Устройство для оптического зондирования

 

УСТРОЙСТЮ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ, содержащее передатчик и последовательно расположенные приемный объектив с полевой диафрагмой , оптический компенсатор и фотоприемник, а также блок обработки сигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оптический компенсатор выполней в виде плоского зеркала с перемеинь - вдоль оси симметрии коэффициентом отражения, установлен за фокальной плоскостью приемного объектива так, что нормаль к его поверхности и ось симметрии лежат в плоскости, проходящей через оптические оси передатчика и приемного объектива, и наклонен к оптической оси приемного объектива на угол & otzroirct -|где И - расстояние между о птическими осями передатчика и приемно (Л го объектива, - фокусное расстояние объектива, причем участок компенсатора с максимальным коэффициентом отражения совпадает с изображением анализируемого объема на предельной дальности . 55 :п 4 :А:)

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) 0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2689116/18-25 (22) 24.11.78 (46 ) 07.01.84. Бюл. Р 1 (72) С.A. Даничкин, В.Н. Иаричев и А.A Тихомиров (71) Институт оптики атмосферы

СО AH СССР и Специальное конструкторское бюро.,Научного приборостроения "Оптика" (53) 535.284(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 563658, кл. G 01 N 21/00, 1979..

2. Горшков В.С. и др. Измерение прозрачности атмосферы над мо-. рем методом светолокации. Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума

-по лазерному зондированию атмосферы, Томск, 1976, с. 101 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ, содержащее передатчик и последовательно расположенные приемный объектив с полевой диафрагмой, оптический компенсатор и фотоприемник, а также блок обработкисигнала,отличающееся тем, что„ с целью повышения точности измерений, оптический компенсатор выполнен в виде плоского зеркала с переменным вдоль оси симметрии коэффициентом отражения, установлен за фокальной плоскостью приемного объектива так, что нормаль к его поверхности и ось симметрии лежат в плоскости, проходящей через оптические оси передатчика и приемного объектива, и наклонен к оптической оси приемного объектива на угол с(. = с(гс tg—

Ь

Е

O где 8 - расстояние между оптическими Е осями передатчика и приемного объектива, f" фокусное расстояние объектива, причем участок компенсатора с максимальным коэффициентом отражения совпадает с изображением анализи, руемого объема на предельной даль ности.

1065743

Изобретение относится к гехнике оптического зондирования и может быть применено в лазерных локаторах и лидарах для измерения параметров атмосферы. .В устройствах для дистанцион- 5 ного оптического зондирования веЛичина принимаемого рассеянндго потока излучения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до зондируемого объема и в зависимости от дальности может варьироваться в диапазоне 10 - 104. %ольшой динамический диапазон изменения величины регистрируемого сигнала затрудняет его обработку. Обычно для уменьшения диапазона регистрируемого сигнала в устройствах

Для оптического зондирования применяют кокпенсаторы в приемно-передающих оптических каналах или регулируют коэффициент передачи в (электрическом канале обработки сигнала.

Известно устройство для оптичес.кого зондирования, содержащее источник излучения и приемную систему, включающую объектив, полевую диафрагму, фотодетектор и блок:обработки f1).

В этом устройстве уменьшение динамического диапазона принимаемого сигнала достигается применением компенсатора в виде полевой диафрагмы, форма которой отлична от круглой.

Такая диафрагма позволяет за счет различной степени виньетирования потоков рассеянного излучения, приходящих с различной дальности, поддерживать постоянство потока, проходящего через диафрагму на фото- 4р приемник. Однако поддержание посто-: янства региетрируемого потока ограничено в этих устройствах диапазо ком расстояний в.300-500 м.

Кроме того, неоднородность. расп-. 45 ределения интенсивности по,сечению луча источника иэлучеьия и ее нестационариость от импульса к импульсу а также флуктуации освещенности изОбражения и его смещения, вы- 5р эываемые турбулентностью зондируемой .среди, приводит к неконтролируе мим отклонениям от заданного закона виньетироэания, что ведет к ошибкам измерений. 55

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для оптического зондирования, содержащее передатчик и последовательно .расположенные при- 6р. емкий объектив с полевой диафрагмой, оптический клин и фотоприемиик, а также блок обработки сигнала. В этом устройстве полевая диафрагма выполнена круглой и служит для orраничения фоновых помех и задания, начальной дальности зондирования.

