RU116245U1

RU116245U1 - LIDAR

Info

Publication number: RU116245U1
Application number: RU2011150933/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Гурвич
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-05-20

Abstract

1. Лидар, содержащий импульсный лазер для генерирования зондирующего пучка излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом, расположенным на оптической оси принимающего рассеянное излучение телескопа в плоскости его входного отверстия, и связанный с импульсным лазером электронный блок обработки данных и управления, к которому подключен размещенный в фокусе принимающего рассеянное излучение телескопа фотодетектор, отличающийся тем, что импульсный лазер выполнен с возможностью формирования зондирующего пучка излучения узким, в выводящую оптическую систему введено образующее с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом перископ подвижное плоское отклоняющее зеркало, размещенное на оптической оси импульсного лазера и выполненное с возможностью перенаправления зондирующего пучка излучения на неподвижное плоское отклоняющее зеркало посредством поворотного механизма, связанного с электронным блоком обработки данных и управления, а расстояние между центрами подвижного и неподвижного плоских отклоняющих зеркал выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля. ! 2. Лидар по п.1, отличающийся тем, что принимающий рассеянное излучение телескоп содержит выполненное вогнутым главное зеркало с центральным отверстием, напротив которого размещено вторичное зеркало. 1. Lidar containing a pulsed laser for generating a probing radiation beam, an output optical system with a fixed flat deflecting mirror located on the optical axis of the telescope receiving scattered radiation in the plane of its entrance, and an electronic data processing and control unit connected to the pulsed laser, to which a photodetector placed in the focus of the telescope receiving scattered radiation is connected, characterized in that the pulsed laser is configured to form a probing radiation beam narrow; with the possibility of redirecting the probing radiation beam to a fixed flat deflecting mirror by means of a rotary mechanism associated with an electronic data processing and control unit, and the distance between the centers under The movable and stationary plane deflecting mirrors are chosen to be at least four times the Fresnel scale. ! 2. Lidar according to claim 1, characterized in that the telescope receiving the scattered radiation comprises a concave main mirror with a central hole, opposite which a secondary mirror is located.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может использоваться в приборах для зондирования атмосферной турбулентности, в том числе на дальних расстояниях для заблаговременного предупреждения об опасных для летательных аппаратов зонах повышенной турбулентности, на основе использования эффекта усиления обратного рассеяния в турбулентной среде.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used in instruments for sensing atmospheric turbulence, including long distances for early warning of dangerous areas of increased turbulence for aircraft, based on the use of the backscattering amplification effect in a turbulent medium.

Известны лидары для обнаружения турбулентности, использующие импульсные когерентные доплеровские лазеры с оптическими системами различной конструкции, позволяющие оперативно определять турбулентности любой природы, в том числе турбулентность ясного неба (clear air turbulence), не определяемую традиционными длинноволновыми метеорадарами (например, RU 43657 U1, 2005; RU 2032180 C1, 1995; RU 2335786 C1, 2008; RU 2365523 C2, 2009; RU 2373554 C2, 2009; US 5610703 A, 1997; US 6509566 B1, 2003; DE 4013702 A1, 1991). Однако все они из-за малой мощности применяемых лазеров позволяют индицировать турбулентность на расстояниях не более 1 км.Known lidars for detecting turbulence, using pulsed coherent Doppler lasers with optical systems of various designs, allowing you to quickly determine turbulence of any nature, including clear sky turbulence, not detected by traditional long-wave weather radars (for example, RU 43657 U1, 2005; RU 2032180 C1, 1995; RU 2335786 C1, 2008; RU 2365523 C2, 2009; RU 2373554 C2, 2009; US 5610703 A, 1997; US 6509566 B1, 2003; DE 4013702 A1, 1991). However, all of them, due to the low power of the used lasers, make it possible to indicate turbulence at distances of not more than 1 km.

