RU173330U1

RU173330U1 - POLARIZATION LIDAR

Info

Publication number: RU173330U1
Application number: RU2017115376U
Authority: RU
Inventors: Юрий Степанович Балин; Михаил Михайлович Новоселов; Григорий Павлович Коханенко; Иоганес Эрнстович Пеннер; Светлана Викторовна Самойлова; Марина Георгиевна Клемашева; Сергей Владимирович Насонов
Priority date: 2017-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2017-08-22

Abstract

Полезная модель относится к области использования лидарных технологий в метеорологии и атмосферной оптики, может применяться для измерения оптических и микрофизических параметров атмосферы, для контроля уровня загрязнения атмосферы, распознавания кристаллических и градоопасных облаков. Устройство содержит поляризационный расщепитель-анализатор, полуволновую фазовую пластину с возможностью полного кругового вращения её оси относительно оптической оси телескопа. Это позволяет в процессе измерений произвести взаимную калибровку чувствительности фотодетекторов, путем пространственного изменения поляризационного приемного базиса за счет дискретного вращения полуволновой фазовой пластинки и регистрации сигналов фотодетекторов при каждом фиксированном положении пластинки. Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения степени деполяризации сигналов поляризационного лазера. 1 ил.The utility model relates to the use of lidar technologies in meteorology and atmospheric optics; it can be used to measure the optical and microphysical parameters of the atmosphere, to control the level of atmospheric pollution, and to recognize crystalline and hail clouds. The device contains a polarizing splitter-analyzer, a half-wave phase plate with the possibility of complete circular rotation of its axis relative to the optical axis of the telescope. This allows the measurement process to calibrate the sensitivity of the photodetectors by spatial changes in the polarization receiving base due to discrete rotation of the half-wave phase plate and registration of photodetector signals at each fixed position of the plate. The technical result consists in reducing the error in measuring the degree of depolarization of the signals of a polarization laser. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области использования лидарных технологий в метеорологии и атмосферной оптики, может применяться для измерения оптических и микрофизических параметров атмосферы, для контроля уровня загрязнения атмосферы, распознавания кристаллических и градоопасных облаков и т.д.The utility model relates to the use of lidar technologies in meteorology and atmospheric optics, can be used to measure the optical and microphysical parameters of the atmosphere, to control the level of atmospheric pollution, to recognize crystalline and hail clouds, etc.

Известен простейший тип лидара для зондирования атмосферы, основанный на использовании лазера, оптического телескопа с фотоприемником и системой регистрации, позволяющей записывать пространственный профиль амплитуды лидарного сигнала вдоль трассы зондирования [Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Изд-во ИОА СО РАН, Томск. 2008. 225 с. Глава 3 стр. 89].The simplest type of lidar for sensing the atmosphere is known, based on the use of a laser, an optical telescope with a photodetector and a recording system that allows you to record the spatial profile of the amplitude of the lidar signal along the sensing path [Zuev V.E., Burlakov V.D. Siberian Lidar Station: 20 years of optical monitoring of the stratosphere // Publishing House of IOA SB RAS, Tomsk. 2008.225 s. Chapter 3 p. 89].

Предназначение этого лидара заключается в получении информации о высотном распределении параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы.The purpose of this lidar is to obtain information on the altitude distribution of the parameters of aerosol and cloud fields of the atmosphere.

Основным недостатком этого и других аналогичных устройств [Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В. «Аэрозольно-рамановский лидар «ЛОЗА-М2» // Квантовая электроника. 2011. №10. С. 945-949] является ограниченные функциональные возможности, обусловленные трудностью выделения пространственных областей аэрозольной и облачной атмосферы содержащих несферические частицы, поскольку в лидарах не осуществляется поляризационный анализ принимаемых лидарных сигналов.The main disadvantage of this and other similar devices [Balin Yu.S., Bayrashin G.S., Kokhanenko G.P., Klemasheva M.G., Penner I.E., Samoilova S.V. “Aerosol-Raman lidar“ LOZA-M2 ”// Quantum Electronics. 2011. No. 10. S. 945-949] is limited functionality due to the difficulty of distinguishing the spatial regions of the aerosol and cloud atmosphere containing nonspherical particles, since lidars do not carry out polarization analysis of the received lidar signals.

