Метод и экспериментальная установка для прецизионного измерения характеристик широкоапертурных пучков непрерывного лазерного излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Мацак Иван Сергеевич

• Мацак Иван Сергеевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Мацак Иван Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ШИРОКОАПЕРТУРНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ ДЛЯ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

1.1 Перспективы и проблемы создания технологии беспроводной передачи энергии лазерным излучением для космических приложений

1.2 Особенности формирования узконаправленных лазерных пучков

1.3 Проблема измерений характеристик лазерных пучков в тракте системы беспроводной передачи энергии

1.4 Стандартизация измерений характеристик лазерных пучков

1.5 Основные параметры лазерных пучков для БПЭЭ

1.5.1 Профиль лазерного пучка

1.5.2 Неравномерность распределения плотности мощности

1.5.3 Методы, средства измерения и критерии диаметра пучка

1.5.4 Определение расходимости излучения

1.6 Расширение возможностей камеры для измерений лазерных пучков

больших диаметров

Выводы к главе

ГЛАВА 2 МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ ШИРОКОАПЕРТУРНОГО ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА

2.1 Концепция и проблемы метода с экраном

2.2 Энергетический расчет

2.3 Алгоритм получения и обработки данных

2.3.1 Методика получения экспериментальных данных

2.3.2 Определение и вычитание фона

2.3.3 Определение масштаба фотографии

2.3.4 Определение центра пучка

2.3.5 Определение диаметра пучка

2.4 Структура погрешностей измерения

2.5 Моделирование инструментальных погрешностей измерения

2.5.1 Относительный размер пучка

2.5.2 Параметры камеры

2.5.3 Виньетирование

2.5.4 Дисторсия объектива

2.5.5 Наклон пучка

2.5.6 Неравномерность пропускания экрана

2.5.7 Обобщение результатов моделирования

2.6 Метод калибровки установки с рассеивающим экраном

Выводы к главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕМРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И НАВЕДЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА

3.1 Опытный образец оптико-механической системы формирования и наведения пучка

3.2 Экспериментальная установка для измерения ОРПМ

3.3 Результаты экспериментальных исследований

3.3.1 Экспериментальные данные

3.3.2 Центральные сечения пучка

3.3.3 Детектирование бликов

3.3.4 Определение параметра формы пучка

3.3.5 Неравномерность распределения плотности мощности

3.3.6 Вычисление нуля позиционера СФИН

3.3.7 Верификация зависимости диаметра пучка от расстояния

3.4 Оценка результатов экспериментальных исследований

3.5 Методика создания установок для измерения широкоапертурных лазерных пучков и рекомендации по компонентной базе

3.5.1 Методика разработки измерительных установок

3.5.2 Рекомендуемая схема измерительной установки

3.5.3 Рекомендуемые характеристики основных компонентов

3.5.4 Конструкционные особенности измерительной установки для обеспечения

точности измерений

Выводы к третьей главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

БЛАГОДАРНОСТИ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и экспериментальная установка для прецизионного измерения характеристик широкоапертурных пучков непрерывного лазерного излучения»

Актуальность темы и степень её разработанности

Разрабатываемая РКК «Энергия» технология беспроводной передачи энергии с помощью лазерного излучения для дистанционного энергоснабжения космических аппаратов (КА) рассматривается как возможность в решении ряда наукоемких задач, связанных с обеспечением условий микрогравитации на КА технологического назначения, передачей энергии от проектируемой космической ядерной энергетической установки на КА-потребители, поддержанием орбит микро- и наноспутников и их группировок, энергоснабжением лунной инфраструктуры и др.

Одним из шагов по демонстрации уровня готовности технологии является разработка научной аппаратуры (НА) и постановка космического эксперимента (КЭ) «Пеликан» в рамках реализации Долгосрочной программы научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на российском сегменте Международной космической станции (МКС). Научная аппаратура запланированного КЭ включает в свой состав размещенные на внешней поверхности МКС систему генерации лазерного излучения (СГЛИ) и систему формирования и наведения пучка (СФИН), а также размещенный на удаленном КА фотоэлектрический приёмник-преобразователь (ФПП), который осуществляет преобразование лазерного излучения в электричество.

Ключевой задачей эксперимента является создание и удержание на приемнике с помощью СФИН пятна лазерного излучения, локализованного на ФПП, который располагается на расстояниях до 5 км от излучателя. Ключевыми показателями технологии, определяющими реализуемость и целесообразность её применения, является полный КПД тракта передачи энергии и уровень передаваемой мощности.

Характеристики лазерного излучения, такие как мощность, диаметр пучка в плоскости приёмника, стабильность положения пучка, распределение плотности мощности и его неравномерность оказывают значительное влияние на КПД многоэлементного приёмника, что определяет высокие требования к точности определения характеристик лазерных пучков на этапе проектирования и наземной отработки НА.

Методология измерения параметров лазерных пучков совершенствуется по мере развития лазерной техники, и накопленный опыт в этой области отражён в международных стандартах и ряде научных публикаций. Значительный вклад в развитие и совершенствование методик и приборов для измерений характеристик лазерных пучков внесли российские и зарубежные учёные, среди которых следует отметить Кудряшова А.В., Райцина А.М., Улановского М.В., Черезову Т.Ю., Конника М.В., Шелдакову Ю.В., Абрахманова К.Ш., Гришанова А.В., Roundy C.B., Siegman A.E., Nemes G., Pang M. и др. Основные широко используемые методы и методики сосредоточены в международных стандартах ГОСТ Р ИСО 11145-2016, ГОСТ Р ИСО 11146-2008, ГОСТ Р ИСО 13694-2010, ГОСТ Р ИСО 11670-2010, ГОСТ Р ИСО 15367-2012, и ГОСТ Р ИСО 11554-2008.

Общепринятым основным методом является измерение относительного распределения плотности мощности с помощью матричных многоканальных приемников, например, промышленных камер на основе КМОП или ПЗС матриц, данные от которых используют для определения характеристик лазерного пучка путем вычисления моментов и других параметров измеренного относительного распределения плотности мощности (ОРПМ). В качестве альтернативных методов могут быть использованы визуальные или связанные с механическим сканированием методы.

Однако, основные и альтернативные методы в равной степени предназначены для пучков со сравнительно малыми размерами, которые, в общем случае, не превышают 50 мм, что является их общим недостатком, так как по результатам предварительной проработки и эскизного проектирования для НА «Пеликан» предложены варианты оптических схем с выходной апертурой от 100 до 400 мм, а

поперечные размеры лазерных пучков на целевых дистанциях при этом могут достигать 500 мм и более. Это не позволяет использовать стандартные методы и средства измерений для определения характеристик широкоапертурных лазерных пучков. Вариант использования в измерительной установке оптических систем для уменьшения площади поперечного сечения пучка является громоздким, дорогостоящим и плохо масштабируемым. Так, например, при увеличении ширины пучка до значений более 5 см потребуется изготовление коллиматора весом более 2 кг, а для значений более 10 см - уже около 10 кг. Для измерения широко-апертурных пучков предпочтительным является использование в измерительной схеме ламбертовских рассеивающих экранов. Однако, такие схемы не имеют достаточного метрологического обоснования и не позволяют с необходимой точностью контролировать параметры лазерных пучков. В частности, отсутствуют данные о пределах изменения относительной погрешности измерений, способах оценки погрешностей, нет данных о характере влиянии ряда факторов на погрешность измерения.

В диссертации предлагается решение проблемы методологического и инструментального обеспечения прецизионного измерения широкоапертурных пучков, которые для этого метода ранее не рассматривались. В частности, установлен характер влияния ряда важных факторов при использовании энергетических критериев определения характеристик пучка, таки как физическое виньетирование, дисторсия, неравномерность коэффициента пропускания экрана, относительный диаметр пучка, параметр формы распределения, разрешение матрицы и разрядность АЦП камеры.

Несмотря на активное использование метода в ряде экспериментальных работ, отсутствует общепринятая методика калибровки, а погрешность измерений по оценкам составляет не менее 5-10% и может достигать 30%, если не учитывать характер влияния рассматриваемых факторов. Существующая и используемая производителями возможность калибровки матриц по стандарту ЕМУА 1288 путем равномерной засветки матрицы с последующей оценкой статистических характеристик ее отклика, не способна снизить влияние факторов, приведенных

выше. В диссертации показаны способы повышения точности измерений при использовании на практике метода с рассеивающим экраном, а также результаты, подтверждающие реализацию этой возможности.

Цели диссертационной работы

Научное обоснование и обеспечение точности метода измерения характеристик широкоапертурных лазерных пучков, основанного на использовании в схеме ламбертовского экрана, расчет параметров экспериментальной измерительной установки для проведения испытаний образцов научной аппаратуры, разрабатываемой для реализации КЭ «Пеликан» по беспроводной передаче энергии лазерным излучением.

Задачи диссертационной работы

1. Предложить метод для прецизионных измерений характеристик ши-рокоапертурного лазерного пучка и разработать алгоритм обработки данных для определения диаметра пучка и параметра формы распределения плотности мощности.

2. Определить факторы, ограничивающие точность измерений характеристик широкоапертурных лазерных пучков, и оценить степень их влияния.

3. Провести численное моделирование влияния выбранных факторов, определяющих инструментальную погрешность, вычислить оптимальные параметры схемы экспериментальной установки для повышения точности измерений.

4. Разработать экспериментальную измерительную установку и методику для верификации требований и калибровки опытного образца оптической системы формирования и наведения лазерного пучка с апертурой 128 мм. Провести экспериментальные исследования на длинах волн 532 и 808 нм.

