RU2813096C1 - Способ и лидарная система для обнаружения ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере - Google Patents
Способ и лидарная система для обнаружения ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере Download PDFInfo
- Publication number
- RU2813096C1 RU2813096C1 RU2023116666A RU2023116666A RU2813096C1 RU 2813096 C1 RU2813096 C1 RU 2813096C1 RU 2023116666 A RU2023116666 A RU 2023116666A RU 2023116666 A RU2023116666 A RU 2023116666A RU 2813096 C1 RU2813096 C1 RU 2813096C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- atmosphere
- lidar
- ice crystals
- content
- echo signals
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 26
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 12
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 239000005427 atmospheric aerosol Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000028161 membrane depolarization Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Abstract
Группа изобретений относится к лидарным средствам для контроля содержания ледяных кристаллов в атмосфере. Сущность: лидарная система включает лазер (1), коллимирующую линзу (2), тонкопленочный поляризатор (4), четвертьволновую пластинку (5), два зеркала (6, 7), образующие двухзеркальный афокальный телескоп, стеклянную пластину (10), интерференционный фильтр (14), фокусирующую линзу (15), апертурную диафрагму (16), поворотное зеркало (17), два детектора (18, 19), блок (20) регистрации и блок (21) обработки информации. При этом одна половина стеклянной пластины (10) плоскопараллельная, а другая половина имеет форму клина. Технический результат: повышение точности контроля содержания ледяных кристаллов в атмосфере. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению и области метеорологии и физики атмосферы и может быть использовано в схемах лазерных локаторов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля.
Известен способ дистанционного зондирования частиц кристаллических облаков, основанный на измерении полной матрицы рассеяния света (Самохвалов И.В., Волков С.Н., Кауль Б.В. Методика обработки результатов лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15. № 11. С. 982-986). Недостатком способа является необходимость определения полной матрицы рассеяния, состоящей из 16-ти элементов, с помощью сложной многоканальной лидарной системы.
Известен способ дистанционного зондирования ориентированных кристаллов в атмосфере с помощью лидара высокого спектрального разрешения (Eloranta E.W, Razenkov I.I., Garcia J.P. Observation of Orientated Ice Crystals with a Zenith Scanning High Spectral Resolution Lidar. Geophysical Research Abstracts. Vol. 20, EGU2018-9842, 2018). Недостатком способа является необходимость проведения измерений с помощью сложной лидарной системы высокого спектрального разрешения и необходимости сканирования в пределах 20° от направления в зенит.
Известен способ дистанционного обнаружения в облаках областей с преимущественной или хаотической ориентацией кристаллических ледяных частиц с помощью поляризационного аэрозольного лидара (Ю.С. Балин, и др. Способ лазерного зондирования атмосферных кристаллических образований, патент RU 2772071 C1, 2021). Недостатком способа является длительная процедура измерений, включающая необходимость зондирования атмосферы с линейной и круговой поляризацией.
Известен способ дистанционного обнаружения в облаках областей с преимущественной или хаотической ориентацией кристаллических ледяных частиц с помощью поляризационного аэрозольного лидара (Ю.С. Балин, и др. Способ лазерного зондирования перистых облаков, патент RU 2790804 C1, 2022). Недостатком способа является длительная процедура измерений, включающая необходимость зондирования атмосферы с линейной и круговой поляризацией.
Известен способ дистанционного обнаружения в облаках областей с преимущественной ориентацией кристаллических частиц и определения их формы и размеров с помощью поляризационного аэрозольного лидара (Ю.С. Балин, и др. Способ лазерного зондирования кристаллических облаков, патент RU 2787316 C1, 2022). Недостатком способа является длительная и сложная процедура измерений, включающая сканирование лазерным пучком в вертикальной плоскости в диапазоне зенитных углов от ноля до 60°.