Излучение, прошедшее через полевую диафрагму, попадает через оптический клин на фотоприемник ° Оптический клин выполнен с изменяющимся коэффициентом пропускания по одной координате. Излучение, приходящее ближних расстояний зондирования, проходит через полевую диафрагму без виньетирования и попадает в зону оптического клина, где коэффициент пропускания минимален. По мере удаления зондируемого объема происходит перемещение его изображения по клину в направлении увеличения коэффициенаа пропускания, так что поток излучения, поступающий на фотоприемник, должен оставаться постоянным (;22.

Недостатком известного устройства является невысокая точность: не удается точно скомпенсировать изменение сигнала, обратно пропорциональное квадрату расстояния. Причина это- го выясняется при детальном рассмотрении прохождения потока через оптический клин.

Изображение рассеивающего объема, находящегося на расстоянии R, удале" но от фокальной плоскости объектива на .величину где f — фокусное расстояние объектива, В - дальность до зондируемого объема, и смещено от оптической оси объектива на

Й, =-фс;-яг- е (2)

Sf где  — расстояние между оптическими осями передатчика и приемного объектива.

Соотношения (1) и (2) показывают, что при удалении рассеивающего объема происходит пространственное перемещение его изображения. Рас смотрим, как поток, формирующий иэображение рассеивающих объемов, проходит через оптический клин, если последний установлен в фокальной плоскости объектива.

В плоскости оптического клина изображение будет дефокусировано, а диаметр пятна дефоку"ировки d.y определяется соотношением

1065743 где d — диаметр изображения рассеивающего объема, D - диаметр приемного объектива

- фокусное расстояние приемного объектива °

Диаметр изображения рассеивающего объема рассчитывается по формуле (d, +we jЮ

Я-Ю

10 где d — начальный диаметр пучка пеО редатчик.а; .8 - угол расходимости излучения передатчика; и, как видно, меньше й„.

Для точной компенсации изменения величины сигнала необходимо иметь клин с изменяющимся коэффициентом пропускания для различных расстояний. У реальных оптических клиньев коэффициент пропускания изменяется непрерывно..Поэтому поток излучения,. поступающий с определенной дальности, проходит одновременно через участки клина с различным коэффициентом пропускания.

Как видно из соотношения (3), для малых расстояний R наблюдается существенное увеличение диаметра пятна dy за счет дефокусировки. Это обстоятельство приводит к значитель.ному усложнению расчета профиля коэффициента поглощения клина и технологической трудоемкости его . З5 изготовления, невозможности изготовления.оптического клина, точно компенсирующего квадратичную зависимость сигнала от расстояния.

Например, при параметрах устрой-. 40 ства 1 = 1 м, В = 0 5 м, d = 0,1 и, D = 0,3 м, 9= 10 рад для R4 = 50-и, а„9 мм, а для н = 500 мм. а: =

1,8 мм. Положение центра пятна, оп4 ределяемое из (2), будет при этом. 45 изменяться от 10 до 1 мм.

Компенсирующий фильтр для такого устройства должен в интервале 9.вам изменять коэффициент пропускания на два порядка (8 /R 100) для 5О изображения с изменяющимися раз-., мерами от величины самого интерва-. ла (d < = 9 мм) до dÄ = 1,8 мм.

Изготовление оптйческого клина, точно компенсирующего обратную 5$ квадратичйую зависимость, является невыполнимой задачей и поэтому применение поглощающего клина в устройстве для зондирования приводит к ошибкам измерений искомых харак- Qj теристик среды.

Цель изобретения - повыаение точности.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для оп- я тического зондирования, содержащем передатчик.и последовательно расположенные приемный объектив с полевой диафрагмой, оптический компенсатор и фотоприемник, а также блок обработки сигнала, оптический компенсатор выполнен в виде плоского зеркала с переменным вдоль оси симметрии коэффициентом отражения, установлен за фокальной плоскостью приемного объектива так, что нормаль к его поверхности и ось симметрии расположены в плоскости, прохо-. дящей через оптические оси передатчика и приемного объектива, и наклонен к оптической оси приемного объектива на угол