5. Сформулировать и обосновать рекомендации по созданию установок для измерения характеристик широкоапертурных пучков непрерывного лазерного излучения с характерными размерами от 20 до 1000 мм в диапазоне длин волн от 500 до 1100 нм.

Научная новизна исследования

1. Предложен алгоритм обработки данных измерений, который позволя-

ет выявлять ошибки, связанные с влиянием неконтролируемых факторов проведения измерений, таких как неравномерная внешняя засветка и её изменения, «дрейф нуля» чувствительного элемента, блики. Одной из отличительных особенностей алгоритма является модуль прецизионного вычитания фона, включающий себя оценку достоверности экспериментальных данных на основе статистического сравнения значений фона на отдельных частях кадра с базовой линией темновых кадров и позволяющий повысить точность и повторяемость измерений. Описанный алгоритм также включает в себя модуль аппроксимации ОРПМ, определяющий параметр формы распределения путем сравнения крутизны срезов экспериментального и семейства теоретических распределений.

2. Впервые исследована структура погрешности измерительного тракта системы для диагностики широкоапертурных лазерных пучков на основе метода с использованием рассеивающего экрана.

3. На основе численного моделирования впервые получены аналитические выражения для расчета инструментальных погрешностей измерения диаметра пучка, в качестве аргументов которых используются параметры влияющих факторов.

4. Создана переносная экспериментальная установка для измерения характеристик лазерных пучков диаметром до 200 мм, позволяющая проводить измерения по дистанции распространения лазерного пучка. С помощью установки был проведен ряд экспериментальных работ по верификации требований и калибровке разработанной оптической системы, выполненной по внеосевой схеме Ло-моносова-Гершеля с подвижной по трем осям линзой для управления пространственными характеристиками лазерного пучка.

5. На основе результатов моделирования, а также теоретических и экспериментальных исследований разработана методика создания установок для прецизионных измерений характеристик широкоапертурных лазерных пучков, впервые сформулированы и обоснованы требования к компонентам и составу таких установок для измерений с требуемыми показателями точности.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод, обеспечивающий прецизионные измерения характеристик ши-рокоапертурного лазерного пучка, и алгоритм определения параметра формы и диаметра широкоапертрного лазерного пучка по критерию 90% мощности в ограниченной апертуре.

2. Структура погрешностей измерений, характерная для класса измерительных установок, реализующих метод с использованием рассеивающего экрана и промышленных фото- и видеокамер с многоэлементными матрицами.

3. Аналитические выражения, полученные путем аппроксимации результатов моделирования, предназначенные для расчёта инструментальной погрешности исходя из характеристик структурных элементов установки.

4. Экспериментальная установка и методика для верификации требований и калибровки опытного образца оптической системы формирования и наведения пучка непрерывного лазерного излучения.

5. Методика создания установок для прецизионных измерений характеристик широкоапертурных лазерных пучков.

Теоретическая и практическая значимость исследования

1. В работе получены аналитические выражения для расчета влияния ряда факторов на погрешность измерений, используя которые на этапе разработки новых измерительных приборов можно добиться требуемой точности, или установить ожидаемый уровень погрешностей, исходя из технических характеристик компонентов, используемых в приборе, или обеспечить минимизацию погрешностей с учётом стоимости компонентов измерительной схемы.

2. Применение комплексного подхода, реализованного в предлагаемом алгоритме, позволяет повысить надежность измерительных данных, избегая грубых ошибок, и обеспечить повторяемость результатов различных условиях проведения эксперимента, контролируя параметры изменяющихся факторов.

3. Экспериментальные установки, разработанные на основе предлагаемого метода с учетом проведенных исследований, позволяют контролировать характеристики пучков непрерывного лазерного излучения с высокой точностью,

поэтому данные используются для верификации расчетных моделей систем формирования пучка, в системах обратной связи в оптико-механических систем при наведении на удаленный приемник, а также при моделировании и экспериментальных исследованиях многоэлементных приемников лазерного излучения для оптимизации их структуры и коммутации.

Результаты работы были использованы в РКК «Энергия» для настройки, калибровки и последующего проведения приёмо-сдаточных испытаний опытного образца системы формирования и наведения пучка, являющегося составной частью прототипа системы беспроводной передачи энергии для космического эксперимента «Пеликан», а также при проведении научно-исследовательских работ, подготовке и проведении демонстрационных экспериментов по беспроводной передачи энергии с помощью лазерного излучения (Акт о применении результатов диссертационной работы ГК-20/539 от 26.07.2019).

Методы исследований

При решении поставленных в диссертации задач были использованы современные методы системного анализа, математического моделирования, основы оптики, теория оптических систем, теория измерений, математическая статистика, методы цифровой обработки изображений, распознавания образов и технического зрения, элементы линейной алгебры.

Личный вклад

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично или в соавторстве при непосредственном участии автора. Соискателем самостоятельно проводились разработка алгоритмов обработки данных, численное моделирование, а также обработка экспериментальных данных. Экспериментальные исследования в лаборатории проводились при участии коллег. Постановка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем и научным консультантом.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 29 работ, в том числе 10 статей в журналах и сборниках [1-10], 2 из которых [2,3] были также изданы в переводных

журналах, 15 тезисов докладов на международных и российских научно-технических конференциях [11-25]. По результатам исследований были получены 2 патента [26,27].

12 публикаций автора проиндексированы в одной или нескольких ведущих системах научного цитирования:

- 8 публикаций в Scopus [2,3,5-10];

- 4 публикации в Web of Science [2,5,6,8];

- 10 публикаций в РИНЦ [1-4,6,8-10], включая

- 4 статьи статей в научных журналах и изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией России для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание учёной степени кандидата и доктора наук [1-4].

Степень достоверности и апробация результатов

1. Результаты исследований по теме диссертации были представлены на международных и российских научно-технических конференциях, в том числе:

XIV Международная телекоммуникационная конференция «Молодежь и наука», г. Москва, октябрь-декабрь 2010; XXXV Академические чтения по космонавтике, г. Москва, январь 2011; 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, Germany, September 2011; XV Международная телекоммуникационная конференция «Молодежь и наука», октябрь-декабрь 2011;

XIX Научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов, г. Королев, ноябрь 2011; III Всероссийский межотраслевой молодёжный научно-технический форум, Конкурс научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики», г. Москва, ноябрь 2011;

XXXVI Академические чтения по космонавтике, г. Москва, январь 2012;

XXXVII Академические чтения по космонавтике, г. Москва, январь-февраль 2013;

XX Научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов, г. Королев, ноябрь 2014; SPIE Optical Metrology, Munich, Germany, June 2015; 31st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, Germany, September 2015; Научно-техническая конференция «Лётные испытания,

эксплуатация и целевое использование космических аппаратов и разгонных блоков», г. Королев, январь 2016; V Международная конференция по фотонике и информационной оптике, г. Москва, февраль 2016; XXII Международная конференция «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» - «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics», г. Томск, июль 2016; SPIE Photonics West, San Francisco, USA, January 2017.

2. Демонстрационные образцы системы дистанционного энергоснабжения беспилотных летательных аппаратов на основе технологии беспроводной передачи с помощью лазерного излучения, при разработке которых использовалась экспериментальная установка измерения характеристик лазерного пучка, были представлены на трёх выставках: Startup Bazaar, Инновационный центр Сколково, Московская область, июнь 2017; полетно-выставочная программа практической конференции по беспилотным авиационным системам Аэронэт-2017, аэродром Алферьево МАИ, Волоколамский район, июнь 2017; Международный авиакосмический салон МАКС-2017, г. Жуковский, Московская область, июль 2017.

3. За исследования и разработки автор был удостоен стипендий для аспирантов Президента РФ на 2011/2012 гг. и Правительства РФ на 2012-2013 гг., стипендии Президента РФ для молодых ученых на 2016-2018 гг., премии Губернатора Московской области в сфере науки и инноваций для молодых ученых и специалистов в 2018 году, а также стал победителем программы УМНИК (2011), конкурса научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики (2011), конкурсов молодежных инновационных проектов Технопарка МИФИ (2011, 2012), Всероссийского конкурса по поддержке высокотехнологичных инновационных молодежных проектов (2012), конкурса «Энергия Молодости» (2015).

4. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (№15-08-07484), ассоциации по развитию международных исследований и проектов в области энергетики «Глобальная энергия» (№ МГ-2016/04/3), НАИРИТ (№ ИК-3), госконтрактов № 02.740.11.0494 и 14.U02.21.0101 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013

годы, а также работ, проводимых в соответствии с Российской долгосрочной программы научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте МКС, в частности госконтракта № 351-8009/16/100 (4770238802716000057).

5. Автор зарегистрирован в основных российских и зарубежных системах учета и индексации научных публикаций Web of Science [28], Scopus [29], ORCID [30], РИНЦ [31], ИСТИНА [32]. Идентификационные данные, количество публикаций, цитирований и h-index в этих системах приведены в приложении А.

Структура и объема диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка литературы, содержащего 177 наименований, списка сокращений и 6-ти приложений. Без учета приложений, объем диссертации составляет 114 страниц. В работе приведено 14 таблиц и 58 рисунков.

Основные результаты, описанные в каждой из глав диссертации, были опубликованы автором в виде отдельных работ. Глава 1 «Обзор состояния проблемы измерения характеристик широкоапертурных лазерных пучков для систем беспроводной передачи энергии» основана на 9 публикациях [3,4,10,13—15,20,22— 25] о технологии беспроводной передачи энергии. Основные результаты, приведенные в главе 2 «Метод измерений широкоапертурного лазерного пучка», отражены в публикациях [1,2,7,8,11,16]. Глава 3 «Экспериментальное определение характеристик опытного образца системы формирования и наведения лазерного пучка» является результатом исследований, основные результаты которого доведены до научного сообщества в виде публикаций [9,12,17-19].

