Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор исследований по разработке информационно-измерительных систем в составе систем обнаружения объектов
1.1 Состояние и перспективы развития систем обнаружения объектов
1.2 Использование типовых лазерных излучателей в современных способах получения информации
1.3 Выбор пространственно-частотных спектров оптических сигналов для создания системы обнаружения объектов 34
Выводы по главе 40
2 Исследование информационно-измерительной системы в составе системы обнаружения объектов 41
2.1 Разработка математической модели прохождения излучения 41
2.2 Составлениеалгоритма обнаружения и идентификации объектов
2.3 Установление величины погрешности измерений иобеспечения заданной точности 57
Выводы по главе 68
3 Определение информационных характеристик лазерного излучения для функционирования информационно-измерительной системы в составе системы обнаружения объектов и в установках для контроля изделий машиностроения 69
3.1 Выявление условий для создания новых и модернизированных элементов и узлов в составе ИИС с целью улучшения информационных характеристик
3.2 Исследование влияния параметров зондирующего пучка на отражательные и прочностные характеристики покрытий внешней компоновки 88
3.2.1 Величина коэффициента диффузного отраженияконструкционных материалов с отсутствием поверхностного разрушения 89
3.2.2 Влияние интенсивности потока излучения и длительности воздействия на конструкционные материалы 92
3.3 Разработка метода обнаружения объектов лазернойлокацией с изменяемой длиной волны, частотойгенерации и длительностью импульса 11-
3.4 Оценка влияния атмосферы с мелкодисперсными включениями на энергетические параметры излучения 124
Выводы по главе 133
4 Экспериментальные исследования информационных процессов по обнаружению объектов 135
4.1 Исследование возможностей и путей создания новых элементов, частей испытательного стенда для моделирования информационно-измерительной системы и проведения экспериментов 135
4.2 Обработка экспериментальных результатов по обнаружению объектов
4.3 Оценка эффективности информационно-измерительной системы в составе системы обнаружения объектов 169
Выводы по главе
Основные результаты и выводы по работе 175
Библиографический список 177
- Выбор пространственно-частотных спектров оптических сигналов для создания системы обнаружения объектов
- Установление величины погрешности измерений иобеспечения заданной точности
- Величина коэффициента диффузного отраженияконструкционных материалов с отсутствием поверхностного разрушения
- Исследование возможностей и путей создания новых элементов, частей испытательного стенда для моделирования информационно-измерительной системы и проведения экспериментов
Введение к работе
Наметившаяся тенденция развития оборонной техники требует возобновления научно-исследовательских работ по созданию современных систем обнаружения объектов и систем контроля параметров обнаружения и идентификации подвижных объектов. Данные исследования в России были приостановлены в 90-е годы. Основам теории, методологии проектирования информационно-измерительных систем и устройств контроля параметров перемещения объектов посвящены научные исследования отечественных и зарубежных ученых: Гитиса Э.И., Конюхова Н.Е., Домрачева В.Г., Якушенкова Ю.Г., Bergholm F., Bhanu В., и др. Вопросам коррекции погрешностей преобразования посвящены труды Куликовского К.Л., Рапопорта Э.Я. и др. В настоящее время получили развитие различные методы обнаружения и сопровождения объектов, в том числе радиолокационные, опто-электронные и другие. Вместе с тем проблема создания и применения методов обнаружения и идентификации подвижных объектов остается актуальной. В известных методах отсутствует комплексный подход по обнаружению и идентификации объектов с различными материалами отдельных частей внешней компоновки. В достаточной мере не исследованы методы лазерной локации, в частности с изменяемой длиной волны, частотой генерации и длительностью импульса излучения. Отсутствуют вопросы изучения погрешностей обнаружения и идентификации объектов методом лазерной локации с изменяемой длиной волны, частоты генерации и длительности импульса излучения. Таким образом, исследования, направленные на разработку систем обнаружения объектов с учетом характеристик покрытий внешней компоновки объектов в связи с применением новых современных покрытий, а также внедрением технологий «стеле», в настоящий момент являются актуальными.
Перспективы создания нового поколения эффективных лазерных оптико-электронных средств оценки обнаружения подвижных объектов открывают системы с воспроизведением изображения на основе использования центроидного способа их обнаружения с учетом реальной фоновой обстановки. При этом образ подвижного объекта фиксируется в информационном банке данных устройства обнаружения. Данный подход в решении проблемы позволит на настоящем этапе восполнить существующие пробелы теоретического и прикладного аспектов.
