RU2738588C1

RU2738588C1 - Combined lidar

Info

Publication number: RU2738588C1
Application number: RU2020114342A
Authority: RU
Inventors: Игорь Александрович Разенков; Александр Иванович Надеев; Илья Игоревич Разенков
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2020-12-14

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: invention relates to optical probing of atmosphere. Combined lidar comprises a laser for generating light pulses, a lens collimator for forming a narrow probing beam, antenna switch from thin-film polariser and quarter-wave plate for accurate alignment of optical axes of transmitting and receiving channels, transceiving afocal mirror telescope, double aperture diaphragm, visual angle detector of receivers, an interference light filter and two photodetectors, a recording system and a computer. In lidar there is a pair of moved diaphragms, one of which is located in transmitter, and another - in receiver, which allows device to operate in two modes - Aerosol Lidar mode and Turbulent Lidar mode.

EFFECT: technical result consists in creation of structure, capable of stable operation in modes of remote probing of atmospheric aerosol and atmospheric turbulence.

1 cl, 2 dwg

Description

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

Описание аэрозольного лидара дано в работе Разенкова И.А., «Аэрозольный лидар для непрерывных атмосферных наблюдений», Оптика атмосферы и океана, 2013, Т. 26, № 1, С. 52–63. Этот лидар относится к классу микроимпульсных лазерных систем, в которых передающий и принимающий каналы точно совмещены и приём осуществляется через передающий телескоп. Преимущество таких систем заключается в их высокой термомеханической стабильности, когда при изменении температуры лидара не происходит существенного смещения оптических осей относительно друг друга. Кроме того, такие системы работают в режиме счёта фотонов, поэтому динамический диапазон регистрируемых эхосигналов ограничен только временем накопления. Наиболее близким к заявленному устройству является [RU 165087 U1, 2016] устройство для регистрации усиления обратного рассеяния (УОР) в атмосфере, обладающего афокальным приёмопередающим телескопом, в котором с помощью антенного переключателя, состоящего из тонкоплёночного поляризатора и четвертьволновой пластинки, которые позволяют всю мощность лазерного пучка отправить в атмосферу и зарегистрировать всё пришедшее обратно из атмосферы излучение. Устройство позволяет производить регистрацию точно на оси лазерного пучка и вне оси пучка одновременно из одного зондируемого объёма в атмосфере. Недостатком данной полезной модели является ограниченность в применении, т.к. решается одна единственная задача оценивания интенсивности турбулентности, и при этом имеет место крайне неэффективное использование приёмопередающего телескопа, площадь которого задействована менее чем на 40%. Description of the aerosol lidar is given in the work of IA Razenkov, "Aerosol lidar for continuous atmospheric observations", Optics of the atmosphere and ocean, 2013, V. 26, No. 1, pp. 52–63. This lidar belongs to the class of micropulse laser systems in which the transmitting and receiving channels are precisely aligned and the reception is carried out through the transmitting telescope. The advantage of such systems lies in their high thermomechanical stability, when, when the lidar temperature changes, there is no significant shift of the optical axes relative to each other. In addition, such systems operate in the photon counting mode, so the dynamic range of recorded echo signals is limited only by the accumulation time. The closest to the claimed device is [RU 165087 U1, 2016] a device for recording the backscattering amplification (RBG) in the atmosphere, which has an afocal transceiver telescope, in which, using an antenna switch, consisting of a thin-film polarizer and a quarter-wave plate, which allow the entire power of the laser send the beam into the atmosphere and register all the radiation that has come back from the atmosphere. The device allows registration exactly on the laser beam axis and outside the beam axis simultaneously from one probed volume in the atmosphere. The disadvantage of this useful model is its limited application, since one single problem of estimating the intensity of turbulence is being solved, and at the same time there is an extremely ineffective use of the transmitting-transmitting telescope, the area of which is used by less than 40%.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание конструкции, где передача и приём осуществляются через один телескоп, который одновременно и расширяет лазерный пучок и кратно понижает ошибку рассогласования между оптическими осями передатчика и приёмника.The technical result of the claimed invention is the creation of a structure where transmission and reception are carried out through one telescope, which simultaneously expands the laser beam and multiples the error of the mismatch between the optical axes of the transmitter and receiver.