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ШИРОКОАПЕРТУРНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ ДЛЯ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

1.1 Перспективы и проблемы создания технологии беспроводной передачи энергии лазерным излучением для космических приложений

На современном этапе развития космонавтики потребности в энергообеспечении космических аппаратов (КА) постоянно возрастают. Существующая концепция энергообеспечения заключается в энергоснабжении космического аппарата собственной энергоустановкой, размер и мощность которой увеличиваются пропорционально потребности. В настоящее время активно развивается концепция специализации космических аппаратов на производителей и потребителей энергии. При этом в качестве потенциальных производителей электроэнергии в космосе могут выступать космическая солнечная электростанция [33-39] или космическая ядерная энергетическая установка [40-47].

Технологии солнечной энергетики делают возможным создание электростанций КА с мощностями в 100-500 кВт. Рассматриваются проекты создания электростанции с мощностями до 2 ГВт [38]. Для КА с ядерной энергетической установкой уровень электрической мощности может достигать нескольких мегаватт. Для сравнения - Международная Космическая Станция (МКС) обладает электростанцией с мощностью более 200 кВт, а планируемый уровень мощности транспортного энергетического модуля (ТЭМ), разрабатываемого в России, составлял 1 МВт [43].

Решающим фактором при реализации концепции разделения космических аппаратов на производителей и потребителей энергии является наличие эффективного канала беспроводной передачи электрической энергии (БПЭЭ) между космическими аппаратами в космосе [48]. Помимо беспроводной передачи энергии между космическими аппаратами в настоящее время так же рассматриваются

энергоснабжение космических аппаратов с Земли и передача энергии из космоса на Землю. Целесообразность использования системы БПЭЭ в энергетических космических системах может быть обусловлена рядом факторов, основными из которых являются [49]: невозможность нахождения энергетической установки в составе КА, необходимость энергоснабжения пространственно-разделенных потребителей, высокая удельная масса или небольшой ресурс энергоустановки, возможность повышения эффективности КА за счет покрытия пиковых электропотреблений посредством БПЭЭ. Эти факторы могут быть проиллюстрированы конкретными примерами. В работе [50] рассматривается случай долгоживущего низкоорбитального КА. Другим примером может служить КА для проведения экспериментов в условиях микрогравитации [51]. Наиболее ярко преимущества технологии БПЭЭ в сочетании с КЯЭУ могут проявиться в системах энергоснабжения перспективных орбитальных пилотируемых комплексов и космических транспортных системах.

Лазерный метод беспроводной передачи энергии основан на использовании лазерного излучении в диапазоне длин волн 0,5-2мкм для доставки энергии от источника к потребителю. Диапазон длин волн обусловлен наличием в этой области высокоэффективных лазерных излучателей и приемников, которые появились в последние 15 лет. Появление лабораторных образцов лазерных источников с КПД более 50% [52-54] и фотоэлектрических приемников (ФЭП) с КПД более 50% [55] стали основой для разработки технологии беспроводной передачи энергии лазерным излучением.

В общем случае система дистанционного энергоснабжения на основе технологии беспроводной передачи энергии лазерным методом (рисунок 1. 1 ) состоит из источника излучения (лазерной системы), оптической системы формирования узконаправленного пучка, системы обнаружения и наведения, приемника монохроматического излучения и системы использования энергии [4]*

Рисунок 1.1 - Схема БПЭЭ лазерным излучением. 1- лазерная система, 2 -система наведения, 3 - система формирования пучка, 4 - приемник монохроматического излучения, 5 - система использования энергии Исследования по беспроводной передачи энергии лазерным излучением проводятся в США, Европе, Японии и России. Одни из первых теоретических исследований начались в США по заказу NASA Department of Energy [56]. Позже оценка возможностей технологии проводилась в Jet Propulsion Laboratory [57]. К настоящему времени компанией Laser Motive были проведены демонстрационные эксперименты по дистанционному энергоснабжению беспилотного летательного аппарата в течение сначала 12 часов без посадки [58], а затем и более 48 часов [59]. Помимо этого был ряд работ о приложениях беспроводной передачи энергии лазерным излучением [60-62].

В России по тематике беспроводной передачи энергии основные исследования проводились в РКК «Энергия» в кооперации с университетами НИУ МАИ и НИЯУ МИФИ и ведущим производственными компаниями. В период с 2008 по 2015 год был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований [3*,4*,10*,13-15*,17*,23*,48-50,63-65], направленных на разработку технологии беспроводной передачи энергии. Был проведён демонстрационный эксперимент по передаче энергии на 100 метров, также пробный и демонстрационный эксперименты по передаче энергии на 1300 м (рисунки 1.2 и 1.3).

Рисунок 1.2 - Пробный эксперимент по беспроводной передаче энергии на расстояние 1300 м, проведенный в РКК «Энергия»

Рисунок 1.3 - Схема демонстрационного эксперимента по беспроводной передаче энергии на расстояние 1300 м, проведенного в РКК «Энергия»

В настоящий момент комический эксперимент по беспроводной передаче энергии, предложенный в РКК «Энрегия», включен в долгосрочную программу исследований на МКС, идёт разработка научной аппаратуры.

1.2 Особенности формирования узконаправленных лазерных пучков

Для реализации системы БПЭЭ основными определяющими характеристиками лазерных источников являются коэффициент полезного действия, качество излучения (произведение параметров пучка), интегральная мощность, длина волны. Сочетание значений первых трех параметров при длине волны, для которой существует возможность создать эффективные приемники, являются критерием выбора источников излучения. Согласно техническому заданию для реализации космического эксперимента от излучающей системы требуется КПД не ниже 30%

при мощности излучения около 0.5 кВт и качестве излучения, обеспечивающем размеры пятна около 0,3 м на расстоянии порядка 1 км. Качество излучения лазеров полностью определяет возможность формирования узконаправленного пучка при ограничении габаритов оптической системы. Качество излучения лазерных источников с круговой симметрией характеризуется [66] произведение параметров пучка ВРР или коэффициентом превышения дифракционного предела М2:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мацак Иван Сергеевич, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.* Мацак И.С. Моделирование погрешностей измерений диаметра широкоапертурного лазерного пучка c плоским профилем [Текст] / Мацак И.С., Кудрявцев Е.М., Тугаенко В.Ю. // Компьютерные исследования и моделирование.

- 2015. - Т. 7, № 1. - C. 113-124. - DOI 10.20537/2076-7633-2015-7-1-113-124.

2.* Мацак И.С. Метод измерения диаметра широкоапертурного пучка лазерного излучения [Текст] / Мацак И.С., Тугаенко В.Ю., Сергеев Е.С. // Метрология. - 2014. - № 4. - C. 13-24. (Пер. на англ. яз.: Matsak I.S. A Method of Measuring the Diameter of a Wide-Aperture Beam of Laser Radiation [Text] / Matsak I.S., Tugaenko V.Y., Sergeev E.S. // Meas. Tech. - 2014. - Vol. 57, № 6. - P. 651-657.

- DOI 10.1007/s11018-014-0514-0).

3.* Экспериментальное исследование возможности использования кремниевых и арсенид-галлиевых батарей космических аппаратов для приема энергии лазерного ИК-излучения [Текст] / Богушевская В.А. [и др.] // Известия РАН, Энергетика. - 2012. - № 2. - C. 10-17. (Пер. на англ. яз.: An experimental investigation of the feasibility of using silicone and gallium arsenide solar batteries on space vehicles for receiving energy of laser infrared emission [Text] / Bogushevskaya V.A. [et al.] // Therm. Eng. - 2012. - Vol. 59, № 13. - P. 975-980. - ISSN 0040-6015.

- DOI 10.1134/S0040601512130034).

4.* Разработка системы дистанционного энергоснабжения беспилотных летательных аппаратов [Текст] / Богушевская В.А. [и др.] // Труды МАИ. - 2012. -№ 51.

5.* Super narrow beam shaping system for remote power supply at long atmospheric path [Text] / Matsak I.S. [et al.] // Proc. SPIE 10090. - 2017. -P. 100900U. - DOI 10.1117/12.2250752.

6.* Atmospheric turbulence effects on the performance of the laser wireless power transfer system [Text] / Kapranov V. V. [et al.] // Proc. SPIE 10096. - 2017. -

P. 100961E. - DOI 10.1117/12.2252013.

7.* Precise baseline correction using statistical criteria in the measurement of characteristics of laser beams [Text] / Matsak I.S. [et al.] // J. Phys. Conf. Ser. - 2016. -Vol. 737, № 1. - P. 12068. - DOI 10.1088/1742-6596/737/1/012068.

8.* Matsak I.S. Wide-aperture laser beam measurement using transmission diffuser: errors modeling [Text] / Matsak I.S. // Proc. SPIE 9526. - 2015. - P. 95260K.

- DOI 10.1117/12.2184832.

9.* Demonstration of ISS based IR WPT system and capabilities of atmospheric researches [Text] / Kapranov V. [et al.] // Proc. Int. Astronaut. Congr. IAC.

- 2013. - Vol. 9. - P. 6661-6663.

10.* Exploration of ISS transport vehicles solar arrays usage as receivers of infrared laser radiation [Text] / Zayats O. [et al.] // Proc. Int. Astronaut. Congr. IAC. -2012. - Vol. 9. - P. 7039-7044.

