Принципы построения систем формирования информационных полей оптико-электронных секторных навигационных комплексов и моностатических непрерывных доплеровских лидаров мониторинга атмосферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, доктор наук Васильев Дмитрий Викторович

• Васильев Дмитрий Викторович
• доктор наук
• 2017

Оглавление диссертации доктор наук Васильев Дмитрий Викторович

Введение

Глава 1. Методы и средства формирования информационных полей современными отечественными и зарубежными оптико -электронными зрительными навигационными комплексами и моностатическими непрерывными доплеровскими лидарами

1.1 Аналитический обзор отечественного и зарубежного зрительного навигационного оборудования

1.2 Аналитический обзор отечественных и зарубежных

дистанционных средств измерения параметров ветра

Глава 2 Новый принцип построения системы формирования

информационного поля секторного навигационного комплекса на суперярких светодиодах

2.1 Существующие методы расчета светотехнических параметров

и определение дальности действия светсигнальных установок

2.2 Новая методика определения параметров информационного поля

секторного навигационного комплекса

2.3 Новый метод расчета параметров диаграммы

направленности монохроматического сектора

2.4 Новый способ определения ширины переходной зоны

между монохроматическими секторами

2.5 Воздействие излучения на зрительный анализатор на малых

дистанциях визирования огня СНК

Глава 3 Обоснование выбора рабочей длины волны излучения

моностатического непрерывного доплеровского лидара

3.1 Определение эффективности взаимодействия лазерного излучения с атмосферой на основе анализа зависимостей показателя ослабления и объемного коэффициента обратного

рассеяния от различных условий зондирования

3.2 Сравнение эффективности лидаров с различными

длинами волн излучения

3.3 Разработка модели воздействия фонового излучения на фотоприемное устройство лидара

3.4 Обоснование выбора полосового фильтра для снижения воздействия фонового излучения на фотоприемное устройство лидара

3.5 Способ определения уровня фоновой облученности фотоприемного устройства, защищенного полосовым фильтром, стоящим в

приемо - передающем тракте лидара

3.6 Способ расчета эффективности применения

фотоприемного устройства лидара

3.7 Способ определения структуры сигнала моностатического доплеровского лидара

Глава 4 Анализ возможностей контроля ширины спектра излучения

моностатического непрерывного доплеровского лидара

4.1 Разработка математического выражения спектра сигнала лидара

с учетом ширины спектра излучения источника

4.2 Обоснование необходимости контроля ширины спектра

излучения источника лидара

4.3 Новый способ контроля ширины спектра излучения по величине спектральной плотности мощности на разностной частоте

4.4 Определение зависимости ширины спектра излучения от конструктивных параметров полупроводникового лазера

4.5 Способ стабилизации частоты генерации лазерного излучения внешним воздействием

Глава 5 Новый принцип построения системы формирования информационного поля моностатического непрерывного доплеровского лидара

5.1 Новая методика определения параметров информационного

поля лидара

5.2 Новый метод расчета эффективности гетеродинирования лидара

Глава 6 Экспериментальные исследования и практическая значимость

полученных результатов

6.1 Результаты применения мобильных секторных навигационных комплексов на основе суперярких светодиодов на

водном транспорте

6.2 Результаты применения мобильных секторных навигационных комплексов на основе суперярких светодиодов на воздушном транспорте

6.3 Результаты применения мобильных моностатических непрерывных доплеровских лидаров

Заключение. Основные результаты и выводы

Список литературы

Перечень сокращений

Приложение 1 Информационное поле

секторного навигационного комплекса

Приложение 2 Информационное поле

моностатического непрерывного доплеровскорго лидара

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Принципы построения систем формирования информационных полей оптико-электронных секторных навигационных комплексов и моностатических непрерывных доплеровских лидаров мониторинга атмосферы»

Введение

Актуальность и степень разработанности темы исследования

Актуальность. Диссертационная работа направлена на решение ряда задач обеспечения посадки летательных аппаратов на необорудованные и малоразмерные, в том числе корабельные, площадки и проводки кораблей по сложным фарватерам в условиях необорудованного побережья. В соответствии с требованиями, изложенными в руководствах по навигационному оборудованию и обеспечению полетов [2, 34, 153, 181, 184, 185], для их выполнения необходимо:

- обеспечение визуально воспринимаемой информацией о траектории перемещения, обладающей наибольшей достоверностью;

- знание ветровой обстановки в зоне движения (учет сдвиговых и турбулентных явлений воздушных течений в атмосфере, возникающих при движении воздушных масс, особенно важен для обеспечения посадки летательных аппаратов в условиях воздействия ветра на ВППл авианесущих кораблей, посадочные площадки которых малы, и требует учета всех внешних воздействующих факторов).

Особенности поставленных задач требуют применения для их решения не бортовых надежных мобильных малогабаритных оптико - электронных комплексов:

-способных формировать световые поля с управляемыми основными параметрами (размерами, цветораспределением, проблесковыми режимами);

-обеспечивающих измерение вектора скорости ветра на малых и средних дистанциях в зоне движения.

Требование мобильности подразумевает: обеспечение высокой информационной плотности (способности формировать необходимый объем информации при минимальных габаритах).

До настоящего времени оптико - электронные комплексы, в полной мере отвечающие заявленным требованиям, отсутствовали, их характеристики во

многом определялись источниками излучения и подходами к формированию поля излучения. Совершенствование полупроводниковых источников позволяет применить их для решения поставленных задач. Создание комплексов на их основе предлагается рассмотреть как развитие новых научно-технических направлений.

Таким образом, для обеспечения нужд воздушного и водного транспорта в работе решаются следующие актуальные задачи создания мобильных:

1) зрительных навигационных средств на основе суперярких светодиодов, реализующих управляемость основными параметрами световых полей для обеспечения движения в условиях необорудованных площадок и побережий;

2) непрерывных доплеровских лидаров на основе полупроводниковых лазеров для получения информации о параметрах ветра в зоне движения (их создание может быть также актуально для метеорологии, экологического мониторинга, прикладных задач МЧС и т.д.).

Для решения этих задач рассмотрим две научные проблемы, суть которых раскрывается в дальнейшем.

Обеспечение посадки ЛА на необорудованные и малоразмерные, в том числе корабельные, площадки и, в ряде случаев, проводка кораблей по сложным фарватерам, в условиях необорудованного побережья, решаются, в основном, использованием зрительных средств навигационного оборудования (СНО), поскольку зрение, как отмечается в публикациях [20, 145, 146], предоставляет наиболее достоверную для анализа информацию.

Высокая информативность и простота восприятия за минимальное время - основные требования, предъявляемые к зрительным СНО. С точки зрения мобильности, в наибольшей степени этому соответствуют секторные навигационные комплексы (СНК). Их поле излучения состоит из прилегающих друг к другу монохроматических секторов с четкими границами, что позволяет вести уверенную ориентировку. Это широко

используется, в соответствии с изложенными в публикациях [2, 182, 183, 184, 185] материалами, для посадки ЛА на большинстве аэродромов (системы PAPI, APAPI) и проводки кораблей в портах и каналах (ТОНы - точные огни наведения), т.е. там где окружающая обстановка известна и предсказуема.