Поставленная задача решается с помощью дополнения в аэрозольный лидар парой перемещаемых диафрагм, одна из которых располагается в передатчике, а другая – в приёмнике. Когда обе диафрагмы убраны и находятся вне зондирующего лазерного пучка и вне приходящих пучков рассеянного излучения из атмосферы, тогда конструкция представляет собой обычный микроимпульсный аэрозольный лидар. В этом случае происходит полное заполнение приёмопередающего телескопа лазерным излучением передатчика и полное использование всей поверхности телескопа при приёме излучения, рассеянного в атмосфере. Это режим работы устройства именуемый «аэрозольный лидар». Когда обе диафрагмы задвинуты и одна находится внутри зондирующего лазерного пучка, а другая внутри приходящих пучков рассеянного излучения из атмосферы, тогда конструкция представляет собой микроимпульсный турбулентный лидар, работающий на эффекте усиления обратного рассеяния (УОР). В этом случае первая диафрагма ограничивает лазерный пучок, формируя на одной стороне приёмопередающего телескопа зондирующий луч, а вторая диафрагма с парой одинаковых отверстий формирует в приёмнике два поля зрения симметрично относительно центра телескопа таким образом, что одно из них точно совпадает с зондирующим пучком. В этом случае имеем режим работы устройства именуемый «турбулентный лидар».The problem is solved by adding a pair of movable diaphragms to the aerosol lidar, one of which is located in the transmitter, and the other in the receiver. When both diaphragms are retracted and are outside the probe laser beam and outside the incoming beams of scattered radiation from the atmosphere, then the structure is a conventional micropulse aerosol lidar. In this case, the transceiver telescope is completely filled with laser radiation from the transmitter and the entire surface of the telescope is fully utilized when receiving radiation scattered in the atmosphere. This is the mode of operation of the device called "aerosol lidar". When both diaphragms are retracted and one is inside the probing laser beam, and the other is inside the incoming beams of scattered radiation from the atmosphere, then the design is a micropulse turbulent lidar operating on the backscatter enhancement (RBA) effect. In this case, the first diaphragm limits the laser beam, forming a probe beam on one side of the transceiving telescope, and the second diaphragm with a pair of identical holes forms two fields of view in the receiver symmetrically relative to the center of the telescope so that one of them exactly coincides with the probe beam. In this case we have a device operating mode called "turbulent lidar".

На фиг. 1 схематично изображено устройство в режиме «аэрозольный лидар», когда обе диафрагмы 3 и 12 убраны. На фиг. 2 схематично изображено устройство в режиме «турбулентный лидар», когда обе диафрагмы 3 и 12 задвинуты. Фиг. 1 и фиг. 2 включают подробную оптическую схему устройства, показывают расположение пучков на выходной апертуре телескопа и схематично изображают электронную часть. Вертикальными чёрными стрелками на фиг. 1 и фиг. 2 обозначены механические привода, которые убирают или задвигают диафрагмы 3 и 12.FIG. 1 schematically shows the device in the "aerosol lidar" mode when both diaphragms 3 and 12 are removed. FIG. 2 schematically shows the device in the "turbulent lidar" mode, when both diaphragms 3 and 12 are retracted. FIG. 1 and FIG. 2 include a detailed optical diagram of the device, show the arrangement of the beams at the telescope exit aperture, and schematically depict the electronic part. The vertical black arrows in Fig. 1 and FIG. 2, mechanical drives are indicated that retract or retract diaphragms 3 and 12.

