Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и устройства когерентного лазерного зондирования (литературный обзор) 7
1.1. Принципы когерентного лазерного приема 7
1.2. Гетеродинный прием в оптической локации, связи, интерферометрии 13
1.3. Когерентные лазерные приемники для газоанализа 21
2. Дистанционные атмосферно-оптические измерители на основе когерентных внутрирезонаторных приемников 25
2.1. Лазерные системы с трехзеркальным резонатором 25
2.2. Исследование когерентного приемника на основе СОг-лазера с трехзеркальным резонатором 27
2.3. Бортовой когерентный внутрирезонаторный лидар 32
2.4. Извлечение информации о профиле поверхности при зондировании бортовым лидаром 37
2.5. Корреляционная обработка спектра и калибровка лидара, работающего в режиме спектральных измерений 46
2.6. Исследование проблем стабильности лазеров, используемых в когерентных внутрирезонаторных лидарах 50
2.7. Внутрирезонаторный прием на лазер для определения микрофизических параметров аэрозоля 68
2.8. Обнаружение сигнала и извлечение информации из сигналов внутрирезонаторных доплеровских измерителей методом последовательного корреляционного анализа 77
3. Внутрирезонаторные лазерные системы для атмосферно-оптических измерений 87
3.1. Исследование возможности использования С02-лазера с длинной резонатора 110 метров для атмосферно-оптических измерений 87
3.2. Измерение пропускания атмосферы на основе СОг-лазера с длинным резонатором 96
3.3. Повышение чувствительности внутрирезонаторных лазерных измерителей методом внутрирезонаторного удвоения частоты излучения лазера 107
Заключение 113
Литература 115
- Гетеродинный прием в оптической локации, связи, интерферометрии
- Исследование когерентного приемника на основе СОг-лазера с трехзеркальным резонатором
- Исследование проблем стабильности лазеров, используемых в когерентных внутрирезонаторных лидарах
- Исследование возможности использования С02-лазера с длинной резонатора 110 метров для атмосферно-оптических измерений
Введение к работе
Актуальность исследований.
Внутрирезонаторные и гетеродинные лазерные системы все чаще используются в оптической локации, связи, газоанализе, интерферометрии. Внутрирезонаторные измерительные системы обладают высокой чувствительностью к потерям излучения внутри резонатора (резонансного и нерезонансного типа), модуляции добротности, воздействию отраженного обратно в резонатор излучения. С другой стороны, гетеродинные системы обладают на несколько порядков более высокой чувствительностью, чем оптические системы, использующие метод прямого детектирования. То обстоятельство, что ширина линий излучения лазеров имеет тот же порядок, что и линии поглощения газов, позволило лазерной внутрирезонаторной спектроскопии достичь рекордных значений спектральной и концентрационной чувствительности для ряда газов. Существует ряд предпосылок, делающих перспективным применение когерентных лидаров основанных на эффекте внутрирезонаторного приема отраженного излучения в газоанализе. Почти все химические загрязнения имеют линии поглощения в РІК - окнах прозрачности атмосферы (3-4 мкм, 8-14 мкм), т.е. именно в том диапазоне, где гетеродинное детектирование предпочтительнее прямого. Кроме того, высокая чувствительность таких систем позволяет принимать отраженный лазерный сигнал от топографических поверхностей, что позволяет создавать дистанционные, мобильные измерители параметров атмосферы, аэрозоля и подстилающей поверхности. Помимо большей чувствительности гетеродинное детектирование обеспечивает на много порядков более высокое спектральное разрешение: минимизируя взаимное перекрытие спектральных полос различных молекул. Одновременное использование внутрирезонаторного метода измерения и процесса гетеродинирования оптического сигнала привело к созданию нового класса лазерных внутрирезонаторных систем и методов для локальных оптических измерений. Однако вопросы использования внутрирезонаторного приема для дистанционных атмосферно-оптических измерений изучены еще недостаточно. Кроме того, не исследована возможность использования эффекта внутрирезонаторного поглощения излучения лазера для атмосферно-оптических измерений на протяженных атмосферных трассах.
