Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Оптические характеристики аэрозольных образований, методы и аппаратура для их измерения и контроля 12
1.1. Оптические характеристики аэрозольных образований и их влияние на работу оптико-электронных приборов 12
1.2. Методы и аппаратура для исследований индикатрис рассеяния аэрозольных сред 15
1.3. Принципы построения лазерных систем для измерения и контроля параметров светорассеяния аэрозольных образований и объектов 20
Глава 2 Исследование индикатрис рассеяния пыледымовых образований в видимом диапазоне длин волн 28
2.1. Анализ факторов, влияющих на результаты измерения индикатрис рассеяния аэрозольных сред 28
2.1.1. Расчёт влияния ослабления излучения в рассеивающем объёме на точность измерения индикатрис рассеяния 29
2.1.2. Учёт вклада многократного рассеяния 31
2.2. Разработка требований к аппаратуре для измерения индикатрис рассеяния в аэрозольной камере 33
2.3. Разработка аппаратуры для измерения индикатрис рассеяния аэрозольных сред 35
2.3.1. Устройство и принцип работы оптико-механических блоков 38
2.3.2. Разработка электронного тракта 43
2.4. Лабораторные исследования оптических характеристик пыледымовых образований 47
2.4.1. Устройство аэрозольной камеры 47
2.4.2. Методика проведения измерений 50
2.4.3. Результаты измерений 52
Глава 3. Разработка методик, аппаратуры и проведение измерений параметров светорассеяния пылевых образований и наземных движущихся объектов на длине волны излучения 10.6 мкм при некогерентном приёме сигналов 60
3.1. Разработка структурной схемы установки для измерений параметров светорассеяния и требований к отдельным блокам... 60
3.2. Учёт вклада многократного рассеяния 65
3.3. Экспериментальное исследование индикатрис рассеяния для лидарных углов пылевых образований на длине волны 10.6 мкм.. 67
3.4. Экспериментальное исследование отражательных характеристик наземных движущихся объектов и пылевых образований 71
Глава 4 Разработка аппаратуры и проведение измерений доплеровских спектров отражения пылевых образований и наземных движущихся объектов на длине волны излучения 10.6 мкм при когерентном приёме сигналов 82
4.1. Оценка величины доплеровского сдвига частоты при регистрации сигналов светорассеяния от наземных движущихся объектов и пылевых образований и разработка требований к аппаратуре для их измерения 82
4.2. Разработка функциональной схемы лазерной установки для измерения параметров светорассеяния на длине волны излучения 10.6 мкм при когерентном приёме сигналов и расчёт её отдельных узлов 84
4.3. Разработка системы регистрации для измерений доплеровских спектров отражения 88
4.4. Устройство лазерного доплеровского локатора 92
4.5. Экспериментальное исследование доплеровских спектров отражения наземных движущихся объектов и пылевых образований 96
4.6. Локационные контрасты объектов движущихся в пылевых образованиях 103
Заключение 115
Список литературы 118
- Методы и аппаратура для исследований индикатрис рассеяния аэрозольных сред
- Разработка требований к аппаратуре для измерения индикатрис рассеяния в аэрозольной камере
- Учёт вклада многократного рассеяния
- Разработка функциональной схемы лазерной установки для измерения параметров светорассеяния на длине волны излучения 10.6 мкм при когерентном приёме сигналов и расчёт её отдельных узлов
Введение к работе
Рациональное проектирование оптико-электронных приборов и систем (ОЭПС) наблюдения и измерения параметров объектов, оценка их возможностей для различных условий применения требует учёта влияния среды распространения оптического излучения [1-Ю]. Наибольшее влияние среды сказывается на работу активных ОЭПС, к которым относятся лазерные локационные системы (ЛЛС) [11-17]. В этом случае приёмная система ЛЛС регистрирует как полезный сигнал от объекта локации, так и сигнал помехи от среды, находящейся между объектом локации и ЛЛС. В случае применения ЛЛС для локации наземных объектов типичной ситуацией является наличие аэрозольных образований (АО) между объектом локации и ЛЛС.
Принимаемый сигнал помехи от АО может иметь значительную величину и при определённых условиях превышать сигнал от объекта локации.