Данная работа построена на теоретическом и экспериментальном анализе измерения следующих параметров:
- энергетические параметры зондирующего и отраженного потоков лазерной подсветки;
- параметры зондирующего и отраженного сигналов с учетом влияния окружающей среды;
- коэффициент отражения материалов внешней компоновки объектов во взаимосвязи с энергетическими параметрами зондирующего потока, его угла падения и температуры поверхности.
В работе при решении задачи по построению ИИС используются следующие средства измерения параметров: .
- испытательный стенд по формированию зондирующих потоков лазерной подсветки;
- испытательный стенд по определению отражательных характеристик конструкционных материалов;
- испытательный стенд фоноцелевой обстановки.
Информационная часть системы обнаружения объектов состоит из вычисления траектории перемещения опорной точки в виде энергетического центра освещенности объекта; идентификация обнаруженного объекта по имеющемуся банку данных.
Применение данной ИИС на предприятии ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» г. Самара позволило получить следующие результаты: в процессе проведения анализа зондирующего характеристического пучка установлено изменение коэффициента диффузного отражения до 30 % за счет использования перестраиваемой частоты (10-30 Гц), длины волны генерации (3-10 мкм) и скважности импульса (отношение длительности импульса к величине паузы); в 5 раз увеличивается эффективность установления вида покрытия и материала, геометрии внешней компоновки объектов (1-50 м), распределение перемещения отдельных узлов объектов (1-10 км); снижение погрешности слежения и вероятностей срыва слежения в 2-3 раза, включая диапазон спектра (от 0,25-0,3 до 8-12 мкм) со средней мощностью излучения 10 кВт.
В настоящий момент являются актуальными исследования, направленные на разработку систем обнаружения объектов по величине коэффициента диффузного отражения методом лазерной локации с перестраиваемой длиной волны, частоты генерации и длительности импульса в связи с применением новых современных покрытий внешней компоновки объектов, а также внедрением технологий «стеле».
Целью диссертационной работы является разработка информационно-измерительной системы в составе системы обнаружения объектов лазерной локацией с учетом параметров зондирующего пучка, а также отражательных характеристик поверхности и влияния факторов окружающей среды.
В соответствии с этой целью в работе поставлены следующие задачи:
- разработать метод обнаружения объектов лазерной локацией с изменяемой длиной волны, частотой генерации и длительностью импульса и разработать, реализующую его ИИС;
- построить математическую модель прохождения излучения с учетом параметров окружающей среды для контроля ИИС обнаружения объектов;
- исследовать возможности создания элементов испытательного стенда для апробации результатов моделирования и проведения имитационных экспериментов с учетом параметров зондирующего пучка.
Научная новизна. Научная новизна заключается в том, что: - создан метод обнаружения объектов лазерной локацией с изменяемой длиной волны, частотой генерации и длительностью импульса и синтезирована, реализующая его информационно-измерительная система;
- построена математическая модель прохождения излучения с учетом параметров окружающей среды для контроля ИИС обнаружения объектов;
- исследованы возможности создания элементов испытательного стенда для апробации результатов моделирования и проведения имитационных экспериментов с учетом параметров зондирующего пучка.
Практическая ценность разработанного метода обнаружения объектов лазерной локацией с изменяемой длиной волны, частотой генерации и длительностью импульса обусловлена тем, что данный метод позволяет обнаруживать объекты в ситуациях с различными параметрами окружающей среды, и может использоваться для решения широкого круга задач машиностроения для идентификации объектов (деталей, узлов и т.д.) в роботизированных технологических линиях в процессе сборки и комплектации, юстировки и т.п.
На защиту выносятся следующие положения:
- метод обнаружения объектов лазерной локацией с изменяемой длиной волны, частотой генерации и длительностью импульса и, реализующая его ИИС;
- математическая модель прохождения излучения с учетом параметров окружающей среды для контроля ИИС обнаружения объектов;
- возможности создания элементов испытательного стенда для апробации результатов моделирования и проведения имитационных экспериментов с учетом параметров зондирующего пучка.
