RU218953U1

RU218953U1 - Dual-frequency lidar to detect amplification of backscattering in the atmosphere

Info

Publication number: RU218953U1
Application number: RU2023110741U
Authority: RU
Inventors: Игорь Александрович Разенков; Николай Геннадьевич Зайцев
Filing date: 2023-04-26
Publication date: 2023-06-20

Abstract

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля и атмосферной турбулентности. Устройство содержит два лазера для генерации световых импульсов на длинах волн λ₁=532 нм и λ₂=355 нм, два линзовых коллиматора для формирования узких зондирующих пучков, дихроичную светоделительную пластинку, светоделительную пластинку в качестве антенного переключателя для точного совмещения оптических осей передающего и принимающих каналов, зеркальный приемопередающий и линзовый принимающий афокальные телескопы, формирователь угла поля зрения приемников, интерференционный светофильтр и два фотодетектора, систему регистрации и блок управления и обработки информации. Зондирование атмосферы осуществляется последовательно лазерными импульсами с длинами волн λ₁=532 нм и λ₂=355 нм. Затем производится обработка пар эхосигналов, полученных при зондировании на двух длинах волн λ₁=532 нм и λ₂=355 нм.The utility model relates to optical instrumentation and can be used in laser radar circuits for remote sensing of atmospheric aerosol and atmospheric turbulence. The device contains two lasers for generating light pulses at wavelengths λ ₁ =532 nm and λ ₂ =355 nm, two lens collimators for forming narrow probing beams, a dichroic beam splitter plate, a beam splitter plate as an antenna switch for precise alignment of the optical axes of the transmitting and receiving channels, mirror transceiver and lens receiving afocal telescopes, receiver field of view angle shaper, interference light filter and two photodetectors, recording system and control and information processing unit. Sounding of the atmosphere is carried out sequentially by laser pulses with wavelengths λ ₁ =532 nm and λ ₂ =355 nm. Then the processing of pairs of echo signals obtained by sounding at two wavelengths λ ₁ =532 nm and λ ₂ =355 nm.

Технический результат заключается в расширении диапазона расстояний и повышении точности измерений параметров оптической турбулентности атмосферы.

The technical result consists in expanding the range of distances and improving the accuracy of measuring the parameters of the optical turbulence of the atmosphere.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению и может быть использована в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля и атмосферной турбулентности.The utility model relates to optical instrumentation and can be used in laser radar circuits for remote sensing of atmospheric aerosol and atmospheric turbulence.

Согласно эффекту усиления обратного рассеяния (УОР), открытому в 1973 году Виноградовым А.Г., Гурвичем А.С., Кашкаровым С.С., Кравцовым Ю.А. и Татарским В.И., рассеянное назад излучение на оси пучка должно превышать излучение вне оси пучка. Известно устройство лидара для регистрации УОР [RU 153460 U1, 2015], в котором на одной стороне большого афокального приемопередающего зеркального телескопа реализуется полное совмещение передающего канала и осевого принимающего канала. Внеосевой принимающий канал располагается симметрично относительно оси телескопа на его противоположной стороне. Недостатками данной полезной модели являются большие размеры приемопередатчика из-за использования стандартного телескопа, состоящего из пары параболических зеркал (система Мерсена), и неэффективное использование полезной площади телескопа.According to the backscatter enhancement effect (BSR), discovered in 1973 by A.G. Vinogradov, A.S. Gurvich, S.S. Kashkarov, Yu.A. and Tatarsky V.I. , the backscattered radiation on the beam axis must exceed the radiation outside the beam axis. A lidar device for registering ROR is known [RU 153460 U1, 2015], in which on one side of a large afocal transceiver mirror telescope, a complete alignment of the transmitting channel and the axial receiving channel is realized. The off-axis receiving channel is located symmetrically with respect to the telescope axis on its opposite side. The disadvantages of this utility model are the large size of the transceiver due to the use of a standard telescope, consisting of a pair of parabolic mirrors (Mersen system), and inefficient use of the useful area of the telescope.