11.* Мацак И.С. Моделирование погрешностей измерения параметров широкоапертурного лазерного пучка [Текст] / Мацак И.С. // Тезисы докладов XX науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - 2014. - C. 241-242

12.* Мацак И.С. Экспериментальное исследование характеристик инфракрасного канала передачи электрической энергии [Текст] / Мацак И.С. // Материалы XIX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Ч.5 в сборнике трудов РКК «Энергия» им. С.П. Королева. - 2013. -С. 254-257.

13.* Application of GaAs/Ge Solar Cells as the Monochromatic Radiation Receiver for Wireless Power Transfer in Space [Text] / Bogushevskaya V. [et al.] // Proc. 26th EUPVSEC. - 2011. - DOI 10.4229/26thEUPVSEC2011-1DV.4.51.

14.* Exploration of ISS Transport Vehicles Solar Arrays Usage as Receivers of Infrared Laser Radiation [Text] / Bogushevskaya V.A. [et al.] // Proc. 26th EUPSEC. -Hamburg, Germany. - 2011. - P. 774 - 777. - ISBN 3-936338-27-2. - DOI 10.4229/26thEUPVSEC2011-1DV.4.49.

15.* Система дистанционного энергоснабжения беспилотных летательных аппаратов [Текст] / Богушевская В.А. [и др.] // III Всеросс. межотрасл. молод.

науч.-техн. форум: Аннот. работ. - 2011. - C. 84.

16.* Мацак И.С. Прецизионное вычитание фона при измерении характеристик лазерных пучков [Текст] / Мацак И.С., Капранов В.В., Кудрявцев Е.М. // V Международн. конф. по фотонике и инф. оптике: Сб. науч. труд. - М.:НИЯУ МИФИ. - 2016. - C. 53-54. - ISBN 978-5-7262-2215-8.

17.* Receivers for WPT by High Power Narrow Laser Beams [Text] / Zayats O. [et al.] // Proc. 31st EUPVSEC. - 2015. - P. 1494-1497. - ISBN 3-936338-39-6. - DOI 10.4229/EUPVSEC20152015-4CV.3.40.

18.* Мацак И.С. Оптические системы формирования узконаправленных лазерных пучков тракта беспроводной передачи электрической энергии [Текст] / Мацак И.С. // Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXVII Академических чтений по космонавтике. - 2013. - C. 127.

19.* Заяц О.В. Экспериментальное исследование характеристик инфракрасного канала передачи электрической энергии от космических энергетических установок [Текст] / Заяц О.В., Мацак И.С. // Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXVI Академических чтений по космонавтике. - 2012. - C. 131-134.

20.* Заяц О.В. Теоретическое и экспериментальное обоснование научно-технических возможностей и изыскание технических решений для создания научной аппаратуры для КЭ «Пеликан» (Беспроводная передача электроэнергии) [Текст] / Заяц О.В., Мацак И.С. // Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXVI Академических чтений по космонавтике. - 2012. -C. 129-131.

21.* Оптические эквиваленты протяженных атмосферных трасс [Текст] / Бабанин Е.А. [и др.] // Материалы XXII Междунар. конф. «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». - Изд-во ИОАСО РАН Томск. - 2016. - C. 503-506.

22.* Беспроводная зарядка аккумуляторов лазерным излучением [Текст] / Разуваев А.Е. [и др.] // Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика: Восемн. международн. науч. -техн. конф. студентов и аспирантов: Тезисы докладов в 4 т. -2012. - Т. 1. - C. 174.

23.* Experimental research of high efficiency energy conversion of laser radiation by GaAs/Ge photovoltaic cell [Text] / Kapranov V. [et al.] // Proc. 27th EUPVSEC. - 2012. - P. 175-177.

24.* Мацак И.С. Разработка системы дистанционного энергоснабжения беспилотных летательных аппаратов лазерным излучением [Текст] / Мацак И.С., Заяц О.В., Кудрявцев Е.М. // XV Международн. телекомм. конф. молодых ученых и студентов «Молодежь и наука». Тезисы докладов. В 3-х частях. Ч.2. - 2012. - C. 76-77.

25.* Мацак И.С. Беспроводная передача энергии ИК-излучением между космическими аппаратами [Текст] / Мацак И.С., Тугаенко В.Ю., Кудрявцев Е.М. // XIV Международн. телекомм. конф. молодых ученых и студентов «Молодежь и наука». Тезисы докладов. Ч.2. - 2011. - C. 91-92.

26.* Космический приемник-преобразователь лазерного излучения [Текст] : пат. 2566370 Рос. Федерация / Корнилов В.А., Тугаенко В.Ю., Мацак И.С.; заявитель и патентообладатель ПАО «РКК «Энергия». - 2013138906/28; заявл. 20.08.2013; опубл. 27.10.2015, Бюл. №30.

27.* Установка для контроля параметров фотоэлектрических преобразователей [Текст] : пат. 150172 Рос. Федерация / Тугаенко В.Ю. [и др.]; заявитель и патентообладатель ПАО «РКК «Энергия». - 2014128127/28; заявл. 08.07.2014; опубл. 10.02.2015, Бюл. №4.

28. Профиль Мацака И.С. в Web of Science (ReasearcherlD) [Электронный ресурс]. URL: www.researcherid.com/rid/E-4261-2014 (дата обращения: 10.07.2019).

29. Профиль Мацака И.С. в Scopus [Электронный ресурс]. URL: www.scopus.com/authid/detail.url?authorId=55614476500 (дата обращения: 10.07.2019).

30. Профиль Мацака И.С. в ORCID [Электронный ресурс]. URL: orcid.org/0000-0003-3932-2413 (дата обращения: 10.07.2019).

31. Профиль Мацака И.С. в РИНЦ (Science Index) [Электронный ресурс]. URL: elibrary.ru/author_items.asp?authorid=699522 (дата обращения: 10.07.2019).

32. Профиль Мацака И.С. в системе ИСТИНА [Электронный ресурс].

URL: istina.msu.ru/profile/kenpark/ (дата обращения: 10.07.2019).

33. Space-Based Solar Power: Inexaustable Energy from Orbit [Text]: Special Report // ad Astra - The Magazine of the National Space Society. - 2008. - 36 p.

34. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции: монография [Текст] / Райкунов Г.Г. [и др.]. - М.: Физматлит. - 2009. -447 с. - ISBN 978-5-9221-1129-4.

35. Solar Power satellites [Text]/ ed. Nansen R. // Online J. Sp. Commun. -2010. - № 16.

36. Space Solar Power. The First International Assessement of Space Solar Power: Oppotunities, Issues and Potential Pathways Forward [Text] / ed. Mankins J.C., Kaya N. - International Academy of Astronautics. - 2011. - ISBN 978-2-917761-11-3.

37. Laying the Foundation for Space Solar Power: An Assessment of NASA's Space Solar Power Investment Strategy [Text] / Washington, D.C.: National Academy Press, - 2001. - 94 p. - ISBN 978-0-309-07597-8.

38. Mankins J. SPS-ALPHA: The First Practical Solar Power Satellite via Arbitrarily Large Phased Array (A 2011-2012 NASA NIAC Phase 1 Project) [Electronic resource]: Final Repot to NASA and NIAC / Mankins J. - Santa Maria, California. -2012. - 116 p. URL: www.nss.org/settlement/ssp/library/SPS_Alpha_ 2012_Mankins.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

39. Анализ компоновочных схем демонстрационной солнечной космической электростанции [Текст] / Сысоев В.К. [и др.] // Труды МАИ. - 2014. - № 77.

40. Гафаров А. Ядерная энергия в космосе: состояние и перспективы [Текст] / Гафаров А. // Новости космонавтики. - 2007. - № 4.

41. Грязнов Г.М. Космическая атомная энергетика и новые технологии (Записки директора) [Текст] / Грязнов Г.М. - М.: ФГУП «ЦНИИатоминформ». -2007. - 136 c.

42. Коротеев А.С. Новый этап использования ядерной энергии в космосе [Текст] / Коротеев А.С. // Атомная энергия. - 2010. - Т. 108, № 3. - C. 135-137.

43. Коротеев А.С. Проект создания транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса [Текст] /

Коротеев А.С., Акимов В.Н., Попов С.А. // Полёт. - 2011. - № 4. - C. 93-99.

44. Коротеев А.С. Новый этап развития космической энергетики [Текст] / Коротеев А.С. // Вестник РАН. - 2012. - Т. 82, № 4. - C. 317-322.

45. Синявский В.В. О работах РКК "Энергия" имени С.П.Королева в области создания ядерно-энергетических установок и ядерных электроракетных двигательных установок большой мощности [Текст] / Синявский В.В. // Ракетно-космическая техника. - Вып. 1-2. - 2007. - C. 8-19.

46. Синявский В.В. Повышение энергетических характеристик термоэмиссионного ректора-преобразователя модульной конструкции при использовании нескольких типоразмеров электрогенерирующих каналов [Текст] / Синявский В.В. // Известия РАН. Энергетика. - 2012. - № 6. - С. 89-95.

47. Легостаев В.П. Перспективы и эффективность применения космических ядерно-энергетических установок и ядерных электроракетных двигательных установок [Текст] / Легостаев В.П., Лопота В.А., Синявский В.В. // Космическая техника и технологии. - 2013. - № 1. - С. 4-15.

48. 50. Remote Electric Power Transfer Between Spacecrafts by Infrared Beamed Energy [Text] / Chertok B.E. [et al.] // AIP Conference Proceedings. - Vol. 1402, № 1. - 2011. - P. 489-496. - DOI 10.1063/1.3657057.

