научная статья по теме ИЗМЕРЕНИЕ ГЛУБИНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПУЧКА ПРИ ЗОНДИРОВАНИИ ОДНОРОДНОГО РАССЕИВАЮЩЕГО СЛОЯ ДВУХПОЗИЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ. Ч. 2 Метрология

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕРЕНИЕ ГЛУБИНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПУЧКА ПРИ ЗОНДИРОВАНИИ ОДНОРОДНОГО РАССЕИВАЮЩЕГО СЛОЯ ДВУХПОЗИЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ. Ч. 2»

551.501.793

Измерение глубины распространения пучка при зондировании однородного рассеивающего слоя двухпозиционной системой. Ч. 2

Г. П. АРУМОВ1, А. В. БУХАРИН1, А. В. ТЮРИН1, Ю. М. БЛИХ2

1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия, e-mail: tumbul@iki.rssi.ru 2 Научно-исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия, e-mail: Blikh_YM@nrcki.ru

Предложена двухпозиционная схема, включающая лидар и нефелометр обратного рассеяния, для измерений геометрического формфактора. Рассмотрены параметры глубины зондирования пучка в рассеивающей среде по перекрытиям полей зрения внутри нее, являющиеся индикаторами коэффициента экстинкции и геометрии схемы. Режим нефелометра оптимален для измерений коэффициента экстинкции. Использование полного набора индикаторов позволяет оценивать точность измерений коэффициента экстинкции внутри слоя.

Ключевые слова: двухпозиционная схема, геометрический формфактор, локальная калибровка, коэффициент экстинкции, дистанционное зондирование, перфорированные экраны, обратное рассеяние.

The two-position cirquit for measuring the geometric formfactor of fields of view of two receiving channels is suggested. The parameters of beam probing depth in scattering medium determined by overlaps of fields of view within it have been introduced. These parameters are indicators of the extinction coefficient and the geometry. The nephelometer mode is optimal for measuring. The use of the full set of indicators allows to estimate the accuracy of extinction coefficient measurement within the layer.

Key words: two position cirquit, geometric formfactor, local calibration, extinction coefficient, remote sensing, perforated screens, back scattering.

Прогресс в разработке диодных лазеров с управляемой током запуска выходной мощностью излучения делает возможным создание лидара-нефелометра [1]. В режиме нефелометра существенно упрощается его калибровка перед измерениями аппаратной функции, имеющей форму обратного сигнала от однородной атмосферы с пренебрежимо малым коэффициентом экстинкции (КЭ). Это связано с тем, что из-за монотонного нарастания обратного сигнала можно существенно уменьшить ближнюю зону, в которой калибровка связана с большими техническими трудностями. Такое уменьшение делает возможным регистрацию сигнала от калиброванных рассеивающих поверхностей на относительно коротких трассах с минимальным использованием аттенюаторов [2]. Вследствие отсутствия пространственного разрешения вдоль трассы зондирования необходимо вводить параметры (индикаторы) глубины распространения пучка внутри слоя. Одним из таких индикаторов для идеальной схемы (ИС) зондирования является величина ^2> [1], которая определяется по аппаратной функции и зависит от длины строба (интервала включения приемника). При ослаблении, неоднородностях и искажениях пучка аппаратная функция также искажается и индикатор ^2> меняется. Для однородной атмосферы с ослаблением значение ^2> уменьшается. Аппаратную функцию можно измерить с помощью перфорированных экранов и затем найти зависимость ^2> от КЭ. На базе ИС нельзя контролировать трассовую зависимость геометрического формфактора (ГФФ) приемного и передающего каналов. Проблему контроля искажений пучка можно решить с помощью дополнительного приемного канала. Измеряя два обратных сигнала с разными трассовыми зависимостями, проводят контроль ГФФ. При

двух приемных каналах возможно введение параметра глубины зондирования по перекрытиям полей зрения. Этот индикатор также зависит от ослабления излучения в рассеивающей среде, как ^2> для ИС. Применение нескольких индикаторов глубины зондирования в среде позволяет оценивать точность измерений КЭ.

Калибровка. Рассмотрим идеальную двухпозиционную схему (ДПС) зондирования для лидара и нефелометра (рис. 1) [3]. Она состоит из ИС, представляющей совмещенные пе-

Рис. 1. Двухпозиционная схема зондирования с двумя приемными каналами ДПС:

1 — дополнительный приемный канал; 2 — идеальная схема зондирования; 3 — непрозрачная перегородка ю (х^); 4 — перфорированный экран; 5 — поверхность объекта

I, отн. ед.

- / \ 2

- \ •***' >••........ 4

\ \

\ \ У у

V \

л /

_ / \ /

п •• / / .У 1 1 1 1

Рис. 2. Основные типы калибровок для лидара-нефелометра: 1, 2 — аппаратные функции для основного и дополнительного приемных каналов; 3 — локальная калибровка; 4 — трассовая зависимость обратного сигнала от рассеивающей поверхности для режима нефелометра

редающий и приемный каналы с коаксиальной схемой зондирования. Геометрия дополнительного приемного канала такая же, как у основного, угловой размер пучков и полей зрения совпадают. Оптическая схема дополнительного приемного канала светоизолирована от ИС непрозрачной тонкой плоскостью ю(х; г) и смещена на расстояние, равное диаметру отверстия. В такой конфигурации входные апертуры приемных каналов касаются друг друга. Зондируемым инструментом с ДПС можно проводить трассовые измерения отношений сигналов, регистрируемых приемными каналами.

