RU157285U1 - SCANNING LIDAR FOR ATMOSPHERIC PROBING - Google Patents

Abstract

Сканирующий лидар для зондирования атмосферы, включающий приемопередатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на двухкоординатной поворотной платформе, валы вращения двигателей которой снабжены с позиционными датчиками, обеспечивающими информацию об угловом положении платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, управляющий вычислительный комплекс, подключенный к лазеру, фотоприемному блоку, двигателям и позиционным датчикам, отличающийся тем, что на валах вращения двигателей установлены диски с кодированной магнитной лентой, последовательность кодов которой об угловом положении поворотной колонки считывается бесконтактными сенсорными магнитными датчиками, закрепленными неподвижно на корпусе платформы в непосредственной близости от поверхности магнитной ленты.A scanning lidar for sensing the atmosphere, including a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector unit, located on a two-axis rotary platform, the shafts of the rotation of the engines of which are equipped with position sensors that provide information about the angular position of the platform in horizontal and vertical planes, a control computer complex connected to the laser, photodetector unit, motors and position sensors, characterized in that on the shafts of rotation of the engines anovleny wheels with an encoded magnetic tape, wherein an angular position of the rotary column sequence codes read contactless sensor magnetic sensors fixedly secured to the platform body in the vicinity of the surface of the magnetic tape.

Description

Полезная модель, сканирующий лидар, относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы. Лидар предназначен для дистанционного определения места положения и оптико-микрофизических параметров плотных аэрозольных образований (облака и дымовые шлейфы) в атмосфере. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при контроле распространения лесных пожаров и выбросов промышленных предприятий, облаков пепла вулканической деятельности и т.д.The utility model, scanning lidar, relates to the field of optical technologies for monitoring the optical-physical parameters of the atmosphere. Lidar is designed to remotely determine the position and optical-microphysical parameters of dense aerosol formations (clouds and smoke plumes) in the atmosphere. The model can also be used to solve the environmental problems of the atmosphere, in particular, when controlling the spread of forest fires and emissions of industrial enterprises, ash clouds of volcanic activity, etc.

Метод лазерного зондирования атмосферы основан на эффектах рассеяния света на молекулах и аэрозольных частицах атмосферы, в том числе и обратном направлении в направлении источника излучения. Источник лазерного излучения направляет импульс света в атмосферу, а оптический сигнал обратного рассеяния поступает на приемный оптический телескоп, затем направляется на фотодетектор, где преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал преобразуется с помощью аналого-цифровых преобразователей или счетчиков фотонов в цифровой вид и направляется для обработки в ПЭВМ, где в соответствии с алгоритмами обработки сигналов извлекают информацию о параметрах атмосферы.The method of laser sensing of the atmosphere is based on the effects of light scattering by molecules and aerosol particles of the atmosphere, including the opposite direction in the direction of the radiation source. A laser light source directs a light pulse into the atmosphere, and an optical backscattering signal is fed to a receiving optical telescope, then sent to a photodetector, where it is converted into an electrical signal. An electrical signal is converted using analog-to-digital converters or photon counters into a digital form and sent for processing to a personal computer, where, in accordance with the signal processing algorithms, information about atmospheric parameters is extracted.

Наиболее простые лидары основаны на использовании эффектов упругого рассеяния при зондировании атмосферы на одной или нескольких длинах волн.The simplest lidars are based on the use of elastic scattering effects when probing the atmosphere at one or several wavelengths.

Известно устройство для исследований аэрозольных и облачных полей тропосферы, основанное на использовании лазера с одной или несколькими длин зондирования и последующей регистрацией пространственной амплитуды развертки сигналами вдоль трассы зондирования [Зуев В.Е., Бурлаков В.Д. Сибирская лидарная станция: 20 лет оптического мониторинга стратосферы // Из-во ИОА СОРАН, Томск. 2008]. Основное предназначение этого устройства заключается в получении информации о высотной стратификации аэрозольных и облачных полей, а также о высотном профиле оптических параметров (коэффициенты общего и обратного рассеяния) атмосферы.A device for studying aerosol and cloud fields of the troposphere, based on the use of a laser with one or more probe lengths and subsequent registration of the spatial amplitude of the sweep signals along the probe path [Zuev V.E., Burlakov VD Siberian lidar station: 20 years of optical monitoring of the stratosphere // Izvo IOA SORAN, Tomsk. 2008]. The main purpose of this device is to obtain information on the altitude stratification of aerosol and cloud fields, as well as on the altitude profile of the optical parameters (general and backscattering coefficients) of the atmosphere.

