RU218709U1 - Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для дистанционного измерения температуры атмосферы, и может быть использована на метеостанциях и в других системах мониторинга атмосферы.

Технический результат полезной модели заключается в расширении диапазона высот измерения температуры атмосферы до 70 км. Данный результат достигается за счет регистрации лидарных сигналов несмещенного рассеяния с помощью дополнительного моноволоконного световода и ФЭУ.

Используя дополнительный моноволоконный световод и ФЭУ, возможно восстанавливать температуру атмосферы двумя лидарными методами одновременно, на одной приборной базе. Первый лидарный метод позволяет вычислять температуру атмосферы из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода в диапазоне высот от 0 до 30 км. Второй лидарный метод позволяет вычислять температуру атмосферы из сигналов рэлеевского рассеяния в диапазоне высот от 30 до 70 км. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для дистанционного измерения температуры атмосферы, и может быть использована на метеостанциях и в других системах мониторинга атмосферы.

Известен аэрологический радиозонд [патент РФ № 59845, 2006 г.], содержащий датчик температуры и радиопередатчик, с помощью которого информация о температуре, поступающая по мере набора высоты радиозонда, передается 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.

Известен лидар в котором измерение температуры связано с дистанционным определением молекулярной плотности атмосферы на основе эффекта релеевского рассеяния [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 восстановлением профиля температуры, 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, где влиянием эффекта аэрозольного рассеяния можно пренебречь. Обычно это интервал высот 30-70 километров (стратосфера).

В качестве прототипа выбран лидар для измерения температуры атмосферы на основе двойного полихроматора (RU № 212086 от 06 июля 2022 г.). Известное устройство включает источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемный телескоп и далее через оптический скремблер в двойной полихроматор, селектирующий соответствующие оптические сигналы участков чисто вращательных спектров комбинационного рассеяния (КР), которые с выхода полихроматора по моноволоконным световодам поступают на катоды фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих оптические сигналы в электрические. Далее, электрические сигналы оцифровываются и поступают в блок обработки данных, где выполняется алгоритм вычисления температуры, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода.

Недостатком устройства является большое время измерения температурных профилей в верхней стратосфере, нижней мезосфере (30-70 км), обусловленное большим объемом накопления сигналов, необходимым для получения заданной погрешности измерения температуры с помощью чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода.

В этой связи с целью уменьшения времени накопления сигналов предлагается в диапазоне высот 30-70 км, где влиянием эффекта аэрозольного рассеяния можно пренебречь, использовать сигналы рэлеевского (несмещенного) рассеяния для измерения 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 восстановлением профиля температуры, в предположении гидростатического равновесия атмосферы.

Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы, включающий источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу, приемный телескоп, выход которого через оптический скремблер подключен к входу двойного полихроматора, селектирующий соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния, выход полихроматора через моноволоконные световоды оптически связан с входом фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих оптические сигналы в электрические, выход которых подключен к блоку обработки данных для расчета температуры, в фокальной плоскости первого полихроматора устанавливается дополнительный моноволоконный световод, который выделяет оптические сигналы несмещенного рассеяния и передает их на дополнительный ФЭУ, преобразующих оптические сигналы в электрические, выход которого подключен к блоку обработки данных для расчета температуры в диапазоне высот от 30 до 70 км из сигналов рэлеевского рассеяния.

