Оптимизация приемопередающих устройств аэрозольных лидаров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Для служебного пользования Экз. № Л

На правах рукописи

АБРАМОЧКИН АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЛИДАРОВ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТОМСК - 2000

Работа выполнена в Институте оптического мониторинга СО РАН

Научный руководитель: кандидат технических наук

Тихомиров Александр Алексеевич

Официальные оппоненты: • доктор физико-математических наук,

профессор Глазов Григорий Наумович

доктор технических наук, Пуговкин Алексей Викторович

Ведущая организация: Казанский государственный технически

университет им. А.Н. Туполева, г. Каза!

Защита состоится " 3! " марта 2000 г. в >с час, ВС мин, на заседании диссертационного совета Д200.38.01 в Институте оптики атмосферы СО РАН (643055, г. Томск, пр. Академический, 1) ^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы СО РАН (643055, г. Томск, пр. Академический, 1)

Автореферат разослан " " февраля 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.ф. - м.н. ^ Веретенников В.

№¿2.2 с /41.28,0

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В ряду оптико-локационных систем особое место занимают аэрозольные лидары, нашедшие широкое применение в исследованиях атмосферы и океана. Многообразие свойств и особенностей лидарных сигналов, зондируемых сред, их динамическая изменчивость, высокие скорости полета используемых платформ-носителей, как правило, не соответствуют ограниченным возможностям современных детекторов оптического излучения и лидарных систем. Эти несоответствия проявляются как противоречия и в области амплитуд, и в частотной области. Задачи проектирования и разработки лидарных систем в самом общем смысле сводятся к разумному разрешению этих противоречий.

Требуемые значения основных технических характеристик аэрозольного лидара, к которым относятся:

- дальность зондирования;

- пространственное разрешение по трассе зондирования;

- разрешение в совокупности лидарных измерений по координатам, описывающим движение используемой платформы-носителя;

- погрешность измерений контролируемого параметра, - достигаются двумя принципиально разными путями:

1) увеличением значений энергетических и габаритных параметров его приемопередающего устройства (ППУ) и усложнением его структуры;

2) применением оптимальных технических решений по построению передающего и приемного каналов и их взаимодействия. Второй путь связан с поиском неиспользованных резервов улучшения показателей назначения лидара. Такие резервы скрыты в свойствах его составных компонентов, особенностях их работы и взаимодействия в составе ППУ лидара.

Актуальность работы, ориентированной на поиск новых технических решений, обусловлена следующими факторами. Технический уровень ППУ должен соответствовать уровню развития современных информационных технологий. Затраты на авиа- и космические носители в конечном итоге, должны быть оправданы экономическим эффектом от использования информации, полученной с помощью установленных на них лидаров. Практическое проектирование требует обоснования критериев выбора составных компонентов и технических решений функциональных узлов: излучателя и детектора, передающей и приемной, антенн, пространственного и спектрального фильтров, анализаторов состояния поляризации; их стоимость и связанный с ней рассматриваемый параметр ППУ необходимо ограничивать.

Целью работы является поиск новых технических решений передающего и приемного каналов, направленных на улучшение показателей назначения и метрологических характеристик лидара, при практическом проектировании и технической разработке, разработка методик и технических средств, для оценки метрологических характеристик ППУ лидара и его отдельных функциональных узлов, путем решения следующих задач:

1. Обоснование концепции проектирования и показателей качества ПШ аэрозольного лидара, формулирование требований к ППУ и его составным узлам критериев их оптимизации, выбор и обоснование параметров адаптации ППУ I условиям работы, свойствам и параметрам зондируемых сред и исследуемы) ■объектов.-'

'2. • Обоснование ограничений на параметры и структуру, рекомендацш по практическому выбору оптических элементов и технических решенш функциональных узлов ППУ:

- -передающего канала;

- - приемного объектива (приемной антенны);

- пространственного фильтра;

■' ■ -" анализатора состояния поляризации принимаемого излучения;

- фотодетектора.

3. Создание инженерных методик расчета отдельных функциональны; узлов ППУ, методик их тестирования и оценок метрологических характеристш опытных образцов ППУ лидаров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Сформулированы критерии оптимизации параметров и структуры критерии выбора составных компонентов ППУ, обеспечивающие улучшент показателей назначения лидара.

