Зеркальные схемы лидарных объективов

Научно-исследовательская работа студента (УНИРС) по теме:

«Зеркальные схемы лидарных объективов»

Санкт-Петербург

Оглавление Введение

1. Принцип действия лидара

2. Устройство лидара

3. Оптические схемы объективов лидаров

3.1 Объектив Ньютона

3.2 Объектив Кассегрена

3.3 Объектив Грегори Заключение

Термин «лидар» является аббревиатурой английского выражения light identification, detection and ranging (обнаружение и определение дальности с помощью света).

Лидар — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.

Как прибор, лидар представляет собой оптический локатор для дистанционного зондирования воздушных и водных сред. Также к лидарам относят оптические локаторы, которые позволяют дистанционно получать информацию о твердых объектах.

Лидары востребованы и пользуются популярностью благодаря достоинствам используемых в них лазерах:

· Когерентность излучения

· Малая длина волны излучения и, как следствие, малые потери из-за расходимости

· Мгновенная мощность излучения Совокупность этих свойств делает использование лидара незаменимым на дистанциях от сотен метров до нескольких километров.

1. Принцип действия лидара

Импульсное излучение лазера посылается в атмосферу. Затем, рассеянное атмосферой в обратном направлении, излучение собирается телескопом и регистрируется фотоприемником с последующей оцифровкой сигналов.

импульсный лидар телеобъектив оптический Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150 000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени, необходимый для возврата импульса. Свет движется с постоянной и известной скоростью, поэтому лидар может вычислить расстояние между ним и цели с высокой точностью.

Существуют две основные категории импульсных лидаров: микроимпульсные и высокоэнергетические системы.

Микроимпульсные лидары работают на более мощной компьютерной технике с большими вычислительными возможностями.

Эти лазеры меньшей мощности и классифицируются как «безопасные для глаз», что позволяет использовать их практически без особых мер предосторожности.

Лидары с большой энергией импульса в основном применяются для исследования атмосферы, где они часто используются для измерения различных параметров атмосферы, таких как высота, наслоение и плотность облаков, свойства частиц облака, температуру, давление, ветер, влажность и концентрацию газов в атмосфере.

2. Устройство лидара

Большинство лидаров состоит из трех частей:

· Передающая часть

· Приемная часть

· Система управления Передающая часть (а) лидара содержит источник излучения — лазер и оптическую систему для формирования выходного лазерного пучка, т. е. для управления размером выходного пятна и расходимостью пучка.

В абсолютном большинстве конструкций излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd: YAG-лазеры и длины волн:

— 1550 нм — инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света — так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека

— 1064 нм — ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения

— 532 нм — зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды

— 355 нм — ближнее ультрафиолетовое излучение Приёмная часть (б) состоит из объектива (телескоп), спектрального и/или пространственных фильтров, поляризационного элемента и фотодетектора. Излучение, отраженно-рассеянное от исследуемого объекта, концентрируется приемной оптикой (телескопом), а затем проходит через анализатор спектра. Этот прибор служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся наблюдения, и, следовательно, для отсечки фонового излучения на других длинах волн. Анализатор может представлять собой либо сложный, тщательно настраиваемый моноили полихроматор, либо набор узкополосных фильтров, включая фильтр отсечки излучения на длине волны лазерного передатчика.

Излучатель и приемный блок могут быть далеко разнесены друг от друга или выполнены в едином блоке, что в последние годы является обычным. Оси излучателя и приемника могут быть совмещены (коаксиальная схема) или разнесены (биаксиальная схема).

Система управления (в) выполняет следующие задачи:

ѕ Управление режимом работы лидара;

ѕ Управление частотой зондирующего излучения лазера;

ѕ Измерение энергии излучения в выходящем и принимаемом двухчастотном лазерном пучке на обеих частотах;

ѕ Обработка результатов, т. е. получение спектральных характеристик атмосферы, определение наличия и концентраций примесей по имеющимся в базе данных компьютера «спектральным портретам» молекул;

ѕ Управление системой наведения лидара на исследуемый объект.

В своем исследовании я решил подробно рассмотреть схемы объективов, используемых в различных лидарах.