Из известных устройств наиболее близким к заявленному является лидар, содержащий импульсный лазер для генерирования зондирующего пучка излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом, расположенным на оптической оси принимающего рассеянное излучение телескопа в плоскости его входного отверстия, и связанный с импульсным лазером электронный блок обработки данных и управления, к которому подключен размещенный в фокусе принимающего рассеянное излучение телескопа фотодетектор (RU 2405172 C2, 2010). В этом лидаре импульсный лазер генерирует расширенный зондирующий пучок излучения. В направлении интересующей области пространства посылается зондирующий пучок в два момента времени, а принимаемое рассеянное излучение после принимающего телескопа направляется на два фотодетектора. При этом измеряют распределение интенсивности в поперечном сечении принимаемого рассеянного излучения и на основании сравнения двух распределений интенсивности определяют турбулентность атмосферы, обнаруживая спеклы и сравнивая спекл-структуры. Т.е. дистанционное обнаружение атмосферной турбулентности основано на наблюдении спекл-структур в рассеивающем объеме, поперечные размеры которого определяются шириной зондирующего пучка излучения, а продольный размер - длительностью лазерного импульса. Источником информации для измерения турбулентности служит различие хаотических спекл-структур в двух параллельных плоскостях поперечного сечения зондирующего пучка излучения.Of the known devices, the closest to the claimed one is a lidar containing a pulsed laser for generating a probe radiation beam, outputting an optical system with a stationary flat deflecting mirror located on the optical axis of the telescope receiving scattered radiation in the plane of its inlet, and an electronic processing unit connected to the pulsed laser data and control to which a photodetector located at the focus of the scattered radiation receiving telescope is connected (RU 2405172 C2, 2010). In this lidar, a pulsed laser generates an expanded probe beam of radiation. A probe beam is sent in the direction of the region of space of interest at two instants of time, and the received scattered radiation after the receiving telescope is directed to two photodetectors. In this case, the intensity distribution in the cross section of the received scattered radiation is measured and, based on a comparison of the two intensity distributions, atmospheric turbulence is determined by detecting speckles and comparing speckle structures. Those. Remote detection of atmospheric turbulence is based on the observation of speckle structures in a scattering volume, the transverse dimensions of which are determined by the width of the probe radiation beam, and the longitudinal size is determined by the duration of the laser pulse. The source of information for measuring turbulence is the difference between chaotic speckle structures in two parallel planes of the cross section of the probe radiation beam.

Такой лидар позволяет обнаружить неоднородности и движения воздуха на значительной площади. Однако обнаружение спеклов, наблюдая молекулярное/аэрозольное рассеяние при освещении атмосферы широким лазерным лучем, крайне затруднено из-за искажающего действия турбулентности на пути от рассеивающего объема к пункту наблюдения. Турбулентность этим лидаром возможно обнаруживать на расстоянии нескольких сотен метров, не более 1 км.Such a lidar makes it possible to detect inhomogeneities and air movements over a considerable area. However, the detection of speckles, observing molecular / aerosol scattering when illuminating the atmosphere with a wide laser beam, is extremely difficult due to the distorting effect of turbulence on the way from the scattering volume to the observation point. It is possible to detect turbulence with this lidar at a distance of several hundred meters, not more than 1 km.

Задача, решаемая полезной моделью, состоит в создании лидара, лишенного недостатков прототипа. Технический результат полезной модели заключается в увеличении расстояния, на котором надежно фиксируется атмосферная турбулентность, в том числе за счет обеспечения возможности применения мощных некогерентных лазеров.The problem solved by the utility model is to create a lidar devoid of the disadvantages of the prototype. The technical result of the utility model is to increase the distance at which atmospheric turbulence is reliably fixed, including by providing the possibility of using powerful incoherent lasers.