■ -2. Выполнен анализ ППУ лидара и получены решения, определяющш .....параметры её передающего и приемного каналов, обеспечивающие:

- повышение плотности мощности зондирующего излучения на объект! зондирования;

- ограничение мощности внешней помехи;

• - -: минимизацию теневой и переходной зон приема лидарного сигнала;

- разделение потоков однократного и многократного рассеяния.

3. Рассмотрен синтез структуры поляризационного лидара, получень результаты, определяющие структуру ППУ поляризационного лидара по числ; приемных каналов и составу поляризационных элементов, с учетом возможносте! измерения матрицы рассеяния при минимальном числе актов зондирования.

4. Предложен и экспериментально исследован фотоприемник I регулируемым по квадрату времени усилением на основе серийного ФЭУ получены выражения для управляющего напряжения, экспериментально показан; эффективность использования такого фотоприемника для увеличения дальност! зондирования.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Изложенные в диссертации подходы к проектированию и оптимизацш послужили основой для создания ППУ ряда самолетных аэрозольных лидаров СВЕТОЗАР-З, МАКРЕЛЬ-2, МАКРЕЛБ-2М (М2М) и приемной оптическо, системы метеорологического аэрозольного лидара МЕЛ-01.

2. На основе результатов диссертационной работы спроектирован, изготовлен и испытан использующийся до настоящего времени в исследовательской практике ИОА СО РАН ряд отдельных функциональных Злоков ППУ аэрозольных лидаров: блоки фотодетекторов, коллиматоры передающих каналов, приемные объективы.

3. Проведены техническая и конструкторская разработка, изготовление в условиях опытного производства, лабораторные и натурные испытания перечисленных устройств, использующихся в настоящее время в ИОА СО РАН. Лидар МАКРЕЛЬ-2 был изготовлен серией из восьми штук.

4. Полученные научные и практические результаты используются в настоящее время при проектировании, технической разработке и испытаниях лидаров различного назначения в ИОМ СО РАН и ИОА СО РАН.

Основные защищаемые положения:

1. Предложенная концепция проектирования ППУ аэрозольного лидара объединяет принципы оптимизации и адаптации его характеристик, применительно к целям практического использования, в условиях ограничения его энергетических и массо-габаритных параметров. Выбранные критерии качества ППУ и его функциональных узлов позволяют оптимизировать передающий и приемный канаты лидара для проведения измерений с авианосителей.

2. Применение результатов анализа ограничений зондирующего потока в передающем канале и обратно рассеянного светового потока в приемной оптической системе позволяет производить расчет параметров пространственных фильтров (ПФ), обеспечивающих:

- четырехкратное подавление фоновой помехи;

- задание требуемых границ переходной зоны;

- разделение потоков однократного и многократного рассеяния;

3. Предложенные технические решения по ФЭУ с временной регулировкой усиления фототока позволяют не менее чем на 2,5 порядка снизить динамику сигналов в выходной цепи фотодетектора и улучшить за счет этого дальность действия лидара не менее чем в 3 раза.

4. Предложенные методики и инструментальные средства оценки метрологических характеристик ППУ и его функциональных узлов применимы для использования в практике метрологической аттестации аэрозольных (в т.ч. поляризационных) лидаров.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается экспериментальными данными, полученными при использовании аппаратуры, созданной при непосредственном участии соискателя, имеющими как научную, так и практическую ценность. Наши результаты лидарных измерений в атмосфере и океане имеют устойчивые совпадения с известными результатами, полученными альтернативными методами.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались н; международных, всесоюзных и российских конференциях и симпозиумах: III, IV V, IX Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондировании атмосферы (Томск, 1974, 1976, 1978, 1987 гг.); V Всесоюзном симпозиуме ш распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1979 г.); I Болгаро советском семинаре "Лазерные методы и средства измерения и контрол: окружающей среды" (София, 1985 г.); IX Международном симпозиум! технического комитета 1МЕСО по фотон-детекторам (Будапешт, 1980 г.) Международной конференции "Лазеры и оптическое дистанционно зондирование" (Кейнкод, США, 1987 г.); Всесоюзной конференции ш авиационной метеорологии (Москва, 1986 г.); Ш Всесоюзной научно-техническо: конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1979 г.) XI Симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск 1993 г.); I, V, VI Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы 1 океана" (Томск, 1994, 1998, 1999 гг.).