Выбор пространственно-частотных спектров оптических сигналов для создания системы обнаружения объектов
Эксимерные лазеры являются единственными эффективным источником излучения в дальнем УФ диапазоне спектра, одновременно покрывающими и ближний УФ. Они обеспечивают генерацию на уровне 7-Ш % при высокой частоте повторения импульсов и их длительности на уровне 10-30 не [15].
Полупроводниковые лазеры [10] характеризуются низкими выходными характеристиками излучения. Развитие технологии их производства, а также разработка сфазированных диодных матриц позволяет надеяться на возможность создания мощных систем на основе матриц полупроводниковых лазеров. Возможно создание матриц с мультиспектральными излучательными характеристиками в целях зондирования.
Единичные полупроводниковые лазерные излучатели с выходной мощностью излучения 1-5 Вт, что при матрице 100x100 элементов соответствует суммарной выходной мощности в несколько киловатт. Спектральный диапазон полупроводниковых излучателей ограничен от 0,4-10"6 м до 2-Ю"6 м, т.е. покрывает видимую часть спектра и ближний ИК диапазон.
Таким образом, для обеспечения работы лазерной системы обнаружения объектов с заданными выходными параметрами необходимо применять: в ближнем УФ спектральном диапазоне - эксимерные лазеры; в видимом и ближнем ИК - твердотельные лазеры с перестройкой спектра излучения и лазеры на красителях; в среднем ИК - химические HF/DF - лазеры и СОг-лазер (вторая гармоника) и в дальнем ИК - СО -лазеры с перестройкой спектра.
Основные параметры, характеризующие объект обнаружения -кинематические характеристики скорости и ускорения (линейные и угловые). К скоростям и ускорениям необходимо добавить и абсолютное значение расстояния до объекта слежения, т.к. оно определяет: а) интенсивность излучения объекта на входной апертуре системы, б) пространственное разрешение объекта, в) скорость изменения изображения.
При проведении высокоточных оптических угловых измерений следует учитывать, что на показатель преломления воздуха наряду с температурой и давлением в производственных условиях могут влиять примеси газов и паров с высокой преломляющей способностью, такие как четыреххлористый углерод, пары серы и брома [53]. В естественных условиях заметное влияние на показатель преломления воздуха оказывают повышенные концентрации в нем углекислого газа, метана и паров воды. В этих случаях термодинамических параметров состояния оказывается недостаточно для адекватного описания формы траектории пучка. Здесь наилучшую оценку дают прямые измерения фазового показателя преломления, как и предлагается в работе [21].
Влияние турбулентности атмосферы также должно учитываться на протяженных ( 1 км) трассах, как и возможное самовоздействие мощных лазерных пучков, приводящих к нагреву воздушного канала на 0,1-1 К [39]. Последнее может быть обусловлено стремлением к увеличению мощности лазерного пучка с целью повышения отношения измерительного сигнала к шуму. Тогда отсутствие заметного самовоздействия и будет играть роль ограничителя сверху на мощности используемых лазерных пучков.
Перенос изображения объекта оптическим излучением в атмосфере согласно пространственно-частотным представлениям, основанным на математическом аппарате преобразований Фурье, описывается коэффициентом передачи, зависящим от пространственной частоты. В результате пространственно-частотный спектр изображения объекта искажается. Степень искажений вносимых атмосферой в фурье-спектр объекта описывается с помощью модуляционной передаточной функции атмосферы, которая представляет собой отношение истинного и наблюдаемого контрастов, где под наблюдаемым контрастом понимают контраст в плоскости входного зрачка приемной оптической системы в виде двумерной функции пространственных частот. Зная степень падения контраста, можно оценить качество видения деталей объекта, а, следовательно, делать прогнозы распознающих свойств ИИС с формированием изображения [59].
Атмосфера является аэрозольной средой. Аэрозоли, присутствующие в атмосфере подразделяют на две категории - естественного и искусственного происхождения. К аэрозольным средам естественного происхождения относятся морось, туманы, дымка, облачность, атмосферные осадки (дождь, град, снег). Аэрозоли искусственного происхождения включают в себя пылевые дымообразующие составы, водяные столбы ("султаны"), мелкодисперсные среды в виде остеклованных сфер или алюминиевой пудры. Различают неорганизованные аэрозоли, образуемые движением техники, разрывами боеприпасов, ударной волной артиллерийских и ракетных установок, и организованные, формируемые путем постановки одиночных или пространственно распределенных источников аэрозольных помех (снарядов, дымовых шашек, дымообразующих установок и т.д.) [60].