3. Оптические схемы объективов лидаров

Обратный сигнал от исследуемого объекта должен быть перехвачен приемным объективом лидара, отфильтрован (пространственно и спектрально) и направлен на чувствительную площадку фотоприемника. Все это должно быть сделано с максимальной эффективностью, без значительных потерь полезного светового сигнала, собранного объективом, и с максимальным подавлением всех помех, зашумляющих сигнал. Проследим прохождение полезного сигнала через приемную систему и рассмотрим отдельно каждый элемент этой системы.

Лазер освещает на объекте пятно, размер которого определяется расходимостью пучка 2 и расстоянием до объекта R: D=2Rtg2R. Часть отраженного и рассеянного в обратном направлении излучения собирается объективом, как показано на рис.: (лазер и приемный объектив соосны).

Показаны только крайние лучи пучков от точек в пятне, попадающих в объектив. При больших расстояниях лучи от точки практически параллельны друг другу. Назначение объектива — собрать достаточное количество света от пятна и спроецировать пятно на фотоприемник. Поэтому основными параметрами объектива являются светособирающая площадь, фокусное расстояние и поле зрения. Для космических лидаров, когда расстояние до исследуемых слоев атмосферы или земли достигает сотен километров, необходимо использовать объективы с большим диаметром 1…3 м и даже больше, чтобы собрать достаточно света, особенно при работе в режимах комбинационного рассеяния или дифференциального поглощения. Диаметр d и фокусное расстояние f' определяют светосилу объектива (относительное отверстие d/f'). Чем светосильнее система, тем меньше размер изображения, которое она формирует. Поле зрения объектива определяется углом, под которым луч от крайней точки пятна проходит через центр входного зрачка объектива (на рис.). Размер изображения (не более размера фотоприемника), эквивалентное фокусное расстояние (с учетом дополнительных перепроецирующих элементов в спектральном блоке приемника) и угол поля зрения связаны соотношением 2a = 2f'tg, которое позволяет выбрать параметры конкретных схем и подобрать необходимые элементы. Во многих случаях пятно проецируется не на фотоприемник непосредственно, а в плоскость полевой диафрагмы (первичное изображение), которая ограничивает поле зрения объектива. Регулируя размеры полевой диафрагмы, можно изменять эффективный размер пятна, проецируемого на фотоприемник. Другими словами, она позволяет менять пространственное разрешение измерений, а также уменьшать шумовую засетку от многократно рассеянного света. Перепроецирование первичного изображения также является способом борьбы с рассеянным внутри объектива светом. Когда полевая диафрагма имеет максимальный размер, производят взаимную юстировку лазера и приемного объектива лидара (по максимуму принятого сигнала). При измерениях диафрагма имеет минимальный размер. Диафрагма обычно бывает ирисовая или в виде диска с отверстиями разного диаметра.

Поскольку лидар работает с удаленными объектами, объектив должен строить изображение практически из бесконечности на конечное расстояние (в фокальной плоскости). Т. е. используются телеобъективы. Оптический расчет телеобъектива производят с учетом того, что аберрационное размытие края изображения должно быть минимальным или приемлемым с точки зрения световых потерь (виньетирование полевой диафрагмой). В системах типа дальномеров, сканеров, батиметров диаметр объектива небольшой — от 15 до 150 мм. Поэтому объективы обычно линзовые.

Объективы, используемые в лидарах:

· Зеркальные (рефлекторы) — используют в качестве светособирающего элемента зеркало.

· Зеркально — линзовые (катадиоптрические) — в качестве оптических элементов используются и зеркала, и линзы. Стоит отметить, что линзы по размеру сравнимы с главным зеркалом и служат для коррекции формируемого им изображения.

Зеркала можно сделать облегченными, что важно для авиационных и особенно космических систем. Зеркальные системы строят по классическим схемам телескопов: Ньютона), Грегори и Кассегрена. После первичного фокуса условно приведен линзовый объектив, что означает наличие некоторой дополнительной оптики в приемной системе. Зеркальные системы всегда имеют центральное экранирование, даже в схеме Ньютона, в которой в фокусе на оси размещен приемник. При небольших полях зрения в единицы угловых секунд и малых относительных отверстиях (d/f' менее 1:10) вместо параболоида в схеме Ньютона используют сферу, что предпочтительно из экономических соображений. Из-за невысоких требований к качеству изображения (надо только собрать энергию) иногда удается заменить вторичное гиперболическое зеркало на сферическое. Возможны также варианты схемы типа Кассегрена с главным сферическим зеркалом и вторичным асферическим зеркалом высокого порядка. Такие схемы полезны для космических лидаров с большими телескопами.