Использование результатов работы и их внедрение. Результат! диссертационной работы использованы при проектировании и техническо! разработке лидаров различного назначения в НТК "Институт оптики атмосферы' Среди них 8 технических решений, защищенных авторскими свидетельствами н изобретения. На 6 из них имеются акты об использовании, что подтверждаете справкой, представленной в приложении к диссертации.

Публикации. Содержание диссертации отражено в 44 работах. Из них: 1 опубликованы в рецензируемых отечественных и зарубежных изданиях; 20 -тематических сборниках статей и сборниках тезисов и докладов; 12 - в авторски свидетельствах на изобретения.

Личный вклад. В диссертации автор обобщает свой 28-летний опы проектирования и технической разработки ППУ лидаров для исследовани атмосферы и океана, проводимых по совместным научным программам и плана! НИОКР ИОА СО РАН и ИОМ СО РАН (в прошлом - СКБ НП "ОПТИКА" СО А1 СССР и КТИ "ОПТИКА" СО РАН). В работе использованы результать полученные лично автором или при его непосредственном творческом участии проведении теоретических и экспериментальных исследований, направленных н решение задач проектирования и технической разработки лидарных систс! различного назначения.

Разработанные при участии соискателя образцы самолетных лидаро экспонировались на ВДНХ СССР. В 1982 г. автор за разработку использованных них отдельных технических решений награжден Бронзовой медалью ВДНХ. 3 работу "Самолетный лазерный локатор для поиска рыбных скоплений1 представленную от СКБ НП "Оптика", по итогам конкурса прикладных работ С< АН СССР 1985 г. автор награжден Дипломом третьей степени.

б

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка цитированной литературы и приложения. Работа содержит 166 страниц текста, иллюстрирована 53 рисунками. В работе имеется 5 таблиц. Список литературы содержит 128 наименований.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы диссертации, определена суть решаемых вопросов, сформулированы цель и основные задачи, подчеркнута их практическая направленность и значимость. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе диссертации лидар анализируется как объект проектирования и оптимизации. На основе обобщенной схемы лидарного зондирования рассмотрены взаимодействие лидара с зондируемой средой, внешние и внутренние факторы, влияющие на качество результатов лидарных измерений.

Результатом единичного лидарного измерения является зарегистрированный профиль контролируемого параметра: результатом совокупности лидарных измерений - ансамбль профилей, который может быть представлен в виде пространственно-временной или пространственной карты распределения контролируемого параметра, в зависимости от типа используемой платформы-иосителя. Рассмотрены: совокупность условий работы лидара в частотной эбласти, с учетом частотно-временных параметров зондирующих импульсов, кинематических параметров платформы-носителя и характера распределения контролируемого параметра в зондируемой среде; совокупность условий работы пидара в области амплитуд, с учетом энергетических параметров излучателя и фотодетектора, габаритных параметров передающего и приемного каналов, -эптических характеристик зондируемых сред и уровня внешних фоновых помех, -как основа для анализа исходных данных к внешнему проектированию. Определены задачи внешнего и внутреннего проектирования.

Получены соотношения, описывающие ограничения пространственного разрешения и дальности действия лидара, с учетом внешних условий и внутренних шумов, габаритных и энергетических параметров ППУ. Рассмотрены эграничения на структуру ППУ аэрозольного лидара, с учетом специфики его использования для зондирования оптически плотных объектов, в том числе с целью измерения их микрофизических характеристик, определены основные показатели его качества. В условиях заданных энергетических и габаритно-массовых ограничений это: дальность зондирования; пространственное разрешение по трассе зондирования и по направлению полета; погрешность регистрации обратнорассеянного сигнала.

Сформулированы критерии оптимизации: критерием оптимизации параметров ППУ является повышение отношения сигнал-шум в выходной цепи

фотодетектора; критерием оптимизации структуры ППУ является повышени отношения числа лидарных измерений к числу актов зондирования.

Сделан вывод о том, что концепция проектирования ППУ не может быт ограничена только оптимизацией, изменчивость внешних условий и целе использования лидара требует адаптации его параметров и структуры обеспечения возможности его работы в определенном диапазоне таки изменений. Разработка этих концепций развита в последующих раздела: диссертации, где решаются задачи внутреннего проектирования, исследуютс функциональные узлы и элементы ППУ, синтез его структуры и метрологическо обеспечение.