Перспективным направлением в разработке ЛЛС для работы в условиях АО является применение СОг лазера, работающего в дальней ИК области спектра. Это связано с рядом факторов: высокой прозрачностью атмосферы и большинства АО (атмосферный аэрозоль, дымовые составы различного происхождения) в данной области спектра [3,18-20], с одной стороны, и наличием высокоэффективных СОг лазеров и фотоприёмников, с другой [12,21,22]. В то же время ряд АО, имеющих крупнодисперсный состав аэрозольных частиц, такие как пылевые образования (ПО), возникающие при движении транспортных средств, и некоторые дымовые среды могут оказывать существенное влияние на прохождение излучения в дальней ИК области спектра [23,24].
Имеющиеся в литературе данные по работе ЛЛС на длине волны 10,6 мкм касаются отражательных характеристик неподвижных объектов и фонов при некогерентном приёме сигналов (НПС) [25-28]. В то же время, влияние на локацию на длине волны 10,6 мкм наземных движущихся объектов (НДО)
7 аэрозольных образований, особенно пыледымовых образований (ПДО), изучено совершенно недостаточно.
С целью анализа и контроля работы ОЭПС в сложных условиях аэрозольных помех необходимо проведение натурных экспериментов в данных условиях. Всё многообразие условий применения ОЭПС с учётом среды распространения излучения экспериментально исследовать не представляется возможным. В этом случае применяют модельные расчёты на основе параметров ОЭПС и оптико-микрофизических характеристик аэрозольных сред. Для определения оптико-микрофизических характеристик аэрозольных сред с целью создания и уточнения соответствующих моделей необходимо проведение комплексных исследований, включающих измерение параметров светорассеяния, которые для неполяризованного света описываются индикатрисой рассеяния, спектрального пропускания в широком диапазоне длин волн, распределения частиц аэрозольных сред по размерам и других характеристик.
Недостаточное количество имеющихся исходных данных по характеристикам светорассеяния пыледымовых образований и наземных движущихся объектов, а также оптико- микрофизических моделей пыледымовых образований, необходимых для рационального проектирования лазерно-локационных оптико-электронных систем и оценки их возможностей с учётом среды распространения излучения, определило актуальность выбранной темы диссертационной работы.
Цель работы. Целью настоящей работы является создание комплекса аппаратуры для измерения и контроля параметров светорассеяния и доплеровских спектров отражения пыледымовых образований и наземных движущихся объектов.
Основные задачи диссертационной работы.
Достижение поставленной цели потребовало решить следующие научно-технические задачи:
Разработать методики и обеспечивающие их средства для измерения и контроля параметров светорассеяния различных аэрозольных сред в лабораторных и натурных условиях в видимой области спектра и на длине волны 10.6 мкм.
Выполнить исследования параметров светорассеяния пыледымовых сред в видимой области спектра в лабораторных условиях и пылевых образований на длине волны 10.6 мкм в натурных условиях для получения исходной информации, необходимой для моделирования их оптико-микрофизических характеристик.
Разработать и создать лазерную установку для измерения и контроля светорассеяния в натурных условиях на длине волны 10,6 мкм при когерентном и некогерентном режимах приёма сигналов.
Провести натурные исследования характеристик светорассеяния наземных движущихся объектов и пылевых образований при двух режимах приёма сигналов с целью изучения возможностей измерения и контроля их энергетических и спектральных характеристик отражения.
Провести сопоставительный анализ характеристик светорассеяния на длине волны 10,6 мкм от пылевых образований и находящихся в них наземных движущихся объектов при когерентном и некогерентном режимах приёма сигналов для рационального построения лазерных локационных систем, работающих в условиях аэрозольных образований.
Научная новизна работы.
Разработаны методики и обеспечивающие их средства для комплексных исследований оптических характеристик аэрозольных сред. В результате проведённых измерений получены новые экспериментальные данные об оптических характеристиках дымовых сред при высокой относительной влажности (до 100%) и пылевого аэрозоля почвенного происхождения, что позволило дополнить известные их оптико-микрофизические модели.