Известны оптические поляризационные устройства для зондирования атмосферы, состоящие из источника линейно-поляризованного излучения, фотоэлектрических приемников, блока регистрации и оптической системы, содержащее поляризационные фильтры, делящие рассеянное в обратном направлении излучение на два взаимно ортогональных компонента, один из которых параллелен плоскости поляризации излучаемого светового потока [Авторское свидетельство СССР №373602, кл. G01W 1/00, 1971; Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы. Изд. ИОА СО АН СССР, Томск, 1976, с. 236].Known optical polarization devices for sensing the atmosphere, consisting of a linearly polarized radiation source, photoelectric detectors, a recording unit and an optical system containing polarizing filters dividing the backscattered radiation into two mutually orthogonal components, one of which is parallel to the plane of polarization of the emitted light flux [USSR author's certificate No. 373602, cl. G01W 1/00, 1971; Abstracts of the IV All-Union Symposium on Laser Sensing of the Atmosphere. Ed. IOA SB AS USSR, Tomsk, 1976, p. 236].

В этих устройствах на среду направляют пучок плоскополяризованного света и измеряют степень деполяризации, как отношение сигналов двух ортогональных компонент, которая является критерием границ области многократного рассеяния света и присутствия несферических частиц. В качестве приемников излучения используются два телескопа с фотодетекторами, перед которыми установлены поляризационные фильтры.In these devices, a plane-polarized light beam is directed to the medium and the degree of depolarization is measured as the ratio of the signals of two orthogonal components, which is a criterion for the boundaries of the region of multiple light scattering and the presence of nonspherical particles. Two telescopes with photodetectors, in front of which polarizing filters are installed, are used as radiation detectors.

Недостатком подобных устройств является необходимость использования двух приемных телескопов, что усложняет конструкцию локатора и вызывает трудность точной совместной настройки телескопов на один рассеивающий объем.The disadvantage of such devices is the need to use two receiving telescopes, which complicates the design of the locator and makes it difficult to accurately adjust the telescopes to one scattering volume.

Ближайшее техническое решение к полезной модели - поляризационный лидар для зондирования атмосферы, включающий источник поляризационного излучения, приемный телескоп с расположенными на оптической оси поляризационным расщепителем-анализатором, делящим рассеянное в обратном направлении излучение на два пучка со взаимно ортогональными компонентами и двумя фотодетекторами с блоком регистрации [Toshiyuki Murayama, Hajime Okamoto, Naoki Kaneyasu, Hiroki Kamataki, and Kazuhiko Miura. Application of lidar depolarization measurement in the atmospheric boundary layer: Effects of dust and sea-salt particles // Journal of Geophysical Research, vol. 104, no. d24, pages 31,781-31,792, December 27, 1999].The closest technical solution to the utility model is a polarization lidar for sensing the atmosphere, including a polarizing radiation source, a receiving telescope with a polarizing splitter-analyzer located on the optical axis, dividing the backscattered radiation into two beams with mutually orthogonal components and two photodetectors with a recording unit [ Toshiyuki Murayama, Hajime Okamoto, Naoki Kaneyasu, Hiroki Kamataki, and Kazuhiko Miura. Application of lidar depolarization measurement in the atmospheric boundary layer: Effects of dust and sea-salt particles // Journal of Geophysical Research, vol. 104, no. d24, pages 31,781-31,792, December 27, 1999].

Основным недостатком этого устройства является аппаратная погрешность измерения степени деполяризации излучения в рассеивающем объеме атмосферы. Это связано с тем, что при использовании двух фотоприемников, измеряемая степень деполяризации существенно зависит от погрешности регистрации отношения лидарных сигналов фотодетекторов, чувствительность которых различна, поскольку двух одинаковых фотодетекторов не существует.The main disadvantage of this device is the hardware error of measuring the degree of depolarization of radiation in the scattering volume of the atmosphere. This is due to the fact that when using two photodetectors, the measured degree of depolarization substantially depends on the error in registering the ratio of lidar signals of photodetectors, the sensitivity of which is different, since there are no two identical photodetectors.

Цель полезной модели - уменьшение погрешности измерения степени деполяризации сигналов поляризационного лазера.The purpose of the utility model is to reduce the error in measuring the degree of depolarization of the signals of a polarization laser.