Для решения этой задачи необходимо вместе с регистрацией лидарных сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода, одновременно проводить регистрацию лидарных сигналов несмещенного рассеяния с помощью дополнительного моноволоконного световода и ФЭУ. Дополнительный моноволоконный световод устанавливается в фокальной плоскости первого полихроматора (фиг. 1. Схема двойного дифракционного полихроматора.) Первый блок полихроматора образован комбинацией дифракционной решетки GI и линзы LI, второй блок решеткой GII и линзой LII. S - входной световод, S1, S2, S3, S4 - световоды передающие выделенные участки чисто вращательного спектра КР из первого во второй полихроматор, S5, S6 - выходные световоды второго полихроматора используемые для вычисления температуры атмосферы из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода, S0 - дополнительный световод выделяющий участок спектра несмещенного рассеяния в первом полихроматоре, используемый для восстановления температуры атмосферы из сигналов рэлеевского рассеяния) таким образом, чтобы оптические сигналы несмещенного рассеяния попадали на его торец (фиг. 2. Фокальная плоскость первого (вверху) и второго (внизу) дифракционного полихроматора). Далее оптические сигналы несмещенного рассеяния с помощью дополнительного моноволоконного световода поступают на фотокатод дополнительного ФЭУ, преобразующий оптические сигналы в электрические. После чего, электрические сигналы оцифровываются и поступают в блок обработки данных, где выполняется алгоритм вычисления температуры атмосферы из сигналов рэлеевского рассеяния в диапазоне высот от 30 до 70 км.

Таким образом, используя дополнительный моноволоконный световод и ФЭУ возможно восстанавливать температуру атмосферы двумя лидарными методами одновременно, на одной приборной базе. Первый лидарный метод позволяет вычислять температуру атмосферы из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода в диапазоне высот от 0 до 30 км. Второй лидарный метод позволяет вычислять температуру атмосферы из сигналов рэлеевского рассеяния в диапазоне высот от 30 до 70 км. Итого, использование дополнительного световода и ФЭУ увеличивает диапазон измерения температуры атмосферы лидарным методом до высот порядка 70 км.

Блок схема предлагаемого лидара приведена на фиг. 3.

Лидар для дистанционного измерения температуры тропосферы состоит: 1 - лазер, работающий на длине волны 355 нм; 2 - передающая оптическая система; 3 - приемный телескоп; 4 - оптический скремблер; 5 - двойной полихроматор; 6, 7, 8 - фотоэлектронные умножители (ФЭУ 1, ФЭУ 2, ФЭУ 3); 9 - блок обработки данных. Все блоки и узлы лидара располагаются и закреплены на одном основании и находятся в конструктивном единстве.

Принцип работы лидара 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 в приемный телескоп (3) и далее через оптический скремблер (4) в двойной полихроматор (5), который осуществляет выделение участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода, а также участок спектра несмещенного рассеяния. Регистрация сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра КР и несмещенного рассеяния происходит с помощью фотоэлектронных умножителей (6, 7, 8), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (9), где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется температура атмосферы для диапазона высот от 0 до 30 км по формуле:

$$T=\frac{\alpha }{\ln (\frac{I_{12}}{I_4})-\beta }$$

где I₁₂, I₄ - интенсивности сигналов четвертых и двенадцатых линий стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, соответственно, α, β - калибровочные константы полихроматоров, а температура атмосферы для диапазона высот от 30 до 70 км по формуле:

где N(H) - лидарные сигналы несмещенного рассеяния от лидара до высоты Н, Р1(Н) и Р2(Н) - пропускание атмосферы от лидара до высоты H для несмещенного рассеяния (рэлеевские сигналы) и для чисто вращательного спектра КР (рамановские сигналы), соответственно; R* - универсальная газовая постоянная, g(h) - ускорение свободного падения, H_m - высота калибровки, на которой вычисляется температура Т(H_m) из сигналов чисто вращательного спектра КР.

Claims (1)

1. Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы, включающий источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу, приемный телескоп, выход которого через оптический скремблер подключен к входу двойного полихроматора, селектирующий соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния, выход полихроматора через моноволоконные световоды оптически связан с входом фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих оптические сигналы в электрические, выход которых подключен к блоку обработки данных для расчета температуры, отличающийся тем, что в фокальной плоскости первого полихроматора устанавливается дополнительный моноволоконный световод, который выделяет оптические сигналы несмещенного рассеяния и передает их на дополнительный ФЭУ, преобразующий оптические сигналы в электрические, выход которого подключен к блоку обработки данных для расчета температуры.

Images