49. Теоретическое и экспериментальное обоснование принципов построения космической межорбитальной транспортной системы на основе ЯЭУ, многоразовых буксиров и технологии БПЭЭ между КА для перспективных программ освоения космоса [Текст]: Этап 1; Отчет о НИР (итоговый) / РКК «Энергия»; рук. Лапота В.А.; исполн.: В.П. Легостаев [и др.]. - Королев. - 2011. - 1341 c. -№ГР01200965535. - Инв. № Г2429/12.

50. Laser electric propulsion system for microsatellites' orbit maintenance [Text] / Evdokimov R.A. [et al.] // Proc. HPLA/BEP 2014 - Santa Fe, NM, USA. -2014. - 15 p.

51. Проект космического комплекса нового поколения ОКА-Т-МКС для решения задач научно-прикладных исследований в условиях микрогравитации, вакуума околоземного пространства и космической радиации [Текст] / Ёлкин К.С.

[ и др.] // Космонавтика и ракетостроение. - 2009. - Т. 57, № 4. - C. 109-121.

52. Super High Efficiency Diode Sources (SHEDS) and Architecture for Diode High Energy Laser Systems (ADHELS): An Overview [Text] / Stickley M. [et al.] // Advanced Solid-State Photonics. - Washington, D.C.: OSA. - 2006. - P. TuA1. - ISBN 1-55752-798-9. - DOI 10.1364/ASSP.2006.TuA1.

53. 360 W and 70% efficient GaAs-based diode lasers [Text] / Crump P. [et al.] // Proc. SPIE 5711. - 2005. - P. 21-29. - DOI 10.1117/12.602577.

54. Efficient High-Power Laser Diodes [Text] / Crump P. [et al.] // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. - 2013. - Vol. 19, № 4. - P. 1501211-1501211. - ISSN 1077-260X. - DOI 10.1109/JSTQE.2013.2239961.

55. High current density GaAs and GaSb photovoltaic cells for laser power beaming [Text] / Andreev V. [et al.] // 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. - 2003. - Vol. 1. - P. 761-764.

56. Bain C.N. Potential of Laser for SPS Power Transmission [Electronic resource] / Bain C.N. - PRC Energy Analysis Company McLean, DOE/NASA Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program. - 1978. -112 p. URL: www.nss.org/settlement/ssp/library/1978DOESPS-PotentialOfLaser ForSPSPower-Transmission.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

57. Dickinson R. Lasers for Wireless Power Transmission [Electronic resource] / Dickinson R., Grey J. - Aerospace America, USA. - 1999. -18 p. URL: www.trs.jpl.nasa.gov/bitstream/handle/2014/16855/99-0263.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

58. Nugent T.J. 12-Hour hover: Flight demonstration of a laser-powered quad-rocopter [Text] / Nugent T.J. // Proc. of AUVSI Unmanned Systems North America Conference. - 2011. - 10 p.

59. Nugent T.J. Successful 48+ Hour Laser-Powered UAS Demonstration [Electronic resource] / Nugent T.J. - 2012. URL: www.lasermotive.com/2012/07/ 11/successful-48-hour-laser-powered-uas-demonstration/ (дата обращения: 10.07.2019).

60. Edwards B. Space elevator feasibility test using laser power beaming

[Text] / Edwards B., C., Bennett H.E. // Proc. SPIE 4632. - 2002. - P. 141-147. - DOI 10.1117/12.469765.

61. Raible D.E. Optical frequency optimization of a high intensity laser power beaming system utilizing VMJ photovoltaic cells [Text] / Raible D.E., Dinca D., Nayfeh T.H. //Proc. ICSOS 2011. - 2011. - P. 232-238. - ISBN 978-1-4244-9686-0. - DOI 10.1109/ICSOS.2011.5783675.

62. Combining Laser Communications and Power Beaming for use on Planetary Probes [Text] / Hyde L. [et al.] // 10th International Planetary Workshop. - 2013. -

5 p.

63. Space Laser Power Converter Prototype [Text] / Nikitina T. [et al.] // Proc. 29th EUPVSEC. - 2014. - P. 2154-2157. - DOI 10.4229/EUPVSEC2014 2014-4CV.3.39.

64. PV Cells and Modules Specialized for Space Wireless Energy Transfer: Modeling and Development [Text] / Khvostikov V.P., [et al.] // Proc. 28th EUPVSEC. -2013. - P. 544-545. - ISBN 3-936338-33-7. - DOI 10.4229/ 28thEUPVSEC2013-1CV.6.6.

65. Исследования по повышению эффективности приемников монохроматического ИК-излучения, разработка рекомендаций по выбору проектного облика приемника монохроматического излучения для дистанционной передачи энергии между КА: Отчет о НИР (промежуточ.) [Текст] / РКК «Энергия»; рук. В.П. Легостаев, В.Ю. Тугаенко; исполн.: О.В. Заяц [и др.]. - Королев. - 2012. -246 c. - №ГР Ф-40995. - Инв. № Г2240/12.

66. High Power Diode Lasers: Technology and Applications [Text] / ed. Bachmann F., Loosen P., Poprawe R. - Springer-Verlag New York. - 2007. - 548 p. -ISBN 978-0-387-34453-9. - DOI 10.1007/978-0-387-34729-5.

67. Sabo D.A. The evolution of scanners for remote welding applications. The rise of beam quality leads to proliferation of remote welding applications [Text] / Sabo D.A. // The Fabricator. - 2007.

68. Ландсберг Г.С. Оптика [Текст]: общий курс физики / Ландсберг Г.С. -М.: Наука. - 1976. - 928 c.

69. DILAS Diodenlaser GmbH [Electronic resource]. URL: www.dilas.com/ (дата обращения: 10.07.2019).

70. LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH [Electronic resource]. URL: www.limo.de/ (дата обращения: 10.07.2019).

71. IPG Photonics Corporation [Electronic resource]. URL: www.ipgphotonics.com/ (дата обращения: 10.07.2019).

72. TeraDiode, Inc. [Electronic resource]. URL: teradiode.com/ (дата обращения: 10.07.2019).

73. Шрёдер Г. Техническая оптика [Текст] / Шрёдер Г., Трайбер Х. -М.: Техносфера, - 2006. - 424 с.

74. Sasian J.M. The World of Unobstructed Reflecting Telescopes [Text] / Sasian J.M. // Best Amat. Telesc. Mak. J. - 2003. - Vol. 1. - 462 p.

75. ГОСТ Р ИСО 11146-1-2008. Методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков. Часть 1. Стигматические (гомоцентрические) и слабоастигматические пучки [Текст]. - М.: Стан-дартинформ. - 2010. - 20 c.

76. ГОСТ Р ИСО 11146-2-2008. Методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков. Часть 2. Астигматические пучки [Текст]. - М.: Стандартинформ. - 2010. - 20 c.

77. ГОСТ Р ИСО/ТО 11146-3-2008. Методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков. Часть 3. Собственная и геометрическая классификация лазерных пучков, специфика их распространения и методики измерений [Текст]. - М.: Стандартинформ. - 2010. - 24 c.

78. ГОСТ Р ИСО 13694-2010. Методы измерений распределения плотности мощности (энергии) лазерного пучка [Текст]. - М.: Стандартинформ. - 2010. -20 c.

79. Абдрахманов К.Ш. Стандартизация методов измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения пучков лазерного излучения [Текст] / Абдрахманов К.Ш., Быкова О.Г., Улановский М.В. // Метрология. -

2010. - № 2. - С. 23-44.

80. О техническом регулировании: федер. закон Рос. Федерации от 27.12.2002 № 184-ФЗ: принят Гос. Думой Федер. Собр. Рос. Федерации 15.12.2002 г.: одобр. Советом Федерации Федер. Собр. Рос. Федерации 18.12.2002 г.:в ред. от 23.06.2014 [Текст] // СПС КонсультантПлюс.

81. О внесении изменений в Федеральный закон «О техническом регулировании»: федер. закон Рос. Федерации от 30.12.2009 N 385-ФЗ: принят Гос. Думой Федер. Собр. Рос. Федерации 23.12.2009 г.: одобр. Советом Федерации Федер. Собр. Рос. Федерации 25.12.2009 г. [Текст] // СПС КонсультантПлюс.

82. О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федер. закон Рос. Федерации от 23.06.2014 № 160-ФЗ: принят Гос. Думой Федер. Собр. Рос. Федерации 11.06.2014 г.: одобр. Советом Федерации Федер. Собр. Рос. Федерации 18.06.2014 г. [Текст] // СПС КонсультантПлюс.

83. ГОСТ Р ИСО 11145-2016. Оптика и фотоника. Лазеры и лазерное оборудование. Термины, определения и буквенные обозначения [Текст]. - М.: Стан-дартинформ. - 2016. - 25 с.

84. ISO 15367-1:2003. Lasers and laser-related equipment - Test methods for determination of the shape of a laser beam wavefront - Part 1: Terminology and fundamental aspects [Text]. - Publication date : 2003-09. - ISO. - 20 p.

85. ISO 15367-2:2005. Lasers and laser-related equipment - Test methods for determination of the shape of a laser beam wavefront - Part 2: Shack-Hartmann sensors [Text]. - Publication date : 2005-03. - ISO. - 20 p.

86. ГОСТ Р ИСО 15367-1-2012. Методы измерений формы волнового фронта пучка лазерного излучения. Часть 1. Терминология и основные положения [Текст]. -М.: Стандартинформ. - 2016. - 24 с.

87. ГОСТ Р ИСО 15367-2-2012 Методы измерений формы волнового фронта пучка лазерного излучения. Часть 2. Датчики Шока-Гартмана [Текст] . М.: Стандартинформ, - 2013. - 28 p.