Если условия навигации носят случайный характер, важно оперативно реагировать на эти изменения путем управления основными параметрами формируемого светового поля. До настоящего времени это представляло значительные трудности (так созданные на основе сканирующих полупроводниковых лазеров с электронной накачкой (СПЛЭН) комплексы не вышли за рамки макетных образцов), что связано с ограниченными возможностями источника излучения и примененного одиночного подхода к построению светового поля (когда каждому элементу поля соответствует только один элемент источника излучения).

В настоящее время в СНК с постоянными пространственно -временными характеристиками светового поля применяются электрические лампы и суперяркие светодиоды. Однако, одиночный подход к построению поля, заложенный в основе этих СНК, не позволяет решить проблему, накладывая ограничения на функциональные возможности навигационных комплексов. Кроме того, лампы, как отмечено в публикациях [20, 125, 145, 146], имеют недостатки: значительные размеры, низкий контраст излучения, сложность формирования светового потока. Лазер, как источник зрительных СНО, имеет преимущества перед лампами, что подтверждено материалами публикаций [81, 103, 104, 108, 114, 115, 117, 144, 158]: контрастность излучения; узкая диаграмма направленности (ДН); малый размер апертуры источника; высокая интенсивность излучения. Применение лазеров, представленное в литературных источниках [3, 5, 77, 162, 163, 164, 166, 168, 169, 170, 186, 187, 247], позволило создать новое направление в навигации -созданы лазерные створы. Однако для СНК использование лазеров не оптимально: ограничение воздействия лазерного излучения на зрение (важно

в авиации), сложности преобразования узкого луча в широкое непрерывное поле.

Таким образом, для решения задачи необходим источник излучения, позволяющий осуществить новый подход к формированию светового поля, обеспечивающий выполнение требований мобильности, рассмотренных в материалах публикаций [59, 60, 62], из которого будет сформулирован новый принцип построения СНК.

Новый подход к построению светового поля может быть сформулирован, как групповой, когда каждый элемент поля формируется группой независимых излучателей, для которых необходим надежный малогабаритный источник, с перспективными характеристиками. Суперяркие светодиоды, в соответствии с материалами публикаций [13, 14, 130, 145, 190], обладают широкой цветовой гаммой, большой световой отдачей для монохроматических 35 ^ 85 лм/Вт, для белых - до 160 лм/Вт, минимальными габаритами, плоским телом излучения, что создает предпосылки к их применению в СНК, реализующем новый подход к построению поля.

Следовательно, первая научная проблема, решаемая в диссертационной работе - создание светового поля СНК с управляемыми размерами, цветораспределением и проблесковыми характеристиками, путем формирования каждого его элемента, как совокупности изображений тел излучения излучателей с СИ Д.

Для дистанционного измерения параметров вектора (ПВ) применяются четыре, изложенные в литературных источниках [7, 8, 29, 73, 74, 84, 216, 224, 231, 239], метода зондирования:

1) акустический (содар);

2) радиоакустический (совместно содар и радиолокатор);

3) радиолокационный (радиолокатор);

4) лазерный (лидар).

Первые три имеют значительные ограничения с точки зрения использования в малогабаритных мобильных средствах измерения ПВ на малых и средних дистанциях.

Акустический:

1) мертвая зона в ближней области;

2) измерение только вертикального профиля ветра;

3) сильная зависимость сигнала от турбулентных образований;

4) необходимость отсутствия внешних шумов (в т. ч. атмосферных осадков);

5) влияние акустического излучения на органы слуха;

6) размеры (до нескольких метров) и вес (до нескольких сот килограмм);

Радиоакустический:

1) диапазон измерения скоростей ветра не превышает 10 м/с;

2) вредное воздействие радиоизлучения;

3) те же недостатки, что и у акустического метода. Радиолокационный:

Общие недостатки:

1) мертвая зона в ближней области;

2) не работает в ясную погоду, при малых турбулентностях и скоростях ветра;

3 ) вредное воздействие радиоизлучения. Для диапазона 30 + 60 МГц (ЫБТ-радар):

1) размеры антенн тысячи м2;

2) большая потребляемая мощность;

3) время накопления сигнала 0.3 ^ 1 ч.;

4) погрешность измерения 3^5 м/с. Для диапазона 400 ^ 550МГц:

1) размеры антенн сотни м2;

2) высота мертвой зоны до 500 м. (помехи от наземных объектов);

3) от теле- и радиопомехи;

4) большая потребляемая мощность.

Для диапазона 900 ^ 1300 МГц:

1) размеры антенны 3*3 м.;

2) высота мертвой зоны до 500 м. (помехи от наземных объектов);

3) большая потребляемая мощность.

Для области 35 ГГц:

1) значительная потребляемая мощность;

2) работоспособен только при сильных осадках, ветре, тумане.

Не смотря на перечисленные ограничения, на аэродромах и, в ряде случаев, на авианесущих кораблях для измерения вертикального профиля ветра применяют содары. Возможность использования техники содаров для создания мобильных средств определяется сравнением их параметров с предъявленными требованиями и характеристикам лидаров.

Основные технические характеристики содаров:

1) измерение вертикального профиля ветра;

2) диапазон высот акустического зондирования от 20 до 200 ^ 800 метров;

3) минимальное разрешение в зависимости от длительности импульса 8 ^ 55 метров;

4) характерное разрешение по скорости 1.1 м/с при разрешении по дальности 17 метров. Определяется, в соответствии с материалами публикаций [6, 84, 137, 138, 139, 208, 214], соотношением:

АМ¥в=ЛС/4 (В.1)

где АУв - разрешение по скорости ветра;

AR - разрешение по дальности;

С - скорость звука (340 м/с);

X - длина волны.

То есть взаимная связь разрешения по скорости и по дальности не позволяет одновременно выполнить оба требования.

Недостатки содаров:

1) излучаемый сигнал (обычно в диапазоне 1 ^ 10 кГц) слышим человеческим ухом и вызывает неприятные ощущения (рекомендуется использовать вне скоплений людей);

2) предельная высота зондирования сильно зависит от метеорологических условий во время измерений - снижается при наличии температурных инверсий в атмосферном пограничном слое, при сильной турбулентности и сильных ветрах;

3) измерения весьма чувствительны к посторонним звукам, поэтому измерения практически невозможно проводить при высоком уровне фоновых шумов и при наличии жидких осадков;

4) для изолирования от посторонних звуков вокруг содара необходимо создавать довольно громоздкий поглощающий экран.

Для обеспечения посадки летательных аппаратов на заключительном, наиболее аварийноопасном, участке глиссады необходимо, чтобы дистанционные средства позволяли производить измерения в диапазоне высот от единиц до сотен метров с минимальным разрешением на ближних дистанциях не более метра для возможности определения наличия мало- и среднеразмерных турбулентных вихрей. При этом точность измерения составляющих воздушных потоков должна составлять не более 0.1 ^ 0.2 м/с. Дистанционные измерители, размещаемые в зоне ВППл, должны быть малогабаритными и не подниматься выше опущенных леерных заграждений. На основе анализа предъявленных требований выбор был сделан в пользу применения для этих целей непрерывных доплеровских лидаров, физические принципы работы которых могут обеспечить их выполнение.

Таким образом, основные требования, предъявляемые к дистанционному определению параметров ветра в корабельных условиях:

1) измерение вектора скорости ветра в любой точке траектории движения на заключительном этапе полета;

2) диапазон высот зондирования: от 3 до 500 м;

3) минимальное разрешение по дальности: от 0.5 (на ближней дистанции) до 30 м (на максимальном удалении);

4) разрешение по скорости: не более 0.2 м/с;

5) габариты, не более: 0.5*0.5*0.5 метра.