Влияние аэрозолей на функционирование активных ИИС с формированием изображения проявляется в: а) ослаблении зондирующего и отраженного объектом обнаружения излучения; б) вкладе в модуляционную передаточную функцию; в) собственном спектре пространственных частот изображения, который может "быть интерпретирован как цель (в данном случае ложная), либо, накладываясь на спектр, объекта, приводить к срыву слежения.
Установление величины погрешности измерений иобеспечения заданной точности
В настоящее время на уровне логического представления информации в автоматизированных системах используются следующие модели данных: 1) иерархическая; 2) сетевая; 3) реляционная. Иерархическая модель позволяет хранить данные в виде двоичного дерева, узлы которого могут иметь одну входную ветвь от узла родителя и две ветви к узлам потомкам. Основным недостатком иерархической модели является невозможность изменения связей между данными без изменения всей структуры системы управления базами данных (СУБД) и повторного ввода всех данных [62].
Сетевая модель использует следующую гипотезу: предметная область делится на части, которые могут быть названы отдельными именами, а любая часть может быть связана бинарными связями с любым количеством других частей предметной области. Сетевая модель является обобщением иерархической модели, когда объект может иметь несколько предшественников. Сетевая модель требует хранения информации, как об объекте, так и о связях между ними. Возможен также учет и направления связей. С ее помощью можно задать практически любую систему.
Реляционная модель основана на алгебраическом понятии - отношение. Хранение данных организуется в двумерных таблицах. Все связи полностью изменяемы, т.к. определяются только заданными отношениями. Основным достоинством реляционной модели является простота расширения связей между данными путем добавления новых таблиц (отношений) для новой информации. Таким образом, в реляционной базе данных вся информация представляется одними отношениями данных, без каких либо структурных или связующих параметров, видимых пользователю. Еще одним достоинством является способность обеспечивать динамические режимы работы базы является способность обеспечивать динамические режимы работы базы данных, при которых необходимо отвечать на самые различные и быстро меняющиеся запросы пользователя. Все выше изложенное позволяет сделать вывод, что в качестве инструментальной системы для разработки базы данных по типовым узлам лазерной ИИС, методам обработки сигналов, классам объектов, фонам и условиям переноса излучения следует использовать реляционную модель СУБД.
Для разработки баз данных была выбрана программная среда Microsoft Access 97, которая облегчает пользователем работу с базами данных. В Microsoft Access 97 существует возможность создавать таблицы, редактировать данные и использовать запросы для поиска нужных данных. Также Access включает в себя ряд специализированных программ — Мастеров, которые способны выполнить разработку форм ввода данных и отчетов.
Созданная на основе Microsoft Access - оболочка база данных позволяет использовать электронные таблицы, полученные в других программах для записи характеристик какого-либо объекта, и затем включить либо всю электронную таблицу, либо отдельные ячейки из нее в любую запись базы данных.
При составлении структурной схемы компьютерной модели лазерной ИИС обнаружения групп объектов следует сформулировать следующие положения, которые учитываются при организации банка данных. Схема имеет файловую структуру и банк данных является отдельным блоком программы. Обращение к банку данных происходит либо в режиме автоматического считывания, либо в режиме интерактивного поиска. В качестве параметров в банке данных выступают совокупности субмоделей отдельных звеньев лазерной оптико-электронной системы. Например, банк данных «Фоноцелевая обстановка» содержит сведения по параметрам изменения распределения оптической плотности среды, характер интенсивности и расположение основных источников излучения в пространстве и др., которые запрашиваются и вводятся в звенья основной компьютерной модели. Для вычисления характеристик фоноце левой обстановки объекта наблюдения и др., содержатся сведения по пропусканию, яркости и другим характеристикам исследуемой среды, а также величина диффузионного отражения конструкционных материалов внешней компоновки объектов для различных сценариев работы. В банке данных «Оптико-электронной системы» содержатся сведения о конструктивных параметрах отдельных оптических элементов, фотоприемных устройств, сканаторов, их расположению и др. Здесь вычисляются необходимые для основной модели условия ограничения пучков в оптических системах. При выборе значений для банка данных полезно проводить оценку рациональности работы с точки зрения дальнейшего использования банка данных компьютерной моделью лазерной оптико-электронной системы.