Известен способ дистанционного обнаружения в облаке областей с преимущественной ориентацией кристаллических частиц с помощью поляризационного аэрозольного лидара (Ю.С. Балин, и др. Способ поляризационного лазерного зондирования кристаллических облаков, патент RU 2790806 C1, 2022). Недостатком способа является сложная и длительная процедура измерений, включающая азимутальное коническое сканирование.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ дистанционного обнаружения кристаллов льда в атмосфере, когда лидар регистрирует разницу в поляризации при отражениях излучения под углом 43° (A.G. Borovoi at el. Contribution of corner reflections from oriented ice crystals to backscattering and depolarization characteristics for off-zenith lidar profiling // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2018. V. 212 С. 88-96). Недостатком способа является предположение об идеальности гексагональной формы кристаллов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является способ и лидарная система для обнаружения ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере, где передача и прием осуществляются через один телескоп, который одновременно и расширяет лазерный пучок и делит его на две равные части, направляя одну часть пучка в зенит, а другую часть пучка под углом 3° к вертикальной оси.
Достижение технического результата в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет применения аэрозольного лидара для зондирования одновременно по двум направлениям в зенит и под углом 3° к вертикали, а также за счет установки на выходе телескопа стеклянной пластины, одна половина которой плоскопараллельная, а другая половина имеет форму клина.
Оптическая ось телескопа лидара должна быть направлена в зенит. В этом случае одна половина лазерного пучка проходит сквозь плоскопараллельную часть стеклянной пластины телескопа и, не меняя направления распространения, посылается вертикально вверх, т.е. в зенит. Вторая половина лазерного пучка проходит сквозь клиновидную часть стеклянной пластины телескопа и, меняя направление распространения, посылается в атмосферу под углом 3° к вертикальной оси, т.е. под зенитным углом 3°. Передатчик лидара с помощью специальной стеклянной пластины делит лазерный импульсный пучок пополам, посылает две части лазерного импульса в атмосферу под разными углами и принимает эхосигналы от обеих частей лазерного импульса. Эхосигналы вертикального и наклонного приемных каналов регистрируются фотоприемниками в режиме счета фотонов, затем в виде электрических одноэлектронных импульсов поступают в систему регистрации, где они накапливаются. Затем накопленные эхосигналы передаются в блок обработки, где они обрабатываются. Результатом работы системы является информация о количественном содержании ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере.
На фиг. 1 схематично изображен аэрозольный лидар для регистрации ориентированных кристаллов в атмосфере. Фиг. 1 включает подробную оптическую схему системы и схематично изображает электронную часть и атмосферу, содержащую ледяные ориентированные кристаллы.
Система состоит из передающей и приёмной частей. Передающая часть двухканальная, и принимающая - двухканальная. На фиг. 1 передающий канал заполняет весь телескоп, а приёмные каналы (левый, вертикальный) и (правый, наклонный) идентичны и каждый принимает половину приходящего из атмосферы излучения. Общими для передатчика и всех приёмных каналов являются тонкоплёночный поляризатор 4, четвертьволновая пластинка 5 и афокальный приёмо-передающий телескоп, состоящий из зеркал 6 и 7. 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, тонкоплёночного поляризатора 4, четвертьволновой пластинки 5 и зеркального афокального телескопа 6-7. Излучение лазера 1 линейно поляризованное с плоскостью поляризации, перпендикулярной рисунку на фиг. 1. После четвертьволновой пластинки 5 излучение имеет круговую поляризацию. Лазерный пучок 3 расширяется телескопом 6-7 и проходит сквозь стеклянную пластину 10, которая пучок 3 делит пополам, причем, левая половина пучка 8 уходит в атмосферу вертикально вверх (в зенит), а правая половина пучка 9 уходит в атмосферу под углом 3° к вертикали. Возвращаются обратно пучки 12 (левый, вертикальный) и 13 (правый, наклонный). При наличии в атмосфере ориентированных ледяных кристаллов 11 , вертикальный пучок 12 по величине будет больше наклонного пучка 13 из-за дополнительного сигнала за счет зеркального отражения от кристаллов 11. Принимаемые пучки 12 и 13 сужаются телескопом 6-7 и проходят сквозь четвертьволновую пластинку 5, при этом поляризация излучения вновь становится линейной с плоскостью поляризации, совпадающей с рисунком на фиг. 1. Затем оба пучка 12 и 13 проходят сквозь тонкоплёночный поляризатор 4, интерференционный фильтр 14, отсекающий фоновую засветку, и поступают на формирователь поля зрения приёмной системы, состоящий из фокусирующей линзы 15 и апертурной диафрагмы 16. Пучок 13 проходит прямо на детектор 19, а пучок 12 отражается от поворотного зеркала 17 и поступает на детектор 18.