Сравнивая технически достижимые параметры содаров и предъявляемые требования можно сделать однозначный вывод: содары не могут их выполнить в полном объеме. Однако это вполне доступно в случае применения моностатических непрерывных доплеровских лидаров (МНДЛ), на которых в дальнейшем и будет акцентировано внимание.

Ограничения работы МНДЛ в сложных метеоусловиях компенсируются возможностью получения сигнала с меньших расстояний, не менее метеовидимости (МДВ), путем плавной перефокусировки антенны.

Доплеровские лидары должны быть мобильными, малогабаритными, надежными, с минимальным энергопотреблением, что позволило бы применять их в сложных условиях эксплуатации. Современные непрерывные моностатические доплеровские лидары на основе СО2 - лазеров (Р = 10 ^ 15 Вт, Х=10.6 мкм, А/ ~ 100 кГц) и твердотельных лазеров (Р = 2 ^ 3 Вт, Х=1.54 мкм) ограничены в возможности решения поставленных задач, как отмечается в публикациях [36, 64, 68, 73, 82, 84, 136, 157, 160]: значительные габариты, масса, энергопотребление, невысокая надежность и ряд недостатков.

Недостатки СО2 - лидара:

-применение охлаждаемого до 77°К фотоприемного устройства (ФПУ) в связи с малой энергией фотона (<1эВ);

-шумы криогенной машины фотоприемника, снижающие чувствительность приема;

-помехи, из - за деформаций в резонатора лазера, нарушающие одночастотный режим;

-значительная зависимость сигнала от концентрации крупных аэрозолей.

Недостаток лидара на твердотельном лазере: шумы источника излучения.

Таким образом, для решения задачи необходим источник, позволяющий обеспечить выполнение требований мобильности, на основе применения которого формулируется новый принцип построения МНДЛ.

Полупроводниковые лазеры (ПЛ) с минимальной шириной спектра «Х1 кГц и уровнем мощности десятки мВт позволили создать предпосылки к их применению в технике лазерной доплеровской локации.

Однако применение в непрерывном моностатическом доплеровском лидаре полупроводникового лазера имеет существенный недостаток -ограничение по мощности лазерного излучения, которая на два порядка меньше по сравнению с мощностью СО2 - лазеров. Частично компенсировать этот недостаток можно, контролем ширины линии генерации лазерного излучения с ее подстройкой в автоматическом режиме через управление температурой полупроводникового кристалла и величиной его рабочего тока. Сужение спектра излучения при неизменной мощности излучения обеспечивает пропорциональный рост спектральной плотности мощности, который эквивалентен увеличению выходной мощности лазерного излучения.

Важную роль в повышении уровня рабочего сигнала в случае применения в доплеровском лидаре полупроводникового лазера играет пространственное согласование сформированных в зоне локации полей зондирующего и опорного каналов, определяемое параметрами плоского тела излучения источника и чувствительной площадки приемника.

Такое согласование вносит вклад в достижение необходимого уровня потенциала непрерывного моностатического доплеровского лидара для обеспечения устойчивого получения рабочего сигнала из зоны локации в широком диапазоне изменения объемного коэффициента обратного рассеяния.

Таким образом, вторая научная проблема, решаемая в диссертационной работе - построение атмосферного доплеровского лидара на полупроводниковом лазере, с учетом влияния формы и размеров его излучающей поверхности и чувствительной площадки фотоприемника на пространственное распределение эффективности приема сигнала.

Для решения первой научной проблемы предлагается новый (групповой) подход к формированию светового поля, при котором каждый элемент поля строится совокупностью изображений тел излучения согласованных независимых излучателей, из которых состоит комплекс.

При групповом подходе: структура групп излучателей, ориентировка излучателей в группе и ориентировка групп в пространстве аналогичны. Каждая группа излучателей строит поле с совпадающими размерами и ориентировкой. Так как группы излучателей малоразмерны и близко расположены, их поля накладываются с пренебрежимо малым смещением, определяемым взаимным расположением групп, а соответствующие излучатели каждой из групп строят один и тот же элемент поля. Независимое управление излучателями в каждой группе позволяет дискретно управлять параметрами поля, меняя цвет, угловые размеры, проблесковые характеристики, дальность видимости огня.

Предложенный групповой подход реализуем только в случае наложения полей групп излучателей с высокой степенью точности, что выполнимо, если размеры излучателей и групп малы и они располагаются близко друг к другу. Это осуществимо только при использовании малоразмерных полупроводниковых источников излучения (СИД). При использовании ламп необходимо: применение блоков светофильтров и согласующих оптических

систем многократно увеличивающее размеры излучателей и комплекса в целом. Такая необходимость делает наложение полей с требуемой точностью и управляемость параметрами общего поля СНК невозможным - огни отдельных излучателей не будут восприниматься слитно.

Для реализации группового подхода к построению поля должно быть обеспечено выполнение двух основных моментов:

1) сохранение угловых размеров секторов, из которых состоит поле, до дальности действия комплекса при всех условиях наблюдения;

2) обеспечение минимальных переходных зон на границах секторов.

Предложенный подход к построению поля излучения позволяет описать составные части СНК в виде источника и обобщенной оптической системы, строящей его изображение, из которых формируется информационное поле (ИП) прибора, а прибор, в общем виде, может быть охарактеризован как система формирования информационного поля (СФИП).

Поскольку ряд параметров ПЛ, его поля излучения и работающей совместно с ним ОС подобным соответствующим элементам СНК, поле, формируемое МНДЛ, может быть определено как информационное, а МНДЛ на ПЛ в целом аналогично характеризоваться СФИП.

ИП СНК - это поле излучения, состоящее из ряда монохроматических секторов, разделенных четкими границами. Геометрия секторов определяется: параметрами источника излучения, ОС, атмосферы, условиями наблюдения.

ИП МНДЛ - это пространственное распределение эффективности гетеродинирования в области совмещения сформированных полей излучения зондирующего канала и опорного, построенного в обратном ходе распространения луча. Оно определяется: параметрами источника, ФПУ, ОС, атмосферы и выражено распределением пространственной плотности рабочего сигнала на разностной частоте.

Необходимо отметить, что основным отличием подхода который в настоящее время реализуется при формировании ИП СНК от предлагаемого

является построение элемента ИП, как изображения только одного источника. То есть одиночный подход к построению одного элемента ИП.

Степень разработанности темы исследования. На момент начала работы над созданием СНК на основе СИД, публикаций, по формированию управляемых информационных полей такими комплексами не было. В применяемых за рубежом ТОНах на основе ламп и СИД для водного транспорта, огнях глиссады систем РАР1 и АРАР1 для воздушного транспорта, представленных в публикациях [125, 145, 161, 184, 185, 248], использован подход одиночного построения поля, что не обеспечивает требуемого уровня управляемости его параметров. Имелись публикации [130, 145, 190], в которых отражено применение СИД в светосигнальных фонарях со световым полем без четких границ. Для СО2- МНДЛ имелась публикация [36], представляющая расчет распределения полезного сигнала вдоль оптической оси. В публикациях [1, 75] рассматривалось управление шириной спектра излучения газовых лазеров и перестройкой длины волны излучения полупроводникового лазера (ПЛ), изложенное в литературе [98, 101, 102, 195], путем управления температурой кристалла или величиной рабочего тока. Имелись публикации [11, 16, 29, 73, 82, 83, 111, 134, 165, 177, 178, 206, 212, 215, 222, 223, 227, 230, 233, 234, 243, 245], содержащие материалы по непрерывным и импульсным доплеровским лидарам измерения ПВ на основе СО2 - и твердотельных лазеров. Публикации по атмосферным МНДЛ на основе ПЛ отсутствовали и таких лидаров создано не было.