Создана лазерная установка для исследований отражательных характеристик наземных движущихся объектов и аэрозольных образований при когерентном и
9 некогерентном режимах приёма сигналов в натурных условиях. Используя указанную аппаратуру, получен массив экспериментальных данных по характеристикам отражения наземных движущихся объектов и образуемых ими пылевых образований на длине волны излучения 10,6 мкм при когерентном и некогерентном приёме сигналов. Это позволило измерять и контролировать как собственные характеристики движения пылевых образований, так и находящихся в них наземных движущихся объектов.
Показана эффективность применения когерентного приёма сигналов при локации наземных движущихся объектов, находящихся в пылевых образованиях вследствие существенного различия их доплеровских спектров отражения.
Практическая значимость работы.
Полученные характеристики рассеяния аэрозольных сред использованы при построении обобщённой оптико-микрофизической модели пыледымовых образований.
Отражательные характеристики и доплеровские спектры отражения наземных движущихся объектов, пылевых образований и предложенная методика вычисления локационных контрастов использованы при моделировании работы лазерных локационных систем в условиях аэрозольных помех.
Предложенные схемо-технические решения могут быть использованы при построении лазерных локационных систем, предназначенных для контроля параметров движения наземных движущихся объектов в аэрозольных образованиях.
Основные положения выносимые на зашиту.
1. Методики, аппаратура и результаты лабораторных и натурных исследований характеристик светорассеяния пыледымовых образований для создания и уточнения их оптико-микрофизических моделей.
Схемо-технические решения построения лазерного локатора на длине волны 10,6 мкм, обеспечивающие проведение измерений и контроля энергетических и спектральных характеристик отражения наземных движущихся объектов и образуемых ими пылевых образований при когерентном и некогерентном режимах приёма сигналов.
Результаты измерений отражательных характеристик наземных движущихся объектов и пылевых образований на длине волны 10,6 мкм при когерентном и некогерентном режимах приёма сигналов, позволяющие контролировать параметры движения наземных движущихся объектов, находящихся в плотных пылевых образованиях.
Методика расчёта локационных контрастов, подтверждающая эффективность применения когерентного приёма сигналов для локации наземных движущихся объектов, находящихся в аэрозольных образованиях, вследствие существенного различия их доплеровских спектров отражения.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на: III Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск, 1985г; IV Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск-Барнаул, 1988г.; XXII научно-технической конференции, Пенза, 1988г.; научно-практической конференции, НИФХИ им. Л.Я. Карпова, Москва, 1991г.; научно-практической конференции «Проблемы охраны труда и экологии человека в газовой промышленности», Москва, ООО «ИРЦ Газпром», 2002г.
Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 9 работах, включая монографию и 4 статьи.
Личный вклад автора.
Автором диссертации разработаны аппаратура для измерения индикатрис рассеяния в видимом диапазоне длин волн, лазерные установки для измерения параметров светорассеяния пыледымовых образований и наземных движущихся объектов при когерентном и некогерентном приеме сигналов, созданы методики калибровки аппаратуры и проведения измерений параметров светорассеяния.
Автор являлся ответственным исполнителем проведения лабораторных и натурных экспериментальных исследований параметров светорассеяния пыледымовых образований и наземных движущихся объектов, им выполнены анализ и интерпретация полученных данных.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Общий объём составляет 129 страниц печатного текста, включая 35 рисунков и 4 таблицы.
Методы и аппаратура для исследований индикатрис рассеяния аэрозольных сред
Как было отмечено в разделе 1.1 исследования оптико -микрофизических характеристик АС с целью построения и уточнения соответствующих моделей требуют проведения комплексных исследований, в которых информация по индикатрисам рассеяния занимает важную роль [40,41].
Нефелометрический метод исследования [40, 64, 65], в котором для оценки свойств аэрозоля используется информация о коэффициенте рассеяния или отдельных угловых характеристиках рассеянного излучения, может рассматриваться как частный случай поляриметрического метода [41]. Нефелометрический метод исследования уступает по информативности поляриметрическому методу, но обладает значительно большей оперативностью при подготовке и проведении измерений. Кроме того, аппаратура для его реализации значительно проще. По этим причинам нефелометрический метод исследования находит широкое применение для исследования АС.