Цель работы заключается в исследовании когерентных внутрирезонаторных лазерных приемников, в том числе лазеров с длинными резонаторами, для дистанционных атмосферно-оптических измерений и создании дистанционных лазерных систем.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, список литературы из 115 наименований.
В первой главе диссертации кратко излагаются принципы когерентного лазерного приема, приводится обзор когерентных лазерных приемников используемых в оптической локации, связи, интерферометрии, газоанализе.
Во второй главе изложены результаты исследований когерентных внутрирезонаторных лидаров для дистанционных атмосферно-оптических измерений. Приводятся результаты исследований когерентного приемника на основе перестраиваемого по частоте С02-лазера для газоанализа атмосферы, макета бортового когерентного внутрирезонаторного измерителя характеристик атмосферы и подстилающей поверхности. Приведены сведения о предельной концентрационной чувствительности лидара с С02-лазером мощностью 2 Вт. Исследованы свойства внутрирезонаторного доплеровского измерителя микрофизических параметров аэрозоля на основе непрерывного YAG:Nd3+ лазера. Подробно рассматриваются вопросы стабильности лазеров, используемых во внутрирезонаторных приемниках. Изучено влияние на кинетику генерации сорбционных процессов на поверхности диэлектрических зеркал резонаторов. Изложены методы обнаружения и извлечения информации из зашумленных сигналов когерентных внутрирезонаторных доплеровских измерителей.
В третьей главе описан внутрирезонаторный измеритель прозрачности атмосферы на основе лазера с линейным трехзеркальным резонатором длиной более ста метров. Изучена возможность измерения пропускания атмосферы а также структурной характеристики показателя преломления на основе С02-лазера с низкодобротным длинным «атмосферным» резонатором. Получена связь характеристик турбулентной атмосферы с энергетическими характеристиками генерации лазера. Описан метод измерения прозрачности атмосферы и структурной характеристики показателя преломления на основе С02-лазера с линейным, длинным атмосферным резонатором. Приведены результаты измерения коэффициента ослабления с помощью лазера с длинным резонатором. Изложены результаты экспериментов с YAG:Nd3+ лазером по повышению чувствительности внутрирезонаторных лазерных измерителей в результате использования нелинейной связи между первой и второй гармониками излучения во внутрирезонаторном параметрическом генераторе света. Из системы уравнений, описывающего лазер с нелинейными потерями за счет внутрирезонаторной генерации второй гармоники, получена теоретическая оценка увеличения чувствительности при регистрации потерь на частоте второй гармоники полученной в результате преобразования излучения основной гармоники внутри резонатора.
В Заключении диссертации сформулированы основные выводы и наиболее существенные результаты, а также проблемы, требующие дальнейшего решения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях [63, 73, 78, 79], всероссийских конференциях [56, 61, 113], опубликованы в сборниках и журналах [114,115], журналах по Перечню ВАК [60,76,84,86, 112].
Гетеродинный прием в оптической локации, связи, интерферометрии
Гетеродинный прием, благодаря высокой чувствительности широко используется в лазерной локации, связи, интерферометрии. Так, на пример, лазерный локатор Firepond [12] (рисунок 3) Массачусетского технологического института является одним из совершенных лазерных локационных средств. Его лазер, работающий в непрерывном режиме, имеет мощность 10 кВт, что позволило перейти к локации ИСЗ, оборудованных уголковыми оптическими отражателями на дальности до 6000 км. При мощности передатчика П около 1 кВт ширина спектра составляет всего 20 Гц за время измерения 50 мс. Такая высокая монохроматичность излучения передатчика была необходима для обеспечения эффективного (гетеродинного) детектирования отраженного от цели излучения. Лазерный пучок диаметром 1,2 см расширялся телескопом до диаметра 4,5 см и с помощью системы поворотных зеркал направлялся на цель. В качестве средства целеуказания для лазерного локатора использовался радиолокатор. Лазерное излучение, отраженное от цели, собиралось главным зеркалом приемного телескопа диаметром 0,48 м и фокусировалось на чувствительную площадку фотодетектора ФД. Фотодетектор представлял собой 4 фотодиода (размером 0,3 х 0,3 мм каждой) из HgCdTe, охлаждаемый жидким азотом. Эквивалентная мощность шума фото детектора составляла около 10"19 Вт/Гц.