Таким образом, предложенные новые принципы построения систем формирования информационных полей могут быть рассмотрены, как развитие новых направлений:

- в средствах навигационного оборудования (СНО) на основе суперярких светодиодов - мобильные секторные навигационные комплексы для обеспечения зрительной навигации при выполнении посадки

летательных аппаратов на необорудованные и малоразмерные, в том числе корабельные, площадки и проводки кораблей в сложных условиях;

- в средствах мониторинга атмосферы - мобильные доплеровские лидары на основе полупроводниковых лазеров для решения задач дистанционного определения параметров ветра и обеспечения посадки летательных аппаратов на необорудованные и малоразмерные площадки, движения кораблей в зонах повышенной опасности, расширения возможностей дистанционного метеорологического и экологического мониторинга воздушных масс.

Следовательно, можно сформулировать цель работы, задачи и методы исследований, объект и предмет исследования. Основные этапы выполнения диссертационной работы представлены на рисунке В-1.

Научная проблема 1

И

Общая задача обеспечения навигации

Новый метод Новая методика

расчета —► определения

параметров параметров ИП

ДН и СФИП СНК

т

Новый способ определения

ширины переходной зоны

Научная проблема 2

1 V

Новый принцип построения Новый принцип построения

СФИП СНК на СИД СФИП МНДЛ на ПЛ

СНК на основе СИД для зрительной навигации

Новая методика определения

параметров ИП и СФИП МНДЛ

\

Новый способ Новый метод

контроля расчета

ширины (ИП МНДЛ)

спектра ПЛ

МНДЛ на основе ПЛ для мониторинга атмосферы

Рис. В-1 Основные этапы выполнения диссертационной работы

Цель работы

Выполнение комплексных научных и экспериментальных исследований, расчетных и схемотехнических решений, направленных на

разработку новых принципов построения систем формирования информационных полей и создание на их основе:

1) мобильных секторных навигационных комплексов на суперярких светодиодах для решения навигационных задач посадки летательных аппаратов на необорудованные и малоразмерные, в том числе корабельные, площадки и проводки кораблей по сложным фарватерам в условиях необорудованного побережья;

2) малогабаритных мобильных непрерывных моностатических доплеровских лидаров на полупроводниковых лазерах для измерения скорости ветра на малых и средних дистанциях.

Задачи исследований:

1) траектория движения, при визуальном ориентировании, определяется характеристиками огня, в случае ее корректировки требуется управляемость пространственно - временными характеристиками информационного поля навигационного комплекса для реализации задачи необходимо найти отличный от существующего подход к построению поля мобильного секторного навигационного комплекса;

2) управляемость пространственно - временными характеристиками поля обеспечивается групповым построением его элементов, что достигается пространственным совмещением полей излучателей, для реализации задачи необходимо сформулировать принцип построения системы формирования информационного поля комплекса;

3) при групповом подходе требуется точность совмещения элементов поля, которая подтверждается расчетом их параметров, для реализации задачи необходимо определить методику, включающую адаптированные к мобильному секторному навигационному комплексу расчеты, учитывающие параметры его системы формирования и условия распространения излучения, позволяющие получить характеристики информационного поля;

4) дистанционное измерение параметров ветра на траектории движения в условиях случайного размещения решается мобильными непрерывными доплеровскими лидарами, требование мобильности определяется применением малогабаритного источника, необходимо исследовать возможность выполнения этого использованием в лидаре полупроводникового лазера;

5) полупроводниковый лазер имеет отличные характеристики от применявшихся ранее СО2 - и твердотельных лазеров, их требуется учесть при построении лидара, для реализации задачи необходимо определить принцип построения системы формирования его информационного поля;

6) работоспособность атмосферного непрерывного моностатического доплеровского лидара определяется распределением эффективности гетеродинирования в зоне локации, необходимо обеспечить учет влияния параметров полупроводникового лазера и фотоприемного устройства на характеристики пространственного распределения, для реализации задачи необходимо определить методику, включающую адаптированный к лидару расчет параметров его информационного поля и пути их оптимизации через управление характеристиками источника.

Объект, предмет и методы исследований

Объект исследования - информационные поля и зависимость их характеристик от параметров секторных навигационных комплексов и непрерывных моностатических доплеровских лидаров.

Предмет исследования - разработка новых мобильных секторных навигационных комплексов на основе суперярких светодиодов для навигации и новых мобильных непрерывных моностатических доплеровских лидаров на основе полупроводниковых лазеров для мониторинга атмосферы.

Методы исследований

1. Метод расчета диаграммы монохроматического сектора на основе построения последовательности изображений.

2. Метод определения параметров ИП СНК на СИД усреднением поперечных сечений диаграмм лепестков и переходных зон, полученных независимыми наблюдателями.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Васильев Дмитрий Викторович, 2017 год

Источник питания

лазера

--------

I

Источник питания

термостабилизатора

------------

ПЛ

7

1

Рис.4-20. Структурная схема управления шириной спектра ПЛ:

1 - спектр на выходе ФПУ при введенном отражателе; 2 - спектр на выходе ФПУ при выведенном отражателе; 3 - спектр излучения ПЛ; А1 -спектральная плотность при введенном отражателе зондирующего канала; А2 - спектральная плотность при выведенном отражателе зондирующего канала.

4.3 Новый способ контроля ширины спектра излучения по величине спектральной плотности мощности на разностной частоте

Способ выделения составляющих спектра сигнала лидара на разностной частоте.

Используя материалы публикаций [9, 35, 135], получено представление части спектра излучения с центральной частотой и шириной по основанию 2Аш, рисунок 4-21.

ш

ш0

ш

Аш

м2 ->

Рис. 4-21. Правая половина спектра излучения с шириной Аш:

, л Шг-ш

= ^ - спектральная плотность амплитуды.

Принимаются следующие обозначения: ш2 = шгр - граничная частота спектра;

Аш = ш2 — 0 = шгр - ширина спектра равна граничной частоте. Тогда спектральная плотность интенсивности запишется следующим образом:

■(«) = =

ш22-2ШШ2 + Ш2 _ ы2р-2шшГр + ш2_ 2 1 2

Аш2

ш

= г-^-ш+^ш2 . (4.41)

гр

Ш

гР

ш

гР

При неизменном уровне мощности излучения с изменением ширины спектра Аш амплитуда спектральных составляющих ф2(ш) изменяется, рисунок 4-22.

2

(р2(шУ

ш

1

А2 - 1

X ^^ \ N

1 ^^^^^^^

0 ш

ш

ш

гр2

а) б)

Рис.4-22. Зависимость спектральной плотности мощности от ширины

спектра:

а) узкий спектр, б) широкий спектр.

Мощность интерферировавших излучений - это площадь под кривой,

она сохраняется неизменной:

1111 Р ^-А-^Аш-^ = -А2Аш2 = -А^АШ^ =-ААШ . (4.42)

Выражение для абсолютного значения спектра интенсивности излучения:

= А(Аш)ф2(ш) , (4.43)

Л г Л N 2Р 2Р

где А(Аш) = — = — .