Это достигается тем, что в лидаре, содержащем импульсный лазер для генерирования зондирующего пучка излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом, расположенным на оптической оси принимающего рассеянное излучение телескопа в плоскости его входного отверстия, и связанный с импульсным лазером электронный блок обработки данных и управления, к которому подключен размещенный в фокусе принимающего рассеянное излучение телескопа фотодетектор, импульсный лазер выполнен с возможностью формирования зондирующего пучка излучения узким, в выводящую оптическую систему введено образующее с неподвижным плоским отклоняющим зеркалом перископ подвижное плоское отклоняющее зеркало, размещенное на оптической оси импульсного лазера и выполненное с возможностью перенаправления зондирующего пучка излучения на неподвижное плоское отклоняющее зеркало посредством поворотного механизма, связанного с электронным блоком обработки данных и управления, а расстояние между центрами подвижного и неподвижного плоских отклоняющих зеркал выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля. Принимающий рассеянное излучение телескоп может содержать выполненное вогнутым главное зеркало с центральным отверстием, напротив которого размещено вторичное зеркало.This is achieved by the fact that in a lidar containing a pulsed laser for generating a probe beam of radiation, the output optical system with a fixed flat deflecting mirror located on the optical axis of the scattered radiation receiving telescope in the plane of its inlet, and an electronic data processing unit connected to the pulsed laser and a control device to which a photodetector located at the focus of the scattered radiation receiving telescope is connected, the pulsed laser is configured to form a probe of the emitting radiation beam narrow, a movable plane deflecting mirror placed on the optical axis of a pulsed laser and configured to redirect the probe beam of radiation to a stationary plane deflecting mirror by means of a rotary mechanism associated with the electronic processing unit is introduced into the output optical system and introduced into the periscope of the periscope data and control, and the distance between the centers of the movable and stationary flat deflecting mirrors is chosen not less than more than four times the Fresnel scale. The scattered radiation receiving telescope may comprise a concave main mirror with a central opening opposite which a secondary mirror is placed.

Конструкция лидара выполнена таким образом, чтобы могло быть реализовано действие эффекта усиления обратного рассеяния в турбулентной среде, открытого советскими учеными (Виноградов А.Г. и др. Закономерность увеличения рассеяния волн. Государственный реестр открытий СССР №359, 02.12.1988). При обратном рассеянии падающая и рассеянные волны излучения проходят через одни и те же турбулентные неоднородности показателя преломления. При этом турбулентность приводит к перераспределению интенсивности волны в пространстве. Интенсивность, рассеянная в обратном направлении, увеличивается по сравнению с той, которая наблюдалась бы при обратном рассеянии на том же препятствии при отсутствии турбулентности. При распространении оптических волн в атмосфере это явление наблюдается в небольшом телесном угле в окрестности направления рассеяния точно назад.The lidar was designed in such a way that the effect of the backscattering enhancement effect in a turbulent medium discovered by Soviet scientists could be realized (Vinogradov A.G. et al. Regularity of the increase in wave scattering. USSR State Register of Discoveries No. 359, 02/02/1988). In backscattering, the incident and scattered radiation waves pass through the same turbulent inhomogeneities of the refractive index. In this case, turbulence leads to a redistribution of the wave intensity in space. The intensity scattered in the opposite direction increases compared to that which would be observed with backscattering at the same obstacle in the absence of turbulence. When optical waves propagate in the atmosphere, this phenomenon is observed in a small solid angle in the vicinity of the scattering direction exactly backward.