Второй раздел диссертации посвящен решению практических зада1 внутреннего проектирования ППУ аэрозольного лидара. В подразделе 2. рассмотрена оптимизация параметров и структуры передающего канала показателем качества которого является значение плотности мощност! зондирующего излучения на объекте зондирования, в условиях, ограниченны: параметрами используемого лазерного излучателя. Сформулированы критерш оптимизации оптической системы передатчика: достижение минимально! расходимости излучения; обеспечение возможности изменения состояш» поляризации и контроля параметров зондирующего излучения, при минимальны) энергетических потерях и минимальных искажениях состояния поляризации Приведены технические решения [35, 36] и параметры передающего канал; самолетного поляризационного лидара СВЕТОЗАР-З (рис. 1), разработкг которого производилась с использованием сформулированных критерии оптимизации. Рассмотрены требования к аберрациям в передающем канале.

Рис. 1. Оптическая схема перелающего канала поляризационного лидара СВЕТОЗАР-З: 1 -излучатель; 2 - фазовая пластинка; 3 - призма Глана; 4, 5 - входная и выходная линзы коллиматора: 6 - светорассеивающая интегрирующая сфера [36]: 7 - фотоэлемент

В подразделе 2.2 исследованы элементы приемной оптической системы лидара; объектив, пространственный фильтр и анализатор состояния поляризации. Рассмотрены различные типы приемных объективов по совокупности оптических и эксплуатационных параметров. • Предложены методика сравнения и диаграмма энергетических и габаритных параметров (рис. 2), которые ■ позволяют выбирать оптимальный объектив по введенному коэффициенту относительной эффективности КБ^ или по минимальному

V—

относительному продольному габариту Ьтт/Ос (при одинаковых световых диаметрах Ос). Здесь К - коэффициент пропускания, - эффективная площадь

входного зрачка. Показано, что для малогабаритных лидаров предпочтительны объективы на основе линз с асферическими преломляющими поверхностями.

1.0 -

0.6

0.4

8.2

О 1 г 3 4 £т.„/Х>с

Рис. 2. Диаграмма энергетических и габаритных характеристик приемных объективов различных типов

На основе геометрического построения изображения рассеивающего объема и ограничений обратно рассеянного потока в приемной системе лидара проанализирована работа различных типов пространственных фильтров, которые определяют поле зрения приемной системы. Рассмотрены полевые диафрагмы различной формы.

Определены форма и размеры уменьшенной [26] диафрагмы, снижающей в 4 раза поток внешнего фона, поступающего на фотодетектор (рис. 3, окр. 2). Ее диаметр

с1 = /[%+{гВ + В0+Вп)1ги}, (1)

где / - фокусное расстояние приемного объектива; 80 - угол расходимости излучения передатчика; В - расстояние между оптическими осями передатчика и приемной системы; В0 - диаметр пучка излучения на выходе передатчика; Оп -диаметр входной апертуры приемного объектива; ¿0 - расстояние, начиная с которого поток обратно рассеянного излучения проходит через полевую диафрагму без виньетирования. Ее центр расположен на прямой, пересекающей оси передатчика и приемной системы, и смещен относительно оптической оси последней на расстояние

а = \с1 - /(д0 + 2ср)]/2, (2)

где ф - угол, под которым пересекаются оптические оси передатчика и приемной системы.

Определены форма и размеры согласованной [27] диафрагмы, снижающей более чем в 4 раза поток внешнего фона (рис. 3, контур 1). Это достигается тем что контур диафрагмы имеет каплевидную форму и ограничен по оси симметрия дугами радиусов

л-*

А) J

(Зи4;

•2

и касательными к этим дугам. Расстояние между центрами окружностей

а = /В/Ь0. (5]

Для сравнения на рис. 3 показана обычная центрированная диафрагма 3.

Определены форма и размеры полевой диафрагмы для ППУ лидара с двумя передатчиками [31] (рис. 4, контур 2). Здесь / = /Ь//,0, где Ь - расстояние между оптическими осями передатчиков, расположенных симметрично относительно приемной системы. На рисунке 1, 2 и 3 - различные варианты выполнения полевой диафрагмы двухволнового лидара. Из них вариант 3 наиболее эффективно снижает уровень внешнего фона, поступающего на фотодетектор. Представленные технические решения были использованы при разработке приемных систем лидаров различного назначения, в том числе и метеорологического лидара МЕЛ-01. Проведено сравнение диафрагм, ограничивающих интервалы дальностей переходной зоны и зоны полного приема.

