Введение к работе
Актуальность темы. В ряду оптико-локационных систем особое место занимают аэрозольные лидары, нашедшие широкое применение в исследованиях атмосферы и океана. Многообразие свойств и особенностей лидарных сигналов, зондируемых сред, их динамическая изменчивость, высокие скорости полета используемых платформ-носителей, как правило, не соответствуют ограниченным возможностям современных детекторов оптического излучения и лидарных систем. Эти несоответствия проявляются как противоречия и в области амплитуд, и в частотной области. Задачи проектирования и разработки лидарных систем в самом общем смысле сводятся к разумному разрешению этих противоречий.
Требуемые значения основных технических характеристик аэрозольного лидара, к которым относятся:
дальность зондирования;
пространственное разрешение по трассе зондирования;
разрешение в совокупности лидарных измерений по координатам, описывающим движение используемой платформы-носителя;
- погрешность измерений контролируемого параметра, - достигаются двумя
принципиально разными путями:
-
увеличением значений энергетических и габаритных параметров его приемопередающего устройства (ГШУ) и усложнением его структуры;
-
применением оптимальных технических решений по построению передающего и приемного каналов и их взаимодействия. Второй путь связан с поиском неиспользованных резервов улучшения показателей назначения лидара. Такие резервы скрыты в свойствах его составных компонентов, особенностях их работы и взаимодействия в составе ГИТУ лидара.
Актуальность работы, ориентированной на поиск новых технических решений, обусловлена следующими факторами. Технический уровень ГТПУ должен соответствовать уровню развития современных информационных технологий. Затраты на авиа- и космические носители в конечном итоге, должны быть оправданы экономическим эффектом от использования информации, полученной с помощью установленных на них лидаров. Практическое проектирование требует обоснования критериев выбора составных компонентов и технических решений функциональных узлов: излучателя и детектора, передающей и приемной, антенн, пространственного и спектрального фильтров, анализаторов состояния поляризации; их стоимость и связанный с ней рассматриваемый параметр ГШУ необходимо ограничивать.
Целью работы является поиск новых технических решений передающего и приемного каналов, направленных на улучшение показателей назначения и метрологических характеристик лидара, при практическом проектировании и технической разработке, разработка методик и технических средств, для оценки метрологических характеристик ГШУ лидара и его отдельных функциональных узлов, путем решения следующих задач:
1. Обоснование концепции проектирования и показателей качества ПШ
аэрозольного лидара, формулирование требований к ППУ и его составным узлам
критериев их оптимизации, выбор и обоснование параметров адаптации ППУ і
условиям работы, свойствам и параметрам зондируемых сред и исследуемы)
объектов.-'
'2. Обоснование ограничений на параметры и структуру, рекомендацій по практическому выбору оптических элементов и технических решенш функциональных узлов ППУ:
- -передающего канала;
- - приемного объектива (приемной антенны);
- пространственного фильтра;
' -' анализатора состояния поляризации принимаемого излучения;
- фотодетектора.
3. Создание инженерных методик расчета отдельных функциональны;
узлов ППУ, методик их тестирования и оценок метрологических характеристш опытных образцов ППУ лидаров.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Сформулированы критерии оптимизации параметров и структуры критерии выбора составных компонентов ППУ, обеспечивающие улучшениі показателей назначения лидара.
-2. Выполнен анализ ППУ лидара и получены решения, определяющш
параметры её передающего и приемного каналов, обеспечивающие:
повышение плотности мощности зондирующего излучения на объекп зондирования;
ограничение мощности внешней помехи;
- -: минимизацию теневой и переходной зон приема лидарного сигнала;
- разделение потоков однократного и многократного рассеяния.
3. Рассмотрен синтез структуры поляризационного лидара, получень результаты, определяющие структуру ППУ поляризационного лидара по числ; приемных каналов и составу поляризационных элементов, с учетом возможностеі измерения матрицы рассеяния при минимальном числе актов зондирования.
'''4; Предложен и экспериментально исследован фотоприемник і регулируемым по квадрату времени усилением на основе серийного ФЭУ получены выражения для управляющего напряжения, экспериментально показан; эффективность использования такого фотоприемника для увеличения дальності зондирования.
Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Изложенные в диссертации подходы к проектированию и оптимизацш послужили основой для создания ППУ ряда самолетных аэрозольных лидаров СВЕТОЗАР-3, МАКРЕЛЬ-2, МАКРЕЛБ-2М (М2М) и приемной оптическої системы метеорологического аэрозольного лидара МЕЛ-01.
-
На основе результатов диссертационной работы спроектирован, изготовлен и испытан использующийся до настоящего времени в исследовательской практике ИОА СО РАН ряд отдельных функциональных Злоков ППУ аэрозольных лидаров: блоки фотодетекторов, коллиматоры передающих каналов, приемные объективы.