88. ГОСТ 24453-80. Измерения параметров и характеристик лазерного излучения. Термины, определения и буквенные обозначения величин [Текст]. -

М.: Издательство стандартов. - 1982. - 24 c.

89. ГОСТ 24469-80. Средства измерений параметров лазерного излучения. Общие технические требования [Текст]. - М.: Издательство стандартов. -1981. - 23 c.

90. Общероссийский классификатор стандартов ОК (МК (ИСО/ИНФКО МКС) 001-96) 001-2000 [Текст]. - М.: Стандартинформ. - 2011. - 60 c..

91. Прокофьев А.В. Метрология оптико-электронного приборостроения [Текст]: учебное пособие / Прокофьев А.В. - СПб.: НИУ ИТМО. - 2012. - 103 c.

92. ГОСТ Р 8.563-2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений [Текст]. - M.: Стандартинформ. - 2010.

- 20 c.

93. ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения [Текст]. - M.: Стандартинформ. - 2002. - 22 c.

94. ГОСТ Р ИСО 5725-2-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 2. Основной метод определения повторяемости и воспроизводимости стандартного метода измерений [Текст]. - M.: Стан-дартинформ. - 2002. - 50 с.

95. ГОСТ Р ИСО 5725-3-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 3. Промежуточные показатели прецизионности стандартного метода измерений [Текст]. - M.: Стандартинформ. - 2002. -38 c.

96. ГОСТ Р ИСО 5725-4-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 4. Основные методы определения правильности стандартного метода измерений [Текст]. - M.: Стандартинформ. -2002. - 30 с.

97. ГОСТ Р ИСО 5725-5-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 5. Альтернативные методы определения прецизионности стандартного метода измерений [Текст]. - M.: Стандартинформ.

- 2002. - 58 с.

98. ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 6. Использование значений точности на практике [Текст]. - M.: Стандартинформ. - 2002. - 50 с.

99. ГОСТ 25917-83. Лазеры. Методы измерения относительного распределения плотности энергии (мощности) излучения [Текст]. - M.: Издательство стандартов. - 1985. - 22 с.

100. ГОСТ 26086-84. - Лазеры. Методы измерения диаметра пучка и энергетической расходимости лазерного излучения [Текст]. - M.: Издательство стандартов. - 1985. - 15 с.

101. ГОСТ 25786-83. Лазеры. Методы измерений средней мощности, средней мощности импульса, относительной нестабильности средней мощности лазерного излучения [Текст]. - M.: Издательство стандартов. - 1984. - 25 с.

102. ГОСТ Р ИСО 11554-2008. Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы испытаний лазеров и измерений мощности, энергии и временных характеристик лазерного пучка [Текст]. - М.: Стандартинформ. -2009. -20 с.

103. Handbook of Optical Systems: Physical Image Formation [Text]: Volume 2 / ed. Gross H., Singer W., Totzeck M. - John Wiley & Sons. - 2005. - 714 p. - ISBN 978-3-527-40378-3. - DOI 10.1002/3527606688.

104. Пространственное распределение интенсивности излучения диодных линеек с волоконным выводом и расчет инверсии в схеме продольной накачки твердотельных лазеров [Текст] / Горбунков М.В. [и др.] // Квантовая электроника.

- 2005. - Т. 35, № 12. - С. 1121-1125.

105. Теоретические и экспериментальные исследования базовых элементов технологии беспроводной передачи электрической энергии между космическими аппаратами ближним инфракрасным монохроматическим излучением [Текст]: Отчет о НИР (Итоговый) / РКК «Энергия»; рук. Тугаенко В.Ю.; исполн.: Р.А. Евдокимов [и др.]. - Королев. - 2012. - 218 c. -Инв. № Г861/13.

106. Gori F. Flattened gaussian beams [Text] / Gori F. // Opt. Commun. - 1994.

- Vol. 107, № 5-6. - P. 335-341. - ISSN 00304018. - DOI 10.1016/0030-

4018(94)90342-5.

107. Li Y. Light beams with flat-topped profiles [Text] / Li Y. // Opt. Lett. -2002. - Vol. 27, № 12. - P. 1007. - ISSN 0146-9592. - DOI 10.1364/OL.27. 001007.

108. Shealy D.L. Beam shaping profiles and propagation [Text] / Shealy D.L., Hoffnagle J.A. // Proc. SPIE 5876. - 2005. - P. 58760D. - DOI 10.1117/ 12.619305

109. Shealy D.L. Laser beam shaping profiles and propagation [Text] / Shealy D.L., Hoffnagle J.A. // Appl. Opt. - 2006. - Vol. 45, № 21. - P. 5118-5131. - DOI 10.1364/AO.45.005118

110. Cowan D. Effects of Atmospheric Turbulence on the Propagation of Flattened Gaussian Optical Beams: PhD dissertation [Text] / Cowan D. - University of Central Florid. - 2006. - 121 p.

111. Chu X.X. The propagation of a flattened circular Gaussian beam through an optical system in turbulent atmosphere [Text] / Chu X.X., Liu Z.J., Wu Y. // Appl. Phys. B. - 2008. - Vol. 92, № 1. - P. 119-122.

112. Zhou G. Average intensity and spreading of a Lorentz-Gauss beam in turbulent atmosphere [Text] / Zhou G., Chu X. // Opt. Express. - 2010. - Vol. 18, № 2. -P. 726-731..

113. Chu X. Average intensity of flattened Gaussian beam in non-Kolmogorov turbulence [Text] / Chu X., Qiao C., Feng X. // Opt. Laser Technol. - 2011. - Vol. 43, № 7. - P. 1150-1154.

114. Roundy C.B. Current Technology of Laser Beam Profile Measurements [Electronic resource] / Roundy C.B. - Spiricon, Inc. - 2009. - P. 44. URL: www.ophiropt.com/user_files/laser/beam_profilers/C_Roundy_ Tutotial.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

115. Kirkhamand K.D. Current Technology of Beam Profile Measurement [Text] / Kirkhamand K.D., Roundy C.B. // Laser Beam Shaping: Theory and Techniques. 2nd ed. / ed. Dickey F.M. CRC Press. - 2014. - P. 463-524. - ISBN 978-14665-6100-7.

116. Beam profiler, M2 beam quality measuring instrument [Electronic resource] / Optipedia. URL: en.optipedia.info/lsource-index/laser-index/ laser-

basic/beam-profiler-m2-beam-quality-measuring-mstrument/ (дата обращения: 10.07.2019).

117. Optical Spectrum Analyzers [Electronic resource] . Thorlabs, Inc. URL: www.thorlabs.de/NewGroupPage9_PF. cfm?Guide=10&Category_ID= 220&ObjectGroup_ID=5276 (дата обращения: 10.07.2019).

118. Randy R. Laser Cutter - part deux [Electronic resource] / Randy R. -Institute of Applied Absurdity. - 2015. URL: appliedabsurdity.org/?p=65 (дата обращения: 10.07.2019).

119. Si APDs - Optimized for DUV/UV. Avalanche Photodiodes for the Ultraviolet Spectral Range [Electronic resource]. URL: www.lasercomponents.com/de-en/news/si-apds-optimized-for-duvuv/ (дата обращения: 10.07.2019).

120. Wagner G. et al. Industry's Largest Area Laser Beam Profiling System Features 10.6 Mega-Pixel Camera, Measures Beam Widths to 35 mm [Electronic resource] / Wagner G., Worthington S. Ophir Photonics, A Newport Corporation Brand. URL: www.ophiropt.com/user_files/laser/press-release/ OSI_Lumenera11059_PR.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

121. Ослабитель лазерного пучка 10PMA-1 [Электронный ресурс]. URL: standa. vicon-se. ru/katalog/vse_oborudovanie/optomehanika/attenyuatory/ oslabi-tel_lazernogo_puchka/ (дата обращения: 10.07.2019).

122. Регулируемый револьверный аттенюатор 10WA168 [Электронный ресурс] . URL: standa.vicon-se.ru/katalog/vse_oborudovanie /optomehanika/attenyuatory/peremennyj_attenyuator/ (дата обращения: 10.07.2019).

123. Непрерывно регулируемый ослабитель-светоделитель 10APF3-1CVAB [Электронный ресурс]. URL: standa.vicon-se.ru/katalog/ vse_oborudovanie/optomehanika/attenyuatory/peremennyj_attenyuator_delitel_ puchka1/ (дата обращения: 10.07.2019).

124. Светоделительный кубик 10BC68-1 [Электронный ресурс]. URL: standa.vicon-se.ru/katalog/vse_oborudovanie/optomehanika/attenyuatory/delitel_ puchka/ (дата обращения: 10.07.2019).

125. Absorptive Neutral Density Filter FSQ-OD100 [Electronic resource]. URL:

search.newport.com/?q=*&x2=sku&q2=FSQ-0D100 (дата обращения: 10.07.2019).

126. Optical Disk Diffuser 15DIFF-VIS [Electronic resource]. URL: search.newport.com/ ?q=*&x2=sku&q2=15DIFF-VIS (дата обращения: 10.07.2019).

127. Shafner E. Beam Profiler Detectors: Which Material Should I Use? [Electronic resource]. URL: www.ophiropt.com/blog/laser-measurement/beam-profiler-detectors-which-material-should-i-use/ (дата обращения: 10.07.2019).

