmosphere enters the receiving telescope 2, then to the photodetector unit 3, where the light signal is converted into an electric signal, digitized and then transferred to the control computer complex 8 for recording and processing.

При осуществлении сканирования поворотной платформы происходит круговое вращение магнитного сенсора 6 относительно неподвижного постоянного двухполюсного магнита 5.When scanning the turntable, the magnetic sensor 6 is rotated in a circular manner with respect to the stationary permanent bipolar magnet 5.

Принцип действия датчика основан на измерении напряженности магнитного поля с помощью Холл-технологии. Цифровые контроллеры 7 считывают с датчиков 6 код его положения относительно магнита 5 при движении в момент выстрела лазера 1, тем самым определяя угловое положение поворотной колонки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и направляют эту информацию в вычислительный комплекс 8. The principle of operation of the sensor is based on the measurement of magnetic field strength using Hall technology. Digital controllers 7 read from the sensors 6 the code of its position relative to the magnet 5 when moving at the moment of laser 1 shot, thereby determining the angular position of the rotary column in the vertical and horizontal planes, and send this information to the computer complex 8.

Таким образом, управляющий вычислительный комплекс 8 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 computing complex 8 generates a file with a certificate of the act of laser sensing of the atmosphere, in which information is recorded on the amplitude distribution of the lidar signal along the sounding path, as well as the date and time of the sounding and the angular positions of the sounding path.

Если после сеанса зондирования лидар полностью обесточить, то при дальнейшем включении датчики выдадут информацию об абсолютных углах трасс зондирования последнего сеанса, т.е. информация не пропадает.If, after a sensing session, the lidar is completely de-energized, then upon further switching on, the sensors will give information about the absolute angles of the sensing paths of the last session, i.e. information is not lost.

Claims

Scanning lidar for sensing aerosol formations of the atmosphere, including a lidar transceiver consisting of a laser, an optical receiving telescope, a photodetector, located on a common two-coordinate rotary platform with positional proximity magnetic sensors with a digital controller for determining the angular position of the platform in horizontal and vertical planes computing complex connected to a laser, a photodetector unit and a digital controller, characterized in that The non-contact magnetic sensors are made in the form of a spatially spaced permanent cylindrical magnet and a Hall effect magnetic sensor, so that the permanent magnet is fixed on the base of the fixed part of the platform, and a magnetic sensor with a digital controller is placed on the rotating part of the platform in close proximity to the surface of the permanent magnet, In this case, the axis of the magnet and the sensor and the axis of rotation of the platform are the same.