К.т.н. Невзоров А.В.

Учреждение Российской академии наук Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН г. Томск, Россия

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ЗЕРКАЛО СТРАТОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЬНОГО ЛИДАРА ДЛЯ ВЫВОДА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРУ

Лазерное зондирование стратосферного аэрозольного слоя на Сибирской лидарной станции в режиме регулярных измерений производится с 1986 г. [1]. Сложившаяся блок-схема стратосферного аэрозольного лидара в современном состоянии представлена на рисунке 1 [2].

Рис. 1. Структурная схема трехволнового лидара для зондирования стратосферного аэрозоля: Nd:YAG – твердотельный лазер; H₂ – ячейка в.к.р. преобразования с водородом; ПЗ – автоматизированное поворотное зеркало; ПД – полевая диафрагма; КСС – кювета спектральной селекции с ф.э.у.; Л – линзы; СпД – спектроделители; ИФ – интерференционные фильтры; УД – усилители_дискриминаторы; БП – блоки питания; ВБП – высоковольтные блоки питания; ФТ – фототранзистор запуска счетчика фотонов.

Аэрозольный лидар выполнен на базе приемного телескопа с диаметром зеркала 0.3 метра, собран по схеме Ньютона. В качестве источника излучения используется импульсный Nd:YAG лазер с энергией излучения на длине волны 532 нм – 150 мДж и частотой следования 20 Гц. Для уменьшения расходимости лазерного излучения на лидаре установлен линзовый коллиматор, увеличивающий диаметр зондирующего луча в 10 раз, тем самым, уменьшая расходимость лазерного излучения с 1.2 мрад до 0.12 мрад. При этом диаметр полевой диафрагмы в фокальной плоскости приемного телескопа (при фокусе зеркала 1 м.) варьируется от 0,5 до 1.5 мм. Уменьшение уровня фоновых засветок и сигналов большой интенсивности от ближней зоны зондирования достигаетя установкой в фокальной плоскости телескопа полевой диафрагмы малого диаметра и изменением базы лидара. В качестве приемников оптического излучения на лидаре используется фотоэлектронные умножители фирмы HAMAMATSU марки R7206-01, R7207-01, работающие в режиме счета фотонов. Для спектрального канала 355 нм используется ФЭУ R7207-01, для каналов 532 нм и 683 нм - R7206-01. Блок фотоэлектронного умножителя оборудован электронным управлением коэффициента усиления ФЭУ, которое необходимо для устранения искажений, вызванных мощными оптическими сигналами от ближней зоны зондирования или облаков. Высота включения ФЭУ устанавливается с клавиатуры компьютера оператором. Кроме этого, напряжения питания фотоэлектронного умножителя и уровень порога дискриминации выставляются также от компьютера.

Наиболее сложный и трудоемкий процесс настройки приемо-передающей оптики лидара на дальнюю зону зондирования осуществляется с помощью оптико-механического юстировочного узла, передающего лазерное излучение в атмосферу. Процесс юстировки оптических осей лидарного приемо-передатчика на параллельность, т.е. обеспечение регистрации лидарных сигналов с максимальной высоты зондирования, осуществляется с помощью автоматизированного оптико-механического юстировочного узла, который выполнен на основе шаговых двигателей ДШИ 200-1. Структурная схема автоматизированного юстировочного узла представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема автоматизированного юстировочного узла

