Введение к работе
Актуальность темы. Исследованию распространения электромагнитных и звуковых волн в турбулентной атмосфере уделяется значительное внимание в связи с широким использованием оптических, радиотехнических и звуковых систем в земной атмосфере. Атмосфера, и особенно ее приземной слой, оказывает существенное, часто решающее влияние на распространение оптических и звуковых волн. Вне линий поглощения излучения свободной от аэрозольного замутнения атмосферы турбулентность становится основным фактором, определяющим функционирование лазерных комплексов различного назначения и определяет информационную емкость и надежность оптических линий связи, пространственное и временное разрешение лазерных локаторов и т.д. Вопросы теории флуктуации характеристик лазерного излучения и акустических волн при распространении в турбулентной атмосфере является предметом интенсивных исследований на протяжении многих лет. Они изложены в основополагающих монографиях Татарского, Осташова и других авторов, подводящих определенные итоги проведенных исследований. Однако развитие теоретических исследований невозможно без проведения соответствующих экспериментов. Часто именно эксперимент, как это было в случае сильных флуктуации интенсивности, вызывает необходимость развития более совершенных теоретических методов, позволяет уточшгть границы применимости имеющихся теоретических результатов, а также дать новые знания.
Для проведения экспериментов в атмосферных условиях необходимо использование аппаратуры, которая должна удовлетворять ряду эксплуатационных требований:
рабочий диапазон температур (— 10 + 40 гр. С);
устойчивая работа в условиях запыленности и слабых осадков;
мобильность;
надежность.
Состояние вопроса. В конце 70-х годов при проведении экспериментальных .исследований распространения оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере для регистрации и обработки сигналов использовались преимущественно аналоговые приборы. Их точность и эксплуатационные характеристики не устраивали ученых экспериментаторов, работающих в этом направлении. Требовалась аппаратура и методы обработки данных, имеющие большой динамический (до 70 дБ) и частотный (до 10 КГц) диапазоны, а также обеспечивающие регистрацию большого объёма информации (5-20 Мбайт.) с нескольких источников.
Этим условиям удовлетворяли цифровые методы, которые в то время в основном использовались для решения вычислительных задач, но уже делались первые попытки применить их для регистрации, анализа и обработки экспериментальных данных. Поскольку такая аппара-
тура нашей промышленностью не выпускалась, то практически все ученые-экспернменгаторы, которые занимались распространением волн, уделяли много внимания разработке и созданию специальной аппаратуры для своих экспериментальных исследовании.
Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) в начале 80-х годов были в основном стационарными, поэтому для регистрации экспериментальных данных использовались различные накопители информацпи с последующим вводом её в ЭВМ.
Для регистрации больших объёмов и потоков ішформацни применялись в основном многоканальные магнитографы и скоростные перфораторы. Использовались также цифровые накопители на магнитной ленте на основе лентопротяжных механизмов от бытовых магнитофонов или ЭВМ. Далее записанная на тот или иной носитель информация доставлялась на вычислительный центр (ВЦ), вводилась в ЭВМ и обрабатывалась. По такой схеме работали многие экспериментаторы Института физики атмосферы АН СССР и Института оптики атмосферы СО РАН, занимающиеся проблемой распространения оптических и звуковых волн в атмосфере.
Однако использовавшиеся накопители информации по своим техническим характеристикам не позволяли осуществлять регистрацию экспериментальных данных для ряда задач распространения волн в атмосфере. Магнитографы типа Н-036, Н-049 имели узкий динамический диапазон до 47 ДБ, а перфораторы и цифровые накопители - низкий частотный диапазон - 0-150 щ и 0-5 Кгц соответственно. Но цифровая запись информации привлекала неограниченностью динамического диапазона регистрируемых параметров и надежностью хранения информации. Нужно было только увеличить частотный диапазон или, по-другому, поток регистрируемой информации при неизменной достоверности.
Техника цифровой магнитной записи насчитывает немногим более трех десятилетий. Ее возникновение и развитие на первых этапах было связано с потребностями электронно-вычислительной техники во внешних запоминающих устройствах (ВЗУ), обладающих достаточно большим объемом памяти и низкой стоимостью хранения информации.
