SE432486B - Mottagningsanordning for fran olika avstandszoner kommande diffust reflekterade signaler - Google Patents

Description

7902559-1 Ett typiskt förfarande som beror på mätningen av diffust ref- lekterade signaler är fjärrmätningen av atmosfäriska skadliga gaser enligt lidarprincipen. Vanligen utsändes härvid en kort ljusimpuls och det diffust återkastade ljusets tidsförlopp mätas. Av ljusets våglängd kan man sluta sig till den skadliga gasens art, tiden mellan utsänd och mottagen signal ger via ljushastigheten avståndet till ref- lektionsplatsen (d v s molnet av skadlig gas) och signalens storlek ger gaskoncentrationen på reflektionsstället.

Lidarsignalens storlek beror nu utom på koncentrationen även på avståndet R mellan mottagare och reflektionsplats. Enligt den s k lidarekvationen är signalen från diffusionsplatsen R vid i övrigt li- ka betingelser proportionell mot 1/H2 enär ett lidarsystems mottag- ningsoptik med mottagningsytan A samlar diffust reflekterat ljus från avståndet R med rymdvinkeln A/R2. Vid diffusionsplatser på ett av- stånd mellan t ex 100 m och 10 km betyder det en försvagning av li- darsignalen med 1 2 10 000 varvid man inte tagit hänsyn till absorp- tíons- och diffusionsförluster i atmosfären. Denna stora s k dynamik hes iiaereigneien (i föreliggande exempel 1o ooo) är olämplig den vidare signalbearbetningen. Därför använder man olika metoder för att minska signalstorlekarnas stora beroende av avståndet eller med andra ord komprimera signaldynamiken. Dessa kända metoder är följande: 1. Logaritmiska förstärkareä De mottagna signalerna ledes till en förstärkare vars utsignal är proportionell inte mot insignalen utan mot dess logaritm. Logarit- miska förstärkare med den erforderliga stora bandbredden och det på ingångssidan erforderliga stora dynamikområdet uppvisar emellertid av- sevärda avvikelser från den ideala logaritmíska förstärkningskurvan vilka starkt inskränker deras användbarhet för kvantitativ utvärde- ring av signalstorlekarna. 2. Ändring av förstärkningsfaktorn vid fotomultiplikatorer= I lidarsystem med en fotomultiplikator som ljusdetektor kan fotomultiplikatorns förstärkning varieras genom modulation av högspän- ningen under mätförloppet. Fotomultiplikatorer är emellertid endast lämpliga för spektralområdet 150 - 1000 nm. Enär dessutom förstärk- ningen vid fotomultiplikatorer inom vida gränser tilltar exponenti- ellt med högspänningen och endast tidslinjära spänningsökningar (s k sågtandsspänningar) kan alstras tillräckligt noggrant med enkla medel kan med sådana anordningar 1/R2-beroendet inte kompenseras. Ej heller leder dyrbar alstring av andra spänningsformer än enkla sågtandsspän- 7902539-1 ningar till målet eftersom fotomultiplikatorer i sin förstärkning är alltför mycket beroende av okontrollerbara parametrar ävensom av den egna förhistorien. 3. Ändring av linjarförstarkares förstarlfningsfaktor; Vid detta förfarande erhåller man en signalkompression genom flerfaldig snabb omkoppling av förstärkningen under mätningen. Därvid uppstår emellertid under kopplingen av förstärkningen och övergångar- na efter de egentliga kopplingsförloppen tidavsnitt som inte lämnar några användbara informationer. Denna informationsförlust inskränker förfarandets användbarhet. 4. Icke-kollinear anordning av sändare och mottagare: Genom att ställa sändare och mottagsoptik bredvid varandra upp- når man att det av sändarstrålen omfattade området och mottagarens synfält helt överlappar varandra först på något avstånd. Detta leder icke endast för den nära omgivningen utan även för större avstånd till en förlust av känslighet och inskränker därmed onödigtvis det använd- bara mätområdet.

Anordningen enligt uppfinningen undviker ovanstående nackdelar genom de i kravet 1 angivna särdragen.

Uppfinningen beror på en kompression av signaldynamiken med rent geometriska metoder. Genom följande exempel ur optiken kan upp- finningens princip lättast förklaras.