Управление работой шаговых двигателей осуществляется блоком управления, выполненным в виде отдельной платы в стандарте IBM PC. Блок управления формирует тактовые импульсы и уровни напряжения, определяющие направление вращения валов двигателей. После этого они передаются по кабелю на блок усилителей мощности. Чтобы устранить влияние наводок на работу двигателей, выходной каскад блока управления собран на микросхемах, которые позволяют работать на нагрузку 50 Ом. Блок усилителей мощности шаговых двигателей осуществляет формирование и усиление управляющих импульсов, которые поступают на обмотки шаговых двигателей. Валы шаговых двигателей соединены с юстировочными винтами узла посредством зубчатых колес. Работа блока управления осуществляется программным модулем, который встроен в пакет программ по накоплению и предварительной обработке лидарных сигналов [3]. Таким образом, в режиме реального времени можно наблюдать лидарный сигнал на экране компьютера и производить юстировку лазерного излучения с клавиатуры. Оценки смещения лазерного излучения в зависимости от количества поданных импульсов на шаговые двигатели показали, что за один шаг вращения вала двигателя, лазерный луч отклоняется на 0.034 мрад, что соответствует перемещению изображения рассеивающего объема в фокальной плоскости приемного зеркала диаметром 0.3 м на расстояние 0.034 мм. При рабочей диафрагме, установленной на лидаре 1.5 мм, полное прохождение изображения рассеивающего объема соответствует 44 шагам вращения вала двигателя. Применение автоматизированного юстировочного узла дает возможность проводить тонкую настройку лидара на максимальную высоту зондирования.

Для облегчения настройки лидара разработан программный модуль для автоматической юстировки направленности лазерного излучения на максимальную высоту зондирования, блок – схема которого представлена на рисунке 3. Работа программы осуществляется следующим образом. При запуске программы осуществляется инициализация счетчика шагов двигателя, которые хранятся в памяти компьютера. После этого относительно исходного положения происходит отсчет на 50 шагов по первой координате и сканирование на 100 шагов с дискретом 5 вперед. Как говорилось выше, при заданных параметрах приемного телескопа полное прохождение изображения рассеивающего объема осуществляется за 44 шага. Тем самым имеется запас вероятности, что мы получим при сканировании максимальную дальность обратнорассеянного сигнала. При этом производится анализ текущей высоты зондирования для соответствующего положения шагового двигателя. Достигаемая в конкретном цикле настройки высота зондирования определяется по минимальному значению скорректированного по дальности лидарного сигнала, т.е в точке перегиба, определяющей максимальную дальность, с которой еще регистрируется лидарный сигнал, а после чего происходит рост помноженных на квадрат высоты значений фона. Анализ минимальных значений скорректированного по дальности лидарного сигнала, проводится с высоты 5 км до конца трассы зондирования, чтобы исключить ложное определение максимальной высоты зондирования. После завершения сканирования по первой координате происходит установка двигателя по счетчику шагов соответствующей максимально определенной высоте зондирования. Затем происходит таким же образом сканирование с разрешением 5 по второй координате длительностью 100 шагов и установка луча по счетчику шагов на максимально определенную высоту зондирования.

По завершению первого цикла настройки лазерного излучения, программа осуществляет более тонкую юстировку лидара с дискретом в 2 шага. В процессе автоматической юстировки приемо-передающего тракта лидара на экране компьютера отображается логарифм лидарного сигнала скорректированного по высоте, а также его максимальная высота. По окончанию процесса настройки программный модуль выходит в главное меню программы, после чего можно осуществлять накопление лидарных сигналов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (госконтракты №№ 02.740.11.0674, 14.740.11.0204, 16.518.11.7067 и 11.519.11.6033) и проекта №4.5 Программы Президиума РАН (Интеграционные проекты - Р).

Литература:

1. Ельников А.В., Маричев В.Н., Шелевой К.Д., Шелефонтюк Д.И. Лазерный локатор для исследования вертикальной стратификации аэрозоля // Оптики атмосферы и океана, Т.1, № 04, 1988, С.117-123

2. Бурлаков В. Д., Долгий С. И., Невзоров А. В. Трехчастотный лидар для зондирования микроструктурных характеристик стратосферного аэрозоля // Приборы и техника эксперимента. 2010. № 6. С. 125–130.

3. Климов Ю.С., Касаткин А.И., Мороз С.М. Программирование в среде TURBO PASCAL. Минск, «Вышэйшая школа», 1992, 160 с.