Алгоритм работы с банком данных для решения задач других ситуаций, применяемых при обнаружении и сопровождении движущихся целей можно представить в виде схемы в соответствии с рисунком 2.4. Взаимосвязь между отдельными блоками схемы следует описывать с помощью аналитических зависимостей лежащих в основе моделирования как всей лазерной оптико-электронной системы, так и отдельных звеньев. На основании этого целесообразно добавить в банк данных дополнительный блок — «Математическое управление сигналами», содержащей законы, типовые зависимости, функции распределения физических параметров. На основе выбранной структуры банка данных лазерной оптико-электронной системы предлагается следующая последовательность основных этапов его составления и размещения данных: выделить основные признаки, характеризующие и однозначно определяющие движущие цели в базе данных; классифицировать движущие цели на типы и разновидности, а результаты классификации отражать в отдельных таблицах. Чтобы исключить загромождения таблиц, рационально организовать позиции размещения данных, описывающих движущие цели. При заполнении таблиц необходимо придерживаться принципа минимальной избыточности информации, вызванного наличием посторонних параметров.
Величина коэффициента диффузного отраженияконструкционных материалов с отсутствием поверхностного разрушения
При решении задач метрологического характера на стенде оптической локации, связанных с получением количественных результатов с помощью оптико-электронных приборов, для уменьшения погрешности измерений требуется исследование временных характеристик используемых приборов. При измерении используются лазеры, которые различаются по метрологическому рангу: рабочие и эталонные. Эталонные лазеры обладают высокой стабильностью выходных параметров и высокой надежностью, но в силу своей уникальности чрезвычайно дороги и дефицитны. Рабочие лазеры, напротив, просты и надежны в эксплуатации и получили широкое распространение, т.к. выпускаются серийно. В то же время требования к стабильности выходного параметра здесь сравнительно невысоки. Кроме того, в силу особенностей изготовления они могут иметь значительные расхождения даже для лазеров одной модели. В силу этого при использовании лазеров рабочей группы для проведения измерений возникает необходимость точного знания нормируемых параметров и их изменения с течением времени, чтобы иметь возможность вносить соответствующие поправки в результаты измерений.
В экспериментах применяются газовые непрерывные лазеры, которые имеют метрологические преимущества перед другими типами благодаря малой угловой расходимости излучения, широкого диапазона генерируемых длин волн, легко реализуемому одномодовому и частотному режиму генерации. Эти особенности позволяют нормировать следующие характеристики излучения: длину волн, среднюю мощность, спектральную плотность мощности, определенное положение пучка в пространстве. Излучение газовых лазеров эффективно поддается внешним преобразованиям с помощью управляющих и формирующих устройств.
Временная флуктуация измерялась у лазеров ЛГН 224-1, ЛГН-703, ЛГН-702, которые можно отнести к рабочей группе метрологических лазеров. (Лазер ЛГН-702 можно применять в метрологических целях с ослабителем ввиду его значительной мощности излучения, W=30 Вт).
Для измерения энергетических параметров лазеров применяются фотоэлектрический и калориметрический методы, которые получили наиболее широкое применение. Фотоэлектрические преемники характеризуются высокой чувствительностью, превосходящей чувствительность калориметрических приемников, линейностью световых характеристик для большей части приемников, малой инерционностью. Недостатками являются большая селективность и трудность калибровки для проведения абсолютных измерений.
В отличие от фотоэлектрических, тепловые приемники могут применяться практически в любой области спектра, для любых длин волн, однако, в области спектра с длинами волн меньше А,=10"6м чувствительность тепловых приемников меньше, чем фотоэлектрических. Чувствительность тепловых приемников не меняется по спектру, т.к. излучение любой длины волны может быть переведено в тепловую энергию с коэффициентом преобразования, близким к 100%. Они также характеризуются высокой линейностью и возможностью проводить абсолютные измерения, т.к. возможна их абсолютная градуировка. Недостатками являются низкая чувствительность по сравнению с фотоэлектрическими приемниками и большая постоянная времени. Несмотря на большой рабочий спектральный диапазон, у некоторых калориметрических измерительных средств нормируют отдельные фиксированные рабочие длины волн. Особенно часто это длины волн Л.=(0,63; 1,06; 10,6)-10 м лазерного излучения. Не являются исключением и приборы для измерения мощности ОСИСМ-А и ИМО-2Н, также калиброванные на этих длинах волн. Измеритель мощности фотоэлектрического типа ОМЗ-65 откалиброван в диапазоне длин волн А,=(0,8-1)"10 бм. Наибольшую точность измерений обеспечивает ваттметр ОСИСМ-А, поэтому по нему были откалиброваны другие два измерителя.
