RU7210U1 - Приемопередающий блок светолокационного измерителя высоты нижней границы облаков - Google Patents

Abstract

Приемопередающий блок светолокационного измерителя высоты нижней границы облаков, содержащий расположенные на одной оптической оси по ходу оптического луча лазерный источник с оптической системой, формирующей диаграмму направленности в виде параллельного пучка света, и приемник света, отличающийся тем, что в него дополнительно введена оптическая система приемника, формирующая диаграмму направленности в виде оптического конуса, причем поле зрения оптической системы приемника составляет угол, обеспечивающий полный охват излучаемого светового потока на расстоянии, равном максимальной дальности обнаружения нижней границы облаков.

Description

Приемо-первдашщий блок светолокациокного изй;ер1л:телй высоты нижней границы облаков

Полезная модель относится к приборостроениш, а именно к технике измерения оптических характеристик атмосферы с целью определения высоты обнаругения взлетно-посадочной полосы (БПП) в интересах метеорологического обеспечения полетов авиации. В настоящее вреыя в практике метеорологического обеспечения полетов авиации высота обнаружения ВПП оценивается по результатам измерений высоты нижней границы облаков.

йирокое распространение в отечественной и зарубеаной практике получили светолокационныц измерители высоты облаков использующие в качестве излучателя твердотельный лазер 13. Такие приборы имеют большую дальность обнаруэения облачных слоев благодаря высокой мощности излучения. В них используется приеыо-передающе блоки, состоящие из источника, приемника и оптической системы, которая формирует диаграммы направленности источника и приемника.

Известны измерители, в которых используются приемопередающие блоки, в которых источник и приемник расположены на расстоянии друг от друга, то есть имеют некоторую базу. Оптические оси источника и приемника в этом случае могут пересекаться на различном расстоянии от приемо-передающего блока. Преимуществом такой схемы

МПК 6 6 Oi и 1/00 S 01 Y 1/42

расположения является возможность автоматического отсечения интенсивного эхо-сигнала от ближней зоны атмосферы. Например в 21 описан блок содержащий источник света, приемник световых эхо-сигналов оптическую систему для формирования раснесенных с паралеллельными оптическими осями диаграмм направленности излучателя и приемника. Для повышения помехозащищенности в заданном диапозоне высот путем исключения зависимости эхо-сигналов от расстояния до облаков, в оптической системе приемника диафрагма поля зрения выполнена в соответствии с приведенной в источнике формулой Недостатки аналога:

1.Необходимость высокоточной настройки пересечения оптических осей источника и приемника, что влияет на достоверность результатов измерения.

2.Сложность технической реализации. Разнесенные оси не позволяют в малых габаритах устройства осуществить большой диаметр пучка.

3.Аналог использует опасные для глаз оператора плотности излучения.

Наиболее часто используют приемо-передаищие блоки, у которых источник и приемник имеют совмещенные оси. Например, в устройстве по 3. описан приемо-передашщий блок, содержащий расположенные соосно источник и приемник световых импульсов, при этом апертура источника мала по сравнению с апертурой приемника. Источник создает световой поток, сечение которого в диапозоне измеряемых дальностей постоянно и значительно меньше неизменяемого поперечного сечения диаграммы направленности приемника.

- 2 блоку является устройство по 41, включающее источник и приемник оптического излучения, имеющие совмещенные оптические оси, и оптическую систему, формирующуш одинаковуа диаграмму направленности как для источника, так и для приемника, ото осуществляется при помощи вогнутого зеркала телескопической системы, которое формирует излучение в виде остронаправленного игольчатого типа потока и принимает след взаимодействия этого излучения с атмосферой в виде эхо-сигнала взаимодействия.

Недостатками описанных аналогов является следующее:

1.Отсутствие помехозащищенности от сигналов встречного рассеяния при наличии подоблочной дымки и осадков. Сильные флуктуации интенсивности эхо-сигнала от осадков в виде снега и дождя приводят к ложным срабатываниям схемы обработки.

2.Форма огибающей сигнала помехи определяется геометрией оптической системы приамо-передающего блока и связана с зависимостью эхо-сигнала от квадрата расстояния до нижней границы облаков. Наиболее сильно такая зависимость проявляется в ближней зоне, то есть в наиболее ответственной части диапозона измеряемых высот.

3.Аналоги используют небезопасную для глаз оператора плотность излучения.

Задача полезной модели заключается в увеличении помехозащищенности устройства, в том числе за счет компенсации зависимости зхо-сигнала от квадрата расстояния до нижней границы облаков, и уменьмении плотности излучения до величин, безопасных для глаз наблюдателя.

- 3 Поставленная задача решается в предяагаеком приемо-передающем блоке светолокационясго измерителя высоты нианей границы облаков, содеряачеи располонвннно ла одной оптической оси по ходу луча лазерный источник с оптической системой, форммрциа(ей диаграиму напревленности в виде параллельного пучка света, и приемник света Предлагаемый отличается от прототипа теа, что в него дополнительно введена оптическаа система приемника, формирующая диаграмму направленности в виде оптического конуса, причем поле оптической системы приемника составляет угол обаспечивашщий полный охват излучаемого светового потока на расстоянии, равном максимальной дальности обнаружения нианей границы облаков.