При лидарном зондировании атмосферы регистрируется излучение, рассеянное молекулами воздуха и/или частицами аэрозоля, размеры которых сравнимы с длиной волны λ излучения, в заднюю полусферу. Если излучатель и приемник совмещены в пространстве, а разделение посылаемого лазерного импульса и регистрируемого рассеянного излучения происходит за счет селекции по времени, то принимаемые волны дважды проходят через одни и те же оптические неоднородности. Двойное прохождение приводит к изменению индикатрисы рассеяния на частице, находящейся в турбулентной среде, по сравнению с индикатрисой для той же частицы в свободном пространстве. Турбулентность обуславливает перераспределение рассеянной мощности по углам так, что в направлении назад рассеянная средняя мощность увеличивается. Угловая ширина области усиления составляет где L - расстояние от источника до рассеивающей частицы (от лидара до рассеивающего объема). Например, для расстояния 10 км и длины волны λ=1 мкм этот угол равен 10 мкрад, при этом эффект усиления обратного рассеяния наблюдается при условии, что радиус апертуры наблюдателя не превышает 10 см.During lidar sounding of the atmosphere, radiation is scattered by air molecules and / or aerosol particles, the sizes of which are comparable with the radiation wavelength λ, into the rear hemisphere. If the emitter and receiver are combined in space, and the separation of the transmitted laser pulse and the recorded scattered radiation occurs due to time selection, then the received waves pass through the same optical inhomogeneities twice. Double passage leads to a change in the scattering indicatrix on a particle located in a turbulent medium, compared with the indicatrix for the same particle in free space. Turbulence causes the redistribution of power dissipation in the corners so that in the backward direction the power dissipation increases. The angular width of the gain region is where L is the distance from the source to the scattering particle (from the lidar to the scattering volume). For example, for a distance of 10 km and a wavelength of λ = 1 μm, this angle is 10 μrad, while the backscattering enhancement effect is observed provided that the observer aperture radius does not exceed 10 cm.

Лидар содержит импульсный лазер 1 для генерирования узкого зондирующего пучка 2 излучения, выводящую оптическую систему с неподвижным 3 и подвижным 4 плоскими отклоняющими зеркалами, принимающий рассеянное рассеивающим объемом 5 излучение 6 телескоп, который может содержать выполненное вогнутым главное зеркало 7 с центральным отверстием 8 и размещенное напротив него вторичное зеркало 9, выполненное, например, плоским, электронный блок 10 обработки данных и управления и подключенный к нему фотодетектор 11, который размещен в фокусе принимающего рассеянное излучение 6 телескопа. Неподвижное плоское отклоняющее зеркало 3 расположено на оптической оси принимающего рассеянное излучение 6 телескопа в плоскости его входного отверстия. Подвижное плоское отклоняющее зеркало 4 размещено на оптической оси зондирующего пучка 2 импульсного лазера 1 и выполнено так, что оно посредством поворотного механизма (на чертеже не показан) может занимать два положения - одно вне зондирующего пучка 2 или другое, перенаправляя зондирующий пучок 2 на неподвижное плоское отклоняющее зеркало 3. Поворотный механизм связан с электронным блоком 10 обработки данных и управления. Неподвижное 3 и подвижное 4 плоские отклоняющие зеркала образуют собой перископ. Расстояние d между центрами подвижного 4 и неподвижного 3 плоских отклоняющих зеркал выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля. Важно, что конструкция лидара выполнена так, что обеспечивается параллельность направления зондирующих пучков 2 излучения оптической оси принимающего рассеянное излучение 6 телескопа.The lidar contains a pulsed laser 1 for generating a narrow probe beam of radiation 2, outputting an optical system with a fixed 3 and a movable 4 flat deflecting mirrors, receiving a telescope scattered by the scattering volume 5, which may contain a concave main mirror 7 with a central hole 8 and placed opposite a secondary mirror 9, made, for example, flat, an electronic data processing and control unit 10 and a photodetector 11 connected to it, which is placed in focus receiving its scattered radiation 6 telescope. A fixed flat deflecting mirror 3 is located on the optical axis of the telescope receiving scattered radiation 6 in the plane of its inlet. A movable plane deflecting mirror 4 is placed on the optical axis of the probe beam 2 of the pulsed laser 1 and is configured so that it can occupy two positions by means of a rotary mechanism (not shown in the drawing) - one outside the probe beam 2 or the other, redirecting the probe beam 2 to a stationary plane deflecting mirror 3. The rotary mechanism is connected to the electronic unit 10 for data processing and control. Fixed 3 and moving 4 flat deflecting mirrors form a periscope. The distance d between the centers of the movable 4 and the stationary 3 flat deflecting mirrors is chosen not less than four times the Fresnel scale. It is important that the lidar design is made so that the direction of the probing beams 2 of the optical axis of the telescope receiving the scattered radiation 6 is parallel.