Ett noggrant parallellt ljusknippe sammanföres genom en ideal samlingsoptik (lins, spegel) i en punkt, s k brännpunkt. En linje pa- rallell med det infallande ljuset och genom brännpunkten kallas den optiska axeln och planet vinkelrätt mot den optiska axeln och genom brännpunkten brännplanet. Det parallellt infallande ljusknippet kan uppfattas som ljus från ett oändligt långt bort beläget föremål. I motsats nertill är ljus från ett på. andligt avstånd befintligt :tre- mål inte noggrant parallellt och avbildas inte som en punkt i bränn- planet; i stället uppstår där en ytfördelning av ljusintensiteten som är desto mera utsträckt ju mer ljuskällan närmar sig det optiska sys- temet. Inför man i brännplanet en liten detektor så registrerar denna endast sådant ljus fullständigt som utgår från mycket avlägset beläg- na källor men endast delvis ljus från närmre källor. ' Det anförda exemplet som visar en enkel användning av i och för sig kända principer i fysiken, är av direkt betydelse för användning av föreliggande uppfinning vid s k lider vid vilken den intressanta 7902539-1 strålningen från olika avstånd är diffust reflekterat ljus (som inte nödvändigtvis måste ligga i spektrums synliga del). Till förtydligan- de av ovanstående må beträffande lidarexemplet än en gång framhållas att man vid lämpligt val av optiskt system och detektor kan uppnå att: 1. Diffust reflekterat ljus från ringa avstånd (s k närhåll) faller på detektorn endast med en liten bråkdel som ändrar sig med av- ståndet så att den av detektorn från detta område registrerade signa- len är praktiskt taget konstant, d v s oberoende av avståndet; 2. Diffust reflekterat ljus från medelstort avstånd (s k över- gångshåll) med riktat reducerad andel faller på detektorn så att den registrerade signalen avtar svagare än proportionellt mot 1/R2; 3. Diffust reflekterat ljus från stort avstånd (s k fjärrhåll) "aller praktiskt taget fullständigt på detektorn så att den registre- rade signalen här avtar proportionellt mot 1/R2.

En föredragen utföringsform av uppfinningen för användning på det ovan anförda exemplet med lidar är följande: 1. Ljusdetektorn anordnas på bildsidan av mottagsoptikens brännplan, närmare bestämt så att detektor-mottagningsytans mittpunkt befinner sig på den optiska axeln i brännpunkten för de strålar som infaller parallellt med den optiska axeln. 2. Ljusdetektorns verksamma mottagningsyta reduceras med en företrädesvis cirkelformad bländare direkt framför det ljuekänsliga skiktet till signalkompressionsytan Ak. Om detektoryta och signalkom- pressionsyta är lika stora kan bländaren bortfalla. _ 3. Signalkompressionsytan Ak framgår av den minst avlägsna spridningsplatsen Rmin för vilken hela det av mottagningsoptiken sam- lade diffust reflekterade ljuset bör falla på ljusdetektorns verksam- ma mottagningsyta.

Om sändarstrålen på avståndet Rmin har diametern D(Rmin) så har signalkompressionsytan Ak diametern dk = Dæmin) ' f/Rmin där f är mottagningsoptikens brännvidd.

Denna utföringsform tillåter också genom val av en detektor av samma storlek d v s med en diameterrr dk, t ex genom att man öppnar eller sluter en irisbländare. anpassning av gränserna mellan när-, övergângs- och fjärrhåll till växlande krav. Sålunda väljes vid en lidarmätning vid disigt väder varvid räckvidden är inskränkt genom sikten, Emin relativt kort och alltså bländaröppningen relativt stor.

Härvid får man för närhållet en större signal med motsvarande bättre 79025394 mätnoggrannhet resp kortare mättid. Omvänt eftersträvar man vid klart väder den maximala med mätsystemet uppnåbara räokvidden och väljer alltså Rmin stort och dk litet.

Varianter av signalkompressionen är möjliga med något ändrade anordningar av vilka en t ex ger följande= 1. För små och medelstora avstånd till reflektionsplatsen fram- går en signalkompression analogt med vad ovan anförts. 2. För större avstånd avtar lidarsignalen ännu starkare än med En sådan signalkompression är önskvärd om bakom det luftrum som skall övervakas en topografisk reflektor (t ex träd, hus, berg) befinner sig så att jämte den diffusa reflektionssignalen från luften en genom direkt reflektion vid den topografieka reflektorn väsentligt starkare ljussignal skulle uppstå. Denna variant av signalkompression- en kan erhållas på flera sätt exempelvis genom att: 1. Den oirkelformade, rätvinkliga eller på annat sätt "enkelt sammanhängande" ljusdetektorn förskjutes till den optiska axeln fram- för eller bakom brännplanet, 2. den ("enkelt sammanhängande") detektorn lokaliseras utanför den optiska axeln i eller bakom brännplanet eller 3. en "flerfaldigt sammanhängande" detektor exempelvis en cir- kelring används i eller utanför brännplanet på eller bredvid den op- tiska axeln.

I synnerhet sistnämnda variant tillåter vid lämplig dimension- ering att man fullständigt undertryoker den topografiska reflektorns signal men praktiskt taget utan försvagning påvisar från kortare håll diffust reflekterat ljus.