Сущность предлагаемой полезной модели пояснена рисунками На фигуре 1 показан вариант технической реализации заявляемого приемо-передашщего блока, на фигуре 2 - схема компенсации зависимости .эхо-сигналов от расстояния до нижней границы облаков.

Как видно из рисунка i устройство состоит из расположенных на одной оптической оси источника лазерного излученйя 1, приемника 2 и двух оптических систем 3 и 4, формирующих диаграммы направленности, источника 1 и приемника 2.

Оптическая система источника 3 состоит из телескопической системы Галилея, состоящей из отрицательной линзы 5 и положительной 8, и системы Мерсенна, содержащей находящиеся последовательно на одной оптической оси и оптически связанные вогнутое сферическое зеркало б большого диаметра, с центральным отверстием , обращенного выпуклостью к источнику лазерного излучения 1, и зеркала 9. Такая конструк 4 ция обеспечивает довольно малые габариты при большом фокусном расстоянии. В представленном варианте схемы увеличение системы принято равным бОХ, чтобы световой диаметр излучателя, равный 5 мм на входе превратить в 300 мм на выходе системы.

Оптическая система 4 приемника 2 представляет собой обьектив Коссегрена. содержащий расположенные последовательно на одной оптической оси вогнутое сферическое зеркало 10 с центральным отверстием и зеркало 11, которые форнирушт диаграмму направленности приемника 2. Поле зрения приемного объектива выбрано равным 3 угл мин для обеспечения на дальностях до 500 метров автоматическую аттеншациш оптического излучения попадающего на приемник 1.

В устройстве используется защитное стекло 12,

В качестве источника лазерного излучения может быть применен твердотельный неодимовый лазер, в качестве приемника - фотодиод.

На рисунке 2 показана компенсация зависимости зхо-сигнала от расстояния до нижней границы облаков. Ф вых - диаметр выходного пучка источника, Ф вх - диаметр входного пучка приемника.

Устройство работает следующим образом. Свет от лазерного источника 1 пройдя через центральное отверстие 7 зеркала 6, и оптические элементы 5 и 8 попадает на малое сферическое зеркало 3 и, отраяаясь от него, попадает на зеркало б. После отражения от зеркала б, свет проходит через защитное стекло 12 и направляется на облачность. Отраженный от облака свет попадает на зеркало 10 объектива приемной системы 3 и далее через зеркало И и центральное отверстие зеркала 10 на прие

- 5

ник 2.

Источник создает световой поток, сечение которого в диапозоне измеряемых дальностей постоянно и значительно больше начального поперечного сечения диаграммы направленности приемника. Нгол зрения приемника выбран таким, чтобы в заданном диапозоне измеряемых дальностей поперечное сечение диаграммы направленности приемника не превышало сечения светового пучка. В этой области обеспечивается компенсация убывания энергии эхо-сигналов с расстоянием. Диаметр поперечного сечения светового пучка направленного на приемник, прямопропорционален расстоянии до нижней границы облаков, а плочадь его поперечного сечения пропорциональна квадрату диаметра, то есть квадрату расстояния, следовательно убывание мощности эхосигнала по квадрату расстояния компенсируется увеличением площади охвата отражающей поверхности приемной оптической системы.

Благодаря соосной конструкции приемоизлучателя удается, не увеличивая габариты, обеспечить больное поперечное сечение излучаемого светового потока. Это позволяет, не уменьиая используемой энергии, снизить плотность светового потока. В результате излучение уменьиается до безопасного для глаза уровня. Кроме того, при наличии осадков, особенно в виде снега, резко снижаются флуктуации амплитуды эхо-сигнала, поскольку среднее число облученных аэрозолей при большом поперечном сечении светового пучка меняется значительно , чем в случае малого сечения пучка. Зто повымает помехоустойчивость прибора.

- б Литература

1.И.о. СССР N 563658 приоритет 31 12 75, опуб. Бй N 24 1977

2.А.с СССР N 372460, приоритет 21 06 71, опуб в Бй N 13 1973

3.В.Е. Зуев. Лазер-метеоролог, Гидрометиоиздат, Ленинград, 1974, стр 37, рис ЗДпрототип).

- 7 Формула

Claims (1)

1. Приемопередающий блок светолокационного измерителя высоты нижней границы облаков, содержащий расположенные на одной оптической оси по ходу оптического луча лазерный источник с оптической системой, формирующей диаграмму направленности в виде параллельного пучка света, и приемник света, отличающийся тем, что в него дополнительно введена оптическая система приемника, формирующая диаграмму направленности в виде оптического конуса, причем поле зрения оптической системы приемника составляет угол, обеспечивающий полный охват излучаемого светового потока на расстоянии, равном максимальной дальности обнаружения нижней границы облаков.