Устройство состоит из передающей и приёмной частей. Передающая часть одноканальная, а принимающая – двухканальная. На фиг. 1 (режим «аэрозольный лидар») передающий канал заполняет весь телескоп, а приёмные каналы 10 (нижний) и 11 (верхний) идентичны и каждый принимает половину приходящего из атмосферы излучения, На фиг. 2 (режим «турбулентный лидар») приёмный канал 10 (нижний) является осевым и совпадает с передающим каналом 9, а второй принимающий канал 11 (верхний) является внеосевым. Общими для передатчика и всех приёмных каналов являются тонкоплёночный поляризатор 5, четвертьволновая пластинка 6 и афокальный приёмопередающий телескоп, состоящий из зеркал 7 и 8. Лазерные приёмопередатчики (лидары) с общим телескопом называют «системами с расширением лазерного пучка через приёмный телескоп» и характеризуют как системы с повышенной термомеханической стабильностью. Передатчик состоит из лазера 1, коллимирующей линзы 2, поворотного зеркала 4, тонкоплёночного поляризатора 5, четвертьволновой пластинки 6 и двух зеркального афокального телескопа 7-8. Излучение 9 лазера 1 линейно поляризованное с плоскостью поляризации, перпендикулярной рисунку на фиг. 1 и фиг. 2. После четвертьволновой пластинки 6 излучение 9 имеет круговую поляризацию. Между линзой 2 и зеркалом 4 в режиме работы «турбулентный лидар» (фиг. 2) устанавливается диафрагма 3, формирующая узкий зондирующий пучок. В режиме работы «аэрозольный лидар» (фиг. 1) диафрагма 3 удаляется наружу из лазерного пучка и тогда формируется широкий зондирующий пучок 9. Узкий или широкий лазерный пучок 9 после телескопа 7-8 уходит в атмосферу, а возвращаются обратно пучки 10 (нижний, осевой) и 11 (верхний, внеосевой). Далее принимаемые пучки 10 и 11 проходят сквозь четвертьволновую пластинку 6, при этом поляризация излучения вновь становится линейной с плоскостью поляризации, совпадающей с рисунком на фиг. 1 и фиг. 2. Затем оба пучка 10 и 11 проходят сквозь тонкоплёночный поляризатор 5 и поступают на формирователь поля зрения приёмной системы, состоящий из двойной диафрагмы 12, фокусирующей линзы 13 и апертурной диафрагмы 14. Пучок 10 проходит прямо через коллимирующую линзу 15 на интерференционный фильтр 16, отсекающий фоновую засветку. Далее стоит фокусирующая линза 17 и детектор 18. Пучок 11 отражается от плоского зеркала 19, имеющего прямоугольную форму и скошенный край. Далее пучок проходит через, коллимирующую линзу 20, интерференционный фильтр 21, фокусирующую линзу 22 на детектор 23.The device consists of transmitting and receiving parts. The transmitting part is single-channel, and the receiving part is two-channel. FIG. 1 (aerosol lidar mode), the transmitting channel fills the entire telescope, and the receiving channels 10 (lower) and 11 (upper) are identical and each receives half of the radiation coming from the atmosphere. FIG. 2 (“turbulent lidar” mode), the receiving channel 10 (lower) is axial and coincides with the transmitting channel 9, and the second receiving channel 11 (upper) is off-axis. Common to the transmitter and all receiving channels are a thin-film polarizer 5, a quarter-wave plate 6 and an afocal transceiver telescope consisting of mirrors 7 and 8. Laser transceivers (lidars) with a common telescope are called "systems with the expansion of the laser beam through the receiving telescope" and are characterized as systems with increased thermomechanical stability. The transmitter consists of a laser 1, a collimating lens 2, a rotating mirror 4, a thin-film polarizer 5, a quarter-wave plate 6, and two reflective afocal telescopes 7-8. The radiation 9 of the laser 1 is linearly polarized with a polarization plane perpendicular to the figure in FIG. 1 and FIG. 2. After the quarter-wave plate 6, the radiation 9 is circularly polarized. A diaphragm 3 is installed between the lens 2 and the mirror 4 in the "turbulent lidar" mode (Fig. 2), which forms a narrow probe beam. In the "aerosol lidar" operating mode (Fig. 1), the diaphragm 3 is removed outward from the laser beam and then a wide probe beam 9 is formed. A narrow or wide laser beam 9 after the telescope 7-8 goes into the atmosphere, and the beams 10 return (lower axial) and 11 (top, off-axis). Further, the received beams 10 and 11 pass through the quarter-wave plate 6, while the polarization of the radiation again becomes linear with the plane of polarization coinciding with the figure in FIG. 1 and FIG. 2. Then both beams 10 and 11 pass through the thin-film polarizer 5 and enter the field of view former of the receiving system, which consists of a double diaphragm 12, a focusing lens 13 and an aperture diaphragm 14. Beam 10 passes directly through the collimating lens 15 to the interference filter 16, which cuts off background illumination. Next, there is a focusing lens 17 and a detector 18. The beam 11 is reflected from a flat mirror 19 having a rectangular shape and a beveled edge. Next, the beam passes through a collimating lens 20, an interference filter 21, and a focusing lens 22 onto a detector 23.