128. USB Silicon CCD Cameras L11059 [Electronic resource]. URL: www.ophiropt.com/user_files/laser/beam_profilers/L-Series.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

129. Ophir Photonics Group [Electronic resource]. URL: www.ophiropt.com (дата обращения: 10.07.2019).

130. DataRay Inc. [Electronic resource]. URL: www.dataray.com (дата обращения: 10.07.2019).

131. Duma Optronics Ltd [Electronic resource]. URL: www.duma.co.il (дата обращения: 10.07.2019).

132. Thorlabs, Inc. [Electronic resource]. URL: www.thorlabs.de (дата обращения: 10.07.2019).

133. Coherent Inc. [Electronic resource]. URL: www.coherent.com (дата обращения: 10.07.2019).

134. Haas Laser Technologies Inc. [Electronic resource]. URL: www.haaslti.com (дата обращения: 10.07.2019).

135. Gentec Electro-Optics, Inc. [Electronic resource]. URL: www.gentec-eo.com (дата обращения: 10.07.2019).

136. Metrolux GmbH [Electronic resource]. URL: www.metrolux.de (дата обращения: 10.07.2019).

137. Cinogy Technologies GmbH [Electronic resource]. URL: www.cinogy.com (дата обращения: 10.07.2019).

138. Lamet, Ltd [Electronic resource]. URL: www.lamet.ru (дата обращения: 10.07.2019).

139. Конник М.В. Расширение возможностей коммерческой цифровой

фотокамеры для регистрации пространственных распределений интенсивности лазерного излучения [Текст] / Конник М.В., Маныкин Э.А., Стариков С.Н. // Квантовая электроника. - 2010. - Т. 40, № 4. - C. 314-320 (Пер. на англ. яз.: Kon-nik M. V. Extension of the possibilities of a commercial digital camera in detecting spatial intensity distribution of laser radiation [Text] / Konnik M. V., Manykin E.A., Starikov S.N. // Quantum Electron. - 2010. - Vol. 40, № 4. - P. 314-320).

140. Roundy C.B. Techniques for accurately measuring laser beam width with commercial CCD cameras [Текст] / Roundy C.B. - 1998. - Vol. 3405. - P. 1045-1055.

141. Roundy C.B. Maximizing laser performance using laser beam diagnostics [Text] / Roundy C.B. // Proc. SPIE 2426. - 1995. - P. 528-539.

142. Шелдакова Ю.В. Диагностика лазерных пучков и управление их пространственными характеристиками методами адаптивной оптики [Текст]: диссертация ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.21; [Место защиты: Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова]. - 2007. - 149 с.

143. Абдрахманов К.Ш. Методы и средства измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения[Текст]: дис... канд. техн. наук : 05.11.16; [Место защиты: Всерос. науч.-исслед. ин-т оптико-физ. измерений]. - 2013. - 140 c.

144. Райцин А.М. Интерваьные оценки погрешности определения моментов пространственного распределения лазерного излучения [Текст] / Райцин А.М. // Измерительная техника. - 2012. - № 4. - С. 27-31.

145. EMVA Standard 1288. Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras, European Machine Vision Association, Release 3.0, 2010 [Electronic resource]. URL: www.emva.org/cms/upload/Standards/Stadard_1288/ EMVA1288-3.0.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

146. Research on the measurement method for a large laser beam profile based on CCD diffuse transmission imaging [Text] / Pang M. [et al.] // Meas. Sci. Technol. -2013. - Vol. 24, № 12. - P. 125202. - DOI 10.1088/0957-0233/24/12/125202.

147. Measurement system for large size laser beam intensity distribution based on CCD diffuse transmission imaging [Text] / Pang M. [et al.] // Proc. SPIE 9046. -

2013. - P. 90461J.

148. Измерение пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения с применением матричных фотоприемников [Текст] / Гришанов А.В. [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2002. -Т. 4, № 1. - C. 73-80.

149. Кострюков П.В. Пространственная структура излучения при синхронизации поперечных мод в лазерах с продольной накачкой [Текст]: дис. канд. физ.-мат. наук: 01.04.2; [Место защиты: Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова]. -2009. - 134 C.

150. Al-Ani A.A. Design and Construct A beam Profile of Near IR Laser Based on CCD Camera [Text] / Al-Ani A.A., Ahmed M.S., Yousif M.S. // J. Al-Nahrain Univ. Sci. - 2014. - Vol. 17, № 1. - P. 82-88.

151. Direct and Inverse Methods of Characterization of Solar Concentrators [Text] / Parretta A. [et al.] / Imaging Appl. Opt. Congr : OSA Tech. Dig. - Opt. Soc. Am. - 2010. - P. STuA1. - DOI 10.1364/0SE.2010.STuA1.

152. Афанасьев А.Л. Локализация турбулентных потоков по флуктуациям интенсивности просвечивающего лазерного излучения [Текст] / Афанасьев А.Л., Банах В.А., Ростов А.П. // Оптика атмосферы и океана. - 2008. - Т. 21, № 7. - C. 640-647.

153. Афанасьев А.Л. Определение скорости ветра в атмосфере по турбулентным искажениям видеоизображений лазерного пучка [Текст] / Афанасьев А.Л., Банах В.А., Ростов А.П. // Оптика атмосферы и океана. - 2010. - Т. 23, № 08. - C. 723-729.

154. Восстановление профиля поперечной компоненты скорости ветра по флуктуациям расходящегося лазерного пучка на атмосферной трассе [Текст] / Афанасьев А.Л. [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2010. -Т. 53, № 9-3. - C. 101-103.

155. Афанасьев А.Л. Определение скорости ветра из турбулентных флук-туаций оптического излучения в атмосфере [Текст]: диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.05; [Место защиты: Ин-т оптики атмосферы им.

В.Е. Зуева СО РАН]. - Томск, 2012. - 139 с.: ил.

156. Маракасов Д.А. Флуктуации плотности газа в потоках с пространственной неоднородностью внутренней энергии [Текст] / Маракасов Д.А. // Оптика атмосферы и океана. - 2011. - Т. 24, № 03. - C. 177-181.

157. Афанасьев А.Л. Спектры интенсивности лазерного пучка на атмосферной трассе в условиях сильной оптической турбулентности [Текст] / Афанасьев А.Л., Маракасов Д.А., Ростов А.П. // Известия высших учебных заведе-ний.Физика. - 2012. - Т. 55, № 9-2. - C. 225-227.

158. Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) [Электронный ресурс]. URL: www.iao.ru (дата обращения: 10.07.2019).

159. Измерительная камера КИ-2П [Электронный ресурс]. URL: www.lamet.ru/551607657 (дата обращения: 10.07.2019).

160. CCTV lens for front imaging through glass or reflected surface [Electronic resource] . URL: www.ophiropt.com/user_files/laser/beam_profilers/ CCTV-lens-for-front-imaging-through.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

161. Haber I. How to profile large beams? [Electronic resource] / Haber I. -2012. URL: www.ophiropt.com/blog/laser-measurement/how-to-profile-large-beams-4/ (дата обращения: 10.07.2019).

162. Varshney P.K. Advanced Image Processing Techniques for Remotely Sensed Hyperspectral Data [Text] / Varshney P.K., Arora M.K. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2004. - 323 p.

163. Основы считывания данных в аналого-цифровых системах [Текст]: Аналого-цифровое преобразование / по ред. Кестера У. - М.: Техносфера. - 2007. - C. 1016. - ISBN 978-5-94836-146-8.

164. Kester W. Understand SINAD, ENOB, SNR, THD, THD + N, and SFDR so You Don't Get Lost in the Noise Floor [Electronic resource] / Kester W. - 2008. - 8 p. URL: www.analog.com/media/ru/training-seminars/tutorials/MT-003.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

165. Baker B. A Glossary of Analog-to-Digital Specifications and Performance

Characteristics. Application Report SBAA147B [Electronic resource] / Baker B. -2011. - 33 p. URL: www.ti.com/lit/an/sbaa147b/sbaa 147b.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

166. Шефер Э. Эффективное число битов (ENOB) цифрового осциллографа R&S [Текст] / Шефер Э. // Контрольно-измерительные приборы и системы. -2011. - № 3. - C. 27-32.

167. Asada N. Photometric Calibration of Zoom Lens Systems Department of Intelligent Systems [Text] / Asada N., Amano A., Baba M. // Proc. 13th Int. Conf. Pattern Recognit. - 1996. - Vol. 1. - P. 186-190.

168. Catrysse P.B. QE reduction due to pixel vignetting in CMOS image sensors [Text] / Catrysse P.B., Liu X., Gamal A. El // Proc. SPIE 3965. - 2000. - P. 420-430. -ISBN 6507238473.

169. Weng J. Camera calibration with distortion models and accuracy evaluation [Text] / Weng J., Cohen P., Herniou M. // Pattern Anal. Mach. Intell. IEEE Trans. -1992. - Vol. 14, № 10. - P. 965-980.

170. ISO 13694:2000. Optics and optical instruments - Lasers and laser-related equipment - Test methods for laser beam power (energy) density distribution [Text]. -Publication date : 2000-04; withdrawn. - ISO. - 16 P.

171. PhotonFocus MV1-D1312-40-G2 [Electronic resource]. URL: www. photonfocus. com/products/camerafinder/camera/?no_cache= 1 &prid=71 (дата обращения: 10.07.2019).

172. Megapixel Ultra Low Distortion Lens M3520-MPW2 [Electronic resource]. URL: computar.com/product/1180/ (дата обращения: 10.07.2019).

173. Thorlabs FB810-10 - 01" Bandpass Filter, CWL = 810 ± 2 nm, FWHM = 10 ± 2 nm [Electronic resource]. URL: www.thorlabs.de/thorproduct. cfm?partnumber =FB810-10 (дата обращения: 10.07.2019).