Отраженное от цели лазерное излучение смешивалось на поверхности фотодетектора с излучением лазерного гетеродина, частота которого была смещена относительно частоте излучения на 5 МГц. Таким образом, вся дальнейшая обработка сигнала с выхода фотодетектора производилась на частоте 5 МГц.
Лазерное излучение, отраженное от цели, движущейся со скоростью v в направлении линии визирования, приобретает доплеровский сдвиг частоты, равный yd=2cyv/c, где со — частота излучения, с - скорость света. Для лазерного излучения с длинной волны 10,6 мкм доплеровский сдвиг частоты составляет 190 кГц на каждый 1 м/с скорости движения цели.
Если не принять специальных мер по компенсации этого сдвига, промежуточная частота электрического сигнала на выходе фотодетектора, равная разности частот излучения лазерного гетеродина и отраженного сигнала, уйдет за пределы полосы пропускания фильтра и работа локатора прекратится. Чтобы этого не случилось, в лазерном локаторе изменялась частота излучения лазерного передатчика таким образом, что значение промежуточной частоты все время совпадало с центральной частотой фильтра, равной 5 МГц. Для этого электрический сигнал с выхода фотодетектора приемного канала через предварительный усилитель ПУ поступал в устройство подстройки частоты ПЧ.
В этом устройстве измерялась разность между мгновенным значением промежуточной частоты и центральной частотой фильтра, равной 5 Мгц, и вырабатывался сигнал управления, амплитуда которого была пропорциональна этой разности. Сформированный таким образом сигнал поступал на пьезокорректор ПК задающего генератора, изменяя нужным образом частоту его излучения. Тем самым замыкалась обратная связь системы подстройки частоты, обеспечивавшая заданное значение промежуточной частоты, равное 5 МГц, независимо от величины доплеровского сдвига. Диапазон перестройки частоты излучения задающего генератора был около 50 МГц и ограничивался шириной полосы излучения. Первые эксперименты на лазерном локаторе проводились по котировочным сферам диаметром 1 м. Дальность сопровождения на горизонтальной трассе составила 22 км, а на вертикальной - 250 км. Атмосферные потери составляли 1 Дб/км и были обусловлены, главным образом, поглощением излучения с длиной волны 10,6 мкм молекулами воды и углекислого газа. При локации цели, оборудованной уголковым оптическим отражателем, ошибка углового сопровождения не превышала 2 угловых секунды на дальности 30 км. Ошибка измерения скорости составила 1,3 мм/с.
Лазерный, локатор фирмы Rockwell [13], работающий в непрерывном режиме на длине волны 10,6 мкм, был создан для экспериментального исследования принципов когерентного детектирования отраженных лазерных сигналов. С его помощью были исследованы флуктуации сигнала промежуточной частоты, вызванные атмосферной турбулентностью и отражением от цели, отношение сигнализации на выходе фтодетектора, эффекты обратного рассеяния зондирующего излучения в атмосфере и ряд других вопросов. Схема лазерного локатора показана на рисунке 4.