Лидар функционирует следующим образом. Импульсный лазер 1 по команде электронного блока 10 обработки данных и управления (выполненного преимущественно в виде компьютера) генерирует мощный узкий зондирующий пучок 2 излучения, которое направляется в перископ. При одном положении управляемого электронным блоком 10 подвижного плоского отклоняющего зеркала 4 (показанном на чертеже сплошной линией), зондирующий пучок 2 излучения полностью перехватывается им и направляется на неподвижное плоское отклоняющее зеркало 3, отражаясь от которого, направляется в атмосферу вдоль оптической оси телескопа. Мощность отраженного от рассеивающего объема 5 рассеянного излучения 6 измеряется фотодетектором 11 и фиксируется в электронном блоке 10 как функция времени, который измеряет расстояние L по времени запаздывания рассеянного излучения 6. При другом положении подвижного плоского отклоняющего зеркала 4 (показанном на чертеже пунктиром) оно полностью выводится из зондирующего пучка 2 излучения, который направляется в атмосферу, минуя перископ. При этом электронный блок 10 фиксирует мощность, отличающуюся на угол d/L от направления точно назад. Учитывая малость угла d/L, рассеивающий объем 5 остается практически одним и тем же при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4. С той же точностью зондирующие пучки 2 излучения и лучи рассеянного излучения 6 идут по одинаковым путям при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4. Отношение мощностей рассеянного излучения 6 при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4 дает значение коэффициента усиления обратного рассеяния. Т.е. информация о турбулентности получается в результате сравнения мощностей принятого рассеянного излучения 6 при двух положениях подвижного плоского отражающего зеркала 4. Расстояние d между центрами подвижного 4 и неподвижного 3 плоских отклоняющих зеркал (расстояние между оптической осью принимающего рассеянное излучение 6 телескопа и оптической осью импульсного лазера 1, т.е. приемная апертура лидара) выбрано не менее чем в четыре раза превышающим масштаб Френеля, равного (Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М., «Наука», 1978, с. 310-311). Масштаб Френеля определяет масштаб корреляции флуктуаций интенсивности излучения с длиной волны λ, наблюдаемого на расстоянии L, а это определяет масштаб области, в которой наблюдается эффект усиления обратного рассеяния. При выборе указанного расстояния менее величины в четыре масштаба Френеля исчезает разница наблюдаемых мощностей принимаемого рассеянного излучения 6 при двух положениях подвижного плоского отклоняющего зеркала 4, которая позволяет реализовать необходимое функционирование лидара, что подтверждается экспериментально. Максимальное же значение расстояния d определяется только соображениями конструкции лидара. Например, для расстояния L=10 км и длины волны λ=1 мкм масштаб Френеля равен 10 см, а величина расстояния d для одной из возможных конкретных конструкций лидара равна 40-50 см.Lidar functions as follows. The pulsed laser 1 at the command of the electronic unit for data processing and control (made primarily in the form of a computer) generates a powerful narrow probe beam 2 of radiation that is sent to the periscope. With one position controlled by the electronic unit 10 of the movable plane deflecting mirror 4 (shown in the drawing by a solid line), the probe beam 2 of radiation is completely intercepted by it and sent to a stationary plane deflecting mirror 3, reflected from which, is sent to the atmosphere along the optical axis of the telescope. The power of the scattered radiation 6 reflected from the scattering volume 5 is measured by a photodetector 11 and recorded in the electronic unit 10 as a function of time, which measures the distance L from the delay time of the scattered radiation 6. At a different position of the movable plane deflecting mirror 4 (dotted line in the drawing), it is completely output from the probe beam 2 radiation, which is sent to the atmosphere, bypassing the periscope. In this case, the electronic unit 10 captures a power that differs by an angle d / L from the direction exactly back. Given the smallness of the angle d / L, the scattering volume 5 remains practically the same for two positions of the movable plane deflecting mirror 4. With the same accuracy, the probing radiation beams 2 and scattered radiation rays 6 follow the same paths for two positions of the movable plane deflecting mirror 4 The ratio of the powers of the scattered radiation 6 at two positions of the movable plane deflecting mirror 4 gives the value of the backscattering gain. Those. turbulence information is obtained by comparing the powers of the received scattered radiation 6 at two positions of the movable flat reflecting mirror 4. The distance d between the centers of the movable 4 and the stationary 3 flat deflecting mirrors (the distance between the optical axis of the telescope receiving scattered radiation 6 and the optical axis of the pulsed laser 1, i.e., the receiving aperture of the lidar) is chosen not less than four times the Fresnel scale equal to (Tatarsky V.I. Propagation of waves in a turbulent atmosphere. M., "Science", 1978, p. 310-311). The Fresnel scale determines the scale of the correlation of fluctuations in the radiation intensity with the wavelength λ observed at a distance L, and this determines the scale of the region in which the backscattering amplification effect is observed. When this distance is chosen to be less than four Fresnel scales, the difference between the observed powers of the received scattered radiation 6 at two positions of the movable plane deflecting mirror 4 disappears, which allows the necessary operation of the lidar to be realized, which is confirmed experimentally. The maximum value of the distance d is determined only by the design considerations of the lidar. For example, for a distance L = 10 km and a wavelength of λ = 1 μm, the Fresnel scale is 10 cm, and the distance d for one of the possible specific structures of the lidar is 40-50 cm.