Аш ыГр

Поскольку 2Р - величина постоянная, принимается: 2Р=сот1=1, отсюда:

1

А(Аш) . (4.44)

ш

Гр

Выражение для абсолютного значения спектра:

](щ) = —ф2(щ) = —---.

Гр

Ыгр ^гр

(4.45)

гр

После ФНЧ на выходе ФПУ в зависимости от распределения спектральной плотности мощности формируется переменный сигнал с амплитудой, пропорциональной величине спектральной плотности мощности составляющих спектра, пропускаемых фильтром, рисунок 4-23.

Кш)

А,

I

ш

Кш)

0 | ^гр1 0 |

Пропущенные составляющие спектра

ш

ь

А

1

ш

ш

Рис. 4-23. Амплитуда переменного сигнала после ФНЧ на выходе ФПУ при

изменении ширины спектра излучения Амплитуда гармонического сигнала на выходе фильтра обратно пропорциональна ширине спектра интенсивности излучения. Чувствительность изложенного метода контроля определяется выбранной шириной полосы пропускания ФНЧ, которая определяется с использованием данных, приведенных в публикациях [40, 80], рисунок 4-24.

г

г

Идеализированная характеристика пропускания ФНЧ

Реальная характеристика

пропускания ФНЧ

0

шг

шг

-гр ^гр

Рис. 4-24. Выбор спектральной характеристики ФНЧ Необходимо определить частоту среза шср фильтра нижних частот, чтобы обеспечить максимальную чувствительность метода при изменении •угр в пределах 1 кГц ^ 1 МГц.

Для выбора частоты среза полоса пропускания фильтра представляется в виде прямоугольника. Сигнал на выходе ФНЧ запишется следующим образом:

^ 0 ыгп

гР

^ср _ ^ср ^ср ^ ^ср

"^гр "^гр 3"^гр

З^р

(4.46)

'вых.ф. ^о

Результаты расчета приведены в таблицах 4-2, 4-3, 4-4 и графически на рисунке 4-25.

Величина сигнала на выходе ФНЧ (отн.ед.) в зависимости от ^гр и г^:

1. Частота среза ^ср = 1 кГц:

Таблица 4-2

Угр, кГц 1 10 50 100 200 500 1000

^вых.ф. 0.333 0.090333 0.0196 9.9х10"3 4.98х10"3 2х10"3 9.99х10-4

^вых.ф.(нормир.) 1 0.271 0.059 0.03 0.0149 З.99х10"3 3х10-3

2. Частота среза ^ср = 10 кГц: Таблица 4-3

Угр, кГц 10 50 100 200 500 1000

^вых.ф. 0.333 0.16267 0.09 0.0475 0.0196 9.9x10" 3

^вых.ф.(нормир.) 1 0.488 0.271 0.143 0.059 0.0297

3. Частота среза ^ср = 50 кГц: Таблица 4-4

Угр, кГц 50 100 200 500 1000

^вых.ф. 0.333 0.2917 0.1927 0.09 0.0475

^вых.ф.(нормир.) 1 0.876 0.579 0.271 0.143

Полученные результаты сведены в таблицу 4-5. Выходной сигнал после ФНЧ в зависимости от ^гр и г^р

Таблица 4-5

Угр, кГц 1 10 50 100 200 500 1000

^вых.ф. С^ср = 1 кГц), о. е. 1 0.271 0.059 0.03 0.0149 5.99х10-3 3х10-3

^вых.ф. (^ср = 10 кГц), о.е. 1 1 0.488 0.271 0.143 0.059 0.0297

^вых.ф. (^ср = 50 кГц), о.е. 1 1 1 0.876 0.579 0.271 0.143

к _,

л л

2 к

о ^ и и

X н О

1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

10 50 100 200

Граничные частоты спектра, кГц

500

1000

Рис. 4-25. Величины выходного сигнала после ФНЧ в зависимости от граничной частоты спектра излучения и частоты среза фильтра: 1 - уср = 1 кГц; 2 - Уср = 10 кГц; 3 - Уср = 50 кГц.

Поскольку ширина спектра интенсивности излучения меняется в пределах от 10 кГц до 1 МГц, наибольшей чувствительностью метод контроля будет обладать, если применить ФНЧ с частотой среза ^ср.ф. = 10 кГц. При такой частоте среза фильтра изменению ширины спектра интенсивности излучения соответствует максимальное изменение величины выходного сигнала £/вых.ф. во всем диапазоне изменения граничной частоты спектра угр, что обеспечивает удобство его контроля. Необходимо выбрать схемотехническое решение ФНЧ с частотой среза ^ср.ф. = 10 кГц. В идеальном случае полоса пропускания такого фильтра должна иметь постоянное пропускание до частоты среза и вертикальный спад коэффициента пропускания на частоте среза, рисунок 4-26.

1

Полоса пропускания фильтра

10

V, кГц —►

Рис. 4-26. Идеальная спектральная характеристика ФНЧ

Анализ использования фильтра низких частот для выделения полезной информации из спектра сигнала лидара.

В публикациях [40, 80] рассмотрены различные варианты пассивных и активных ФНЧ. Относительный сравнительный ход результирующих АЧХ приведен на рисунке 4-27.

5 ^ £ ^

н ^

нЯ

с

* §

11 к н

с и

ир

ле п те

а р

а

ут

1,2 1

0,8

0,6 0,4 0,2 0

1000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 15000 20000 40000 60000

Частота, Гц

Рис. 4-27. Сравнительный спектральный ход АЧХ ФНЧ: 1 - АЧХ идеального фильтра; 2 - АЧХ пассивного ФНЧ первого порядка; 3 -АЧХ активного резисторно - конденсаторного ФНЧ второго порядка.

По результатам можно сделать вывод: при помощи пассивных ФНЧ полностью получить требуемую характеристику идеального фильтра не представляется возможным. Необходимы фильтры, имеющие АЧХ с более крутым спадом в области частоты среза.

Поскольку необходимо получить крутой спад АЧХ ФНЧ между полосой пропускания и полосой затухания, для решения этой задачи целесообразно применение активных фильтров, которые используются для обработки слаботочных информационных сигналов и содержат в своем составе операционные усилители. Они особенно эффективны для диапазона частот ниже 10 кГц. Простейшим активным ФНЧ является схема интегратора, построенная на операционном усилителе. Рассматривается активный ФНЧ

второго порядка, обеспечивающий большую крутизну спада АЧХ по сравнению с одноступенчатой схемой, рисунок 4-28.

С2

Я1/2 Ш2

Я2

и

К1/2

ив1

Рис. 4-28. Активный ФНЧ второго порядка на операционном усилителе

ФНЧ представляет из себя инвертирующий усилитель, обладающий постоянным коэффициентом усиления в полосе прозрачности от 0-ой частоты до граничной частоты /0.

В пределах полосы прозрачности, пока емкостное сопротивление конденсатора С2 достаточно велико, коэффициент усиления схемы совпадает с коэффициентом усиления инвертирующего усилителя:

К = ^<шх = _ . (4.47)

Уех

Граничная частота при выполнении условия Р1С1 = 4Р2С2 :

1

^■Ф. = . (448)

АЧХ активного ФНЧ второго порядка представлена на рисунке 4-27 (график 3). Крутизна наклона этой характеристики составляет 12 дБ/октава (при увеличении частоты вдвое напряжение сигнала на выходе фильтра уменьшается в четыре раза). Учитывая, что выбранная граничная частота равна 10 кГц, используя (4.48) и выполняя условие Р1С1 = 4Р2С2, получены следующие значения номиналов резисторов и конденсаторов:

Я1=20 кОм, С 1=3.2 нФ, Я2=10 кОм, С2=1.6 нФ.