Режиму лидара соответствует обычный импульсный режим. Импульс очень малой длительности облучает зондируемый объект. Одновременно с этим включаются приемники, которые регистрируют временную развертку рассеянного назад излучения. Аппаратные функции приемных каналов определяют, измерив сигналы обратного рассеяния из однородной атмосферы без ослабления.

На рис. 2 представлена трассовая зависимость (кривая 1) интенсивности обратного сигнала I в точке 0(0; 0) (см. рис. 1), измеренного основным приемным каналом, от рассеивающей поверхности в режиме импульсного лидара. Для однородной атмосферы с пренебрежимо малым пропусканием этот график является аппаратной функцией лидара с идеальной коаксиальной схемой зондирования, в которой поле зрения приемного канала совпадает с зондирующим пучком. Также на рис. 2 показана трассовая зависимость максимальной мощности обратного сигнала, измеренного дополнительным приемным каналом (кривая 2), от рассеивающей поверхности в режиме импульсного лидара. Для однородной атмосферы с пренебрежимо малым пропусканием этот график отображает аппаратную функцию лидара с идеальной биаксиальной схемой зондирования, с разнесенными приемным и передающим каналами [4]. Временная

развертка обратного сигнала из однородной атмосферы для обоих каналов определяется заменой г = С/2, где г — длина трассы, с — скорость света, t — время задержки между началом лазерного импульса и отраженным излучением лазера.

Параметр расстояния г/1 выражен через масштаб I, определяемый как отношение диаметра входной апертуры а к угловому размеру поля зрения. Если апертуру уменьшить в 2 раза, то параметр I не изменится, так как одновременно в 2 раза уменьшается угловой размер пучка. Для дополнительного приемного канала на небольших дистанциях г<1 сигнал возрастает из-за увеличения перекрытия поля зрения для дополнительного приемного канала с зондирующим пучком, затем на больших трассах г>>1, когда перекрытие практически постоянно, сигнал с расстоянием убывает по квадратичному закону.

Использование перфорированных экранов позволяет находить аппаратную функцию, поскольку такие экраны дают стандартный метод определения углового размера поля зрения или зондирующего пучка. Перфорированный экран — непрозрачная тонкая поверхность с отверстиями, расположенными случайно и равномерно вдоль всей ее площади. С помощью такого экрана можно воспроизвести любое перекрытие полей зрения с зондирующим пучком практически на любой дистанции [5].

Важным типом калибровки является нахождение трассовой зависимости отношения двух сигналов или локальная калибровка (ЛК) [3]. На рис. 2 в приближении геометрической оптики эта зависимость представлена кривой 3.

Режим нефелометра [1] создается модуляцией мощности излучения лазера с линейным убыванием в течение времени т. В момент окончания импульса зондирующего излучения на время т открывается приемник. Сигналом обратного рассеяния является суммарное количество сигнальных фотоотсчетов во временном промежутке 0-т. При такой циклограмме работы проводится зондирование слоя 0 < г < ст/2 = L. Режиму нефелометра соответствует минимальный размер ближней зоны. Трассовая зависимость сигнала от ориентированной рассеивающей поверхности, измеренная основным приемным каналом, представлена на рис. 2 кривой 4.

Для режима нефелометра ЛК можно провести по трассовой зависимости отношения сигналов от рассеивающей поверхности в диапазоне от 0 до L=cт/2. Эти измерения не представляют больших технических трудностей, так как требование о сохранении ориентации зондирующего пучка и рассеивающей поверхности является необязательным. Поэтому для таких измерений можно использовать плоские поверхности любых топографических объектов (здание, рекламные щиты, плакаты и др.).

Следует отметить методическое разнообразие калибровок для ДПС. В [1] рассмотрен способ калибровки ИС для нахождения аппаратной функции, являющейся трассовой зависимостью, обратно пропорциональной площади пятна в поле зрения приемного канала. Ключевой параметр для измерений размера пятна — коэффициент пропускания экрана для точечного источника. Для ДПС таким параметром служит дистанция, измеряемая по ЛК. При использовании перфорированных экранов для ИС возможны случаи, когда геометрия пятна искажается неравномерно, что бывает при измерениях с ДПС, но не наблюдается для ИС.

Измерения КЭ. Возможность измерения КЭ основана на различиях ГФФ для основного и дополнительного приемных каналов. При зондировании рассеивающей среды ключевым параметром является отношение двух сигналов как в режиме лидара, так и нефелометра. Под измеряемым обратным сигналом для обоих приемных каналов в режиме лидара ^(0;т) подразумевается суммарное количество фотоотсчетов внутри строба длительностью т. Обратным сигналом для обоих каналов в режиме нефелометра является количество фотоотсчетов ^(т;2т) для интервала т-2т. В зависимости от режима работы отношению сигналов можно сопоставить некото-

рое расстояние ¿Лк для нефелометра и ¿Лк для лидара

из результатов ЛК (см. рис. 2, кривая 3). В [1] показано, что сигнал от расс

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком