RU183716U1 - Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы - Google Patents
Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы Download PDFInfo
- Publication number
- RU183716U1 RU183716U1 RU2018113097U RU2018113097U RU183716U1 RU 183716 U1 RU183716 U1 RU 183716U1 RU 2018113097 U RU2018113097 U RU 2018113097U RU 2018113097 U RU2018113097 U RU 2018113097U RU 183716 U1 RU183716 U1 RU 183716U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- temperature
- lidar
- polychromator
- stokes
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 claims abstract description 14
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000001686 rotational spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 101001123538 Nicotiana tabacum Putrescine N-methyltransferase 1 Proteins 0.000 description 1
- 101001123534 Nicotiana tabacum Putrescine N-methyltransferase 2 Proteins 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 239000005437 stratosphere Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000005436 troposphere Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
- G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области измерительной техники и касается лидара для дистанционного измерения температуры атмосферы. Лидар включает в себя источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу, приемный телескоп, выход которого через оптический скремблер подключен к входу двойного полихроматора, селектирующего соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния. Выход полихроматора через моноволоконные световоды оптически связан с входом фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих оптические сигналы в электрические, выход которых подключен к блоку обработки данных для расчета температуры. Двойной полихроматор выделяет четвертые и двенадцатые линии стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота. Технический результат заключается в повышении крутизны температурной чувствительности и снижении времени накопления сигнала. 1 ил.
Description
Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для дистанционного измерения температуры атмосферы, и может быть использована на метеостанциях и в других системах мониторинга атмосферы.
Известно устройство для измерения температуры [патент РФ №129229, 2013 г.]. Недостатком устройства является принципиальное отсутствие возможности проведения дистанционного измерения температуры.
Известен также аэрологический радиозонд [патент РФ №59845, 2006 г.], содержащий датчик температуры и радиопередатчик, с помощью которого информация о температуре, поступающая по мере набора высоты радиозонда, передается на наземную станцию сопровождения. Относительно высокая стоимость одноразового измерительного модуля радиозонда при проведении регулярных измерений определяет высокую стоимость эксплуатации такой системы. Другим недостатком системы радиозондирования является неконтролируемость траектории подъема радиозонда. При среднестатистических скоростях переноса воздушных масс в атмосфере при подъеме на высоту в 15-20 километров зонд может оказаться смещенным от исходной точки запуска на десятки и даже сотни километров, что делает затруднительным использование таких профилей температуры в задачах метеопрогноза. При этом время подъема зонда составляет 1,5-2 часа, что приводит к смещению оценки средних значений температуры вследствие нарушения условия стационарности.
Известен лидар, в котором измерение температуры связано с дистанционным определением молекулярной плотности атмосферы на основе эффекта релеевского рассеяния [Shibata Т., Kobuchi М., Maeda М. Measurement of density and temperature profiles in the middle atmosphere with a XeF lidar // Applied Optics. 1986. V. 25. №5. PP. 685-688] и последующим восстановлением профиля температуры, в предположении гидростатического равновесия атмосферы. Исходной информацией для лидаров такого типа является интенсивность упругого рассеяния зондирующего излучения, для которого принципиально неразделимы вклады молекулярного и аэрозольного рассеяния. Последнее обуславливает основной недостаток метода - он оказывается работоспособным лишь для области атмосферы, где влиянием эффекта аэрозольного рассеяния можно пренебречь. Обычно это интервал высот 30-70 километров (стратосфера).
В качестве прототипа выбран лидар для измерения температуры атмосферы на основе эффекта спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) с использованием оптического скремблера для выравнивания аппаратной функции (RU №160856 от 23 марта 2016 г.). Известное устройство включает источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемный телескоп и далее через оптический скремблер в двойной полихроматор, селектирующий соответствующие оптические сигналы участков чисто вращательных спектров комбинационного рассеяния, которые с выхода полихроматора по моноволоконным световодам поступают на катоды фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих оптические сигналы в электрические. Далее, электрические сигналы оцифровываются и поступают в блок обработки данных, где выполняется алгоритм вычисления температуры, из отношения интенсивностей сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода.
Недостатком устройства является большое время измерения температурных профилей атмосферы, обусловленное большим объемом накопления сигналов, необходимым для получения заданной погрешности измерения температуры.
Известно, что время накопления сигнала при измерении температуры атмосферы по отношению интенсивностей участков чисто вращательных спектров СКР на молекулах азота и кислорода определяется как сечением рассеяния, так и крутизной температурной чувствительности выбранных участков спектра и определяется выражением [Бобровников С.М., Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Сериков И.Б., Суханов А.Я. Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы // Томск. Изд-во ИОА СО РАН. 2014. 510 с. - ISBN 978-5-94458-148-8].