Лазерный передатчик 1 генерировал в непрерывном режиме излучения по основной моде мощностью 50 Вт. При прохождении через вращатель плоскости поляризации 10, выходной телескоп и сканер 9 терялось около 50 % мощности лазерного передатчика. Лазерный гетеродин 2, частота излучения которого превышала частоту излучения лазерного передатчика 1 на 4,5 МГц, имел выходную мощность приблизительно 6 Вт. Прежде чем попасть на чувствительные площадки фотодетекторов 3 и 4, излучение гетеродина ослаблялась до уровня нескольких милливатт. Фотодетекторы на основе германия, легированного медью, требовали охлаждения до температуры жидкого гелия. При смешении излучения передатчика 1 и гетеродина 2 на выходе фотодетектора 3 формировался сигнал на промежуточной частоте 4,5 МГц. Этот сигнал поступал на частотный дискриминатор 5, амплитуда выходного напряжения которого была пропорциональна отклонению фактического значения промежуточной частоты и от заданного значения 4,5 МГц. Выходное напряжение частотного дискриминатора подавалось на пъезокорректор гетеродина, изменяя частоту излучения последнего так, чтобы свести к минимуму отклонения промежуточной частоты от заданного значения. В результате обеспечивалась стабилизация промежуточной частоты. Качество стабилизации определялась шириной спектра сигнала на выходе фотодетектора 3, не превышавшей, как правило, 10 МГц, ширина спектра по уровню 0,5 составляет около 2 КГц. Для вывода и приема излучения имелись два идентичных линзовых телескопа с апертурами диаметром 5,8 см и одно общее зеркало 9. Это зеркало совершает колебания с частотой 40 Гц и угловой амплитудой 8 угловых секунд, отклоняя излучение в азимутальные плоскости. Поперечные размеры фотодетектора 4 составляли 0,625x0,625 мм .
Исследование когерентного приемника на основе СОг-лазера с трехзеркальным резонатором
Лазерные системы, содержащие дополнительный отражатель, расположенный вне резонатора и возвращающий часть излучения обратно в резонатор, стали предметом исследования, а затем использования благодаря следующим основным свойствам. Реакция лазера на внешней оптический сигнал обладает высокой избирательностью по частоте (ввиду относительно узкой полосы усилителя). Лазер, особенно вблизи порога генерации, обладает большой чувствительностью к слабому оптическому сигналу, согласованному по фазе, имеющему ту же частоту. Это позволяет использовать его в качестве измерителя малых коэффициентов отражения, измерителя флуктуации фазы, в системах автозахвата частоты и т.п.
Вопрос о минимальной величине отраженного сигнала, который может быть обнаружен на опыте по реакции автоколебательной системы, рассматривался для случая радиодиапазона [33]. С созданием лазеров эта задача встала для таких систем как, линейный [34] и кольцевой [35] лазер. В работе [34] рассматривалась модель одномерного одномодового лазера, в резонатор которого попадало излучение, отраженное от зеркала с коэффициентом отражения R«l. Оценка минимальных обнаруженных на опыте значений R по наблюдению модуляции интенсивности либо модуляции частоты для He-Ne-лазера составила величину порядка 10"6.
К настоящему времени существует достаточное количество экспериментальных работ по исследованию и использованию лазеров с трехзеркальным резонатором, содержащим активную и пассивную части.
Авторы [36] создали лабораторную установку для определения малых коэффициентов обратного отражения лазерного излучения. В ходе экспериментов была подтверждена линейная зависимость амплитуды модуляции излучения лазера-приемника от коэффициента отражения зеркала, направляющего излучение обратно в резонатор для R«l. В экспериментах по измерению минимального обнаружимого коэффициента отражения была получена величина 1,5-10"6, по порядку совпадающая с рассчитанной из теоретически полученной оценки.
Первые сообщения об экспериментах по оптической связи полупроводниковых лазеров с внешним отражателем были сделаны в работе [37]. Накоплен обширный материал, свидетельствующий о том, что с помощью внешнего резонатора можно контролировать спектр лазера, в частности, получать одночастотный режим и осуществлять переключение мод в пределах линии усиления [38, 39, 40], влиять на динамические свойства лазера, вызывать раскачку или подавление пульсаций [41, 42], получать сверхкороткие импульсы [43], изменять мощность лазера [44]. В работе [45] исследована перестройка частоты излучения полупроводникового лазера, согласованного с внешним резонатором с помощью микролинзы. Показано, что при разогреве активной области в течение импульса тока, направление перескока частоты по модам собственного резонатора лазера определяется взаимным расположением мод собственного и внешнего резонатора с периодом, кратным оптической длине активной части лазера.