Варианты взаимного расположения лазера и приемного телескопа:

1)

2)

3)

В первой схеме для совмещения оптических осей используется тыльная поверхность диагонального плоского зеркала. Во второй схеме приемный телескоп используется и как формирующий, что требует ужесточения требований к его качеству (иначе лазерный пучок сильно разойдется). Кроме того, в ней неизбежны потери из-за использования светоделителя. В третьей схеме используются отверстия в главном и диагональном (или вторичном) зеркалах. Центральные зоны всегда нерабочие. Используют также схемы, в которых оси лазера и телескопа не совмещены — параллельны или взаимно наклонены. Такие схемы не позволяют максимально эффективно использовать энергию лазерного пучка, но позволяют избавиться от яркого пятна на оси (почти нулевое поле зрения), которое может вызвать перенасыщение приемника. При энергетических расчетах следует учитывать гауссово распределение энергии в лазерном пучке

3.1 Объектив Ньютона

Данная схема была изобретена Исааком Ньютоном в 1668 году. Здесь главное (параболическое) зеркало направляет излучение на небольшое плоское диагональное зеркало, расположенное вблизи фокуса. Оно, в свою очередь, отклоняет пучок излучения за пределы трубы, где он попадает на приемное устройство.

Данная схема обладает минимальным количеством оптических элементов, что обуславливает простоту юстировки, невысокие требования к обработке зеркал и невысокую стоимость изготовления. Главное зеркало в силу своего большого размера требует времени на термостабилизацию. Также требуется периодическая подстройка зеркал, склонная утрачиваться при транспортировке и в процессе эксплуатации. Система несвободна от аберрации комы.

Объектив Ньютона используется во многих лидарах, рассмотрим некоторые из них:

1) Многоволновый рамановский лидар MRL-400

В основу работы этого лидара положено явление комбинационное рассеяния света (эффект Рамана) — неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения. В спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества.

Излучение лазера телескопируется внеосевым параболическим зеркальным коллиматором. Лазер вместе с коллиматором крепится на приемном телескопе, что позволяет проводить измерения под любым углом к горизонту.

структура лидара MRL-400

Источник излучения: Nd: YAG лазер Quantel Brilliant с генератором третьей гармоники Энергия в импульсе: 300/300/200 мДж — 1064/532/355 нм Частота повторения: 10 Гц Внеосевой параболический зеркальный коллиматор с коэффициентом увеличения 5. Диэлектрические зеркальные покрытия обеспечивают работу коллиматора на длинах волн 355, 532, 1064 нм.

Телескоп Ньютона с апертурой 400 мм и фокусным расстоянием 1200 мм.

2) Многоволновый аэрозольный лидар PL-200

структура лидара PL-200

Источник излучения: Nd: YAG лазер с генератором третьей гармоники.

Энергия на длине волны 355 нм: 70 мДж Частота повторения: 25 Гц Расходимость пучка: < 1 мрад Коллиматор: Внеосевой параболический коллиматор с диэлектрическими покрытиями и коэффициентом увеличения 5 предназначен для одновременного телескопирования излучаемых длин волн (1064, 532, 355 нм).

В лидаре используется телескоп Ньютона с апертурой 300 мм. Главное зеркало является параболическим с фокальным расстоянием 970 мм.

3.2 Объектив Кассегрена

Схема была предложена Лореном Кассегреном в 1672 году. Главное зеркало большего диаметра (вогнутое; в оригинальном варианте параболическое) отбрасывает излучение на вторичное выпуклое меньшего диаметра (обычно гиперболическое). Вторичное зеркало расположено между главным зеркалом и его фокусом и полное фокусное расстояние объектива больше, чем у главного. Объектив при том же диаметре и фокусном расстоянии имеет почти вдвое меньшую длину трубы и несколько меньшее экранирование, чем у Грегори. Традиционный рефлектор Кассегрена сложен в производстве (сложные поверхности зеркал — парабола, гипербола), а также имеет недоисправленную аберрацию комы. Последний недостаток исправлен в различных модификациях схемы Кассегрена.

Из зеркальных объективов построенный по схеме Кассегрена пользуется наибольшей популярностью благодаря сочетанию компактности и большого фокусного расстояния.