Поставленная цель достигается тем, что перед поляризационным расщепителем-анализатором установлена полуволновая фазовая пластина с возможностью полного кругового вращения ею осью наибольшего пропускания относительно оптической оси телескопа. Это позволяет в процессе измерений произвести взаимную калибровку чувствительности фотодетекторов, путем пространственного изменения поляризационного приемного базиса за счет дискретного вращения полуволновой фазовой пластинки и регистрации сигналов фотодетекторов при каждом фиксированном положении пластинки. При полном обороте полуволновой пластинки каждый фотодетектор зарегистрирует набор амплитуд лидарных сигналов от максимального до минимального. Сумма сигналов определит интегральное значение сигнала для каждого фотодетектора, которые в общем случае будут отличаться друг от друга, поскольку чувствительность фотодетекторов различна. Отношение интегральных сигналов двух фотодетекторов является величиной коэффициента калибровки, т.е. коэффициентом пропорциональности чувствительности между двумя фотодетекторами. При этом не имеет значения точность установки быстрой оси полуволновой фазовой пластинки относительно плоскости линейной поляризации источника излучения, поскольку интегральное значение сигнала при полном обороте пластинки будет постоянным независимо от ее первоначального положения.This goal is achieved by the fact that a half-wave phase plate is installed in front of the polarizing splitter-analyzer with the possibility of full circular rotation with its axis of maximum transmission relative to the optical axis of the telescope. This allows the measurement process to calibrate the sensitivity of the photodetectors by spatial changes in the polarization receiving base due to discrete rotation of the half-wave phase plate and registration of photodetector signals at each fixed position of the plate. At a full revolution of the half-wave plate, each photodetector will record a set of amplitudes of lidar signals from maximum to minimum. The sum of the signals will determine the integral value of the signal for each photodetector, which in the general case will differ from each other, since the sensitivity of the photodetectors is different. The ratio of the integrated signals of the two photodetectors is the value of the calibration coefficient, i.e. coefficient of proportionality of sensitivity between two photodetectors. In this case, the accuracy of setting the fast axis of the half-wave phase plate relative to the plane of linear polarization of the radiation source does not matter, since the integral value of the signal at a full revolution of the plate will be constant regardless of its initial position.

На фиг. 1 схематично изображена блок-схема поляризационного лидара для зондирования атмосферы.In FIG. 1 schematically shows a block diagram of a polarization lidar for sensing the atmosphere.

Лидар содержит общую платформу 1, на которой расположены источник 2 линейно-поляризованного излучения (лазер), рядом с которым расположен приемный оптический телескоп 3 с углом поля зрения, охватывающим весь световой пучок, направляемый источником в атмосферу.The lidar contains a common platform 1, on which a linearly polarized radiation source 2 (laser) is located, next to which there is a receiving optical telescope 3 with a field of view angle covering the entire light beam directed by the source into the atmosphere.

На выходе телескопа на его оптической оси установлена полуволновая фазовая пластинка 4 с возможностью полного кругового вращения относительно оси телескопа.At the output of the telescope, a half-wave phase plate 4 is mounted on its optical axis with the possibility of full circular rotation relative to the axis of the telescope.

После фазовой пластинки на оптической оси установлен расщепитель-анализатор 5 (призма Волластона), который разделяет световой пучок на два компонента с ортогональной поляризацией (параллельный и перпендикулярный). На выходе анализатора 5 на пути расщепленных лучей установлены два фотодетектора 6 и 7, преобразующих световые сигналы в электрические, при этом два фотодетектора 6 и 7 электрически подключены к блоку регистрации 8, где сигналы оцифровываются и обрабатываются.After the phase plate, a splitter analyzer 5 (Wollaston prism) is installed on the optical axis, which divides the light beam into two components with orthogonal polarization (parallel and perpendicular). At the output of the analyzer 5, two photodetectors 6 and 7 are installed on the path of the split beams, which convert the light signals into electrical signals, while two photodetectors 6 and 7 are electrically connected to the recording unit 8, where the signals are digitized and processed.

Поляризационный лидар работает следующим образом.Polarization lidar works as follows.