Рис. 3. Диафрагмы уменьшенных размеров: 1 -согласованная [27]; 2 - децентрированная круглая [26]; 3 - обычная центрированная круглая

Рис. 4. Полевая диафрагма для лидара с двумя передатчиками, расположенными симметрично относительно приемного объектива: 1 -центрированная круглая диафрагма; 2-е уменьшенной площадью [31]; 3 - комбинация согласованных диафрагм [27]

Предложены специальные пространственные фильтры для разделения потоков однократного и многократного рассеяния (рис. 5) на основе клинового рефракционного разделителя. Результаты были использованы при модернизации лидара МАКРЕЛЬ-2. Для работы неподвижной приемной системы по нескольким направлениям трассы зондирования предложен матричный фильтр (рис. 6), который был использован в метеорологическом лидаре МЕЛ-01.

Рассмотрены элементная база, варианты построения анализаторов состояния поляризации одноканальных и многоканальных приемных систем поляризационных лидаров и синтез структуры поляризационного лидара.

Результаты были использованы при разработке самолетных лидаров СВЕТОЗАР-3 и МАКРЕЛЬ-2.

Рис. 5. Клиновой рефракционный разделитель: 1 - центральная зона; 2 - периферийная зона

Рис. 6. Матричный ПФ: 1 - матричная диафрагма; 2 - фокон; 3 - фотодетектор

Третий раздел диссертации посвящен исследованию фотодетекторов лидара на основе фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Получены выражения для оценки показателей качества и пороговых мощностей детектора в условиях проявления различных факторов ее ограничения. На основе проведенного анализа рассчитаны и представлены оценки пороговых характеристик ФЭУ, использующихся в аэрозольных лидарах.

Предложен метод расчета резистивно-емкостных делителей напряжения питания ФЭУ, обеспечивающих линейность импульсных световых характеристик в широком (свыше 3-х порядков) динамическом диапазоне. Представлены методика и результаты экспериментального исследования линейности импульсных световых характеристик жалюзийных ФЭУ с резистивно-емкостным целителем напряжения, в условиях постоянного воздействия различной по уровню фоновой засветки. Предложены схема измерительной установки и форма импульсов, имитирующих входные сигналы. В качестве критерия перегрузки использовалось отношение среднего значения анодного тока ФЭУ, эбусловленного потоком мощности фона, к току ненагруженного делителя. Из :равнения световых характеристик, полученных при различных напряжениях питания, установлено, что для снижения влияния больших фоновых засветок на зезультат измерения предпочтительно снижение напряжения питания ФЭУ.

Представлены результаты исследования динамического режима работы ФЭУ, обеспечивающего временную регулировку усиления (ВРУ) его динодной жстемы. Предложена схема делителя напряжения и управления коэффициентом усиления (умножения) серийного ФЭУ [32] по квадрату времени Л/(/)= /г/2, тутем изменения напряжения на группе динодов. При подаче на эти диноды шпульса управляющего напряжения специальной формы -

и

= - а,.)/«, (6)

коэффициент умножения динодной системы возрастает пропорционально квадрату времени. Здесь п - число управляемых динодов, М0 - усиление динодной системы в отсутствие управляющего напряжения, о,- и а - параметры умножения управляемого динода, связанные уравнением а(?) = ст, + а£/(/).

Предложена методика калибровки ВРУ ФЭУ с помощью имитатора оптических сигналов, построенного на основе светодиодных матриц. Приведены регулировочные характеристики для ФЭУ-84-3 (рис. 7) и примеры осциллограмм лидарных сигналов, продетектированных с помощью обычного и регулируемого ФЭУ. Проведено исследование влияния фоновой засветки и обусловленных ею шумов на работу ВРУ ФЭУ. В ночных условиях в слабо замутненной атмосфере применение ВРУ ФЭУ, по сравнению с обычным, позволяет увеличить дальность зондирования в 3 - 5 раз.

1]а,В

101

К)"

10-

ю-

ю-

1 1 1 111111

: 1 1 1 / ш Ш

ш /г/ 1 1 1111 п

: щ / / ' / / \

- ф / V !