Схема такого активного ФНЧ может быть реализована на хорошо известных операционных усилителях К544УД1, имеющих малый собственный шум. В сложных активных фильтрах на нескольких

операционных усилителях присутствует еще одно существенное достоинство. Их выходная характеристика более устойчива по отношению к небольшим отклонениям величин пассивных элементов фильтра от номинального значения. Полученная АЧХ активного ФНЧ второго порядка достаточно близка к АЧХ идеального фильтра. Таким образом, рассмотренный вариант фильтра вполне может быть использован для выделения спектральных составляющих спектра излучения на разностной частоте в области нулевых частот для реализации контроля ширины спектра излучения ПЛ с ВРБ в МНДЛ.

4.4 Определение зависимости ширины спектра излучения от

В полупроводниковых лазерах достижение ширины спектра излучения единицы - десятки кГц обеспечивается использованием в конструкции пассивных резонаторов (ПЛ с пассивным резонатором Фабри - Перо). Их спектральные характеристики описываются известными соотношениями, приведенными в публикациях [98, 101, 102, 107, 194, 195, 198, 199, 205, 209, 213, 221, 236], которые используются при расчете параметров ПЛ МНДЛ.

Ширина Ауь спектра лазера с пассивным резонатором равна:

где Ау - ширина спектра в отсутствие пассивной части резонатора (согласно формуле Шавлова - Таунса);

длиной Ь;

Уц! - групповая скорость света в пассивной области резонатора длиной Ь1.

конструктивных параметров полупроводникового лазера

(4.49)

Ь - активная часть резонатора; Ь1 - пассивная часть резонатора.

Ц, - групповая скорость света в активной области резонатора

Ширина Ау спектра отдельной моды ПЛ на основе резонатора Фабри -Перо описывается формулой Шавлова - Таунса:

где у0 - средняя частота моды;

Р0 - мощность излучения лазера;

п - показатель преломления среды п/п кристалла (активной среды); Ь - длина резонатора;

И- коэффициент отражения зеркала резонатора; ат - коэффициент потерь излучения в объеме активной среды; п3 - скорость спонтанной рекомбинации ЭДП (~ 1 ^ 2); а - отношение вещественной части АпНе и мнимой Ап1т частей показателя преломления активной среды (типичные значения 5 ^ 7).

Конструктивно пассивная часть резонатора ПЛ выполняется в виде отрезка оптоволокна с отражательной волоконной решеткой Брегга. Достижение минимальной ширины линии генерации излучения обеспечивается максимальным совпадением центра контура отражения решетки и центра одной из мод внешнего резонатора. Необходимо обеспечить управление величиной тока и температуры полупроводникового кристалла для смещения положения продольной моды внешнего резонатора к максимуму контура отражения ВРБ. ВРБ связывает основную моду световода с той же модой, распространяющейся в противоположном направлении. На определенной длине волны распространяющееся по световоду излучение, отражается от решетки полностью или частично, этот процесс подробно рассмотрен в публикации [210].

Профиль контура отражения ВРБ

На основе публикаций [98, 101, 102, 107, 129, 195, 198, 199], отражательная способность решетки с постоянной амплитудой изменений показателя преломления и периодом определяется выражением:

ЖЬ 'Я) = _)__(4 51)

^ б) Дfe2sính2(sLб)+s2cosh2(sLб) ' ( . )

где Я - длина волны излучения; Ьб - длина решетки; 52 = |О2 _Лк2|.

Коэффициент удваивания О для синусоидально изменяющегося возмущения показателя преломления вдоль оси волокна:

О = , (4.52)

где Мр - часть энергии моды, распространяющейся в сердцевине волокна;

Лп - амплитуда вынужденного возмущения показателя преломления (обычно в диапазоне 10-5 ^ 10-3). Значение Л к определяется выражением:

Л к = 2ппэфф _ , (4.53)

где пэфф - эффективный показатель преломления сердцевины волокна,

учитывающий дисперсию показателя преломления пэфф = п _ Я0 —— ;

фф

2ПэффЛ ппг

Ядг = —- резонансная длина волны ВРБ;

Л - период решетки; т - целое число полуволн;

Я0 = ^^ - длина волны продольной моды резонатора Фабри - Перо.

В качестве примера рассматривается определение формы контура отражения ВРБ с резонансной длиной волны ЯВг = 975 нм. Для расчетов принимается Лп « 2х10-4, пэфф = 1.46283, Ьб = 10 мм = 107нм. Используя публикации [98, 101, 102, 129, 195, 198, 199], преобразованное выражение для отражательной способности решетки выглядит следующим образом:

2П,

эфф

АпМг

(1 ЛВг)

2

+ 1-

2П.

эфф

АпМг

ЛВг.

езЬб-е-зЬб

(4.54)

Рассчитанная отражательная способность ВРБ представлена на рисунке 4-29. Результаты расчетов сведены в таблицу 4-6.

R(L6,Л) ■

1.0

0.9 0.8 0.7 0.6 "_0.5 --0.4 --0.3 0.2 0.1

Л, нм —►

Ч-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-_

974.04 974.05 974.06 974.07 974.08 974.09 975.0 975.01 975.02 975.03 975.04 975.05 975.06

Рис. 4-29. Отражательная способность ВРБ Спектральная характеристика отражательной способности ВРБ Таблица 4-6

2

2

Л, нм 975 975.015 975.03 975.032 975.034 975.036 975.038 975.04 975.044 975.05 975.06

Я(Ьб,Л 1 0.99 0.95 0.938 0.85 0.718 0.61 0.52 0.4 0.285 0.18

На основе публикаций [98, 101, 102, 129, 195, 198, 199] спектральное расстояние между аксиальными, т.е. распространяющимися строго вдоль

оптической оси внешнего резонатора, модами определяется выражением:

2

АХ = —. (4.55)

2пэфф Ь1

В результате расчетов получено: для Ь1=1 мм величина АХ = 0.323 нм; для ^=10 мм величина АХ = 0.032 нм; для ¿1=100 мм величина АХ = 0.0032 нм.

Вид взаимного положения аксиальных мод и контура отражательной способности решетки (резонансный контур) приведены на рисунке 4-30.

Рис. 4-30. Взаимное положение аксиальных мод и контура отражательной

способности решетки:

1 - аксиальные моды внешнего резонатора длиной ¿1=1 мм;

2 - аксиальные моды внешнего резонатора длиной ¿1=10 мм;

3 - аксиальные моды внешнего резонатора длиной ¿1=100 мм.

Как видно из приведенного выше рисунка, при длине пассивного резонатора 10 мм, а тем более 100 мм в резонансный контур ВРБ попадает одновременно несколько аксиальных мод. Поэтому необходимо точно выбрать длину пассивного резонатора (в данном случае она не может быть больше 5 мм) так, чтобы в часть резонансного контура ВРБ с максимальным усилением попадало одновременно не более одной аксиальной моды. Из этого и будет проистекать достижимая ширина спектра излучения, а также требования к стабильности поддержания тока и температуры.