Индикатрисы рассеяния отличаются высокой чувствительностью к основным параметрам дисперсных систем, когда размеры частиц сравнимы с длиной волны излучения [37,38]. Для большинства аэрозольных сред этому условию соответствует видимый и ближний ИК диапазон длин волн [20,37,38].
При этом для решения обратной задачи по восстановлению микрофизических характеристик АС по результатам оптических измерений, необходимо получать наиболее полную информацию об индикатрисе рассеяния: измерения проводить на нескольких длинах волн, в широком диапазоне углов с высоким угловым разрешением. Конкретные требования к аппаратуре для данных измерений зависят от многих факторов, в том числе: от оптических характеристик АС, её стационарности и изотропности, а также от технических возможностей создания указанной аппаратуры. Высокая точность измерения индикатрис рассеяния необходима при исследованиях стационарных, изотропных АС. В этом случае возможно получить наиболее полную информацию об индикатрисах рассеяния, выявить незначительные изменения формы, связанные с особенностями микрофизических характеристик АС. Подобные условия могут быть реализованы в лабораторных условиях.
Особенность пылевых аэрозолей заключается в их большом многообразии, связанном с составом почв различных географических регионов [23,55,56] . Исследования индикатрис рассеяния различных АС в широком диапазоне изменений относительной влажности, доходящем до 100% в натурных условиях может занять большое время и практически не выполнимы.
Из вышесказанного следует, что исследование индикатрис рассеяния рассматриваемых АС необходимо проводить в лабораторных условиях. Для этих целей необходима аэрозольная камера достаточно больших размеров, чтобы в ней можно было разместить измерительную аппаратуру. В условиях аэрозольной камеры можно считать, что АС стационарна и изотропна, временной масштаб её изменения составляет десятки секунд. Поэтому имеется возможность измерения параметров АС с высокой точностью.
Анализ экспериментальных и расчётных индикатрис рассеяния полидисперсных АС [37,38,67] показывает, что они имеют достаточно гладкую форму, сильно вытянуты вперёд, могут иметь незначительныйподъём в области углов в 120 . Для некоторых АС могут наблюдатьсялокальные максимумы в области углов в 120 . В связи с этим можно ограничить количество углов для описания индикатрисы рассеяния, особеннов средней её части 0 = 20 ...130, что, как правило, делается при проведении модельных расчётов [37].
Построение аппаратуры для измерения индикатрис рассеяния в широком диапазоне углов связано с рядом противоречивых требований. С одной стороны предпочтительнее иметь компактную аппаратуру, имеющую достаточно высокую скорость измерения. С другой сороны при измерениирассеянного излучения для углов в близких к 0 и 180 приходится увеличивать расстояние от оптической системы фотометра до центра рассеивающего объёма. В связи с этим, применяют различные конструкции индикатрисометров для измерения индикатрис рассеяния в области углов0« 10...170, 6 10, в 170 [68-77]. Причём основную информацию об индикатрисе рассеяния для большинства АС даёт область углов в »10 ... 170.
Для измерения индикатрис рассеяния разработано большое многообразие приборов, основанных на различных принципах построения. Большинство индикатрисометров по их назначению можно разделить на три класса:1- для работы в изотропных, стационарных средах,
Разработка требований к аппаратуре для измерения индикатрис рассеяния в аэрозольной камере
Требования к аппаратуре для измерения индикатрис рассеяния определяются свойствами исследуемых АС: их изменчивостью во времени и информативностью. Первый фактор определяет требуемое время измерения, второй- необходимое угловое разрешение измеряемой индикатрисы рассеяния. При исследовании АС в условиях аэрозольной камеры, временные изменения сигналов рассеяния носят медленный характер. В данных условиях основным фактором, определяющим выбор принципа построения аппаратуры, является получение максимальной информации об индикатрисе рассеяния.
Анализ экспериментальных и расчётных индикатрис рассеяния, проведённый в главе 1 показывает, что для большинства полидисперсных аэрозольных сред диапазон углов измерения должен быть не менее 10... 170, причём при исследовании крупнодисперсных АС желательно проводить измерения для углов 10. При этом шаг измерения должен быть не более, чем 2,5 в области углов 10...20 и 130... 170. В диапазоне углов 20... 130 достаточно проводить измерения с шагом 10. Как было показано в главе 1, измерения необходимо проводить на нескольких длинах волн видимого диапазона.