Som ett sista exempel skall nämnas en variant av uppfinningen som utom 1/É2-beroendet även tillåter att kompensera den diffust ref- lekterade signalens genom utsläckning betingade ytterligare beroende av avståndet som (vid homogen atmosfär) är proportionellt mot e'2°¿R varvid M-är utsläckningskoeffioienten och R som förut avståndet. En sådan kompensation uppnås genom att enligt uppfinningen detektorus känslighet blir mindre inifrån utåt. Detta kan ske genom "grå" blän- dare vilkas transparens avtar inifrån utåt eller genom ogenomsläppli- ga bländare som i mitten lämnar en stjärnformad öppning fri.

I det följande beskrivas ett utföringsexempel av uppfinningen med vilket det lyckas att komprimera en lidarsignals signaldynamik varvid som sändare en deuteriumfluoridlaser används. Anordningens

Claims (8)

7902539-1 princip framgår av fig 1. Strålningen S ur lasern 1 utsända, vid behov lämpligen vidgad med optiken 2 och genom två speglar 3, 4 ombruten in i mottagninge- spegelns optiska axel 5, till diffusionsplatsen exempelvis in i en antagen volym skadlig gas. Den från diffusionsplatsen återvändande strålningen E samlas av huvudspegeln 6 och ledes efter ombrytning ge- nom spegeln 7 till den av bländaren 8 lämpligt avbländade detektorn 9. I fig 2 är bestrålningsstyrkan i brännplanet återgiven för spridning på avståndet 100 m, 1 km och 10 km. Till grund för dessa re- sultat ligger följande uppgifterß uteffekt 50 kW vid en våglängd av 3,5 - 4,1 pm och en pulsvaraktighet av 500 ns, sändarstrålediameter 38 mm med en stråldivergens (full vinkel vid 50 % av effekten) av 1 mrad som utvidgas till 150 mm, en huvudspegeldiameter av 500 mm och en brännvidd av 3000 mm. Det framgår av fig 2 att t ex det från 100 m diffust reflekterade ljuset vid en verksam detektorradie av 0,5 mm till övervägande del inte träffar den verksamma detektorytan medan diffust reflekterat ljus från 10 km avstånd nästan fullständigt fal- ler på detektorn. I fig 3 visas den geometriska kompressionen för olika verksam- ma detektorytor. Det framgår att vid en detektorradie av 0,8 mm över- gångsområdet sträcker sig från ca 1 - 2 km, vid 0,4 mm detektorradie från ca 2 - 4 km. För mindre avstånd beror signalen inte längre av avståndet, för större avstånd bibehaiies iiaarervationens 1/R2-ber0- ende. För jämförelse är även den lidarsignal inritad som utan signal- kompression skulle erhållas enligt lidarekvationen. P a t e n t k r a v :

1. Mottagningsanordning, vid vilken från olika avståndszoner kommande diffust reflekterade signaler, särskilt i atmosfären utsända och diffust reflekterade lidarsignaler, infaller mot en till stor- leken begränsad detektormottagningsyta, k ä n n e t e c k n a d av att storleken hos den verksamma detektorytan är inställbar i beroende av en önskad mottagningszon med väsentligen konstant signalstyrka på sådant sätt, att detektormottagningsytans diameter väsentligen mot- svarar formeln dk = D x å , där R är den önskade kompressionsräck- vidden, dvs radien för den närzon hos mottagaren, inom vilken de reflekterade signalerna ska komprimeras, D är den utsända strålens diameter på avståndet R, och f mottagaroptikens brännvidd. 7902539-1 -4

2. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att den verksamma detektormottagningsytans mittpunkt är anordnad på den optiska axeln i brännpunkten för de strålar sem infaller parallellt med den optiska axeln. I

3. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att den verksamma detektormottagningsytan ligger i brännplanet utanför den optiska axeln.

4. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att detektormottagningsytan är anordnad utanför brännplanet.

5. Anordning enligt något av kraven 1 - 4, k ä n n e t e c k - n a d av att detektormottagningsytans effektiva storlek bestäms med hjälp av en bländare.

6. Anordning enligt något av kraven 1 - 5, k ä n n e t e c k - n a d av att den innefattar alternativt användbara skivbländare för att täcka detektormottagningsytans mittdel och undertrycka icke önskade reflexionssignaler från topografiska reflektorer.

7. Anordning enligt kravet 6, k ä n n e t e c k n a d av att bländarna har en genomsläpplighet, som kontinuerligt ändrar sig med radien.

8. Anordning enligt kravet 7, k ä n n e t e c k n a d av att bländaröppningarna är stjärnformigt utformade.