В первый момент времени быстрая ось фазовой пластинки 4 устанавливается под углом 0 градусов к плоскости референции, а источник излучения 2 посылает в атмосферу линейно-поляризованное излучение. Рассеянное в обратном направлении излучение поступает на приемный оптический телескоп 3, собирается в узкий световой пучок, коллимируется и направляется на фазовую пластинку 4 и далее на поляризационный расщепитель-анализатор 5, который разделяет его на два взаимно-ортогональных компонента. Ортогональные компоненты светового потока направляются на фотодетекторы 6 и 7, которые преобразуют их в электрические сигналы и затем поступают в блок регистрации 8 для оцифровки, записи и обработки. При таком положении полуволновой фазовой пластинки один сигнал с параллельной плоскостью поляризации имеет максимальное значение, а второй - с ортогональным компонентом достигает минимальной величины. В дальнейшем через измеренное отношение интенсивности сигналов ортогональных компонент определяется степень деполяризации обратно рассеянного излучения.At the first moment of time, the fast axis of the phase plate 4 is set at an angle of 0 degrees to the plane of reference, and the radiation source 2 sends linearly polarized radiation to the atmosphere. The radiation scattered in the opposite direction enters the receiving optical telescope 3, is collected in a narrow light beam, collimated and sent to the phase plate 4 and then to the polarization splitter-analyzer 5, which divides it into two mutually orthogonal components. The orthogonal components of the light flux are sent to photodetectors 6 and 7, which convert them into electrical signals and then enter the registration unit 8 for digitization, recording and processing. With this position of the half-wave phase plate, one signal with a parallel plane of polarization has a maximum value, and the second signal with an orthogonal component reaches a minimum value. Subsequently, the degree of depolarization of the backscattered radiation is determined through the measured intensity ratio of the signals of the orthogonal components.

Во второй момент времени фазовые пластинки 4 поворачиваются на нектороый угол, например 10 градусов. Затем вновь производится посылка линейно-поляризованного излучения в атмосферу от источника 2. Рассеянное атмосферой в обратном направлении излучение вновь поступает на приемный оптический телескоп 3, полуволновую фазовую пластинку 3, расщепитель-анализатор 5, на фотодетекторы 6 и 7, электрические сигналы с которых поступают на блок регистрации 8.At the second moment of time, the phase plates 4 rotate at a certain angle, for example, 10 degrees. Then, linearly polarized radiation is sent back to the atmosphere from source 2. The radiation scattered by the atmosphere in the opposite direction again comes to the receiving optical telescope 3, half-wave phase plate 3, splitter analyzer 5, and photodetectors 6 and 7, from which electric signals are transmitted registration unit 8.

При этом фотодетекторы 6 и 7 регистрируют ортогональные поляризационные компоненты лидарного сигнала о новом поляризационном базисе, развернутом относительно первоначального на угол 10 градусов. В этом положении фазовой пластинки 4 сигнал с параллельной первоначально плоскостью поляризации будет уменьшаться от максимального, а сигнал с ортогональным компонентом увеличиваться.At the same time, photodetectors 6 and 7 register the orthogonal polarization components of the lidar signal about a new polarization basis, which is rotated relative to the initial one by an angle of 10 degrees. In this position of the phase plate 4, the signal with the initially parallel plane of polarization will decrease from the maximum, and the signal with the orthogonal component will increase.

В дальнейшем эти операции, путем вращения пластинки 4, повторяют до достижения первоначального положения пластинки, после чего в блоке регистрации 8 вычисляют интегральные значения сигналов от фотодетекторов 6 и 7 за весь цикл измерений.Subsequently, these operations, by rotating the plate 4, are repeated until the initial position of the plate is reached, after which the integral values of the signals from the photodetectors 6 and 7 are calculated in the recording unit 8 for the entire measurement cycle.

Отношение интегральных значений сигналов определяет коэффициент калибровки фотодетекторов между собой, т.е. учитывает степень различия чувствительностей фотодетекторов. Данный коэффициент в дальнейшем учитывается при определении степени деполяризации обратно рассеянного излучения через отношение амплитуды сигналов двух фотодетекторов.The ratio of the integral values of the signals determines the calibration coefficient of the photodetectors among themselves, i.e. takes into account the degree of difference in sensitivity of photodetectors. This coefficient is further taken into account when determining the degree of depolarization of backscattered radiation through the ratio of the amplitude of the signals of two photodetectors.

Claims

A polarization lidar for sensing the atmosphere, including a linearly polarized radiation source located on a common platform, a receiving optical telescope mounted in its immediate vicinity, on the optical axis of which a polarization splitter analyzer and two photodetectors are connected electrically connected to the recording unit, characterized in that a half-wave phase plate with the possibility of full circular rotation is installed in front of the polarizing splitter-analyzer relative to the optical axis of the telescope.