где - 
и 
- средние частоты следования фотоотсчетов лидарных сигналов для участков спектра с отрицательной и положительной зависимостью от температуры соответственно; 
- отношение интенсивностей термочувствительных участков спектра; ΔT - погрешность измерения температуры, К; 
- крутизна температурной чувствительности отношения сигналов. Интенсивности сигналов 
и 
определяются энергетическими характеристиками лидара, в то время как крутизна температурной чувствительности отношения сигналов определяется положением выбранных участков в спектре СКР. При этом время накопления квадратично зависит от крутизны температурной чувствительности отношения.
В рассматриваемом прототипе выбранные участки сцентрированы на шестые и двенадцатые линии чисто вращательного спектра СКР на молекулах азота. Выбор участков определился дисперсией монохроматора и размерами применяемых световодов, обеспечивающих надежное выделение участков и подавление фона линии несмещенного рассеяния. При этом, как показывает расчет, крутизна температурной чувствительности отношения сигналов не является оптимальной. Этим и обусловлено относительно большое время накопления сигналов.
В этой связи с целью уменьшения времени накопления сигналов предлагается повысить крутизну температурной чувствительности отношения за счет выделения в двойном полихроматоре не шестых и двенадцатых линий стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, как в прототипе, а четвертых и двенадцатых линий, сохранив при этом адекватное подавление фона линии несмещенного рассеяния. Как показывает расчет, использование четвертых и двенадцатых линий вместо шестых и двенадцатых позволяет повысить крутизну температурной чувствительности отношения в 1,18 раза и соответственно снизить время накопления сигнала в 1,4 раза.
Для решения этой задачи необходимо использовать моноволоконные световоды с меньшим диаметром, что приведет к использованию узкого поля зрения приемо-передающей системы лидара. Использование узкого поля зрения лидара требует использования лазера с дифракционной расходимостью излучения и лазерного расширителя, для уменьшения расходимости лазерного излучения до величины, меньшей, чем поле зрения приемной системы лидара. Кроме этого, узкое поле зрения лидара накладывает определенные ограничения на механическую стабильность и эксплуатационные характеристики лидарной системы.
Меньший диаметр световода одно из возможных технических средств, которое позволяет выделить четвертые и двенадцатые линии стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота. Новизна полезной модели заключается в использование четвертой и двенадцатой линий стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, что приведет к повышению крутизны температурной чувствительности отношения в 1,18 раза и соответственно снизит время накопления сигнала в 1,4 раза Таким образом, используя моноволоконные световоды с меньшим диаметром, в двойном полихроматоре выделяются четвертые и двенадцатые линии стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, сохранив при этом адекватное подавление фона линии несмещенного рассеяния. Использование четвертых и двенадцатых линий позволит повысить крутизну температурной чувствительности отношения в 1,18 раза и соответственно снизить время накопления сигнала в 1,4 раза.
Блок схема предлагаемого лидара приведена на фиг. 1.
Лидар для дистанционного измерения температуры тропосферы состоит: 1 - лазер, работающий на длине волны 355 нм; 2 - передающая оптическая система; 3 - приемный телескоп; 4 - оптический скремблер; 5 - двойной полихроматор; 6, 7 - фотоэлектронные умножители (ФЭУ 1, ФЭУ 2,); 8 - блок обработки данных. Все блоки и узлы лидара располагаются и закреплены на одном основании и находятся в конструктивном единстве.
Принцип работы предлагаемой лидарной системы заключается в следующем. Пучок, сформированный в лазере (1), через передающую оптическую систему (2) направляется в атмосферу. При распространении в атмосфере лазерное излучение испытывает рассеяние, в том числе и СКР. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемный телескоп (3) и далее через оптический скремблер (4) в двойной полихроматор (5), который осуществляет выделение участков чисто вращательного спектра КР на молекулах азота и кислорода. Регистрация сигналов температурно-чувствительных участков чисто вращательного спектра СКР прошедшего через двойной полихроматор происходит с помощью фотоэлектронных умножителей (6, 7), электрические сигналы с которых поступают в блок обработки данных (8), где электрические сигналы преобразуются цифровые, а затем вычисляется температура по формуле:
где I12, I4 - интенсивности сигналов четвертых и двенадцатых линий стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, соответственно, α, β - калибровочные константы полохроматоров.