Основным недостатком этого устройства и других аналогичных устройств высотного зондирования атмосферы [Bösenberg J., Ansmann A., Baldasano J.M., Balis D., Böckmann C., Calpini В., Chaikovsky A., Flamant P., Hågård A., Mitev V., Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinell N.i, Trickl Т., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET: a European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote Sensing, A. Dabas, C. Loth, and J. Pelon, eds. Editions de L′Ecole Polytechnique. 2001. P. 155-158] является ограниченные функциональные возможности устройства, поскольку зондирование проводится только в вертикальном направлении, т.е. информацию можно получать только в одном направлении вдоль трассы зондирования. Тем самым с использованием аналога отсутствует возможность получения двумерной пространственной информации о параметрах атмосферы в плоскости зондирования.The main disadvantage of this device and other similar devices for high-altitude sounding of the atmosphere [Bösenberg J., Ansmann A., Baldasano JM, Balis D., Böckmann C., Calpini B., Chaikovsky A., Flamant P., Hågård A., Mitev V. , Papayannis A., Pelon J., Resendes D., Schneider J., Spinell Ni, Trickl T., Vaughan G., Visconti G., Wiegner M. EARLINET: a European aerosol research lidar network // Advances in Laser Remote Sensing , A. Dabas, C. Loth, and J. Pelon, eds. Editions de L′Ecole Polytechnique. 2001. P. 155-158] is the limited functionality of the device, since sounding is carried out only in the vertical direction, ie information can only be obtained in one direction along the sensing path. Thus, using an analogue, it is not possible to obtain two-dimensional spatial information about the parameters of the atmosphere in the sounding plane.

Следующим шагом для расширения функциональных возможностей лидара является использование в составе лидара сканирующей платформы, при этом посылка лазерного излучения и регистрация сигналов осуществляется последовательно по различным направлениям трасс зондирования.The next step to expand the functionality of the lidar is to use a scanning platform as a part of the lidar, while sending laser radiation and registering signals is carried out sequentially in different directions of the sensing paths.

Известен сканирующий лидар для зондирования атмосферы, содержащий приемопередатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на неподвижном основании. Сканирующая платформа оптически сопряженная с оптическими осями приемо-передатчика лидара выполнена на основе двух зеркал по целостной схеме [Коханенко Г., Макогон М. Флуоресцентно-аэрозольный лидар «ФАРАН-М1» // Фотоника. 2010. №4. С. 50-53.].Known scanning lidar for sensing the atmosphere, containing a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector, located on a fixed base. The scanning platform, optically coupled to the optical axes of the lidar transceiver, is based on two mirrors according to an integrated scheme [Kokhanenko G., Makogon M. Fluorescent-aerosol lidar “FARAN-M1” // Photonics. 2010. No4. S. 50-53.].

Основным недостатком этого устройства является сложность и громоздкость конструкции. Для обеспечения полного перехвата оптических пучков размер зеркал сканирующей системы должен превышать диаметр приемного телескопа. Для описанного аналога, размер зеркал составляют 350×500 мм, а для поворота системы вокруг вертикальной оси необходим подшипник с внутренним диаметром 400 мм. Привод выполнен на шаговом двигателе с инкрементным энкодером и осуществляется через редуктор и шестереночную передачу. Это приводит к дополнительным погрешностям при определении угла поворота сканирующей платформы, т.е. к погрешностям определения угловых координат трассы зондирования.The main disadvantage of this device is the complexity and cumbersome design. To ensure complete interception of optical beams, the size of the mirrors of the scanning system must exceed the diameter of the receiving telescope. For the described analogue, the size of the mirrors is 350 × 500 mm, and a bearing with an inner diameter of 400 mm is required to rotate the system around the vertical axis. The drive is made on a stepper motor with an incremental encoder and is carried out through a gearbox and gear transmission. This leads to additional errors in determining the angle of rotation of the scanning platform, i.e. to errors in determining the angular coordinates of the sensing path.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является сканирующий аэрозольный лидар «ЛОЗА», включающий приемо-передатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком расположенный на двухкоординатной электромеханической поворотной платформе, на валах вращения двигателей которой через паразитные шестеренчатые передачи установлены угловые позиционные датчики в виде вращающихся трансформаторов, подключенных к вычислительному комплексу, управляющему двигателями, лазером и фотоприемным блоком. [Региональный мониторинг атмосферы. Ч. 2. Новые приборы и методики измерений: Коллективная монография / Под общей редакцией М.В. Кабанова. Томск: изд-во «Спектр» Института оптики атмосферы СО РАН, 1997] Недостатком прототипа является сложность конструкции из-за наличия большого количества трущихся вращающихся элементов, что повышает как погрешности углового позиционирования, так и износ поверхностей из-за влияния загрязнений.The closest analogue of the claimed utility model is a scanning aerosol lidar "LOZA", which includes a transmitter-receiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector block located on a two-coordinate electromechanical rotary platform, on the shafts of rotation of the engines of which angular position sensors are installed in the form of rotating transformers through parasitic gear gears connected to the computer complex controlling the engines, laser and photodetector unit. [Regional monitoring of the atmosphere. Part 2. New instruments and measurement methods: Collective monograph / Edited by M.V. Kabanova. Tomsk: Spectrum Publishing House of the Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 1997] The disadvantage of the prototype is the design complexity due to the presence of a large number of rubbing rotating elements, which increases both angular positioning errors and surface wear due to the influence of contaminants.

Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, благодаря бесконтактному считыванию информации с сенсорной магнитной головки датчика и отсутствию дополнительных паразитных шестеренчатых передач на валах вращения.The proposed utility model eliminates this drawback due to non-contact reading of information from the sensor magnetic sensor head and the absence of additional spurious gears on the rotation shafts.

Решение поставленной задачи достигается тем, что на валах вращения двигателей установлены диски с кодированной магнитной лентой, последовательность кодов с которой об угловом положении поворотной колонки считывается бесконтактными сенсорными магнитными датчиками, закрепленными неподвижно на корпусе платформы в непосредственной близости от поверхности магнитной ленты.The solution to this problem is achieved by the fact that disks with a coded magnetic tape are installed on the shafts of rotation of the engines, a sequence of codes with which about the angular position of the rotary column is read by contactless touch magnetic sensors mounted fixed on the platform body in close proximity to the surface of the magnetic tape.

На фиг. 1 изображена блок-схема сканирующего лидара. Лидар состоит из твердотельного импульсного лазера 1, и расположенного в непосредственной близости от него оптического приемного телескопа 2 с фотоприемным блоком 3, установленными на общем основании двухкоординатной поворотной платформе 4. На осях вращения платформы 4 расположены двигатели 5 и диски 6 с круговой координатной магнитной лентой, которая имеет намагниченные области переменной полярности. Области намагниченности ленты периодически повторяются с пространственным шагом, определяемым необходимым минимальным угловым разрешением. В реализованной полезной модели области намагниченности периодически повторяются с шагом 4 миллиметра по всему диаметру магнитной ленты (2 мм - зона намагниченности одной полярности). В непосредственной близости от ленты (на расстоянии 0,3÷0,7 мм) расположены бесконтактные сенсорные магнитные датчики 7, считывающие информацию о кодах магнитной ленты 6. Оптоэлектронные и электромеханические блоки составляющие лидар: лазер - 1, фотоприемный модуль - 3, поворотная платформа - 4, двигатели - 5, датчики - 7, электрически связаны с управляющим вычислительным комплексом - 8.In FIG. 1 shows a block diagram of a scanning lidar. The lidar consists of a solid-state pulsed laser 1, and located in the immediate vicinity of it an optical receiving telescope 2 with a photodetector 3 mounted on a common base of a two-axis rotary platform 4. On the axis of rotation of the platform 4 are motors 5 and discs 6 with a circular coordinate magnetic tape, which has magnetized regions of variable polarity. The magnetization regions of the tape are periodically repeated with a spatial step determined by the required minimum angular resolution. In the implemented utility model, the magnetization regions are periodically repeated with a step of 4 mm along the entire diameter of the magnetic tape (2 mm is the magnetization zone of one polarity). In the immediate vicinity of the tape (at a distance of 0.3 ÷ 0.7 mm) there are contactless touch magnetic sensors 7 that read information about the codes of the magnetic tape 6. Optoelectronic and electromechanical units making up the lidar: laser - 1, photodetector module - 3, rotary platform - 4, engines - 5, sensors - 7, are electrically connected to the control computer complex - 8.