Ы = ar ñtg Ь/f (Ы) где  — расстояние между оптическими осями передатчика и приемного объектива, г - фокусное расстояние объектива, причем участок компенсатора с максимальным коэффициентом отражения совпадает с изображением анализируемого объема на предельной дальности, На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит передатчик 1 с оптической осью 00, приемный объектив 2 с оптической осью 0„0 . ,В фокальной плоскости приемного объектива 2 расположена полевая диафрагма 3, за диафрагмой установлен оптический компенсатор 4, выполненный в виде плоского зеркала с переменным коэффициентом отражения, причем область 5 максимального перемещения оптического клина 4 совпадает с изображением анализируемого объема на предельной дальности зондирования, а область 6 минимального отражения расположена д льше от .факальной плоскости объектива 2„ чем область 5, фотоприемник 7 и блок

8 обработки сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Передатчик 1 посылает в зондируемую среду импульс оптичес .ого излучения. Рассеянное в обратном направлении йзлучение принимается приемным объективом 2. При этом поток излучения с близких, расстояний, пропускаемый полевой диафрагмой 3, попадает на оптический компенсатор 4 в область б с минимальным коэффициентом отражения. Поскольку с близких расстояний поток рассеянного излучения максимален, то за счет малого коэффициента отражения от этой обласТи зеркала на фотоприем10б5743

Окончательно имеем г ma x г max 2

p(R) = ехр Еп

) max max

Х= Рmay

R 0tr 510 (сх1 ctg 8/Е ) 9(Р) Составитель В. Шеломова

Редактор Л. Филь Техред О.Неце Корректор M. Шароши

Заказ 11033/44 Тираж 828 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ник 7 попадает часть потока излучения. По мере удаления рассеивающего объема интенсивность обратнорассеятного потока уменьшается, но пятно изображения перемещается по оптическому компенсатору вдоль оси О О в область с увеличиваю2 щимся коэффициентом отражения.

Начиная с некоторого расстояния

R „. изображение будет находиться

Мс Хх в области 5 -. максимальным коэффициентом отражения. Излучение, отражаемое оптическим компенсатором

4„ поступает на фотоприемник 7, сигнал с которого идет в блок 8 обработки сигнала.

Зависимость изменения коэффициента отражения оптического компенсатора 4 вдоль оси симметрии 0202 может быть любой. В частности, для компенсации обратноквадратичного уменьшения сигнала от расстояния требуемая зависимость может быть найдена из следующих соображений.

Поток, поступающий с оптического компенсатора 4 на фотоприемник 7, должен оставаться постоянным в за.данном диапазоне дальностей, т.е. должно выполняться соотношение

y(R) рг

= const (ь1 где у(Н) — коэффициент отражения оптического компенсатора для потока, приходя щего с дальности R.

Отсюда д fy

Из решения уравнения (7) имеем

Оп р = 29n R+С. (8)

Коэффициент С определяется из условия совпадения участка с максимальным коэффициентом отражения с иэображением анализируемого объема на предельной дальности - .(р „ /д „), (э1 где р „ вЂ” максимальный коэффициент отражения оптического ком пенсатора 4, р „определяется noporosoA чувствительностью фотоприемника и энергией передатчика.

Положение участка оптического компенсатора с требуемым коэффициентом отражения p(R) .находится из выражения где х — расстояние вдоль оси p p от точки ее пересечения с фокальной плоскостью приемного объектива 2.

35 Оптический компенсатор 4 в устройстве устанавливают. так, чтобы его область 5 с м ксимальным коэффициентом отражения совпала с положением анализируемого объема, находя20 щегося íà R „, „. Поскольку изображе.ния объемов независимо от дальности. до них располагаются в плоскости зеркала, то, как следует из формулы (4), размеры изображений будут

25 небольшими.

Перекрытие, изображением участков зеркала с разным коэффициентом отражения мало и, следовательно, закон изменения величины сигнала от дальЗО ности будет выполняться более точно, чем при применении пропускающего оптического компенсатора.

Расчеты показывают, что в устройстве для оптического зондирования с параметрами D - =0,3 м, f †.. 1 м, В = 0,5 м, о = 10 рад и применением оптического компенсатора с коэффициентами отражения, изменяющимися от у„„.„= 1% до у,„„= 99%, дости40 гается регулировка величины сигнала в пределах двух порядков.

При начальной дальности зондирования 50 м величина сигнала может оставаться постоянной до расстояния

4.х 500 м.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность при измерении параметров атмосферы, что приводит к получению более. точЮ ных данных, используемых в прогнозах погоды и при контроле загряз-. ненности атмосферы.