Расчет длины пассивной части резонатора ¿1

В соответствии с материалами литературных источников [ 101, 102, 195, 220], в качестве исходного используется выражение для Лг^. Учитывая то, что ширина спектра излучения, которую необходимо получить, составляет

порядка 10 кГц, такое излучение можно считать монохроматическим, т.е. в среде распространения излучения отсутствует дисперсия (фазовая и групповая скорости совпадают).

^=п? (4 56)

где п 1 - показатель преломления среды в пассивной части резонатора. Тогда:

^ = ^ . (4.57)

После преобразований, с учетом материалов публикаций [101, 102, 195, 220], выражение для длины пассивной части резонатора имеет вид:

_ !п =

1 П

N

--1

Ду,

(4-58)

Ширина Дг спектра отдельной моды ПЛ с резонатором Фабри - Перо (когда пассивная часть резонатора отсутствует) описывается формулой Шавлова - Таунса. Исходные данные для расчета следующие: И =

6.63x10 34ДжХс - постоянная Планка; о0 = — = 3.086х1014Гц - средняя

А0

частота моды; Р0 = 0.1 Вт - выходная мощность излучения; L = 1000 мкм -длина кристалла ПЛ; ат = 6 см-1 - внутренние потери в резонаторе; Я = 0.3 - коэффициент отражения естественно сколотых зеркал активной части резонатора; ~ 2 - скорость спонтанной рекомбинации ЭДП; а ~ 7 -отношение вещественной и мнимой частей показателя преломления активной среды.

По результатам расчета ширина Д спектра отдельной моды ПЛ на основе резонатора Фабри - Перо, имеет величину: До/ = 126354.36 Гц.

Определение расстояния от кристалла до ВБР (длина пассивной части резонатора ¿1). Расчет проводится для различных значений Дг^ (таблица 4-7).

Длина пассивной части резонатора ПЛ с ВРБ

Глава 4 Таблица 4-7

Луь , кГц 20 10 5 1

Ь1, мм 3.66 6.18 9.745 24.8

Полученные результаты представлены графически, рисунок 4-31.

в дТ § &

И Н К й —

к 2 о ^

то со

ВЦ, а ^ ч К к К н с ^

(Г

30 25 20 15 10 5 0

1

5 10

Ширина линии генерации кГц

20

Рис. 4-31. Зависимость ширины линии генерации ПЛ с ВРБ от длины

пассивной части резонатора

Для ширины линии генерации Луь = 10000 Гц длина пассивной части резонатора = 6.18 мм и расстояние между аксиальными модами внешнего резонатора ЛЯ = 0.052 нм. Полученные результаты используются при выборе параметров ПЛ для МНДЛ. В процессе выполнения расчетов необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

1) для получения минимальной ширины линии генерации Луь необходимо относить ВБР как можно дальше от полупроводникового кристалла;

2) при уменьшении межмодового расстояния ЛХ в области максимального отражения контура ВБР кроме центральной моды наблюдается появление еще нескольких аксиальных мод внешнего резонатора, конкуренция которых друг с другом, не позволит применить лазер в схеме, реализующей гетеродинный прием;

3) для обеспечения минимальной ширины линии генерации Луь внешнего резонатора и, при этом, обеспечения генерации излучения на одной

длине волны, необходимо выполнить условие, по которому, с одной стороны, ВРБ была бы максимально удалена от полупроводникового кристалла, а, с другой стороны, боковые моды не попадали в область контура отражения ВРБ с максимальным коэффициентом отражения.

4.5 Способ стабилизации частоты генерации лазерного излучения

внешним воздействием

Для компенсации частотных флуктуаций можно использовать зависимость частоты генерации лазерного излучения от тока инжекции и температуры, определяемую, в соответствии с изложенными в литературных источниках [171, 195, 199, 218, 235] данными, соотношением:

6У = Уо [А±6Ыс(1) + (ат + РтШЛО + 8Т2}] , (4.59)

где п - показатель преломления среды;

у0 - центральная частота продольной моды;

6ЫС(1) - изменение концентрации носителей, обусловленное вариацией тока;

А - коэффициент, определяющий изменение показателя преломления вследствие изменения концентрации носителей;

8^(1) - изменение температуры кристалла ПЛ из - за вариации тока;

8Т2 - отвечает изменению температуры внешней среды (но не сама температура окружающей среды).

ат - коэффициент, определяющий изменение показателя преломления полупроводникового кристалла (области распространения излучения в полупроводниковом кристалле) от температуры;

Рт - коэффициент, определяющий изменение длины резонатора (активной части резонатора в полупроводниковом кристалле) от температуры.

Записанное соотношение отражает тот факт, что из - за вариаций тока и температуры меняются показатель преломления и длина активной части резонатора (внутри полупроводникового кристалла), а, следовательно, частота продольной моды генерации лазера.

Для лазера на основе InGaAsP типичные значения перечисленных коэффициентов:

А = -7х10-27 м3; п = 3.5; ат = 5.4х10-6К-1; = 1.0х10-4 К-1.

Зависимости частоты генерации от тока и температуры, в соответствии с публикациями [107, 171, 195, 199, 218, 235], записываются по -отдельности:

Зависимость от тока:

= —г0

А±5ВД) + (аг + ^№(7)] , (4.60)

1

где ( ат + ^Т)5Г1(/) « ЮА^ВД)

Величина А < 0, сдвиг частоты, обусловленный этим членом, положителен, однако величина частотного сдвига, обусловленного вторым токовым членом, на порядок больше, и, следовательно, с увеличением постоянного тока частота генерации уменьшается. На основании проведенных расчетов:

5Мс(7) = 3.055х1023 (м-3) - на такую величину изменяется концентрация носителей в кристалле InGaAsP при изменении протекающего тока на 1 А. 571(7) = 57.97 К - изменение температуры кристалла InGaAsP при

изменении протекающего тока на 1А. Зависимость от температуры:

У0(ат + £т№ , (4.61)

Ранее было определено требование к стабильности длины волны излучения лазера для обеспечения одночастотного режима генерации ±6Л = ±0.0075 нм (в частотной области ± 2.38Х109 Гц).

Таким образом, для обеспечения одночастотного режима генерации, необходимо контролировать величину тока (питания лазера) в пределах ± 2 мА или стабилизацию температуры внешней среды в пределах менее 0.5К.

Зависимость величины центральной частоты генерации лазерного излучения ПЛ от тока представлена на рисунке 4-32.

5у,х109 Гц

Поле допуска по стабилизации частоты

16

0.4 ■ 0.6 0.8-1.0 -1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6

/йу\ /йу\

\И)1 + [и)2

I, мА

11111111111—I I >

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1ном 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Уменьшение тока от 1„,

Увеличение тока от 1т

Рассматривается влияние отдельных слагаемых уравнения на изменение частоты генерации лазера.

(^У) = -у0а15Мс(/) = 0.1864х109 (Гц) на 1 мА;

(—) = —у0(ат + ^т)571(7) = —1.886х109 (Гц)на 1 мА ; 2

— = —■у0(ат + 0т)572 = —1.698х1010 (Гц) на 1 К ;

^т,

Т.е. при нагреве кристалла током или внешним теплом частота генерации уменьшается (^у) < 0 и < 0. Поэтому для стабилизации

частоты генерации кристалл необходимо охлаждать.