-
Проведены техническая и конструкторская разработка, изготовление в условиях опытного производства, лабораторные и натурные испытания перечисленных устройств, использующихся в настоящее время в ИОА СО РАН. Лидар МАКРЕЛЬ-2 был изготовлен серией из восьми штук.
-
Полученные научные и практические результаты используются в настоящее время при проектировании, технической разработке и испытаниях лидаров различного назначения в ИОМ СО РАН и ИОА СО РАН.
Основные защищаемые положения:
-
Предложенная концепция проектирования ППУ аэрозольного лидара объединяет принципы оптимизации и адаптации его характеристик, применительно к целям практического использования, в условиях ограничения его энергетических и массо-габаритных параметров. Выбранные критерии качества ППУ и его функциональных узлов позволяют оптимизировать передающий и приемный канаты лидара для проведения измерений с авианосителей.
-
Применение результатов анализа ограничений зондирующего потока в передающем канале и обратно рассеянного светового потока в приемной оптической системе позволяет производить расчет параметров пространственных фильтров (ПФ), обеспечивающих:
четырехкратное подавление фоновой помехи;
задание требуемых границ переходной зоны;
разделение потоков однократного и многократного рассеяния;
-
Предложенные технические решения по ФЭУ с временной регулировкой усиления фототока позволяют не менее чем на 2,5 порядка снизить динамику сигналов в выходной цепи фотодетектора и улучшить за счет этого дальность действия лидара не менее чем в 3 раза.
-
Предложенные методики и инструментальные средства оценки метрологических характеристик ППУ и его функциональных узлов применимы для использования в практике метрологической аттестации аэрозольных (в т.ч. поляризационных) лидаров.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается экспериментальными данными, полученными при использовании аппаратуры, созданной при непосредственном участии соискателя, имеющими как научную, так и практическую ценность. Наши результаты лидарных измерений в атмосфере и океане имеют устойчивые совпадения с известными результатами, полученными альтернативными методами.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались н; международных, всесоюзных и российских конференциях и симпозиумах: III, IV V, IX Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондировании атмосферы (Томск, 1974, 1976, 1978, 1987 гг.); V Всесоюзном симпозиуме ш распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1979 г.); I Болгаро советском семинаре "Лазерные методы и средства измерения и контрол: окружающей среды" (София, 1985 г.); IX Международном симпозиум^ технического комитета ШЕСО по фотон-детекторам (Будапешт, 1980 г.) Международной конференции "Лазеры и оптическое дистанционно> зондирование" (Кейнкод, США, 1987 г.); Всесоюзной конференции пі авиационной метеорологии (Москва, 1986 г.); Ш Всесоюзной научно-техническої конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1979 г.) XI Симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск 1993 г.); I, V, VI Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы і океана" (Томск, 1994, 1998, 1999 гг.).
Использование результатов работы и их внедрение. Результаті диссертационной работы использованы при проектировании и техническої разработке лидаров различного назначения в НТК "Институт оптики атмосферы' Среди них 8 технических решений, защищенных авторскими свидетельствами н изобретения. На 6 из них имеются акты об использовании, что подтверждаете справкой, представленной в приложении к диссертации.
Публикации. Содержание диссертации отражено в 44 работах. Из них: 1 опубликованы в рецензируемых отечественных и зарубежных изданиях; 20 -тематических сборниках статей и сборниках тезисов и докладов; 12 - в авторски свидетельствах на изобретения.
Личный вклад. В диссертации автор обобщает свой 28-летний опы проектирования и технической разработки ППУ лидаров для исследовани атмосферы и океана, проводимых по совместным научным программам и планаї НИОКР ИОА СО РАН и ИОМ СО РАН (в прошлом - СКБ НП "ОПТИКА" СО АІ СССР и КТИ "ОПТИКА" СО РАН). В работе использованы результать полученные лично автором или при его непосредственном творческом участии проведении теоретических и экспериментальных исследований, направленных н решение задач проектирования и технической разработки лидарных систсі различного назначения.
Разработанные при участии соискателя образцы самолетных лидаро экспонировались на ВДНХ СССР. В 1982 г. автор за разработку использованных них отдельных технических решений награжден Бронзовой медалью ВДНХ. 3 работу "Самолетный лазерный локатор для поиска рыбных скоплений1 представленную от СКБ НП "Оптика", по итогам конкурса прикладных работ О АН СССР 1985 г. автор награжден Дипломом третьей степени.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, іаключения, списка цитированной литературы и приложения. Работа содержит 166 страниц текста, иллюстрирована 53 рисунками. В работе имеется 5 таблиц. Список литературы содержит 128 наименований.