Claims (1)
- Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы, включающий источник лазерного излучения, на выходе которого расположена передающая оптическая система, посылающая лазерное излучение в атмосферу, приемный телескоп, выход которого через оптический скремблер подключен к входу двойного полихроматора, селектирующего соответствующие оптические сигналы чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния, выход полихроматора через моноволоконные световоды оптически связан с входом фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих оптические сигналы в электрические, выход которых подключен к блоку обработки данных для расчета температуры, отличающийся тем, что в двойном полихроматоре выделяются четвертые и двенадцатые линии стоксовой и антистоксовой полосы чисто вращательного спектра КР на молекулах азота, что приведет к повышению крутизны температурной чувствительности отношения в 1,18 раза и соответственно снизит время накопления сигнала в 1,4 раза.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018113097U RU183716U1 (ru) | 2018-04-10 | 2018-04-10 | Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018113097U RU183716U1 (ru) | 2018-04-10 | 2018-04-10 | Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU183716U1 true RU183716U1 (ru) | 2018-10-01 |
Family
ID=63793843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018113097U RU183716U1 (ru) | 2018-04-10 | 2018-04-10 | Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU183716U1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111256870A (zh) * | 2020-01-21 | 2020-06-09 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于纯转动拉曼谱线全提取的测温激光雷达***及探测方法 |
| RU198737U1 (ru) * | 2020-05-28 | 2020-07-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) | Фотоприемный модуль для регистрации лидарных сигналов |
| CN112415539A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-02-26 | 北京遥测技术研究所 | 一种星载大气激光雷达pmt探测装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7227625B2 (en) * | 2002-02-21 | 2007-06-05 | Eko Instruments Co., Ltd. | Meteorological observation LIDAR system |
| RU160856U1 (ru) * | 2015-12-07 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы с использованием оптического скремблера |
| CN106772438A (zh) * | 2017-01-03 | 2017-05-31 | 武汉大学 | 一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达*** |
-
2018
- 2018-04-10 RU RU2018113097U patent/RU183716U1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7227625B2 (en) * | 2002-02-21 | 2007-06-05 | Eko Instruments Co., Ltd. | Meteorological observation LIDAR system |
| RU160856U1 (ru) * | 2015-12-07 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук | Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы с использованием оптического скремблера |
| CN106772438A (zh) * | 2017-01-03 | 2017-05-31 | 武汉大学 | 一种全天时准确测量大气温度和气溶胶参数的激光雷达*** |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| С.М. Бобровников и др. "Лидар для измерения вертикального распределения метеопараметров атмосферы" ТРУДЫ XIV КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ "ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ", 14-18 сентября 2015 г., стр.302-303. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111256870A (zh) * | 2020-01-21 | 2020-06-09 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于纯转动拉曼谱线全提取的测温激光雷达***及探测方法 |
| CN111256870B (zh) * | 2020-01-21 | 2022-02-22 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于纯转动拉曼谱线全提取的测温激光雷达***及探测方法 |
| RU198737U1 (ru) * | 2020-05-28 | 2020-07-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) | Фотоприемный модуль для регистрации лидарных сигналов |
| CN112415539A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-02-26 | 北京遥测技术研究所 | 一种星载大气激光雷达pmt探测装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU177419U1 (ru) | Лидар для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы с минимальной мертвой зоной зондирования | |
| US10620318B2 (en) | Single-line-extracted pure rotational Raman lidar to measure atmospheric temperature and aerosol profiles | |
| Alpers et al. | Temperature lidar measurements from 1 to 105 km altitude using resonance, Rayleigh, and Rotational Raman scattering | |
| US9157811B2 (en) | Dispersion and loss spectrum auto-correction distributed optical fiber raman temperature sensor | |
| RU183716U1 (ru) | Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы | |
| EP0225023B1 (en) | Temperature measurement | |
| US20210116311A1 (en) | Self-calibration detection device and temperature demodulation method oriented to fiber raman temperature sensing system | |
| US7744275B2 (en) | Optical fiber temperature sensing device | |
| US10018517B2 (en) | Optical fiber temperature distribution measuring device | |
| CN102735643B (zh) | 利用自定标的光腔衰荡光谱测量水汽含量的装置和方法 | |
| RU188541U1 (ru) | Многоволновой лидар для зондирования атмосферы | |
| CN110749872A (zh) | 一种相干差分吸收激光雷达与一种检测气体浓度的方法 | |
| JP2001507446A (ja) | 分布型の歪み及び温度センシングシステム | |
| Balin et al. | Simultaneous measurement of atmospheric temperature, humidity, and aerosol extinction and backscatter coefficients by a combined vibrational–pure-rotational Raman lidar | |
| RU160856U1 (ru) | Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы с использованием оптического скремблера | |
| CN107015243A (zh) | 一种基于布里渊激光雷达***的大气温度测量方法 | |
| Zuev et al. | Tropospheric temperature measurements with the pure rotational Raman lidar technique using nonlinear calibration functions | |
| CN210572755U (zh) | 一种基于多普勒展宽测量大气温度的激光雷达*** | |
| CN106483531B (zh) | 大气拉曼-瑞利散射测温激光雷达及反演方法 | |
| CN103983374A (zh) | 一种基于fp标准具的高光谱分辨大气瑞利测温方法 | |
| CN112859112B (zh) | 基于转动拉曼-多普勒机制的风温探测激光雷达及方法 | |
| RU169314U1 (ru) | Лидар для дистанционного измерения температуры и влажности атмосферы | |
| CN111006787B (zh) | 基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法 | |
| US8514378B2 (en) | Method of optical teledetection of compounds in a medium | |
| RU218709U1 (ru) | Лидар для дистанционного измерения температуры атмосферы |