А.М. Вдовенков - инженер Г.А. Когай - инженер Л.Г. Свердлик - инженер С.С. Хмелевцов - докт. физ-мат. наук Б.Б. Чен - докт. физ.-мат. наук

Technical description and references of the lidar complex set to study aerosol pollution of tropo-stratosphere and temperature over Eurasia centre are given.

 

Переход от одночастотного лазерно-локационного зондирования атмосферы на многоволновое, связанный с изменением программы исследований, потребовал кардинальной модернизации всех узлов лидарного комплекса "Макет-1" (АНБ-314). В настоящее время модернизация лидарной станции "Теплоключенка" Кыргызско-Российского Славянского университета завершена, что позволяет проводить многоцелевые исследования, связанные с проблемой загрязнения атмосферы и ее влиянием на различные стороны деятельности человека.

В излучателе модернизированного лидара использован лазер LS-2137 ("Lotis TII"), состоящий из блока излучателя LH-2215, блока питания PS-2225М с пультом управления RC-3 и системы охлаждения CP-1122. Блок излучателя - лазер с электрооптической модуляцией добротности на активном элементе из кристалла АИГ:Nd⁺³ и преобразованием длины волны излучения основной частоты генерации в излучение второй и третьей гармоник, работающий в частотном режиме. Особенностью LS-2137 является применение в нем квантрона с двумя активными элементами (генератор и усилитель) и одной лампы накачки. Основные его технические характеристики следующие:

Энергия импульса излучения, мДж Длина волны генерируемого излучения, нм Примечание     Основная частота (ОЧ)     Вторая гармоника (ВГ)     Третья гармоника (ТГ)

Частота повторения импульсов, Гц £ 10.
Длительность импульса излучения, нс 15-17.
Диаметр пучка лазерного излучения, мм £ 8.
Электрическая энергия импульса накачки, Дж £60.
Средняя мощность накачки, Вт £ 750.

Запуск ксеноновой лампы накачки лазера производится в режимах: с внутренней синхронизацией, внешним управлением частотой 1 ÷ 10 Гц, ручного управления с пульта. Электрооптический затвор (ЭОЗ) начинает работу с внутренним запуском, внешним запуском и внешней задержкой. Излучатель расположен в лазерном контейнере, оптическая схема которого приведена на рис. 1. Излучение лазера с помощью системы спектроделителей типа HSY (355 и 532 нм) и диэлектрического зеркала MYI-25006 (1064 нм), имеющих угол отражения 45° (R ³ 98%), разводится на три канала. В каждом канале излучение коллимируется, после чего выводится в атмосферу через защитные пластины с просветляющим покрытием (t ³ 99,5%). Часть излучения отводится на датчик опорного импульса и измерители энергии.

Оптическая схема приемной части лидара (рис. 2) построена таким образом, что элементы делителя локационного сигнала расположены на подвижной плате, имеющей несколько фиксированных положений. В положении спектроделителя регистрируемое излучение делится на четыре составляющие с длинами волн 355, 387, 532 и 1060 нм при дополнительном изменении интенсивности сигнала в отношении 1:10. Режим анализатора позволяет измерять степень деполяризации излучения на длине волны 532 нм в двух каналах. Установленная призма Волластона расщепляет приходящее излучение на два пучка с взаимно ортогональными линейными поляризациями. Режим (положение) юстировки используется для выставления параллельности оптических осей приемного объектива, излучателя и визирного устройства с помощью юстировочного микроскопа "прямым методом".

Выход блока спектроделителя-анализа-тора оптически связан с полевой диафрагмой и катодами фотоприемников. Регистрация сигнала обратного рассеяния осуществляется как в режиме счета фотонов, так и в аналоговом. Поэтому в качестве фотоприемников в первых трех каналах используются фотоумножители ФЭУ-100, имеющие область максимальной спектральной чувствительности 400 ÷ 500 нм. Темновой ток этих ФЭУ мал по сравнению с сигналом фоновой засветки уже при комнатной температуре. При установленном пороге дискриминации частота счета одноэлектронных импульсов не превышает 1000 Гц, что позволяет применять ФЭУ без дополнительного охлаждения. В канале 1064 нм установлен ФЭУ-83 в термохолодильнике со спектральной характеристикой до 1200 нм. Защита ФЭУ от перегрузки вследствие засветки сигналом от близко расположенных слоев атмосферы, вызывающей изменение световой характеристики и увеличение шумов, осуществляется посредством вращающегося диска с лопастью, синхронизированного с блоком питания лазера. Блок отсечки ближней зоны (ОБЗ) позволяет изменять начальную высоту зондирования в широких пределах с высокой точностью и стабильностью.

Рис. 1. Оптическая схема излучателя лидара.

 

Рис. 2. Оптическая схема приемной части лидара:
1 - главное зеркало; 2 - объектив; 3 - вторичное зеркало; 4 - защитная пластина;
5 - призма Волластона; 6 - диэлектрическое зеркало; 7 - спектроделитель;
8 - фокусирующая линза; 9 - зеркальная призма; 10 - блок фильтров; 11 - ФЭУ;
12 - турель для смены фильтров; 13 - полевая диафрагма; 14 - отсечка ближней зоны; 15 - линза Фабри.

Обеспечение достаточного динамического диапазона достигается за счет коррекции напряжения питания ФЭУ. Для применяемых ФЭУ разработан новый высоковольтный импульсный источник питания HVPS-320. Его основные характеристики следующие:

Выходное напряжение, В до 2500 (шаг 1 В) Ток нагрузки, мА до 3 Нестабильность выходного напряжения,% 0,05 Пульсация выходного напряжения, мВ

Блок имеет защиту от коротких замыканий, возможность ограничения выходного напряжения пользователем, сохранение параметров в энергонезависимой памяти, десять предустановок выходного напряжения, ИК-дистанционное управление.

Система регистрации сигналов от фотоприемников лидарной станции представляет собой автоматизированный блок обработки сигналов (БОС), связанный с помощью интерфейса с персональным компьютером (РС) типа Pentium III (рис. 3). БОС состоит из функционально и конструктивно законченных модулей, объединенных по шестнадцатиразрядной "общей шине". Все модули размещены в каркасе и электрически связаны между собой с помощью коммутационной панели.

Рис. 3. Схема системы регистрации.

При зондировании нижних слоев атмосферы величина сигнала обратного рассеяния позволяет использовать аналоговый режим регистрации. Для работы лидара в аналоговом режиме используются две платы быстрого аналого-цифрового преобразователя АДС 25М/12-2, выполненные в конструктиве IBM PC и установленные непосредственно в системном блоке РС. Основные их характеристики следующие:

Количество разрядов   Частота выборок, МГц   Количество каналов   Объем буферного ОЗУ 64000 слов наканал Тип шины ISA Диапазон входного напряжения, В 0:.+4 или 62 Внешняя/внутренняя синхронизация

Для каждого канала диапазон входного напряжения выбирается независимо. Входное сопротивление - 50 Ом. Основой платы является микросхема АЦП ADS 801 фирмы BURR-BROWN.

При исследовании верхней тропосферы, стратосферы и более высоких слоев атмосферы, когда сигнал обратного рассеяния мал в связи с удаленностью и незначительными концентрациями составляющих атмосферы, регистрация производится в режиме счета фотонов. Сигнал с ФЭУ поступает на усилители-дискриминаторы, а затем - на счетчики фотонов (СФ1-СФ4), где происходит измерение его частоты с возможностью временного разрешения и аппаратного накопления. Максимальная частота входного сигнала - 120 МГц. Минимальный строб накопления - 200 нс. Число стробов накопления - 1024. Измерение происходит в течение каждого интервала между синхроимпульсами 5 МГц.

Тактовая частота для модулей АЦП и СФ вырабатывается формирователем синхроимпульсов (ФСИ). Задающий кварцевый генератор (90 МГц) обеспечивает стабильность выходных частот не менее 0,01%.

Опорный генератор (ОГ) формирует импульсы управления блоками отсечки ближней зоны (ОП) и запуском лампы накачки (LE) излучателя, фазируемые с сигналом стартового датчика (ФК).

Преобразователь ток-длительность-код (ПТДК) предназначен для получения цифрового кода, пропорционального энергии входного импульса. В качестве источников входных импульсов используются калиброванные фотодиоды ФД-7К (1064 и 532 нм) и ФДК-142 (355 нм), на которые отводится часть лазерного излучения. ПТДК имеет три идентичных канала.

Дешифратор блока (ДБ) определяет адреса устройств, входящих в блок регистрации сигналов, и модифицирует шину IBM PC в шину данных блока. Состоит он из селектора адресов (А1, А2), приемо-передатчика данных (А3), приемо-передатчика сигналов записи и чтения (А4), приемо-передатчика сигналов управления (А5), контролера PC/AT (А6). Контролер PC/AT управляет обменом данными и установлен в компьютере.

Полный цикл работы БОС состоит из трех последовательно выполняемых этапов: ввод параметров, измерение, вывод данных. Программа, заложенная в управляющий процессом эксперимента компьютер, позволяет организовать весь процесс измерения и вывод данных в графическом виде на экран монитора. С помощью соответствующих меню можно создать новый график (файл), открыть существующий на диске график, сохранить текущий график на диске, удалить его, а также открыть окно вольтметра, синхронизации, конфигурации, цифрового ввода-вывода, комментария, теста или калибровки лазера.

На рис. 4-5, в качестве примера, приведены результаты многоволнового зондирования атмосферы 28.09.01 г. и 27.09.01 г.

Рис. 4. Спектры частиц для двух аэрозольных слоев
по данным лидарного многоволнового и рамановского зондирования тропосферы 28.09.01.

Средние оптические коэффициенты и интегральные параметры спектра
для двух аэрозольных слоев в тропосфере. 28.09.01

ΔH, kм β (355), км-1.ср-1 β (532), км-1.ср-1 β (1064) км-1.ср-1 σR, kм-1 R32, μm S, μm2 сm-3 V, μm3 cm-3 σ (532), kм-1 2-4 0,23E-2 0,47E-3 0,51E-3 0,39E-1 0,18   5,8 0,023 4-8 0,23E-3 0,22E-3 0,12E-3 - 0,44   3,6 0,013

Рис. 5. Примеры вертикальных профилей коэффициента обратного рассеяния
на трех длинах волн и модельный профиль. 27.09.01.

Глубокая модернизация лидара проведена в рамках выполнения проекта Международного научно-технического центра (МНТЦ) #KR-310.