¡1 1! / -Л- 1 1 1 I1! ;

Рис. 7. Семейство регулировочных характеристик ФЭУ-84-3 при разных уровнях импульсной засветки Р: 1 - минимальная мощность засветки Р0; 2 - 3 Р0 ; 3 - 10 Р0; 4 -305 - 100 Р0. I - область задержки регулирующего импульса; II - область регулировки коэффициента . усиления пропорционально квадрату времени; III -область регулировки, отличающейся от квадратичной, при достижении максимального коэффициента усиления динодной системы; IV - область ограничения выходного сигнала, обусловленная перегрузкой выходных каскадов умножения; V ^ область малых значений оптической мощности, поступающей на катод ФЭУ, где измерение выходного сигнала ограничено шумом анодного тока

10 100 (.МКС

На основе краткого рассмотрения фотодетектора, как центрального системообразующего элемента лидара, и его ограниченных функциональных возможностей, отмечены значение инженерных методов проектирования лидарных систем и необходимость использования эвристических методов. На их основе возможен синтез новых структур, повышающих показатели назначения (качества) лидарных систем и расширяющих их функциональные возможности. Приведен ряд технических решений, направленных на адаптацию лидарных систем к уровням сигнала и помехи, с целью повышения точности результатов измерений [25, 28-30, 33].

В четвертом разделе диссертации содержатся краткие сведения о самолетных лидарах, спроектированных и разработанных при непосредственном участии автора: СВЕТОЗАР-З, МАКРЕЛЬ-2, М2М - с указанием их назначения. Представлены основные технические характеристики лидаров (см. таблицу) и сведения об оригинальных технических решениях, использованных при их разработке. На рис. 8 и 9 приведены структурная схема лидара МАКРЕЛЬ-2 и внешний вид его ППУ, на рис. 10 - внешний вид ППУ лидара М2М.

Рис. 8. Структурная схема лидара МАКРЕЛЬ-2: 1 - лазер; 2 - фазовая пластина; 3 -светорассеивающая полость; 4, 5 - линзы коллиматора; б - фотоэлемент; 7 - система энергообеспечения лазера: 8 - приемный объектив; 9 - полевая диафрагма; 10 - линза Фабри; 11 - фазовая пластина; 12 - интерференционный светофильтр; 13 - призма Волластона; 14, 15-фотоумножители; 16 - светоделителыюе интерференционное зеркало; 17 - полевая диафрагма; 18 - интерференционный светофильтр; 19 - фотоумножитель люминесцентного канала; 20 -аналого-цифровой преобразователь: 21 - интерфейс; 22 - микроЭВМ; 23 - графопостроитель; 24 - дисковый магнитофон: 25 - осциллограф; 26.27 - оптические клинья сканера

Рис. 9. Внешний вид приемопередатчика лидара МАКРЕЛЬ-2 для зондирования атмосферы. океана и подстилающей поверхности: 1 - блок сканера; 2 - система охлаждения: 3 - лазер: 4 - коллиматор; 5 -приемный объектив; 6 - блок ФЭУ люминесцентного канала: 7 - блок ФЭУ основного канала 8 - стойка электропитания приемопередатчика; 9 - плита-основание

Рис. 10. Внешний вид приемопередатчика лидара М2М для подспутникового зондирования атмосферы (облаков) и подстилающей поверхности: 1 - блок охлаждения лазера; 2 - коллиматор; 3 - лазер: 4 - блок ФЭУ; 5 - блок поляроида; 6 - блок сменных диафрагм; 7 - приемный объектив

Технические характеристики самолетных поляризационных лидаров

Параметр Единица измерения Наименование (год выпуска)

СВЕТОЗАР-З (1981) МАКРЕЛЬ-2 (1987) М2М (1989)

Передатчик

Длина волны излучения нм 1064 532 532 532

Энергия излучения мДж 30 10 70 30

Длительность импульса НС 13 13 13 15

Расходимость излучения мрад 0,8 0,8 1,0 1,0 + 65,0

Поляризация зондирую- - Линейная Линейная Линейная Линейная

щего излучения (горизонтальная (под любым

или верти- углом)

кальная) правокруговая

левокруговая

Приемник Линзовый объектив Линзовый Линзовый

Поляризационный канал (три приемных канала) объектив объектив

Диаметр мм 100 150 200

Фокусное расстояние мм 500 750 500

Угол поля зрения мрад 2; 3; 5; 16; 20; 30 2; 3; 5; 7,5; 10; 15 2; 3,5; 10; 16; 70

