<<
>>

2.5. Аппаратура для лазерного зондирования

Для решения каждой конкретной атмосферной задачи, естествен­но, используется конкретная схема лидара. Однако во всех случаях в лидаре непременно присутствуют три основных блока:

1) лазерный источник излучения с передающей антенной:

2) приемная антенна с фотодетектором;

3) регистратор лидарных сигналов.

Для многих атмосферных задач необходимо селектировать соб­ранный приемной антенной лидарный сигнал по спектральным час­тотам или по поляризации. В этих случаях на выходе приемной ан­тенны устанавливается анализатор спектра или поляризатор прини­маемого оптического сигнала. Следовательно, анализатор спектра АС или поляризатор лидарного сигнала также можно отнести к основ­ным блокам лидара. Кроме того, регистрация таких быстропротекающих процессов, каким является лидарный сигнал, невозможна без использования быстродействующих процессоров ПР и дисплеев Д. Как правило, для этих целей используются современные компьюте­ры, которые позволяют не только обрабатывать, хранить и визуали-зировать лидарные данные, но и контролировать параметры и уп­равлять всем комплексом лидара в автоматизированном режиме. Та­ким образом, обобщенную схему современного лидара можно пред­ставить состоящей из пяти основных блоков (рис.8).

Естественно, главным активным элементом лидара является ла­зер Л. Все основные энергетические, временные, пространственные, спектральные и поляризационные характеристики лазерного излуче­ния, как правило, реализуются непосредственно в самом лазере. Они обычно контролируются на выходе с помощью блока контроля БК и линзы Л1. Чаще всего такой блок используется для измерения опор­ного сигнала и выработки сигнала запуска регистрирующей аппара­туры, а также для контроля длины волны лазерного излучения. Излу­чается зондирующий лазерный пучок с помощью передающей ан­тенны А1, а принимается с помощью приемной антенны А 2 и линзы Л 2.

Рис.8 Обобщенная схема лидара.

Приемная антенна лидара представляет собой телескоп, чаще всего зеркальный, построенный обычно по схеме Ньютона (рис.9а) или Кассегрена (рис.9б), в фокусе которого устанавливается полевая диафрагма 3 2 (3 3). В качестве зеркала 3 1 используется параболическое зеркало, зеркала З2 - плоское зеркало, а З3 - гиперболическое зеркало. Полевая диафрагма служит для сужения угла зрения приемной ан­тенны j, поскольку он определяется отношением j = dо/f , где dо -диаметр полевой диафрагмы, f - фокусное расстояние телескопа. Уменьшение угла зрения приемной антенны позволяет снизить уро­вень фоновых шумов, приходящих из атмосферы. Однако при этом необходимо учитывать, что уменьшение j всегда ограничено снизу углом расхождения зондирующего лазерного излучения j, т.е. j » y, откуда dоmin = yj.

Если необходима спектральная селекция отраженного лазерного сигнала, то для этих целей используется монохроматор, входное от­верстие которого совмещается с полевой диафрагмой.

Рис.9. Зеркальные телескопы Ньютона (а) и Кассергена (б)

Для снижения уровня фоновых шумов перед фотоприемником ФП устанавливаются узкополосные фильтры. Для уменьшения влияния мощной засветки ФП локационным сигналом с начала трассы зон­дирования используются ослабители излучения, специальные винь-етирующие диафрагмы и оптические затворы.

В качестве фотоприемника ФП в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектры наиболее распространение получили фото­электронные множители (ФЭУ).

Отраженный лазерный сигнал после обработки заносится в блок памяти БП компьютера.

Идея гетеродинного приема давно применяется в радиодиапазо­не. а после появления лазеров она позволяет создать новое направ­ление в лазерном зондировании.

Ее сущность кратко может быть сформулирована следующим образом. Если эхо-сигнал зондирующего лазерного импульса когерентно смешать с импульсом другого такого же лазера, но с несколько смещенной частотой, тогда на выходе на­ряду с частотами этих лазеров будет присутствовать частота, равная разности этих частот. Причем под когерентным смешением частот понимается такое, при котором оба лазерных пучка должны быть стро­го в фазе друг с другом на поверхности детектора, имея при этом одну и ту же поляризацию.

На рис.10 приведена схема лидара с гетеродинным приемом. Согласно этой схемы излучение от лазера Л со стабильной частотой поляризуется в плоскости чертежа, далее четвертьволновая пластин­ка преобразует линейно поляризованное излучение в излучение с круговой поляризацией, которое посылается через телескоп в атмос­феру. Эта же пластинка преобразует поляризацию эхо-сигнала в ли­нейную, только с плоскостью поляризации, перпендикулярной плос­кости чертежа. Далее эхо-сигнал, пройдя через поляризатор П, попа­дает в приемное устройство лидара, в котором происходит гете­родинное смешение эхо-сигнала и сигнала от гетеродина Г. Полосо­вым фильтром ПФ выделяется напряжение разностной частоты (10 6 Гц).

Рис. 10. Схема лидара с гетерогенным приемником

<< | >>
Источник: М.А.Пашкевич. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ Конспект лекций. 2001

Еще по теме 2.5. Аппаратура для лазерного зондирования:

  1. Статьи для анализа
  2. Сверхпроводящая техника.
  3. Французская фирма «Томсон».
  4. Телевизионные стандарты
  5. Особенности развития отрасли
  6. Отраслевая структура
  7. СТРУКТУРА И ТЕРРИТОРИАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХОЗЯЙСТВА
  8. ВНУТРЕННИЕ РАЗЛИЧИЯ
  9. Глава 18. Защита от электромагнитных полей и лазерного излучения
  10. § 3. Организация контроля состоянияи загрязнения природной среды в городах
  11. Аппаратура для инспекционных (мгновенных) измерений значений объёмной активности (ОА) радона в воздухе помещений
  12. Методы и аппаратура для измерения средних значений объёмной активности радона в воздухе помещений
  13. Оборудование для литья в металлические формы, под низким давлением и для центробежного литья
  14. 4.9. Дистанционный контроль состава и состояния биосферы
  15. 2.З. Лазерное зондирование атмосферы
  16. 2.3.2. Физические явления, используемые для лазерного зондирования атмосферы
  17. 2 .3.3. Основные принципы лазерного зондирования