Сканирующий лидар работает следующим образом. В начальный момент времени управляющий вычислительный комплекс 8 выдает команды на двигатели 5, которые устанавливают поворотную платформу 4 в исходное состояние. Например, это горизонтальная плоскость (угол места ноль), а азимутальное направление также нулевое (например, направление на север).Scanning lidar works as follows. At the initial time, the control computing complex 8 issues commands to the engines 5, which set the turntable 4 to its original state. For example, it is a horizontal plane (elevation angle is zero), and the azimuthal direction is also zero (for example, the direction to the north).

После этого, управляющий комплекс 8 выдает команду на включение лазера 1 и двигатели 5 платформы для осуществления сканирования зондирующим излучением в выбранном направлении.After that, the control complex 8 issues a command to turn on the laser 1 and the platform engines 5 for scanning with probing radiation in a selected direction.

Лазерное излучение направляется в атмосферы, рассеянный в обратном направлении атмосферой свет попадает на приемный телескоп 2, затем на фотоприемный блок 3, где световой сигнал преобразуется в электрический, оцифровывается и поступает далее для записи и обработки в управляющий вычислительный комплекс 8.The laser radiation is directed into the atmosphere, the light scattered in the opposite direction by the atmosphere enters the receiving telescope 2, then to the photodetector unit 3, where the light signal is converted into an electric signal, digitized and then transferred to the control computer complex 8 for recording and processing.

При осуществлении сканирования поворотной платформы происходит круговое вращение дисков 6 с магнитной ленты относительно магнитного датчика 7.When scanning the turntable, the discs 6 are rotated circularly from the magnetic tape relative to the magnetic sensor 7.

Принцип действия датчика основан на измерении напряженности магнитного поля и считывания кодов положения зон намагниченности ленты. Датчики 7 считывают код положения магнитной ленты при ее движении в момент выстрела лазера 1 и направляет эту информацию в вычислительный комплекс 8, где осуществляется вычисление номера текущей зоны магнитной ленты относительно первоначальных «нулевых» значений, и тем самым вычисляется угловое положение поворотной колонки в вертикальной и горизонтальной плоскостях.The principle of operation of the sensor is based on measuring the magnetic field strength and reading the codes of the position of the magnetization zones of the tape. Sensors 7 read the position code of the magnetic tape when it moves at the moment of laser 1 shot and sends this information to computer complex 8, where the number of the current zone of the magnetic tape is calculated relative to the initial "zero" values, and thereby the angular position of the rotary column in vertical and horizontal planes.

Таким образом, управляющий вычислительный комплекс 8 формирует файл с паспортом акта лазерного зондирования атмосферы, в котором записана информация об амплитудном распределении лидарного сигнала вдоль трассы зондирования, а также дата и время зондирования и угловые положения трассы зондирования.Thus, the control computing complex 8 generates a file with a certificate of the act of laser sensing of the atmosphere, in which information is recorded on the amplitude distribution of the lidar signal along the sounding path, as well as the date and time of the sounding and the angular positions of the sounding path.

Claims (1)

Сканирующий лидар для зондирования атмосферы, включающий приемопередатчик с лазером, оптическим приемным телескопом с фотоприемным блоком, расположенный на двухкоординатной поворотной платформе, валы вращения двигателей которой снабжены с позиционными датчиками, обеспечивающими информацию об угловом положении платформы в горизонтальной и вертикальной плоскостях, управляющий вычислительный комплекс, подключенный к лазеру, фотоприемному блоку, двигателям и позиционным датчикам, отличающийся тем, что на валах вращения двигателей установлены диски с кодированной магнитной лентой, последовательность кодов которой об угловом положении поворотной колонки считывается бесконтактными сенсорными магнитными датчиками, закрепленными неподвижно на корпусе платформы в непосредственной близости от поверхности магнитной ленты.

A scanning lidar for sensing the atmosphere, including a transceiver with a laser, an optical receiving telescope with a photodetector unit, located on a two-axis rotary platform, the shafts of the rotation of the engines of which are equipped with position sensors that provide information about the angular position of the platform in horizontal and vertical planes, a control computer complex connected to the laser, photodetector unit, motors and position sensors, characterized in that on the shafts of rotation of the engines anovleny wheels with an encoded magnetic tape, wherein an angular position of the rotary column sequence codes read contactless sensor magnetic sensors fixedly secured to the platform body in the vicinity of the surface of the magnetic tape.

Images