Измеритель мощности ОСИСМ-А состоит из ослабителя, приемника излучения и цифрового вольтметра, имеет следующие характеристики: спектральный диапазон А,=(0,4-12)-10"6м; диапазон измерений мощности W= 0,002-1 Вт (с основной погрешностью 2%); диапазон измерений мощности W= 1-100 Вт (с основной погрешностью 2,5%); погрешность ослабителя мощности 1,5%; постоянная времени т = 40 сек.
Ваттметр ИМО-2Н, предназначенный для измерения средней мощности лазерного изучения W = 3 10 4-100 Вт в диапазоне длин волн X = (0,4-10,6) 10"6м с пределом основной погрешности 5% при измерении мощности W = 3-10 4-1 Вт, был откалиброван следующим образом. По оси лазерного излучения последовательно устанавливались ослабитель и приемник мощности измерителя СИСМ-А. Произведенный замер мощности излучения при этом показывал флуктуацию мощности, не превышающую 3%. Затем та же мощность лазерного излучения, прошедшая через ослабитель ваттметра ОСИСМ-А, была измерена с помощью ИМО-2Н. Поскольку в обоих замерах был использован один и тот же ослабитель, то можно считать, что его погрешность не влияет на результат измерений. Калибровка произведена на длинах волн X = (0,63; 1,15; 3,39 и 10,6)-10"6м, причем ослабитель был использован только на длине волны X = 10,6і 10"6м. Результаты измерений приведены в таблице 2.L С увеличением длины волны излучения расхождение измерений растет, причем при X = 0,63-Ш 6м оно находится в пределах погрешностей измерения приборов. Конструкция измерителя мощности ИМО 2H позволяет внести соответствующую поправку при проведении его внутренней калибровки.
Калибровка ваттметра ОМЗ-65 отличается от описанной выше и заключается в следующем: с помощью ОСИСМ-А производится замер мощности W0, затем устанавливается пластина, отводящая часть мощности W2 на ОМЗ-65, при этом ОСИСМ-А замеряет мощность W\, прошедшую через пластину в прямом направлении. Таким образом, W2 — W0 - Wi при условии, что потери на поглощение в пластине малы по сравнению с измеряемой мощностью. Ваттметр ОМЗ-65 имеет следующие паспортные характеристики: длина волны калибровки X = (0,8-1,0) 10 бм; диапазон измеряемых мощностей W = (10" -10" ) Вт; предел допускаемого значения основной погрешности измерения мощности на длине волны калибровки в диапазоне W = 10"9-10"3 Вт.
Исследование возможностей и путей создания новых элементов, частей испытательного стенда для моделирования информационно-измерительной системы и проведения экспериментов
При обеднении смеси углекислотой до РСО2=(0,17-0,21)-103 Па интенсивность генерации падает, диаметр пучка излучения уменьшается до d=( 15-25)-10"2 м, но пятно имеет высокую плотность мощности с гауссовским распределением. Кривая зависимости мощности в соответствии с рисунком 3.3 имеет два максимума одинаковой интенсивности при РНе=(1,2-1,6)-103 Па и Рне=(2}0-2,66)103 Па. Однако значению первого максимума соответствует ток 1=0,53-0,68 А, а второму 1=0,78-0,8 А. Поэтому рекомендуется выбор первого режима для создания более благоприятных условий работы блока питания.
В экспериментах по исследованию распределения мощности в пятне были рассмотрены апертуры излучения в зависимости от режимов генерации, которые, в свою очередь, определялись соотношением компонентов газовой смеси. Распределение плотности излучения определялось по отпечатку (следу), который образовывался на мишени после подачи высокого напряжения на электроды в течение т=0,2-0,3 с. После соответствующей настройки и генерации в течение х=60 с делался первый отпечаток. Затем через т=480 с работы установки в режиме генерации делался второй отпечаток.