Наиболее близким к заявленному устройству является [RU 208927 U1, 2022] компактное устройство для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР), в котором реализуется применение двух афокальных телескопов небольшого размера: приемопередающего зеркального телескопа и второго линзового принимающего телескопа. В полном соответствии с указанным прототипом был создан лидар УОР-4 (Разенков И.А. Анализ технических решений при проектировании турбулентного лидара // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 9. С. 766–776), в котором длина волны излучения λ₁=532 нм. Недостатком данной полезной модели является наличие единственного источника лазерного излучения.Closest to the claimed device is [RU 208927 U1, 2022] a compact device for detecting backscatter amplification (RBS), which uses two small afocal telescopes: a transmitting-receiving mirror telescope and a second lens receiving telescope. In full accordance with the specified prototype, the UOR-4 lidar was created ( Razenkov I.A. Analysis of technical solutions in the design of a turbulent lidar // Optics of the Atmosph. and Ocean. 2022. V. 35, No. 9. P. 766–776), in in which the wavelength of radiation λ ₁ =532 nm. The disadvantage of this utility model is the presence of a single source of laser radiation.

Задачей заявляемой полезной модели является конструкция лидара, в которой существенно расширяется диапазон измеряемых значений структурной характеристики коэффициента преломления C _n ² и повышается дальность зондирования. Структурная характеристика коэффициента преломления C _n ² характеризует интенсивность оптической турбулентности в атмосфере.The objective of the claimed utility model is the design of the lidar, which significantly expands the range of measured values of the structural characteristic of the refractive index C _n ² and increases the probing range. The structural characteristic of the refractive index C _n ² characterizes the intensity of optical turbulence in the atmosphere.

Технический результат заключается в расширении диапазона расстояний и повышении точности измерений значений структурной характеристики коэффициента преломления C _n ², характеризующей интенсивность оптической турбулентности в атмосфере.^. The technical result consists in expanding the range of distances and improving the measurement accuracy of the values of the structural characteristic of the refractive index C _n ² that characterizes the intensity of optical turbulence in the atmosphere. ^.

Технический результат достигается путем установки в лидар, где уже имеется лазер с длиной волны λ₁=532 нм (вторая гармоника твердотельного лазера на гранате), дополнительного лазера с длиной волны λ₂=355 нм (третья гармоника твердотельного лазера на гранате). Зондирование атмосферы осуществляется последовательно лазерными импульсами с длинами волн λ₁=532 нм и λ₂=355 нм. Затем производится обработка пар эхосигналов, полученных при зондировании на двух длинах волн λ₁=532 нм и λ₂=355 нм оптического излучения.The technical result is achieved by installing in the lidar, which already has a laser with a wavelength of λ ₁ =532 nm (the second harmonic of a solid-state garnet laser), an additional laser with a wavelength of λ ₂ =355 nm (the third harmonic of a solid-state garnet laser). Sounding of the atmosphere is carried out sequentially by laser pulses with wavelengths λ ₁ =532 nm and λ ₂ =355 nm. Then the processing of pairs of echo signals obtained by probing at two wavelengths λ ₁ =532 nm and λ ₂ =355 nm of optical radiation.

На фиг. 1 схематично показан двухчастотный турбулентный лидар для регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере. Фиг. 1 включает оптическую схему устройства и схематично изображает электронную часть и атмосферу.In FIG. 1 schematically shows a two-frequency turbulent lidar for detecting atmospheric backscatter amplification. Fig. 1 includes the optical layout of the device and schematically depicts the electronics and the atmosphere.

Устройство состоит из передающей и принимающей частей, расположенных на общей платформе 25. Передающая часть двухканальная с последовательным режимом работы на двух длинах волн λ₁=532 нм и λ₂=355 нм. Принимающая часть двухканальная, состоящая из осевого канала и внеосевого канала. Передатчик состоит из лазеров 1 (532 нм) и 2 (355 нм), генерирующих световые импульсы с длинами волн λ₁=532 нм и λ₂=355 нм, линзовых коллиматоров 3 и 4, поворотного зеркала 5, дихроичной светоделительной пластинки 6, светоделительной пластинки 7, выполняющей роль антенного переключателя, и зеркального телескопа, состоящего из внеосевых параболических зеркал 9 и 10. Телескоп 9-10 передаёт пучок 8 в виде световых импульсов в атмосферу 11, а рассеянное атмосферой излучение 13 из объёма 12 поступает обратно на телескоп 9-10. Линзовый телескоп внеосевого приемного канала состоит из положительной 15 и отрицательной 16 линз и служит для приёма эхосигнала 14 из того же объема атмосферы 12.The device consists of a transmitting and receiving parts located on a common platform 25. The transmitting part is two-channel with a sequential mode of operation at two wavelengths λ ₁ =532 nm and λ ₂ =355 nm. The receiving part is two-channel, consisting of an axial channel and an off-axis channel. The transmitter consists of lasers 1 (532 nm) and 2 (355 nm), generating light pulses with wavelengths λ ₁ =532 nm and λ ₂ =355 nm, lens collimators 3 and 4, a rotary mirror 5, a dichroic beam-splitting plate 6, a beam-splitting plate 7, which acts as an antenna switch, and a mirror telescope, consisting of off-axis parabolic mirrors 9 and 10. Telescope 9-10 transmits beam 8 in the form of light pulses into atmosphere 11, and radiation 13 scattered by the atmosphere from volume 12 is fed back to telescope 9- 10. The lens telescope of the off-axis receiving channel consists of positive 15 and negative 16 lenses and is used to receive an echo signal 14 from the same volume of the atmosphere 12.

Пришедшие обратно пучки осевого 13 и внеосевого 14 приемных каналов направляются в приёмный модуль. Оба пучка 13 и 14 проходят сквозь светоделительную пластинку 7 (антенный переключатель) и затем поступают на формирователь поля зрения приемной системы, состоящий из фокусирующей линзы 17, апертурной диафрагмы 18 и коллимирующей линзы 19. После установлен интерференционный фильтр 20, отсекающий фоновую засветку и рассчитанный на пропускание длин волн λ₁=532 нм и λ₂=355 нм, и фотоприемники 21 и 22. Электрические сигналы с фотоприемников 21 и 22 идут в систему регистрации 23, где они накапливаются и затем передаются в блок управления и обработки информации 24.The beams of the axial 13 and off-axis 14 receiving channels that came back are sent to the receiving module. Both beams 13 and 14 pass through the beam-splitting plate 7 (antenna switch) and then enter the receiving system's field of view former, which consists of a focusing lens 17, an aperture diaphragm 18, and a collimating lens 19. After that, an interference filter 20 is installed, which cuts off the background illumination and is designed for transmission of wavelengths λ ₁ =532 nm and λ ₂ =355 nm, and photodetectors 21 and 22. Electrical signals from photodetectors 21 and 22 go to the registration system 23, where they are accumulated and then transmitted to the control and information processing unit 24.

Осуществление полезной модели.Implementation of the utility model.