Требования к электронной части аппаратуры состоят в обеспечении необходимого быстродействия, динамического диапазона измерения и регистрации сигналов рассеяния с заданной точностью. Система регистрации должна обеспечивать хранение информации в удобном для последующей обработки виде. Погрешность измерения сигналов рассеяния должна составлять не более 5% во всём диапазоне углов измерения.
Проведём оценку диапазона изменения электрических сигналов при измерении индикатрисы рассеяния. В соответствии с (2.2) можно записатьобласти углов 6 90. Оценим увеличение сигналов для углов 10 и 170.
Анализ индикатрис рассеяния [37,67] показывает, что для большинствааэрозольных сред т](і0)/ 90)200; n(l70)/n(90) 4 тогда -Л—4 1200,
Показатель рассеяния ар может принимать различные значения взависимости от свойств АС. Реальный диапазон вариаций ару при которомнеобходимо проводить измерения т](в), ограничен с одной стороны ростомпогрешности измерителя прозрачности при малых значениях ар, с другойстороны возрастанием доли многократного рассеяния в регистрируемом сигнале при больших значениях ар. Примем диапазон вариаций « за времяизмерения равный трём, что соответствует предварительным оценкам. Это приведёт к расширению динамического диапазона принимаемых оптических сигналов рассеяния в переднюю и заднюю полусферы соответственно до Дп=3600, Дз=72. Расширение динамического диапазона регистрируемых сигналов, связанное с вариациями ар в различных экспериментах может бытьуменьшено введением ослабителей в оптический тракт.
Анализ требований к аппаратуре, проведённый в разделе 2.2, показывает, что измерение индикатрис рассеяния необходимо проводить в диапазоне углов 0= 10... 170 с разрешением не хуже 2.5. Время измерения одной индикатрисы рассеяния должно составлять -10 сек. Исходя из перечисленных требований и анализа принципов построения индикатрисометров, проведённого в главе 1, следует, что данную задачу можно решить, используя индикатрисометр, построенный по принципу механического перемещения приёмного фотометра вокруг рассеивающего объёма.
Подобная аппаратура (рис. 5, 6) для измерения индикатрис рассеяния в пространственно неоднородных средах [89] была создана на базе ОМБ полевого автоматического нефелометра (ПАН) [68], от которого были использованы следующие блоки: печатающее устройство.
Блок осветительный и блок приёмный выполнены герметизированными, допускающими их эксплуатацию в аэрозольных средах. На приёмные объективы фотометров установлены сотовые бленды, защищающие оптические поверхности от прямых солнечных засветок и осаждения аэрозоля.
Для расширения диапазона углов измерения индикатрисы рассеяния, поворотное устройство БПрІ было доработано. В результате расстояние от центра рассеивающего объёма до ловушки и фотометра увеличилось на 0.15м и составило 0.65м. Перед БПрІ устанавливался щит с диафрагмой, формирующей требуемый размер луча осветителя.
Блок осветительный формирует пучок модулированного по амплитуде слабо расходящегося излучения. В качестве источника излучения применена лампа ДРПІ-250-2. Модулятор выполнен в виде диска 0 200 мм с отверстиями, установленного на ось синхронного гистерезисного двигателя Г205. Блок осветительный имеет следующие технические характеристики: частоту модуляции f = 1000 Гц, диаметр выходного луча 0 60 мм, расходимость излучения ф=30\ Конструкция блока осветительного предусматривает установку ослабителей излучения. Нестабильность мощности излучения за время 1час после 30 минут прогрева составляет 80С = 2.5%. Блок осветительный с указанной лампой имеет линии излучения на длинах волн: 0,436; 0,546; 0,578 мкм. В качестве источника излучения могут быть использованы лазеры с длиной волны 0.63 мкм или 1.06 мкм, излучение которых модулировано с частотой f = 1000 Гц.