Когерентность и спектральные свойства излучения полупроводникового лазера с внешним отражателем рассматривалась в работе [46]. На основе уравнения Ланжевена для фазы исследовано влияние внешнего отражателя на когерентные свойства излучения одномодового полупроводникового лазера в случае слабой связи между ними. Определены условия, когда это влияние велико. В наиболее интересных случаях найден явный вид функции когерентности. Исследованы зависимость спектра излучения лазера с внешним резонатором от тока накачки. Показано, что в случае, когда длина когерентности уединенного лазера много меньше расстояния до внешнего зеркала, спектр имеет многомодовый характер. Устройства, основанные на использовании в качестве основного элемента лазера с трехзеркальным резонатором, находят широкое применение в различных областях физических исследований и измерений. Несмотря на это работ, в которых приводятся сведения о применении лазерных систем такого типа для атмосферно-оптических измерений, проводимых дистанционно, не так много. К ним можно отнести описанный в [47] доплеровский анемометр на СОг-лазере для измерения скорости ветра. В работе приводятся сравнительные результаты измерителя на СОг-лазере и обычного чашечного анемометра. Это одна из первых работ по применению лазерной системы в качестве передатчика и приемника одновременно для дистанционных атмосферных измерений, хотя физическая сущность эффектов, возникающих в лазере при вводе эхо-сигнала в резонатор, раскрыта с неверных позиций. В последнее время работа в данном направлении исследований активизировалась.
Существует ряд работ [48, 49, 50, 51, 52, 53, 54], посвященных использованию лазера с трехзеркальным резонатором для измерения газового состава атмосферы трассовым методом.
Устройства для зондирования атмосферы на основе приема на лазер обладают существенным преимуществом относительно классического метода зондирования, тогда излучение принимается непосредственно на фотоприемник. Это, прежде всего, высокая помехозащищенность, которая определяется шириной полосы усиления лазера, что позволяет работать в любое время суток, при больших фоновых захватах в любой области оптического спектра. Суть когерентного приема на лазере заключается в смешении в резонаторе лазера с разными частотами (гетеродинный прием) или фазами (гомодинный прием) излучения лазера с излучением принятого сигнала. При этом в кинетике генерации возникает переменная составляющая, обусловленная интерференционным взаимодействием полей в резонаторе лазера.
Оценим выигрыш в чувствительности когерентного приема относительно некогерентного приема на лазер слабых эхо-сигналов.
Для некогерентного приема в работе [55] из балансных уравнений показано, что для стационарного случая и неоднородно-уширенного контура усиления получено следующее выражение для относительного изменения интенсивности излучения за счет вводимого в резонатор излучения:
Исследование проблем стабильности лазеров, используемых в когерентных внутрирезонаторных лидарах
С целью повышения оперативности измерений и увеличения плотности потока данных о состоянии атмосферы был разработан макет внутрирезонаторного гетеродинного ЛП-лидара [56] (Рисунок 13). Был использован стабилизированный СОг-лазер низкого давления, состоящий из газоразрядной трубки 1 (длиной 600 мм и внутренним диаметром 10 мм со скошенным под углом Брюстера выходным окном), стабилизированный блок питания, блок автоподстройки частоты излучения лазера. Средняя мощность лазера составляла 2 Вт. Разработанная конструкция позволяет перестраивать длину волны излучения в области 10,6 мкм по 50 дискретным переходам Р и R-ветвей. Для этого осуществляется прецизионный поворот зеркала 2 с фиксацией угла поворота заданным числом электрических импульсов от блока 3 подаваемых на шаговый двигатель. Имелась возможность осуществлять динамическую перестройку длины волны генерации в пределах каждого из контуров линии усиления лазера за счет поступательных колебаний зеркала 2.
Дисперсионный резонатор лазера выполнен на дифракционной решетке 3, работающей при скользящем угле падения и выводе излучения через нулевой порядок дифракции. В направлении угла первого порядка дифракции устанавливалось управляющее зеркало 4. Телескоп 5, образованный зеркалом диаметром 150 мм и линзой из BaF обеспечивал формирование лазерного пучка и прием рассеянного излучения. Для устранения паразитного влияния отражений от приемопередающего зеркала использовалась внеосевая схема зеркально-линзового телескопа.