Анализатор Призма Волластона Призма Поляроидный

Волластона фильтр

Фотодетектор ФЭУ-83 ФЭУ-84-3 ФЭУ-144 ФЭУ-84-3

Люминесцентный канал Нет Есть Нет

Угол поля зрения мрад - 5,0 -

Центр полосы фильтра НС _ 680 -

Фотодетектор _ ФЭУ-79 _

Система регистрации

АЦП: разрядность 6 7 7

частота

МГц 40 130 130

МикроЭВМ 15ВМ16

IBM PC IBM PC

Устройство электро-

механического скани- нет есть нет

рования

Максим, угол отклонения град - 15 -

Скорость сканирования об/с 1

В ГТПУ лидара МАКРЕЛЬ-2 использован ряд оригинальных технических решений: интерференционное светоделительное зеркало в приемной системе, позволяющее производить одновременно прием и регистрацию потоков упругого рассеяния в поляризационном канале и потока люминесценции в люминесцентном канале; сканер, расширяющий площадь обзора подстилающей поверхности и океана; узлы оперативной смены оптических элементов в передающем канале и приемной системе, которые обеспечивают возможность адаптировать параметры и структуру ППУ под различные условия и цели использования лидара.

Представлены сведения о метрологическом обеспечении и предполетной подготовке лидаров, включающие энергетическую и поляризационную калибровку (определение необходимых калибровочных констант). Рассмотрены факторы, определяющие погрешность регистрации лидарного сигнала, которая является минимальной основой метрологического обеспечения лидарных измерений. Для определения калибровочных констант и пространственного разрешения предложено использование светорассеивающих сеток [34] (рис. 11). Их использование значительно упрощает процедуры калибровки и определения пространственного разрешения.

Приведены примеры использования представленных лидаров в практике решения научных и прикладных исследовательских задач, иллюстрирующие возможности разработанной аппаратуры. На рис. 12 представлен результат зондирования профиля дна, высот суши и древостоя лидаром МАКРЕЛЬ-2, с борта самолета-лаборатории АН-30 "Оптик-Э", при одном из пролетов над островом Б. Ушкан, оз. Байкал в ноябре 1996 г.

Рис. 11. Трасса для испытаний ППУ лидара МАКРЕЛЬ-2 [34j: CJ, С2, СЗ и С4 -светорассеивающие сетки с коэффициентами рассеяния p¡ =0.04: pi = р5 =0,01; р4 = 0.08 соответственно, установленные на расстояниях R = 105 м; R2 = 12 м: R4 = 30 м; AR = 1.5 * 4,5 м

Рис. 12. Профиль дна, высот суши и древостоя при одном из пролегов над островом Б. Ушкан, оз. Байкал (ноябрь 1996 г.)

Максимально наблюдаемая глубина дна достигает 40 м (правая часть рисунка). Над сушей хорошо отображен профиль деревьев, покрывающих остров. Рисунок взят из источника: Коханенко Г.П., Пеннер И.Э., Шаманаев B.C., Ладбрук Дж., Скотт А. Лазерное зондирование акватории озера Байкал // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т.12. № 1. С. 39-45.

В заключении диссертации в краткой форме обобщены результаты работы.

Основные результаты работы.

1. Сформулирована и развита концепция проектирования аэрозольного лидара, объединяющая принципы оптимизации и адаптации параметров и структуры к условиям и целям его практического использования. Обоснованы критерии оптимизации параметров и структуры ППУ самолетных лидаров.

2. На основе теории построения приемной оптической системой изображения удаляющегося рассеивающего объема, проведен анализ работы моностатических лидарных систем, позволивший разработать и использовать пространственные фильтры, обеспечивающие:

- невиньетируемый прием излучения в заданном интервале дальностей зондирования и повышение отношения сигнал-фон более чем в четыре раза;

- разделение потоков однократного и многократного рассеяния;

- работу неподвижной приемной системы по нескольким направлениям.

3. Оптимизирована структура ГДТУ поляризационного лидара, позволяющая:

- задавать необходимое и достаточное число состояний поляризации зондирующего излучения;

- производить измерения параметров Стокса принимаемых потоков,

что обеспечивает возможность последующего определения значений элементов матрицы рассеяния зондируемых сред, при минимальном числе актов зондирования.

4. Впервые предложена и использована структура приемной оптической системы лидара. содержащая интерференционное светоделительное зеркало, что позволило, используя один приемный объектив, производить прием и параллельное детектирование потоков упругого рассеяния и люминесценции при зондировании подстилающей поверхности и океана.