Электрические сигналы с детекторов 18 (вертикальный эхосигнал P v (x), где x - дистанция от лидара) и 19 (наклонный эхосигнал P s (x)) идут в систему регистрации 20. Кроме того, в систему регистрации 20 от лазера 1 поступает сигнал синхронизации в момент посылки зондирующего импульса в атмосферу. Система регистрации 20 производит накопление сигналов, поскольку устройство работает в режиме счёта фотонов, и затем информация в цифровом виде передаётся в блок обработки 21. Блок обработки 21 используется для вычисления фактора f(x) влияния ледяных кристаллов на среднюю мощность рассеянного света на приемнике согласно алгоритму:
.
Лидарная система для контроля содержания ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере, состоит из приемопередатчика, блока регистрации эхо-сигналов 20 и блока обработки информации 21. Приемопередатчик аэрозольного лидара безопасный для глаз, ось приемопередающего телескопа должна быть направлена вертикально вверх (в зенит). Лидаром с пространственным разрешением 15 м до высоты 30 км производится зондирование атмосферы по двум направлениям - в зенит и под углом 3° от вертикали. Принимаемые приемопередатчиком эхосигналы в виде фотоэлектрических импульсов поступают в блок регистрации 20, где они регистрируются и накапливаются вдоль всей трассы зондирования. Накопленная информация о пространственном распределении эхосигналов вертикального P v (x) и наклонного P s (x) приемных каналов, где x - дистанция от лидара, из блока регистрации 20 передается в блок обработки информации 21. Время накопления эхосигналов в каждом цикле измерений составляет 1 мин. В блоке обработки 21 вычисляют фактор f(x) влияния ориентированных ледяных кристаллов на среднюю мощность рассеянного света на приемнике согласно алгоритму: . В отсутствие ледяных кристаллов фактор f(x)=0, а когда f(x)>0, тогда величина f(x) позволяет оценить содержание ориентированных кристаллов количественно.
Предлагаемое изобретение позволит повысить точность и надежность контроля содержания ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере.
Claims (2)
1. Способ контроля содержания ледяных кристаллов в атмосфере с помощью лидарной системы, направленной в зенит, отличающийся тем, что лидар формирует два одинаковых зондирующих пучка, один из которых направлен в зенит, а другой - под углом 3° к вертикали, определяют из эхосигналов вертикального Pv(x) и наклонного Ps(x) приемных каналов, где x - дистанция от лидара, фактор f(x) влияния ледяных кристаллов на среднюю мощность рассеянного света на приемнике согласно алгоритму , фактор f(x), пропорциональный содержанию ледяных кристаллов в атмосфере.