Рассмотрим некоторые лидары, в которых используется приёмный телескоп, построенный по схеме Кассегрена:

1) Стационарный лидарный комплекс МВЛ-60

Многоволновой лидар МВЛ-60 предназначен для оперативного дистанционного анализа характеристик атмосферного аэрозоля и облачных образований в атмосфере с помощью лазера, работающего на длинах волн 1064 (ИК), 532 (зеленый) и 355 (УФ) нм.

Приемная антенна лидара представляет собой телескоп, чаще всего зеркальный, построенный обычно по схеме Ньютона или Кассегрена. В телескопе лидара МВЛ-60 с диаметром главного параболического зеркала 60 см реализованы обе эти схемы.

При работе в качестве приемной антенны лидара в телескопе реализуется схема Кассегрена, когда принятый отраженный сигнал лазера попадает вначале на главное параболическое зеркало, затем на вторичное гиперболическое зеркало, а далее через отверстие в центре параболического зеркала в блок анализатора, где затем разводится по разным фотоприемникам и регистрируется компьютером.

При работе в качестве обычного астрономического прибора в телескопе реализуется схема Ньютона: на оптическую ось главного параболического зеркала вводится плоское зеркало, при помощи которого принятое главным зеркалом изображение выводится под углом 90 град. вдоль поворотной оси телескопа. В этом фокусе Ньютона можно поместить окуляр либо видеокамеру и получать изображения объектов звездного неба.

2) Многоволновой лидар с Рамановскими каналами Излучатель импульсный: Nd: YAG лазер Длина волны:1064, 532 и 355 нм Энергия импульса: 100/55/30 мДж Длительность импульса: 10 нс Частота посылки импульсов: 10 Гц Диаметр лазерного пучка (расширенный): 50 мм Расходимость лазерного излучения: 0.3 мрад Телескоп (диаметр): Кассегрен, 300 мм первичное зеркало Угол приема излучения: 0.6 — 5 мрад Длины волн упругого рассеяния: 1064, 532, 532 деполяризация и 355 нм Рамановские длины волн: 387, 407, 607 нм

3.3 Объектив Грегори

Данная схема была изобретена Джеймсом Грегори в 1663 году. В системе Грегори излучение от главного вогнутого параболического зеркала направляется на небольшое вогнутое эллиптическое зеркало, которое отражает пучок в фотоприемное устройство, помещённое в центральном отверстии главного зеркала. Наличие вторичного зеркала удлиняет фокусное расстояние и тем самым даёт возможность применять большие увеличения.

Принципиальное различие схем Грегори и Кассегрена в том, что в схеме Грегори имеется промежуточное действительное изображение, что, в частности, позволяет устранить «паразитные» лучи, неизбежные в схеме Кассегрена.

Размер приемного телескопа, построенного по схеме Грегори, получается больше, чем телескоп Ньютона и почти вдвое больше, чем объектив Кассегрена, что увеличивает экранирование, усложняет юстировку и её сохранность, транспортировку и эксплуатацию в целом.

Данная схема не получила такого распространения, как схемы Ньютона и Кассегрена, так как при прочих равных ее недостатки более существенны, и используется в некоторых специфических случаях.

Заключение

В процессе изучения зеркальных объективов, используемых в лидарах, и сравнения между собой различных схем, я сделал следующий вывод:

Зеркальные объективы имеют ряд преимуществ (по сравнению с линзовыми):

ѕ Высокая светосила и разрешающая способность

ѕ Отсутствие хроматических аберраций у зеркал

ѕ Высокий коэффициент светопропускания

ѕ При сравнительно несложной конструкции зеркальных систем можно получить достаточно совершенную коррекцию сферической аберрации

ѕ Зеркальные системы не содержат преломляющих поверхностей и поэтому удобны для использования в ИК и УФ областях спектра, Но кроме преимуществ зеркальные объективы имеют и недостатки:

ѕ Сложность изготовления и контроля асферических поверхностей зеркал

ѕ Сложность юстировки зеркальных систем

ѕ Сложности, связанные с использованием больших зеркал (влияние погодных условий, необходимость термостабилизации)

ѕ Зеркальные системы, как правило, имеют большую кому, что уменьшает полезное поле системы. Данный недостаток устраняют применением зеркально — линзовых схем.