Принцип работы лидара и характеристики лидарного метода с использованием спонтанного комбинационного рассеяния

Принцип работы лидаров состоит в следующем: и атмосферу посылается, как правило, дополнительно коллимированный лазерный пучок и ведется наблюдение за светом, рассеянным в обратном направлении. При этом спектральное смещение сигнала СКР обеспечивает избирательность метода и делает, результаты определений независимыми от состояния атмосферы (наличия в ней частиц аэрозоля, флуктуации температуры). В этом заключается решающее достоинство лидара, основанного на явлении СКР (комбинационного лидара).

Типичный прибор состоит из импульсного лазера, способного генерировать мощные моноимпульсы или последовательность импульсов (что важно для осуществления непрерывного слежения за атмосферой и повышения чувствительности метода); телескопа, расширяющего возбуждающий световой пучок, а значит, и уменьшающего его расходимость; телескопа, собирающего рассеянное излучение на входной щели спектрального аппарата или на блоке подобранных узкополосных и отсекающих интерференционных фильтров; системы приема, регистрации и обработки информации. Установка монтируется стационарно в помещении либо в кузове автомашины.

Различают моностатические и бистатические лидарные системы. Моностатические системы основаны преимущественно на использовании рассеяния (лидар на КР, резонансных эффектах, дифференциальном поглощений рассеянного излучения), их лазерный источник и приемный телескоп расположены рядом. Бистатические (разнесенные) системы характеризуются тем, что имеют либо раздольно расположенные лазерный передатчик и приемный телескоп, либо лазер и телескоп, расположенные в одном месте, но разнесенные на некоторое расстояние. Схема бистатического комбинационного лидара показана на рис. 5. Основное уравнение комбинационного лидара для мощности возвращенного сигнала записывается следующим образом:

где Р_л — мощность возбуждающего излучения лазера; t_и — длительность импульса; п_к — число рабочих импульсов; k₁ — общий коэффициент пропускания оптики; Т₀ и Т_с коэффициенты потерь излучения при его однократном прохождении через атмосферу в области возбуждающей и смещенной линии соответственно; А_пу — коэффициент, суммарно учитывающий параметры приемно-усилительной системы; А_фп — эффективная площадь приемника; k₂ —коэффициент, учитывающий перекрывание возбуждающего и возвращенного пучков; N (R) — плотность атмосферы; s_с — сечение рассеяния в обратном направлении; R — расстояние (высота).

Одним из основных требований к исследованию спектров КР является возможность измерения отношений J_q / J₀ и (J_q / J₀)⁰. Относительная интенсивность рэлеевского рассеяния составляет 10^-3 – 10^-4 от интенсивности возбуждающего излучения, в то время как интенсивность спектров КР в 10^-3—10^-4 раз слабее. Следовательно, по сравнению с ЛДА для излучения спектров КР требуются более интенсивные лазерные источники света преимущественно с длиной волны излучения в видимой и ультрафиолетовой области спектра, так как интенсивность линии КР пропорциональна l^-4. Для выделения в спектре КР нужных линий используется монохроматор с очень высокой избирательностью, чтобы максимально ослабить сигнал от сравнительно интенсивной линии, обусловленной рэлэевским рассеянием, и паразитного рассеяния внутри прибора. Простой монохроматор ослабляет этот свет до уровня 10^-4, а двойной – до уровня 10^-10 – 10^-12. Возможно также использование интерференционных фильтров с узкой полосой пропускания.

Рис. 5. Схема (а) и внешний вид (б) типичного лидара: 1 – импульсный рубиновый лазер; 2 – кристалл — удвоитель частоты; 3 – фотодиод для измерения импульса; 4 – полупрозрачное зеркало; 5 – зеркало приемного телескопа; 6 – диафрагма; 7 – осветительная оптика; 8 – двойной монохроматор с ФЭУ, усилительной и регистрирующей системами.