Устройство работает следующим образом. Во время работы короткий световой импульс от лазера 1 проходит через линзу 2 и диафрагму 3, если устройство работает в режиме «турбулентный» лидар, затем направляется зеркалом 4 на тонкоплёночный поляризатор 5 и четвертьволновую пластинку 6, являющиеся антенным переключателем. Поляризатор 5 отражает световой импульс и направляет его через четвертьволновую пластинку 6, которая преобразует линейную поляризацию излучения лазера в круговую поляризацию. Затем излучение приходит на зеркальный афокальный телескоп 7-8, расширяющий пучок 9 и направляющий его в атмосферу. Обратно рассеянное излучение приходит на телескоп 8-7. Пучок 10 приходит на нижнюю часть телескопа, а пучок 11 на верхнюю. В режиме «турбулентный лидар», когда установлены диафрагмы 3 и 12, на нижнюю приёмную апертуру приходит рассеянное излучение 10, которое дважды прошло через одни и те же турбулентные неоднородности и это излучение формирует эхосигнал осевого приёмного канала, на который воздействует атмосферная турбулентность. На верхнюю приёмную апертуру приходит рассеянное излучение 11, которое в атмосферу и обратно прошло разными путями, и это эхосигнал внеосевого приёмного канала, на который атмосферная турбулентность влияния не оказывает. Согласно эффекту усиления обратного рассеяния, открытому в 1973 году Виноградовым, Кравцовым и Татарским, рассеянное назад излучение на оси пучка должно превышать излучение вне оси пучка. Вне зависимости от режима работы пучки 10 и 11 проходят через телескоп 8-7, четвертьволновую пластинку 6 и сквозь тонкоплёночный поляризатор 5. Приходящее из атмосферы излучение 10 и 11 имеет круговую поляризацию. После второго прохождения через четвертьволновую пластинку 6 излучение вновь становится линейно поляризованным, но при этом плоскость поляризации поворачивается на 90°. Поэтому пучки 10 и 11 беспрепятственно проходит через тонкоплёночный поляризатор 5. Далее пучки поступают в приёмный ящик через двойную диафрагму 12, если она установлена (режим «турбулентный лидар»), фокусирующую линзу 13, в фокусе которой располагается апертурная диафрагма 14, которая определяет равные поля зрения для обоих каналов. После диафрагмы 14 пучок нижнего (осевого) канала 10 идёт прямо, а пучок верхнего (внеосевого) канала 11 отражается зеркалом 19. Оба пучка 10 и 11 коллимируются соответственно линзами 15 и 20, проходят сквозь интерференционные фильтры 16 и 21, затем фокусируются линзами 17 и 22 на фотодетекторы 18 и 23. Электрические сигналы с детекторов 18 и 23 идут в систему регистрации 24. Кроме того, в систему регистрации 24 от лазера 1 поступает сигнал синхронизации в момент посылки зондирующего импульса в атмосферу. Система регистрации 24 производит накопление сигналов, поскольку устройство работает в режиме счёта фотонов, и затем информация в цифровом виде передаётся в компьютер 25. Компьютер 25 используется для вычисления коэффициентов обратного и полного рассеяния в режиме работы «аэрозольный лидар» и для расчёта отношения сигналов 10 и 11 и для расчёта параметров интенсивности атмосферной турбулентности в режиме работы «турбулентный лидар».The device works as follows. During operation, a short light pulse from laser 1 passes through lens 2 and diaphragm 3, if the device operates in the "turbulent" lidar mode, then is directed by mirror 4 to thin-film polarizer 5 and quarter-wave plate 6, which are the antenna switch. The polarizer 5 reflects the light pulse and directs it through the quarter-wave plate 6, which converts the linear polarization of the laser radiation into circular polarization. Then the radiation arrives at a mirror afocal telescope 7-8, which expands the beam 9 and directs it into the atmosphere. Backscattered radiation arrives at telescope 8-7. Beam 10 arrives at the bottom of the telescope, and beam 11 at the top. In the "turbulent lidar" mode, when diaphragms 3 and 12 are installed, scattered radiation 10 arrives at the lower receiving aperture, which twice passed through the same turbulent inhomogeneities and this radiation forms an echo signal of the axial receiving channel, which is affected by atmospheric turbulence. Scattered radiation 11 arrives at the upper receiving aperture, which has passed into the atmosphere and back in different ways, and this is an echo signal of the off-axis receiving channel, which is not affected by atmospheric turbulence. According to the effect of amplification of backscattering, discovered in 1973 by Vinogradov, Kravtsov, and Tatarsky, backscattered radiation on the beam axis must exceed the radiation outside the beam axis. Regardless of the operating mode, beams 10 and 11 pass through telescope 8-7, quarter-wave plate 6, and through thin-film polarizer 5. Radiation 10 and 11 coming from the atmosphere is circularly polarized. After the second passage through the quarter-wave plate 6, the radiation again becomes linearly polarized, but the plane of polarization is rotated by 90 °. Therefore, beams 10 and 11 freely pass through the thin-film polarizer 5. Next, the beams enter the receiving box through a double diaphragm 12, if it is installed ("turbulent lidar" mode), a focusing lens 13, in the focus of which aperture diaphragm 14 is located, which determines equal fields vision for both channels. After the diaphragm 14, the beam of the lower (axial) channel 10 goes straight, and the beam of the upper (off-axis) channel 11 is reflected by the mirror 19. Both beams 10 and 11 are collimated by lenses 15 and 20, respectively, pass through the interference filters 16 and 21, then are focused by lenses 17 and 22 to the photodetectors 18 and 23. The electrical signals from the detectors 18 and 23 go to the registration system 24. In addition, a synchronization signal is sent to the registration system 24 from the laser 1 at the moment of sending the probe pulse into the atmosphere. The registration system 24 accumulates signals, since the device operates in the photon counting mode, and then the information in digital form is transmitted to the computer 25. Computer 25 is used to calculate the backscattering and total scattering coefficients in the “aerosol lidar” operating mode and to calculate the ratio of signals 10 and 11 and for calculating the parameters of the intensity of atmospheric turbulence in the "turbulent lidar" operating mode.