Во время работы блок управления и обработки информации 24 поочередно подает команду на выстрел на лазер 1 (532 нм) и лазер 2 (355 нм). Лазер 1 и лазер 2 по очереди генерируют короткие световые импульсы с длинами волн, соответственно, λ₁=532 нм и λ₂=355 нм. Световой импульс в виде лазерного пучка 8 от лазера 1 коллимируется линзой 3, соответственно, импульс от лазера 2 коллимируется линзой 4. В случае срабатывания лазера 1 (532 нм) световой импульс с длиной волны λ₁ зеркалом 5 через дихроичную светоделительную пластинку 6 направляется на светоделительную пластинку 7. В случае срабатывания лазера 2 (355 нм) световой импульс с длиной волны λ₂ отражается от дихроичной светоделительной пластинки 6 и направляется на светоделительную пластинку 7. Светоделительная пластинка 7 является антенным переключателем осевого приёмного канала, при этом пластинка 7 отражает 50% энергии импульса и направляет его на зеркальный афокальный телескоп 9-10, расширяющий пучок 8 и направляющий его в турбулентную атмосферу 11. Обратно рассеянное излучение из объёма 12 приходит на зеркальный телескоп 9-10 и линзовый телескоп 15-16. На телескоп 9-10 приходит излучение, которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности среды и это излучение формирует осевой пучок 13. На телескоп 15-16 приходит излучение, которое от верхней приёмо-передающей апертуры через одни турбулентные неоднородности дошло до рассеивающего объёма 12, а возвращается обратно другим путём и формирует внеосевой пучок 14. В турбулентной атмосфере согласно эффекту усиления обратного рассеяния мощность пришедшего назад излучения 13 на оси зондирующего пучка 8 превышает мощность излучения 14 вне оси пучка 8. Далее 50% энергии пучков 13 и 14 проходят сквозь светоделительную пластинку 7 (антенный переключатель) и направляются в приемный модуль через фокусирующую линзу 17, в фокусе которой располагается апертурная диафрагма 18, которая определяет поле зрения приемных каналов, ограничивая пучки 13 и 14. После диафрагмы 18 пучок осевого канала 13 и пучок внеосевого канала 14 коллимируются линзой 19 и проходят сквозь интерференционный фильтр 20 и затем поступают, соответственно, на фотодетекторы 21 и 22. Детекторы 21 и 22 преобразуют оптические сигналы в электрические, которые поступают в систему регистрации 23. В момент посылки зондирующего импульса в атмосферу в систему регистрации 23 от блока управления и обработки информации 24 поступает сигнал синхронизации. Система регистрации 23 производит накопление осевого 13 и внеосевого 14 сигналов и затем информация в цифровом виде передается в блок управления и обработки информации 24. Блок управления и обработки информации 24 используется для расчета калибровочных коэффициентов (здесь не приводится) и для вычисления отношения осевого и внеосевого сигналов, величина которого в отсутствие турбулентности равна единице, а при ее наличии больше единицы в зависимости от интенсивности турбулентности в атмосфере. В атмосфере коэффициенты молекулярного и аэрозольного рассеяния зависят от длины волны λ, причем, чем короче длина волны λ, тем больше рассеяние и, соответственно, меньше дальность зондирования. Влияние же атмосферной турбулентности на распространение лазерного пучка тем больше, чем короче длина волны λ. Атмосферная турбулентность заставляет интенсивность лазерного пучка флуктуировать, в результате с расстоянием растет дисперсии флуктуаций интенсивности. Относительная дисперсия флуктуаций интенсивности тем больше, чем меньше длина излучения λ, поскольку дисперсия определяется безразмерным параметром

, где C _n ² – параметр, характеризующий интенсивность оптической турбулентности; x – дистанция от источника излучения до точки наблюдения (Гурвич А.С., Кон А.И., Миронов В.Л., Хмелевцов С.С. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1976. 280 с.) Длина волны λ₂ < λ₁, поэтому насыщение дисперсии флуктуаций интенсивности излучения на длине волны λ₂=355 нм будет происходить быстрее по отношению к длине волны λ₁=532 нм, т.е. на более коротком расстоянии x от лидара. Следовательно, точность определения интенсивности турбулентности на ближней дистанции на длине волны λ₂=355 нм будет выше. Зондирование на длине волны λ₁=532 нм позволит повысить точность определения интенсивности турбулентности на дальней дистанции, поскольку насыщение дисперсии флуктуаций интенсивности излучения на длине волны λ₁ произойдет на большем расстоянии от лидара. Таким образом, зондирование турбулентной атмосферы на двух длинах волн λ₁=532 нм и λ₂=355 нм позволит выбрать оптимальный алгоритм обработки данных, повысив точность измерений и увеличив диапазон расстояний при измерении параметров оптической турбулентности.During operation, the control unit and information processing 24 alternately sends a command to fire on laser 1 (532 nm) and laser 2 (355 nm). Laser 1 and laser 2 in turn generate short light pulses with wavelengths, respectively, λ ₁ =532 nm and λ ₂ =355 nm. The light pulse in the form of laser beam 8 from laser 1 is collimated by lens ₃ , respectively, the pulse from laser 2 is collimated by lens 4. plate 7. If laser 2 (355 nm) is triggered, a light pulse with a wavelength λ ₂ is reflected from a dichroic beam splitter plate 6 and directed to a beam splitter plate 7. Beam splitter plate 7 is an antenna switch of the axial receiving channel, while plate 7 reflects 50% of the energy pulse and sends it to the mirror afocal telescope 9-10, which expands the beam 8 and directs it into the turbulent atmosphere 11. The backscattered radiation from the volume 12 comes to the mirror telescope 9-10 and the lens telescope 15-16. The telescope 9-10 receives radiation that has twice passed through the same turbulent inhomogeneities of the medium and this radiation forms an axial beam 13. The telescope 15-16 receives radiation that from the upper receiving-transmitting aperture through one turbulent inhomogeneities has reached the scattering volume 12, and returns back in a different way and forms an off-axis beam 14. In a turbulent atmosphere, according to the effect of backscattering enhancement, the power of the radiation 13 that came back on the axis of the probing beam 8 exceeds the power of the radiation 14 off-axis of the beam 8. Further, 50% of the energy of

