Способ лазерного зондирования атмосферных кристаллических образований
Владельцы патента RU 2772071:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения наличия атмосферных объектов с преимущественной ориентацией кристаллических частиц. Сущность: посылают в атмосферу линейно поляризованное лазерное импульсное излучение. Принимают обратно рассеянные атмосферой сигналы в двух взаимно ортогональных поляризационных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью поляризации зондирующего лазерного излучения. Вычисляют отношение амплитуд принятых сигналов, определяющее величину степени деполяризации лидарного сигнала с линейной поляризацией. Преобразуют линейно поляризованное излучение лазера в излучение с круговой поляризацией и посылают его в атмосферу. Принимают обратно рассеянные атмосферой сигналы. Вычисляют степень деполяризации лидарного сигнала с круговой поляризацией. Затем вычисляют отношение значений степени деполяризации при зондировании с круговой и линейной поляризацией. Когда указанное отношение становится меньше двух, определяют наличие атмосферных объектов с преимущественной ориентацией кристаллических частиц. Технический результат: обнаружение в облаках областей с преимущественной или хаотической ориентацией кристаллических ледяных частиц. 1 ил.
Изобретение относится к области атмосферных и метеорологических наблюдений и может быть использовано в лидарах при зондировании кристаллических и жидкокапельных облаков.
Известен способ лазерного зондирования облаков, включающий посылку в атмосферу лазерного зондирующего излучения, прием обратного рассеянного атмосферой лидарного сигнала и анализ интенсивности сигнала (Матвиенко Г.Г., Балин Ю.С., Бобровников С.М., Романовский О.А., Коханенко Г.П., Самойлова С.В., Пеннер И.Э., Горлов Е.В., Жарков В.И., Садовников С.А., Харченко О.В., Яковлев С.В., Баженов О.Е., Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Макеев А.П., Невзоров А.А., Невзоров А.В. «Сибирская лидарная станция: аппаратура и результаты» (под редакцией Матвиенко Г.Г.). // Томск. Изд-во ИОА СО РАН. 2016. 414 с. ISBN 978-5-94458-156-3., Гл.7. стр. 255).
Недостатком этого способа является отсутствие возможности определения фазового состава облачности, что обусловлено отсутствием анализа поляризационных характеристик лидарного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ поляризационного лазерного зондирования облаков (Зуев В.Е., Зуев В.В. «Дистанционное оптическое зондирование атмосферы» // С-Петербург. Гидрометеоиздат. 1992. 232 с. ISBN 5-286-00530-6., Гл.3. стр. 64).
Согласно данному способу в атмосферу на облачное образование посылают линейно поляризованное лазерное излучение. Рассеянное в обратном направлении излучение с помощью поляризационного анализатора расщепляют на два пучка со взаимно ортогональной поляризацией, одна из которых параллельна плоскости линейной поляризации зондирующего лазерного излучения. Затем берут отношение этих двух лидарных сигналов и определяют степень деполяризации лидарного сигнала, по величине которой судят о фазовой структуре облака (жидкокапельное, кристаллическое, смешанное).
В то же время, кристаллические облака могут состоять из частиц, как с хаотической, так и преимущественной ориентацией.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности при зондировании кристаллических облаков обнаружения в нем областей с преимущественной ориентацией кристаллических ледяных частиц.
Задачей изобретения является устранение этого недостатка, т.е. обнаружение в облаках областей с преимущественной или хаотической ориентацией кристаллических ледяных частиц.
Поставленная задача достигается тем, что в способе лазерного зондирования облаков, основанном на посылке в атмосферу линейно поляризованного лазерного импульсного излучения и приеме обратно рассеянных атмосферой сигналов в двух взаимно ортогональных поляризационных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью поляризации исходного излучения, дополнительно осуществляют зондирование с использованием круговой поляризации зондирующего лазерного излучения. Затем, также определяют отношение сигналов в двух взаимно ортогональных плоскостях и сравнивают его с аналогичным отношением при посылке в атмосферу линейно поляризованного излучения.
Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем. В лидарных наблюдениях присутствие в облаках кристаллических частиц проявляется, прежде всего, в деполяризации обратно рассеянного излучения. Значение деполяризации определяется через отношение интенсивностей ортогональной, по отношению к исходной линейной поляризации лазерного излучения и параллельной компонент лидарного сигнала.
Однако выявить в структуре облака области с горизонтальной или полностью хаотической ориентацией кристаллических частиц можно используя помимо линейной поляризации исходного лазерного излучения, также излучение с круговой поляризацией.