БПр1 предназначен для приема и преобразования в электрический сигнал части рассеянного в исследуемой среде излучения осветителя и состоит (Рис.6) из поворотного устройства, светоловушки (служащей фоном для приемной оптической системы) и самой оптико -механической приемной системы. Он имеет следующие технические характеристики:
Излучение осветителя направляется в специально оптически выделенный рассеивающий объем (РО). Часть рассеянного в РО излучения попадает в окно поворотного устройства и зеркалами, расположенными в нём, направляется в приемную оптическую систему блока.
Диапазон углов измерения определяется виньетированием луча осветителя поворотным устройством и зависит от диаметра луча. Скорость вращения поворотного устройства может быть плавно изменена с БПУ в пределах от 4 до 20 /сек. При вращении поворотного устройства на каждый градус поворота вырабатывается электрический сигнал - метка градусов (МГ), который поступает в блок электронный. Специальные датчики задают начало и конец измерения индикатрисы рассеяния.
В приемном блоке излучение оптической системой через кольцевой ослабитель и один из светофильтров фокусируется в плоскость одной из полевых диафрагм, за которыми установлены приемники излучения: ФЭУ-79 -для спектральной области 0,4 - 0,7 мкм; ФЭУ- 83 - для длины волны X = 1,06 мкм. Коммутация приемных каналов производится специальными плоскими зеркалами , установленными на одну общую кассету со светофильтрами.В БПр1 используются следующие рабочие длины волн: 0,436; 0,546; 0,578 мкм и 0,63; 1,06; мкм. Смена фильтров (и одновременно выбор приемника) производится дистанционно с БПУ
Учёт вклада многократного рассеяния
Определим полосу частот электронного тракта исходя из максимальной скорости изменения сигнала. Она имеет место при локации НДО, движущегося перпендикулярно линии визирования. Для погрешности измерения 1% выражение имеет вид: где а - длина автотранспорта, о - скорость движения. Для а = 2 м, ,9=15 м/сек, имеем А/=12 Гц. Минимальная мощность локационного сигнала на приемной площадке фотоприемника: Р„рть=Р«- Т- — -т- Ta2-f(R) (3.5) max Для фотоприемника минимальная регистрируемая мощность при заданном отношении с/ш имеет вид: Рпр Рпор- /р)- (3.6) / ш Приравнивая правые части выражений (3.5) и (3.6) получим: p.s -KJ P/P 4W Рпор " P -ra2-f{R) Выражение (3.7) позволяет разработать требования к отдельным узлам локатора, по заданным на него техническим требованиям. Проведём расчёты параметров локатора используя следующие исходные данные: Та=1,г=0.7, Р / /R=l, ртщ=0.02, Лтах=200 м., А/=12 гц., Ур = 20. Результаты расчётов для / ш двух типов ФП: охлаждаемого жидким азотом (Т=77 К) ФП на основе соединения CdHgTe ФРО-Х1-142 [102], имеющего Рпор = 1.7-10-12 вт-гц"1/2 и пироэлектрического ФП МГ-32 имеющего ,=5-10"10 вт-гц"1/2 представлены в таблице 3. Из таблицы 3 видно, что в локаторе, удовлетворяющем указанным техническим требованиям, необходимо использовать охлаждаемый ФП. Использование неохлаждаемого ФП требует применения мощного лазера Ри \0вт или большой площади приёмной апертуры S„ 5 -10" м2. Таблица З Зависимость требуемой мощности лазера от площади приёмной апертуры локатора для двух типов фотоприёмников. 3.2. Учёт вклада многократного рассеяния. При исследовании оптических характеристик плотных ПО необходимо учитывать эффект многократного рассеяния. Для этих целей можно использовать приближенную формулу [35]: где W \R) И Wp\R) - соответственно интенсивности первого и второго порядка рассеяния от ПО в точке R, J3\) - предел интегрирования, выражаемый формулой: где цг - поле зрения локатора. Воспользуемся аппроксимационной формулой для индикатрисы рассеяния в виде функции Хеньи - Гринштейна [46] (3.9) где Л- числовой множитель, равный вероятности выживания кванта , g 1 -параметр вытянутости индикатрисы, определяемый расчетным или экспериментальным путем. Проинтегрировав формулу (3.8) по б1 с учётом (3.9) получим: Не ограничивая общности, согласно [93] примем, что показатель ослабления a{R) в ПО вдоль трассы локации имеет гауссово распределение с центром в R = R0: где a0=a\R0), Н- дисперсия распределения a\R)[95]. Тогда оптическую толщу ПО можно вычислить по формуле: (3.12) Используя выражение (3.10), с учётом (3.11) и (3.12) можно рассчитать вклад рассеяния второго порядка 8М в общий сигнал рассеяния для различных условий проведения эксперимента. Результаты расчётов представлены на рис. 15 для следующих исходных данных: у/ = 0.0025 рад, №=10, R0=75M. Из рис. 14 видно, что с увеличением оптической плотности ПО, увеличивается рассеяние второго порядка. Для выбранных параметров аппаратуры и условий проведения эксперимента измерения необходимо проводить при D 2 . Используя полученные формулы можно провести аналогичные расчёты для требуемых параметров аппаратуры и условий проведения эксперимента. Рис.14. Вклад рассеяния второго порядка 8М в общий сигнал рассеяния для различных значений оптической плотности ПО. Для экспериментального исследования показателя направленного рассеяния излучения С02-лазера в пылевых облаках в области лидарных углов рассеяния (индикатрисы рассеяния щк при #=180) была создана лазерная установка в соответствии с рис.15. В её состав входит: одномодовый лазер ЛГ-74; приемный зеркальный объектив диаметром 230 мм с фокусным расстоянием 400 мм, выполненный по схеме Касегрена; охлаждаемый ФП -фоторезистор HgCdTe с диаметром приёмной площадки 1мм и ale Л f\ 1 __ 1 /о обнаружительной способностью Д =1.5-10 Вт" Гц см. Лазер ЛГ-74 имеет следующие основные технические характеристики: - мощность излучения 2.5Вт - относительная нестабильность мощности излучения за ЗОмин. непрерывной работы после 1 ч. работы 1 % - длина волны 10.59 мкм - энергетическая расходимость лазерного излучения, измеренная на уровне 0.1 от максимальной мощности 4-10" рад. Полное перекрытие луча лазера и поля зрения приёмника обеспечивалось на дальностях L=46... 153 м. Экспериментальное исследование показателя направленного рассеяния излучения СОг-лазера в ПО проводилось во время комплексного эксперимента по исследованию оптико-микрофизических характеристик ПО вблизи г. Казани [66]. Одновременно измерялось спектральное пропускания ПО базовым измерителем прозрачности «Шлейф» [66] и контролировались метеопараметры. Аппаратура располагалась согласно схеме, изображённой на рис.16. Пылевые облака образовывались при движении техники по грунтовой дороге 4. Преимущественное направление ветра указано стрелкой 5. Расстояние от дороги до макета локационной установки составляло 70 м. База измерителя прозрачности практически совпадала по направлению с лазерным лучом. При проведении данного комплексного эксперимента, разместить локационные установки на достаточном удалении от ПО в соответствии с рекомендациями, полученными в разделе 3.1, не представлялось возможным. В связи, с чем локатор « Пелена» в данном эксперименте не применялся.
Разработка функциональной схемы лазерной установки для измерения параметров светорассеяния на длине волны излучения 10.6 мкм при когерентном приёме сигналов и расчёт её отдельных узлов
Проведённый в разделе 4.1 анализ возможных значений ДСО показал, что максимальные значения ДСО от движущихся НДО составляют ± 4 МГц. Как было показано в главе 1, для регистрации указанных значений ДСО можно использовать ЛДЛ, в котором для формирования излучения гетеродина, подаваемого на ФП, используется часть зондирующего излучения, смещённого по частоте с помощью АОМ [12,44,105]. ЛДЛ с АОМ не требует дополнительного лазера-гетеродина, но обладает недостатком - наличием большого уровня сигнала промежуточной частоты на выходе ФП в отсутствие объекта локации [44]. Данный сигнал появляется вследствие наличия на выходе АОМ не смещённого по частоте излучения и не позволяет проводить локацию неподвижных объектов. Нами предложено использовать два АОМ для формирования излучения гетеродина [104]. Применение второго АОМ позволяет существенно уменьшить уровень засветки ФП несмещённым по частоте излучением. При этом результирующая промежуточная частота в зависимости от расположения акустооптических модуляторов составит:где fyi, fy2 - частоты управляющих напряжений соответственно АОМ 1,
АОМ 2. Кроме того, при работе на fnp- можно получить достаточно низкуюпромежуточную частоту и использовать более низкочастотный ФП. По этим причинам при разработке ЛДЛ использовалась схема с двумя АОМ,расположение которых обеспечивало получение fnp-.