Измерение турбулентности лидаром не зависит от свойств рассеивающего аэрозоля, распределения его частиц по размерам и т.п. Кроме того, использование в лидаре для приема рассеянного излучения 6 одного и того же фотодетектора 11 и одного и того же принимающего телескопа уменьшает систематическую ошибку при измерениях, которая могла бы возникнуть при использовании разнесенных приемников. Это дополнительно способствует надежности и объективности контроля.The measurement of turbulence by lidar does not depend on the properties of the scattering aerosol, its particle size distribution, etc. In addition, the use of the same photodetector 11 and the same receiving telescope in the lidar for receiving scattered radiation 6 reduces the systematic measurement error that might occur when using diversity receivers. This further contributes to the reliability and objectivity of control.

Лидар, выполненный в соответствии с полезной моделью, за счет реализации эффекта усиления обратного рассеяния в турбулентной среде, обеспечивает надежное обнаружение турбулентности и оценку ее величины на расстояниях до 30 км, что значительно больше чем для известных лидаров. Это позволяет, в частности, создавать высокоэффективные системы раннего оповещения летательных аппаратов при приближении к зонам турбулентности.The lidar, made in accordance with the utility model, by implementing the backscattering enhancement effect in a turbulent medium, provides reliable detection of turbulence and estimates of its magnitude at distances up to 30 km, which is much larger than for known lidars. This allows, in particular, to create highly efficient early warning systems for aircraft when approaching turbulence zones.

Claims

1. A lidar containing a pulsed laser for generating a probe beam of radiation, outputting an optical system with a fixed flat deflecting mirror located on the optical axis of the telescope receiving scattered radiation in the plane of its inlet, and an electronic data processing and control unit connected to the pulsed laser, to which a photodetector located at the focus of the scattered radiation receiving telescope is connected, characterized in that the pulsed laser is configured to form a probe of the radiation beam narrow, a movable plane deflecting mirror placed on the optical axis of the pulsed laser and configured to redirect the probing beam of radiation to the stationary plane deflecting mirror by means of a rotary mechanism associated with the electronic processing unit is introduced into the output optical system data and control, and the distance between the centers of the movable and stationary flat deflecting mirrors is chosen no less than four times the Fresnel scale.

2. Lidar according to claim 1, characterized in that the scattered radiation receiving telescope comprises a concave main mirror with a central hole opposite which a secondary mirror is placed.