beams

13 and 14 pass through beam-splitting plate 7 (antenna switch) and sent to the receiving module through the focusing lens 17, in the focus of which is the aperture diaphragm 18, which determines the field of view of the receiving channels, limiting the

beams

13 and 14. After the diaphragm 18, the beam of the axial channel 13 and the beam of the off-axis channel 14 are collimated by lens 19 and pass through interference filter 20 and then arrive at

photodetectors

21 and 22, respectively.

Detectors

21 and 22 convert optical signals into electrical signals that enter registration system 23. control and information processing unit 24 receives a synchronization signal. The registration system 23 accumulates axial 13 and off-axis 14 signals and then the information is digitally transmitted to the control and information processing unit 24. The control and information processing unit 24 is used to calculate the calibration coefficients (not shown here) and to calculate the ratio of the axial and off-axis signals , whose value in the absence of turbulence is equal to unity, and in the presence of it is greater than unity, depending on the intensity of turbulence in the atmosphere. In the atmosphere, the coefficients of molecular and aerosol scattering depend on the wavelength λ, and the shorter the wavelength λ, the greater the scattering and, accordingly, the shorter the sounding range. The effect of atmospheric turbulence on the propagation of a laser beam is the greater, the shorter the wavelength λ. Atmospheric turbulence causes the intensity of the laser beam to fluctuate; as a result, the dispersion of intensity fluctuations increases with distance. The relative dispersion of intensity fluctuations is the greater, the smaller the radiation length λ, since the dispersion is determined by the dimensionless parameter

, where C _n ² is a parameter characterizing the intensity of optical turbulence; x is the distance from the radiation source to the point of observation The wavelength λ ₂ < λ ₁ , so the saturation of the dispersion of radiation intensity fluctuations at the wavelength λ ₂ =355 nm will occur faster with respect to the wavelength λ ₁ =532 nm, i.e. at a shorter distance x from the lidar. Therefore, the accuracy of determining the intensity of turbulence at close range at a wavelength of λ ₂ =355 nm will be higher. Probing at a wavelength of λ ₁ =532 nm will improve the accuracy of determining the intensity of turbulence at a long distance, since the saturation of the dispersion of radiation intensity fluctuations at a wavelength of λ ₁ will occur at a greater distance from the lidar. Thus, sounding the turbulent atmosphere at two wavelengths λ ₁ =532 nm and λ ₂ =355 nm will allow you to choose the optimal data processing algorithm, increasing the accuracy of measurements and increasing the range of distances when measuring optical turbulence parameters.

Claims

A dual-frequency lidar for detecting backscattering amplification in the atmosphere, including a laser fixed on a common platform for generating light pulses at a wavelength of λ ₁ =532 nm, a lens collimator for forming a narrow probing beam, an antenna switch for precise alignment of the optical axes of the transmitting and axial receiving channels, mirror transceiver and lens receiving afocal telescopes, a field of view angle shaper, an interference light filter, two photodetectors, a registration system and a control and information processing unit, characterized in that a second laser with a wavelength of λ ₂ =355 nm is installed in the transmitting channel, with a lens collimator and dichroic beam-splitting plate, working alternately with the first laser.