Общая диаграмма изменения частоты генерации лазера от тока и температуры представлена на рисунке 4-33.

х109, Гц

Т, К

-0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.1 -0.12 -0.14 -0.16 -0.18 -0.2

Рис. 4-33. Зависимость величины центральной частоты генерации лазерного

253 Выводы

1. Разработан новый способ контроля ширины спектра излучения ПЛ по величине спектральной плотности мощности составляющих сигнала в области нулевых частот.

2. Определены параметры ПЛ, обеспечивающие возможность достижения минимальной ширины спектра излучения (10 кГц), определяющей максимально достижимую дальность лоцирования МНДЛ.

3. Определены структура оптического тракта и параметры радиотехнического тракта МНДЛ, обеспечивающие поддержание ширины спектра излучения ПЛ на заданном уровне.

Новый принцип построения системы формирования информационного поля моностатического непрерывного доплеровского лидара

Настоящая глава посвящена разработке нового принципа построения СФИП МНДЛ на ПЛ. Он заключается: в формировании пространственного распределения эффективности гетеродинирования в зоне локации -информационного поля лидара - как совокупности изображений плоскостей распределения полей зондирующего и опорного каналов, что позволяет использовать ПЛ с плоским телом излучения. Для его реализации разработана методика определения ИП МНДЛ, позволяющая: получить параметры СФИП лидара, основанная на новых: методе расчета эффективности гетеродинирования МНДЛ на ПЛ и способе контроля ширины спектра излучения. Новый метод расчета эффективности гетеродинирования МНДЛ на ПЛ определяет ИП как пространственное распределение рабочего сигнала в области каустики, зависящее от характеристик спектра излучения, ПЛ, ФПУ, ОС, атмосферы. МНДЛ рассматривается в виде двух частей - зондирующего канала и опорного канала с ФПУ в качестве источника. ИП каждой из частей формируется по -отдельности, а результирующим ИП МНДЛ является их пространственное наложение в области каустики. Математический аппарат метода основан на выражении принципа Гюйгенса - Френеля для протяженного когерентного источника. До настоящего времени в качестве источников излучения МНДЛ использовались лазеры с объемным резонатором, генерирующие пучок излучения с малой угловой расходимостью. Их пространственные и энергетические характеристики определялись параметрами резонатора и сформированной в нем каустики, имеющей значительные пространственные размеры, наибольший из которых расположен вдоль оптической оси резонатора. ОС лидара строит изображение каустики в лоцируемой области пространства. т.е. происходит последовательное построение сечений

каустики на согласованном удалении от ОС лидара. Учитывая большую трудоемкость расчета переноса протяженного источника в область локации и построения там его изображения, ограничивались более простым способом расчета ИП (пространственного распределения эффективности гетеродинирования в лоцируемой области пространства) лидара. При расчете учитывался оптический тракт, включающий только выходной зрачок антенной системы на который из пространства предметов падает параллельный пучок излучения и атмосферная трасса. В случае использования СО2 - лазеров со стабильной шириной спектра излучения, имеющих протяженную зону генерации, излучение которых трансформируется телескопом и подается на антенну в виде параллельного пучка, такое упрощение, в соответствии с материалами, изложенными в публикациях [36, 179, 180], вполне допустимо. Использующиеся в качестве источников излучения ПЛ с ВРБ, имеют: четко очерченную на торце волокна плоскую зону выхода излучения; большой угол расходимости и нестабильную ширину спектра излучения. Следовательно, необходимо разработать новый метод расчета пространственного распределения эффективности гетеродинирования, учитывающий вышеперечисленные параметры и обеспечивающий необходимое моделирование процесса пространственного распределения эффективности гетеродинирования в лоцируемой области пространства. В качестве основы для разработки нового метода были приняты выше упомянутый метод определения пространственного распределения эффективности гетеродинирования для СО2 - лидаров и принцип Гюйгенса - Френеля для построения изображения протяженного когерентного источника. Для определения пространственного распределения эффективности гетеродинирования осуществляется переход от рассмотрения изображения источника в фокальной плоскости к распределению энергии излучения во внефокальной области. Рассматривается изменение пространственного распределения

эффективности гетеродинирования в зависимости от изменения параметров спектра, ОС зондирующего и приемного каналов, ПЛ, ФПУ, атмосферы.

Математический аппарат нового метода позволил моделировать ИП МНДЛ при изменении параметров входящих в лидар лазера, ФПУ, ОС. Рассмотрено влияние на характеристики ИП изменения ширины спектра излучения, степени продольной и поперечной разъюстировки оптической схемы МНДЛ. Результаты моделирования в виде графиков, отражающих влияние каждого из параметров на характеристики ИП, приведены в Приложении 2. Структура главы 5 приведена на рисунке 5-1.

Рис. 5-1 Структурное представление главы 5

Для вывода выражений, характеризующих ИП МНДЛ на основе ПЛ, определяемое как пространственное распределение эффективности гетеродинирования, проведен краткий обзор существующего математического аппарата, позволяющего описать пространственное распределение параметров поля излучения в области изображения когерентного источника, сформированного ОС.

5.1 Новая методика определения параметров информационного поля

Новая методика, которая лежит в основе нового принципа построения СФИП МНДЛ на основе ПЛ базируется на:

1). новом способе контроля ширины спектра излучения МНДЛ;

2). новом методе расчета эффективности гетеродинирования, как пространственном распределении полезного сигнала в области каустики.

Разработке, разработке нового способа контроля (п.1) посвящена глава 4. В этой главе последовательно рассматривается математический аппарат, лежащий в основе нового метода расчета эффективности гетеродинирования и разработка этого метода.

5.2 Новый метод расчета эффективности гетеродинирования лидара

Имеется протяженный когерентный источник и ОС, которая строит его изображение в пространстве изображений. Необходимо найти полное возмущение в точке Р (т.е. и(Р) = и(х1,у1,г1)), отстоящей по оси 2\ от плоскости изображения источника. Рассматриваемый случай, представленный в публикации [33], поясняется рисунком 5-2.

лидара

Р(Х1,У1?1)

п=1

Выходной зрачок

Опорная сфера Гаусса

Плоскость изображения

п - показатель преломления среды в пространстве изображений; Q(^,n,0 - произвольная точка на поверхности опорной сферы Гаусса в границах

выходного зрачка.

Х0 = М^0 = х1; У0 = МУ0 = у1 , (5.1)

где М - поперечное увеличение ОС.

Тогда, в соответствии с материалами публикации [33], согласно принципу Гюйгенса - Френеля для протяженного когерентного источника, при нахождении общего возмущения в произвольной точке Р, не совпадающей с плоскостью параксиального изображения, возмущение в области плоскости изображения связано с возмущением на опорной сфере Гаусса выражением:

= ^1(х1,У1,г1) = Я_С1^0(Х0>У0Ж^0^У0 , (5.2)

где к = —¿Яс (*0'У0;.

Интегрирование ведется по части сферы Гаусса, перекрывающей выходной зрачок ОС.

Математические выкладки ведутся в соответствии с публикацией [33].

Скалярное произведение векторов:

5 — д = _4^ = —, (5.3)

Выходное отверстие представлено на рисунке 5-3.

Продольное сечение области фокуса представлено на рисунке 5-4.

б

C

Рис. 5-4. Определение продольной координаты в области фокуса:

( = -JR2 - а2р2 = -R

л 1 а2р2

Фокальная плоскость представлена на рисунке 5-5.