Узел перестройки позволял осуществлять прецизионную автоматическую перестройку длины волны генерации лазера ЛП-лидара. Управление механизмом перестройки осуществлялось с вычислительного комплекса. Прецизионный механизм перестройки позволял осуществлять настройку на линию генерации в абсолютных единицах с точностью до 10"4 мкм.
Фазовая модуляция излучения на выходе лазера производилась колебаниями поворотного зеркала 4 с амплитудой, равной Х/2, с частотой 940Гц. Кинетика лазерной генерации регистрировалась ИК-приемником 6 с последующей обработкой в режимах: а) режиме синхронного детектирования с помощью узкополосного радиотехнического фильтра вычислительного комплекса на базе ЭВМ "МЕРА-САМАС-60"; б) режиме работы с анализатором временного спектра, самописцем и осциллографом. В процессе лидарных измерений осуществлялась последовательная во времени генерация излучения на каждом из переходов СОг-лазера. Временной интервал усреднения, при работе по каждой спектральной линии, составлял 5 мин.
Для достижения максимальной чувствительности ЛП-лидара являются высокие требования к стабильности частоты и мощности генерации. Выпускаемые отечественные С02-лазеры необходимым требованиям не удовлетворяют. Эффективность существующих лазерных систем оказывается недостаточной, так как высоковольтный источник питания обладает высоким уровнем пульсаций тока. Поэтому основное внимание в разрабатываемой системе стабилизации было уделено созданию высокостабилизированного источника питания как это сделано, например, в лазере ЛГ-74, и в то же время дало возможность работать с газоразрядными трубками типа ГЛ-501, анод которых охлаждается проточной водой.
На рисунке 14 приведена спектрограмма поглощения аммиака в области Р-ветви. (А.=10,207-10,381 мкм) на натурной трассе, полученная с использованием метода внутрирезонаторного гетеродинного приема. Значения интенсивностей излучения прошедшего атмосферную трассу показаны смещенными в право от значений интенсивностей излучения до входа атмосферу.
Кроме стационарных измерений была проведена серия самолетных измерений концентрации различных газов ЛП-лидаром. Для этих целей разработана и изготовлена оптическая и электронная аппаратура, удовлетворяющая требованиям для работы на борту самолета. В лидаре использовался перестраиваемый СОг-лазер, аналогичный описанному выше. Двухволновое излучение лазера, выходящее через нулевой порядок дифракционной решетки, коллимировалось телескопом Кассегрена с диаметром главного зеркала 200 мм и направлялось на движущуюся (относительно самолета) мишень - земную или водную поверхность. Сигнал с фотоприемника ФСГ-22-ЗА, излучение на который направлялось от брюстеровского окна газаразрядной трубки, оцифровывался и обрабатывался на ЭВМ типа "МЕРА-КАМАК-60". Длина трассы составляла 950 м. Параллельно с проводимыми измерениями концентрации газов, контролировались температура, влажность, давление и скорость самолета.
ЛП-лидар был установлен на борту самолета ИЛ-14. Мощность лазерного источника составляла от 1,5 до 2 Вт. Полеты проводились над местностью с различными альбедо (лес, поле, вода, облака). Сигнал биений лазера, обусловленный доплеровским сдвигом частоты при отражении от поверхности, уверенно регистрировался на высоте 800 м при полете практически над любой местностью.
На рисунке 15 приведены результаты обработки на ЭВМ частотного спектра сигнала ЛП-лидара при закрытом люке самолета, то есть сигнала, обусловленного шумами лазерного источника и вибрацией самолета и спектр эхо-сигнала ЛП-лидара при приеме сигнала отраженного от подстилающей поверхности.
В таблице приведены сравнительные данные о концентрации различных газов полученные внутрирезонаторным методом (ЛП-лидаром с СОг-лазером мощностью 2 Вт при высоте полета 800 м) и трассовым методом дифференциального поглощения.