Достижения микроэлектроники в конце 7.0-х и начале 80-х гг. обеспечили почти повсеместный переход к цифровым методам записи информации на магнитные носители.
Цель работы. Разработка и создание цифрового накопителя на магнитной ленте для обеспечешьч достоверной цифровой регистрации больших объёмов и потоков информации от оптіиеских и звуковых датчиков при экспериментальных исследованиях распространения волн в турбулентной атмосфере.
Научная новизна результатов работы определяется тем, что впервые: разработан и создан цифровой накопитель на магнитной ленте с повышенной плотностью записи (200 пер.мм), с широким частотным диапа-
зоном (до 120 кГц) и большим объёмом (до 300 Мб) регистрации информации в реальном времени, обеспечивающий получение достоверных экспериментальных данных (коэффициент искажения не хуже 10"7) о распространении оптических и акустических волн в атмосфере.
Использование в экспериментальных исследованиях разработанного накопителя позволило: установить применимость К-распределения для описания плотностей вероятностей насыщенных флуктуации интенсивности; полупіть экспериментальное подтверждение предсказанного теоретически низкочастотного сдвига временного спектра флуктуации интенсивности оптігческих и звуковых волн в зависимости от эффективной скорости ветра; экспериментальным путем подтвердить существование эффекта усиления обратного рассеяния и усиления флуктуации интенсивности оптического излучения, отраженного в турбулентной атмосфере от плоского зеркала.
Достоверность полученных результатов работы подтверждается:
Результатами независимых испытаний цифрового накопителя на предприятии п/я В-2431 - на соответствие техническим условиям.
Достаточным динамическим, частотным диапазонами и достоверностью регистрируемых экспериментальных данных .
Статистической устойчивостью и неоднократной воспроизводимостью экспериментальных данных.
Совпадением результатов экспериментов с корректными теоретическими данными и результатами независимых измерений.
Научная и практическая ценность, связь с плановыми исследованиями. В диссертации изложены материалы, которые использовались в ИОА СО РАН при выполнении бюджетных НИР, а также хоздоговорных НИР ФК101, ФК104, 30Ж6, Т1А, КД, ОКР №416, отнесенных директивными органами Академии наук к важнейшей тематике.
На защиту выносится:
-
Способ выделения синхронизации из информации при многоскоростной цифровой магнитной записи сигналов в диапазоне температур -50 +50 Гр. Цельсия, основанный на цифровой "привязке" фазы генератора, стабилизированного кварцевым резонатором, к фазе воспроизводимого сигнала.
-
Способ организации оперативной диагностики и ремонта цифрового накопителя на магнитной ленте без останова режима записи или воспроизведения, основанный на использовании самокорректирующегося кода и построении накопителя с учетом каналыюсти и модульности.
и следующие положения:
3. Для достижения коэффициента выпадения информации не хуже
10Е-7 в аппаратах магнитной записи необходимо использовать само
корректирующиеся коды.
4. Достигнутые технические характеристики цифрового накопителя позволяют осуществлять эффективные исследования распространения оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере. В частности использование цифрового накопителя позволило доказать существование ряда физических закономерностей, не имевших до этого экспериментального подтверждения:
при отражении от плоского зеркала оптического излучения в направлении строго назад происходит как увеличение его среднего значения, так и флуктуации интенсивности;
при любых отношениях дисперсии флуктуации поперечной скорости ветра Gi к её среднему значению V± вариации временных характеристик флуктуации интенсивности оптических и звуковых волн лежат в границах, соответствующих значениям ст±=0 и Vi=0;
закон распределения плотности вероятности насыщенных флуктуации интенсивности оптических волн близок к К- распределению.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на III Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Томск, 1983), VIII Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1981), на Ш национальной конференции Laser - 88 (Bulgaria, Plovdiv, 1988), на II, III, IV -Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск 1995,1996,1997) а также на специализированных семинарах ИОА.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей в рецензируемых журналах, сделано 9 докладов на Всесоюзных и международных конференциях, получены два авторских свидетельства. Общий перечень их приведен в конце реферата.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и приложений. Объем диссертации 119 страниц, включая 37 рисунков, 9 таблиц и 52 ссылки на литературные источники.