Процесс генерации излучения представляет собой достаточно сложную физическую картину. Очевидно, что выход на относительно стабильный режим работы излучения происходит не сразу. Нужно некоторое время для установления динамического равновесия в системе «генерируемая плазма» -«газовая смесь». Первый отпечатав показывает начало переходного процесса — симметричные правильные фигуры. Второй отпечаток показывает установившийся процесс. Как показали дополнительные эксперименты, время стабилизации апертуры излучения составляет около т=120 с. При проведении экспериментов с длительностью генераций и пауз газодинамических С02-излучателей продолжительность воздействия составляет от нескольких секунд до нескольких минут. Поэтому представляет интерес сравнение характера распределения мощности в световом пятне в начале генерации и в последующий промежуток времени. Фотографии отпечатков приведены на рисунке 3.4. Анализ отпечатков показал следующее. При избытке С02 распределение плотности излучения со временем меняется в неблагоприятную сторону. Фигура получается несимметричной со значительными уровнями плотности на периферии, хотя наблюдается некоторая концентрация мощности по центру пятна. В области, ограниченной диаметром d=20 м, содержится 70-75 % всей мощности. Неблагоприятное распределение плотности мощности в световом пятне объясняется сложными явлениями процесса плазмообразования в газоразрядной камере.
Более благоприятно распределение плотности мощности при оптимальном парциальном давлении Рсо2=0,26-10 Па. На отпечатке наблюдаются почти симметричные фигуры, причем, распределение мощности по пятну значительно более равномерно, чем в первом варианте. Соответственно при таком распределении снимается большая мощность с излучателя. В диаметре d=2O10" м заключено 65-70 % энергии излучения. Оба описанных режима являются примерами многомодового излучения.
Для варианта с РСо2=0?20-10 Па характерна, прежде всего, высокая концентрация излучения в центральной зоне пятна. Так, в cN20-10 м, судя по глубине выжженного следа в мишени, заключается 85-90 % всей мощности излучения, хотя суммарная мощность несколько падает до 60-70 % от номинальной. Такой режим генерации близок к одномодовому. При установившемся процессе излучения наблюдается некоторое усиление концентрации мощности в центре, и фигура становится более правильной в соответствии с рисунком 3.4. Для получения круглого сечения светового пучка излучения с благоприятным распределением плотности мощности рекомендуется использовать диафрагму. На рисунке 3.4 показаны отпечатки апертуры излучения, прошедшего через диафрагмы D=0,025 м и D=0,027 м при одномодовом режиме генерации. Неравномерность распределения мощности по диаметру пятна изделия является удовлетворительной и для первого и для второго вариантов. Она изменяется не более чем на 15%, а для одномодового излучения (третий вариант) на 8%.
При правильной юстировке поворотных медных зеркал и выходного полупрозрачного зеркала из арсенида галлия, при нормальной работе компрессора, блока питания и чистых электродах удается получить на выходе мощность (1,2-1,7)-10 Вт. При установке выходного зеркала с 50% пропускания (вместо 60%) можно поднять выходную мощность до (1,6-2,2)-103 Вт. Здесь важную роль играет чистота поверхности медных зеркал и электродов. Образующиеся микродефекты и припеки загрязнения на зеркалах с течением времени активно развиваются, приводя к значительному снижению мощности излучения. При длительной эксплуатации установки (более полугода) поверхности медных электродов темнеют. Окисление обуславливается высокой температурой эксплуатации электродов (до 300 С) и присутствием в компонентах газовой смеси примесей кислорода и воды. Повышение электрического сопротивления на поверхности электродов может привести к падению мощности излучения до 20-30 %.
Для дальнейшего увеличения мощности С02-излучателя можно использовать два пути: повышать напряжение разряда, увеличивая тем самым энерговклад, и увеличивать общее давление в излучателе до Р=(5,3-5,8 103 Па. Но в обоих случаях происходит ухудшение однородности разряда, появляются эффекты шнурования разряда. А это, естественно, приводит к падению мощности. Избавиться от нежелательных эффектов можно, увеличивая скорость прокачки газовой смеси и применяя электроды, дающие более равномерное распределение разряда по сечению камеры. Проведенные эксперименты на специально изготовленной кварцевой газоразрядной камере в соответствии с рисунком 3.5 позволили получить более равномерное прохождение плазменного разряда по сечению камеры за счет улучшенной формы электродов и максимальному приближению их к световому каналу резонатора.