2. Лидарная система контроля содержания ледяных кристаллов в атмосфере, работающая по п.1, включающая приемопередатчик, состоящий из лазера, коллимирующей линзы, тонкопленочного поляризатора, четвертьволновой пластинки, двухзеркального афокального телескопа, интерференционного фильтра, фокусирующей линзы, апертурной диафрагмы, поворотного зеркала, пары детекторов и электронных блоков регистрации и обработки информации, отличающаяся тем, что над приемо-передающим телескопом, направленным в зенит, помещается стеклянная пластина, одна половина которой плоскопараллельная, а другая половина имеет форму клина, приемопередатчик посылает в атмосферу короткие световые импульсы и принимает эхосигналы, в электронный блок поступают принимаемые приемопередатчиком эхосигналы в виде фотоэлектрических импульсов, где они регистрируются счетчиком фотонов, и производится накопление информации о пространственном распределении эхосигналов вертикального Pv(x) и наклонного Ps(x) приемных каналов, где x - дистанция от лидара.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2813096C1 true RU2813096C1 (ru) | 2024-02-06 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9116243B1 (en) * | 2013-09-20 | 2015-08-25 | Rockwell Collins, Inc. | High altitude ice particle detection method and system |
| RU190705U1 (ru) * | 2019-04-30 | 2019-07-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Лидар для зондирования атмосферы |
| RU2772071C1 (ru) * | 2021-06-18 | 2022-05-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Способ лазерного зондирования атмосферных кристаллических образований |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9116243B1 (en) * | 2013-09-20 | 2015-08-25 | Rockwell Collins, Inc. | High altitude ice particle detection method and system |
| RU190705U1 (ru) * | 2019-04-30 | 2019-07-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Лидар для зондирования атмосферы |
| RU2772071C1 (ru) * | 2021-06-18 | 2022-05-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Способ лазерного зондирования атмосферных кристаллических образований |
| RU2790806C1 (ru) * | 2022-06-02 | 2023-02-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Способ поляризационного лазерного зондирования кристаллических облаков |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Eloranta | High spectral resolution lidar | |
| EP2972471B1 (en) | Lidar scanner | |
| DK2705350T3 (en) | REMOVE LOW DEPTH IN SEMI-TRANSPARENT MEDIA | |
| CN108445471B (zh) | 一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法 | |
| CN108957474B (zh) | 用于检测粒子形态的全偏振激光雷达系统及其检测方法 | |
| CA2619095A1 (en) | High-speed laser ranging system including a fiber laser | |
| RU188541U1 (ru) | Многоволновой лидар для зондирования атмосферы | |
| CN107064957B (zh) | 一种用于液态水云测量的多视场激光雷达探测系统及方法 | |
| CN101581786A (zh) | 一种半导体激光雷达能见度仪 | |
| Steinvall et al. | Experimental evaluation of an airborne depth-sounding lidar | |
| CN104316443A (zh) | 一种基于ccd后向散射的pm 2.5浓度监测方法 | |
| BR102017003154A2 (pt) | Optical detector of freezing conditions, and, method of determining the reason between ice / liquid in a cloud. | |
| CN106970046A (zh) | 基于偏振探测的云粒子探测系统及方法 | |
| CN110161280A (zh) | 混合探测多普勒激光雷达风速测量系统及其测量方法 | |
| RU165087U1 (ru) | Устройство для регистрации усиления обратного рассеяния в атмосфере | |
| Kong et al. | A polarization-sensitive imaging lidar for atmospheric remote sensing | |
| CN206638586U (zh) | 基于偏振探测的云粒子探测系统 | |
| CN110488252A (zh) | 一种地基气溶胶激光雷达系统的重叠因子定标装置和标定方法 | |
| RU2813096C1 (ru) | Способ и лидарная система для обнаружения ориентированных ледяных кристаллов в атмосфере | |
| CN211741577U (zh) | 一种自校准的偏振大气激光雷达装置 | |
| RU186572U1 (ru) | Двухволновой поляризационный лидар | |
| RU126851U1 (ru) | Поляризационный лидар для зондирования атмосферы | |
| CN112904308B (zh) | 探测云相态及云水含量的激光雷达系统及方法 | |
| CN103063869B (zh) | 一种光传播路径横向平均风速风向测量装置及方法 | |
| CN205826867U (zh) | 一种大气风速分布探测的装置 |