Исследование возможности использования С02-лазера с длинной резонатора 110 метров для атмосферно-оптических измерений
В качестве источника излучения использовался автоматизированный перестраиваемый непрерывный СОг-лазер, который содержит серийную газоразрядную трубку ГЛ-501 1, зеркало резонатора 2, закрепленное на пьезокорректоре, дифракционную решетку 3 (100 штрихов/мм), диафрагму 4 для селекции поперечных мод, поворотное зеркало 5 и фотоприемник 6. Перестройка лазера по длинам волн осуществлялась поворотом зеркала 2 вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Точная настройка на центр линии осуществляется пьезокорректором, на котором крепится зеркало 2. Процессом грубой и точной настройки управлял компьютер. Выходное излучение делится пластиной 7 из КВг на два пучка излучения. Устройство сдвига частоты выполнено в виде зеркала 8, закрепленного на пьезокорректоре, и приводится в движение пилообразным напряжением с частотой 100 Гц. Амплитуда напряжения, подаваемого на пьезокорректор, устанавливается такой, что выполняется условие (2.1), где v, — скорость движения зеркала. Поверхность 9 транспортировалась в направлении, перпендикулярном оси пучка, со старостью 1 см/с. Сигнал фотоприемника 6 на частоте/ПІП, выделяемый полосовым фильтром показан на рисунке 23.
На рисунках 22 а и 22 б представлены, соответственно, демодулированный сигнал и результат восстановления профиля отражающей поверхности. При зондировании поверхностей, имеющих сложный профиль, не выполняются условия, необходимые обычно для частотной демодуляции: /м :/о, (/о- несущая частота,/ - частота модулирующей функции). При этом частота сигнала заметно изменяется на интервале времени, равном периоду. Для обработки подобных сигналов использовался следующий метод демодуляции. В предположении, что на интервале времени At, удовлетворяющему условию At «2л //о, частоту демодулируемого сигнала 1(f) фотоприемника можно считать постоянной, ее можно определять следующим образом:
Этим способом проведена демодуляция доплеровского сигнала при восстановлении профиля. Таким образом, показана возможность дистанционного определения профиля отражающих или рассеивающих поверхностей когерентным автодинным лидаром. Чувствительность внутрирезонаторной спектроскопии (ВР спектроскопии), а в случае ЛП-лидара, и динамический диапазон измерения коэффициента селективного поглощения исследуемого газа (определяющего возможный диапазон измеряемых концентраций) зависит от минимально регистрируемой глубины провалов в спектре генерации лазеров. Для случая фотографической регистрации спектра на фотоматериал или координаточувствительный детектор (ПЗС-линейку, видикон) регистрируется провал с относительной глубиной 3-5%. Эта величина обусловлена изрезанностью регистрируемого спектра шумами различного происхождения: как шумами материала или детектора, так и интерферометрическими шумами лазера и дисперсионного элемента. Под интерферометрическими шумами мы понимаем паразитные селекции и спекл-структуру поля после дисперсионного элемента. Изучение способов управления спектрально-кинетическими характеристиками излучения с целью "сглаживания" спектра генерации и улучшения его повторяемости является одним из основный направлений работ по повышению чувствительности внутрирезонаторной спектроскопии. Для "сглаживания" спекл-структуры поля применяют, например, вращающийся с большой скоростью (до 150 м/с) рассеиватель. Учитывая, что изрезанность спектра обладает свойствами шума, а провалы в спектре генерации, вызванные поглощением исследуемого газа, носят не случайный характер, определение центра линии поглощения и глубины провала можно осуществить статистическими методами [61]. При этом шумы фотоматериала или детектора фильтруются цифровыми методами, т.к. АЧХ этих шумов известна заранее и имеется возможность изменением пространственного масштаба регистрируемого спектра сдвинуть эти шумы в низкочастотную или высокочастотную области спектра по сравнению с характерными пространственными частотами провалов, Предположим, имеются две реализации спектров, полученных за два импульса генерации 1,0»,) и 12 ( »,) если определить коэффициенты корреляции между реализациями /2 /г и l2(cot) для различных участков спектра с шириной, порядка ширины провала, который обусловлен поглощением, то максимальным коэффициент корреляции будет для того участка спектра, где имеется провал. Корреляция для остальных участков будет тем ближе к нулю, чем больше число реализаций в связи со случайным характером изрезанности спектра вне провала.