Для реализации оптической схемы ЛДЛ, необходимо провести расчёт положения оптических элементов опорного канала. Часть оптической схемы ЛДЛ с двумя АОМ изображена на рис.25. В используемой оптической схеме оси луча лазера и смещённого по частоте излучения, подаваемого на ФП параллельны. Лазерный луч светоделительной пластиной 1 (А) через диафрагму 2 направляется на АОМ 1 (В). Далее дифрагированый смещённый по частоте луч через диафрагму 3 поступает на АОМ 2 (С). С его выхода излучение опорного канала через диафрагму 4 и зеркало 5 направляется на ФП. Излучение опорного канала, выходящее из АОМ 2 перпендикулярно лучу лазера. Диафрагма 2 формирует размер луча лазера, а диафрагмы 3,4 кроме этого препятствуют прохождению несмещённого по частоте излучения наФП.
Для расчёта положения АОМ 1 и АОМ 2 определим угол отклонения отражённого светоделительнои пластиной излучения от нормали к лучулазера рх, углы поворота АОМ 1 и АОМ 2 относительно направления луча лазера рг,Фъ- Несложно получить следующие соотношения:где 0БІіх.9Б2соогтвегсстьєтю углы падающего излучения (углы Брэгга) для АОМ 1 и АОМ 2 [12].
Для данной оптической схемы необходимо, чтобы частоты управляющих напряжений, подаваемых на АОМ 1 и АОМ 2, удовлетворяли соотношению:fyi fy2 Задавая расстояния АВ и ВС , исходя из конструкции локатора,можно рассчитать смещение CF] светоделительнои пластины относительно зеркала 5 и смещение ЕВ АОМ относительно нормали к лучу лазера в точке А:
Для разработки требований к отдельным узлам ЛГЛ определим требуемую мощность управляющего напряжения, подаваемого на каждый АОМ.
Мощность гетеродинного излучения, приходящего на площадку ФП можно записать в следующем виде:где Рл - мощность излучения лазера, Ксд - коэффициент отражения светоделительной пластины, Т - потери излучения на диафрагмах, тА0М -коэффициент пропускания АОМ, К„р- эффективность преобразования АОМ входящего излучения на 1 Вт мощности управления, Ру- подводимая кАОМ мощность управления, КСВ - коэффициент стоячей волны по управляющему входу АОМ. Используя выражение 4.8, получим:В качестве АОМ в составе локатора использован ПД288, разработанный и изготовленный в ГОИ им. С. И. Вавилова. Он имеет следующие технические характеристики:
Для расчёта требуемой мощности управляющего напряжения, подаваемого на каждый АОМ, примем Рг=0,4 мВт [44] , Рл = 3 Вт,г =0,5. Светоделительная пластина изготовлена из материала BaF2, имеющего на длине волны 10,6 мкм под углом 45 коэффициент отражения Ксд =0,12.
Расчёты, проведённые по формуле (4.8), даютР , = 5,3 Вт, что не превышает допустимую величину мощности управления для использованного АОМ.В состав ЛДЛ входит система регистрации. Она должна обеспечивать измерение, регистрацию и хранение ДСО. Из проведённого в разделе 4.1 анализа, можно отметить большой диапазон ожидаемых вариаций ширины ДСО: от 2 кГц до 4 МГц. Соответственно система регистрации должна иметь максимальное частотное разрешение не хуже 1 кГц. При ширине ДСО более 200 кГц допустимо снижение спектрального разрешения системы регистрации. Как было показано в главе 1, для регистрации спектров можно использовать ряд методов. Поскольку разрабатываемая система регистрации используется для исследования спектров, а не для их оперативного анализа, от неё не требуется высокой скорости обработки поступающих сигналов.