Преимущество описанного выше устройства по сравнению с аналогами заключается в его способности работать в двух режимах – режиме «аэрозольный лидар» и режиме «турбулентный лидар». Выбор режимов работы зависит от решаемой задачи. На практике, например, может быть последовательное чередование режимов, когда лидар непрерывно работает в режиме контроля за аэрозольной обстановкой, а затем, например, один раз в час оценивает турбулентную обстановку. Важно, что в режиме «аэрозольный лидар» приёмопередающий телескоп используется на 100%, при этом эхосигналы 10 и 11 должны суммироваться в компьютере 25. Для режима «турбулентный лидар» на этапе создания и настойки устройства есть возможность подбора размера диафрагм 3 и 12, чтобы найти оптимальное сочетание между чувствительностью лидара и временем накопления эхосигналов. Достоинство представленной конструкции ещё в том, что при переключении режимов работы все оптические элементы остаются на своих местах, что гарантирует сохранение настроек и стабильную работу. А возможная небольшая механическая ошибка в установке диафрагм 3 и 12 в режиме «турбулентный лидар» на результат работы не повлияет, т.к. в устройстве реализуется относительный метод измерений для компенсации возможного изменения коэффициента обратного рассеяния вдоль трассы зондирования.The advantage of the device described above in comparison with analogs lies in its ability to operate in two modes - the “aerosol lidar” mode and the “turbulent lidar” mode. The choice of operating modes depends on the problem being solved. In practice, for example, there can be a sequential alternation of modes, when the lidar continuously operates in the aerosol situation control mode, and then, for example, once an hour evaluates the turbulent situation. It is important that in the "aerosol lidar" mode the transmitting-receiving telescope is used at 100%, while echo signals 10 and 11 must be summed up in computer 25. For the "turbulent lidar" mode, at the stage of creating and configuring the device, it is possible to select the size of apertures 3 and 12 so find the optimal combination between lidar sensitivity and echo accumulation time. The advantage of the presented design is that when switching operating modes, all optical elements remain in place, which guarantees the preservation of settings and stable operation. And a possible small mechanical error in the installation of diaphragms 3 and 12 in the "turbulent lidar" mode will not affect the work result, because the device implements a relative measurement method to compensate for a possible change in the backscatter coefficient along the sounding path.

Claims

Combined lidar, including: a laser for generating light pulses, a lens collimator for forming a narrow probing beam, an antenna switch made of a thin-film polarizer and a quarter-wave plate for precise alignment of the optical axes of the transmitting and receiving channels, a transceiving afocal mirror telescope, a double aperture diaphragm vision of receivers, an interference filter and two photodetectors, a registration system and a computer, characterized in that a pair of movable diaphragms is added to the lidar, one of which is located in the transmitter, and the other in the receiver, allowing this device to operate in two modes - the “aerosol lidar "And" turbulent lidar "mode.