Как следует из теоретических расчетов, при наличии только хаотической ориентации кристаллических частиц наблюдается двукратное превышение степени деполяризации при зондировании с круговой поляризацией исходного лазерного пучка по отношению к зондированию с линейной поляризацией лазерного излучения. При наличии в облаке областей с выраженной азимутальной ориентацией частиц величина этого отношения будет меньше двух.
Таким образом, величина отношения степени деполяризации лидарного сигнала при зондировании с линейной и круговой поляризацией исходного лазерного пучка является критерием наличия областей с хаотичной или преимущественной ориентацией кристаллических частиц в облаке.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит источник поляризационного лазерного излучения 1, поворотную четвертьволновую фазовую кварцевую пластинку 2, а также расположенный в непосредственной близости от источника лазерного излучения 1 приемный оптический телескоп 3. На оптической оси телескопа 3 установлен поляризационный расщепитель - анализатор 4, разделяющий световой пучок на два со взаимно ортогональной поляризацией, плоскость одной из которых параллельна плоскости поляризации исходного лазерного излучения. На пути световых поляризованных пучков установлены фотодетекторы 5 и 6 для регистрации лидарных сигналов, подключенные к системе управления, регистрации и обработки информации 7. Система 7 также подключена для управления к лазерному источнику 1 и поворотной четвертьволновой фазовой пластинке 2.
Устройство работает следующим образом. Система 7 выдает управляющую команду на запуск лазера 1 и поворотную фазовую пластину 2. В начальный момент времени быстрая ось фазовой пластинки устанавливается под нулевым углом к плоскости референции. От лазерного источника 1 линейно поляризованное излучение поступает на фазовую пластинку 2, которая не меняет исходную форму поляризации излучения, поскольку установлена под нулевым углом. Пройдя фазовую пластинку 2, излучение направляется в атмосферу на кристаллическое облако. Рассеянное облаком в обратном направлении излучение поступает на вход приемного телескопа 3, где собирается в узкий световой пучок и направляется на поляризационный расщепитель - анализатор 4. Обычно в этом качестве используется поляризационная призма Волластона, ориентированная таким образом, чтобы на выходе получались два взаимно-ортогональных поляризационных пучка, один из которых параллелен плоскости поляризации зондирующего излучения.
Ортогональные поляризационные компоненты светового пучка поступают на вход фотодетекторов 5 и 6, где оптические сигналы преобразуются в электрические, которые затем поступают одновременно на вход системы 7 для оцифровки. В дальнейшем система 7 осуществляет операцию деления друг на друга амплитуд сигналов от облачного образования, тем самым определяя величину степени деполяризации лидарного сигнала при зондировании атмосферы лазерным излучением с линейной поляризацией. Таким образом, заканчивается первый цикл зондирования кристаллического облака.
Во второй момент времени осуществляется второй цикл измерений. Система управления 7 выдает команду на поворотную фазовую пластинку 2, которая устанавливается под углом 45 градусов к плоскости референции, а также на запуск источника лазерного излучения 1.
От источника излучения 1 линейно поляризованное излучение поступает на фазовую пластинку 2, где преобразуется в циркулярно-поляризованное и направляется в атмосферу на кристаллическое облако.
Рассеянное от облака в обратном направлении излучение поступает на вход приемного телескопа 3 и затем обработка лидарного сигнала осуществляется аналогично предыдущему первому циклу.
По окончании второго цикла зондирования кристаллического облака в системе обработки 7 вычисляется степень деполяризации лидарного сигнала при зондировании атмосферы лазерным излучением с круговой поляризацией. Далее в системе управления, регистрации и обработки информации 7 осуществляется вычисление отношения значений степени деполяризации при зондировании с круговой и линейной поляризацией, по значению которого судят о наличии областей в облаке с преимущественной ориентацией кристаллических частиц.
Способ лазерного зондирования атмосферных кристаллических образований, включающий посылку в атмосферу линейно поляризованного лазерного импульсного излучения и приема обратно рассеянных атмосферой сигналов в двух взаимно ортогональных поляризационных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью поляризации зондирующего лазерного излучения, с последующим анализом их отношения, определяющего величину степени деполяризации лидарного сигнала, отличающийся тем, что линейно поляризованное излучение лазера преобразуют в излучение с круговой поляризацией, а затем измеряют степень деполяризации при линейной и круговой исходных поляризациях и когда их отношение становится меньше двух, определяют наличие атмосферных объектов с преимущественной ориентацией кристаллических частиц.