174. Thorlabs FL1064-10 - 01" Laser Line Filter, CWL = 1064 ± 2 nm, FWHM = 10 ± 2 nm [Electronic resource] . URL: www.thorlabs.de/thorproduct. cfm?partnumber =FL1064-10 (дата обращения: 10.07.2019).

175. Zenith Transmission Diffusers [Electronic resource] . URL: www.pro-

lite.co.uk/File/Zenith_Transmission_Diffusers.php (дата обращения: 10.07.2019).

176. Zenith Polymer White Diffuser SG3202 Lambertian transmission sheet [Electronic resource]. URL: sphereoptics.de/en/wp-content/uploads/sites/3/2014/03/ SphereOptics-Diffuse-Reflectance-Standards-Targets-Materials-Zenith-Polymer.pdf (дата обращения: 10.07.2019).

177. Казаков Я.В. Влияние неоднородности структуры на характеристики жесткости картонов-лайнеров [Текст] / Казаков Я.В., Зеленова С.В., Комаров В.И. // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2007. - № 3. - C. 110-120.

Приложение А

Идентификационные коды автора

Таблица А.1

Идентификаторы в системах учета публикаций Кол-во публикаций Цитирований h-index QR-код

Web of science www.researcherid.com Researcher ID E-4261-2014 4 2 1 ш

Scopus www.scopus.com Scopus Author ID 55614476500 9 17 3 я

ORCID www.orcid.org ORCID 0000-0003-3932-2413 11 - - ш

РИНЦ www.elibrary.ru SPIN-код 9494-9499 Author ID 699522 22 32 3 Hi

ИСТИНА www. istina. msu.ru IstinaResearcherID (IRID) 6507988 39 - - в

Приложение Б

Оценка диаметра лазерного пучка в плоскости приемника Для получения на выходе оптической системы малорасходящегося пучка источник помещается вблизи фокуса системы. Для достижения требуемых параметров пятна на приемнике оптическая система может работать в режиме фокусировки или режиме коллимации. Для случая коллимации источник помещается в фокусе оптической системы (рисунок Б.1). Расходимость излучения будет определяться соотношением

О = 2•аг^

й

(1.1)

V 2/ ) /

где й - диаметр источника, / - фокусное расстояние оптической системы.

Рисунок Б.1 К расчету расходимости излучения на выходе оптической системы: Вверху - режим коллимации; Внизу - режим фокусировки. Апертура оптической системы соотносится с фокусным расстоянием как

В > / • 2-tg (а/ 2),

(1.2)

где а - полный угол расходимости излучения источника. При использовании лазера с оптоволоконным выходом sin (а/2) = NA, где NA - числовая апертура волокна. Принимая строгое равенство в соотношении (2), получим

f = D =_D_(13)

2 • tg (а/ 2) 2 • tg (arcsin( NA)) 2 • NA У J

С учетом соотношения (3) соотношение (1) принимает вид:

2•NA•d . (1.4)

D

Тогда произведение параметров пучка

Bpp_ad- 2•arcsin(NA)^d _ d•NA

= 4 = 4 « 2 . ( . )

Отсюда,

e«4-BPP, (1.6)

D

то есть полный угол расходимости излучения в дальней зоне в режиме коллимации определяется диаметром выходного отверстия оптического системы и качеством излучения источника. Диаметра пятна в режима коллимации:

D = D + -BPP • L (1.7)

L D

Для определения диаметра пятна в режиме фокусировки необходимо воспользоваться формулой линзы (рисунок Б. 1):

(1.8)

u v f

где u = L - расстояние до источника, а v = f + 8, где 8 - смещение источника из фокуса.

Линейное увеличение системы с учетом (8) при f >>8:

и Ь Ь 2 ЫА • Ь

т = — =-« — =-. (1.9)

V / + 3 /В К '

Тогда

В = т • а=2ЫА± а=4ВРР. ь . (1.10)

Б Б '

При известном качестве излучения лазера ВРР и заданных ограничениях на диаметр пятна излучения В на приемнике, удаленном на расстоянии Ь, можно оценить требуемый диметр апертуры оптической системы исходя из соотношений (Б.7) или (Б.10) в зависимости от режима работы оптической системы.

Приложение В

Оценка погрешностей измерения экспериментальной установки по ГОСТ Для оценок погрешностей измерения может быть использован подход, описанный в [99,100]. При учете односторонних и двусторонних погрешностей формула должна принимать вид

SD = Kd

v k+ k±j

(1.1)

где 8+ - односторонние погрешности, 8± - двусторонние погрешности. Кв, К+ и К± - коэффициенты, зависящие от вида распределения погрешностей.

Погрешность 8+ определяется углом наклона экрана к пучку. Оценив точность ручной установки Аа = ±10°, погрешность можно вычислить как средний косинус угла наклона

S+ = S-

+ а

1

cosa

1 * 5 • 10

-3

(1.2)

Двусторонняя погрешность может быть определена по формуле:

S± = ± K±

С о Л2 с 0 Л2 ' - ^

S

а

v K~aJ

+

S

v KS J

í с \

+

S

nl

V Knl J

+

2

Slin

V Klin J

+

2

M

V Km J

+

+

opt

S

k

V mes J

+

pix

к

v pix J

,2Л1/2

+

(1.3)

к

V Kopt J

+

Sshift

V Kshift J

где 8$ - погрешность, обусловленная неравномерностью коэффициента пропускания экрана, 8п1 - погрешность, обусловленная нелинейностью преобразования энергии ПЗС-сенсором, - погрешность измерительного прибора, 8р1х - погрешность обусловленная конечностью размеров элементов матрицы, 8Пп - погрешность линейной интерполяции при построении зависимости доли энергии от диаметра, 8М - погрешность определения масштаба фотографии, - погрешность, вносимая оптической системой (объективом камеры), 8^ - погрешность,

2

2

обусловленная точностью определения и вычитания фона. К8, Кп1, Kmes, Kpix,

^^, Kм, Kopt, , ^ - коэффициенты, зависящие от закона распределения

соответствующих погрешностей и установленной вероятности. Для частных погрешностей принято K = 1,73, для суммарных - = 1,96.

Некоторые погрешности были определены путем моделирования. В частности, для моделирования погрешности 83 были использованы данные по пространственной неравномерности пропускания и среднему размеру неоднородности бумаги из работы [177]. При этом были сделаны допущения, что площадь, занимаемая пучком, не менее 15%-20% от площади интегрирования при пространственном разрешении ПЗС-матрицы N = 2,5 Мп, а значения регистрируемой интенсивности около 2000 ЭМ При этом результирующая погрешность не превысит 0,1%, если включает в себя следующие компоненты:

- случайная пространственная мультипликативная погрешность 8$ при условии, что неравномерность не превышает ев ~ 0,1;

систематическая мультипликативная погрешность 8п1, если отклонение от линейности не превышает £™ах = 0.05;

систематическая погрешность 8рЫ; погрешность интерполяции 8М;

- аддитивная погрешность смещения нуля 8^.

Остальные погрешности могут быть измерены и оценены.

Случайная погрешность 8те5, обусловленная шумами матрицы и погрешностью АЦП, может быть оценена как отношение доверительного интервала для второго момента распределения плотности мощности [144] к диаметру пучка. Для оценки было сделано допущение, что относительная погрешность не зависит от критерия, по которому определяется диаметр пучка. Расчётное соотношение в этом случае имеет вид

142 2• 2•Ь 2 -а

8те, = —-аЬ ,поие «10—3, (1.4)

втт ■Чп •т

где г - аргумент функции Крампа для уровня доверия р = 1 — а = 95% .

Погрешность масштабирования определяется с помощью соотношения

8M =

s

à 4ML ) X r

5-1Q-3, (1.5)

где xr - это измеренные и расчетные значения расстояний между метками /у и Lij , причем А/у = 1 пикс., ALj = 0,5 мм.

Оптическая погрешность обусловлена бочкообразной дисторсией объектива и физическим виньетированием.

=82+8-2 (16)

Дисторсия была определена по фотографии тест объекта и составила

8 = * 1,3.10-2, (1.7)

dis и '

b0

где b - увеличение на краю фотографии, b - увеличение в центре

Физическое виньетирование, вызванное уменьшением видимой площадки экрана в наклонных пучках, даёт уменьшение интенсивности на краю изображения пропорционально четвертой степени косинуса угла наклона. Влияние виньетирования на точность определения диаметра при центральном положении пучка ограничивается 8yin * 10-2

С учетом (1.6) 8± = 1,6 • 10-2.

Результирующая погрешность является смещенной оценкой

-1,5 -10-2 <ÔD< 2-10-2, (1.8)

что может быть учтено при записи расчетных значений путем введения коэффициента

d = (1 -8+).du3M ±8± • duм (1.9)

2

r

Приложение Г

Аппроксимация экспериментальных ОРПМ супергауссовым распределением Таблица Г.1

Расстояние, м

Параметр формы

Центральные сечения

12,6

2,3

22,6 м

3,3

Расстояние, м

Параметр формы

Центральные сечения

32,6

3,4

42,6

3,8

51,6

4,0

Расстояние, м

Параметр формы

Центральные сечения

63,6

3,7

72,6

3,5

83,6

3,5

Приложение Д

3D-аппроксимация пучка и ее отклонение от реального пучка Таблица Д.1

Расстояние, м

Ошибки аппроксимации

Грубая

СКО

3D-распределения

Фукнция аппроксимации

Измеренное распределение

12,6

11,9%

1,6%

22,6

12,1%

1,7%

32,6

15,6%

2,3%

42,6

23,3%

3,8%

51,6

22,0%

3,3%

63,6