5. Разработаны и исследованы фотоприемные устройства на основе серийных ФЭУ с временной регулировкой усиления фототока в пределах 68 дБ, позволяющие увеличить дальность зондирования в слабозамутненной атмосфере более чем в три раза.

6. При непосредственном участии автора спроектированы, разработаны и созданы: серия ППУ малогабаритных самолетных лидаров для зондирования плотных атмосферных объектов, океана и подстилающей поверхности, приемные системы лидаров различного назначения с повышенной эффективностью защиты от воздействия внешней помехи и увеличенной дальностью зондирования. Отдельные образцы лидаров эксплуатируются в самолете-лаборатории АН-30 "Оптик-Э" ИОА СО РАН до настоящего времени.

7. В устройствах использовано восемь технических решений, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения. На шесть из них имеются акты внедрения, что подтверждается справкой, представленной в приложении.

В целях экономии объема диссертации автор воздерживался от изложения подробностей технической реализации представленных устройств, которые в полной мере отражены в опубликованных работах и авторских свидетельствах на изобретения. В техническом архиве Института оптического мониторинга СО РАН имеются технические отчеты и комплекты конструкторской эксплуатационной документации на разработанные образцы.

В приложении представлена справка об использовании изобретений автора в разработках Института' оптического мониторинга СО РАН, по данным статистической отчетности 4-НТ.

Список основных работ

1. Абрамочкин А.И., Тихомиров A.A. К расчету оптимальных параметров лазерного локатора (лидара) для зондирования атмосферы /7 Проблемы дистанционного зондирования атмосферы. Томск: ИОА СО АН СССР, 1976. С. 21-32.

2. Абрамочкин А.И., Нолле П.М., Тихомиров A.A. Фотоприемное устройство на ФЭУ с временной регулировкой коэффициента усиления // Измерительные приборы для исследования параметров приземных слоев атмосферы. Томск: ИОА СО АН СССР, 1977. С. 151-156.

3. Абрамочкин А.И., Тихомиров A.A. Система обработки лидарных данных в присутствии шумов // Тез. докл. V Всесоюз. симпоз. по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск: ИОА СО АН СССР, 1978. Ч. 4. С. 48-50.

4. Абрамочкин А.И., Нолле П.М., Тихомиров A.A. Исследование влияния внешнего фона на работу приемной системы лидара // Тез. докл. V Всесоюз. симпоз. по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск: ИОА СО АН СССР, 1979. Ч. 4, С. 45-49.

5. Абрамочкин А.И., Нолле П.М.. Тихомиров A.A. Фотоприемник на ФЭУ с временной регулировкой коэффициента усиления // Тез. докл. Ш Всесоюз. научн.-техн. конф. "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". М: ВНИИОФИ, 1979. С. 13-14.

6. Абрамочкин ATI., Тихомиров A.A. Методы сокращения динамического диапазона лидарных сигналов (обзор) // Аппаратура и методики дистанционного зондирования параметров атмосферы. Новосибирск: Наука, 1980. С. 19-29.

7. Абрамочкин А.И., Кавкянов С.И., Тихомиров A.A. К оценке влияния внешнего фона на регистрацию лидарных данных // Аппаратура и методики дистанционного зондирования параметров атмосферы. Новосибирск: Наука, 1980. С. 29-35.

8. Абрамочкин А.И., Нолле П.М., Тихомиров А.А. Некоторые результаты использования регулируемого ФЭУ в приемнике лидара // Аппаратура и методики дистанционного зондирования параметров атмосферы, Новосибирск: Наука, 1980. С. 35-40.

9. Abramochkin A.I., Nolle P.M., Tikhomirov А.А. Photomultiplier with time control of gain // Proceedings of Internat. Sympos. of the TC-2 jn photon-detectors IMECO. Budapest. 1980. P. 92-99.

10. Шаманаев B.C., Абрамочкин А.И. Самолетный поляризационный лазерный локатор "Светозар-3". Устройство и применение. Томск: Деп. в ВИНИТИ 1985. 12.07.85. № 6222-85. 48 с.

11. Абрамочкин А.И., Балин Ю.С., Зуев В.Е., Креков Г.М., Кутелев А.Ф. Самохвалов И.В., Тихомиров А.А., Шаманаев B.C. Бортовая аппаратуре дистанционного зондирования атмосферы с самолетов // Доклады I Болгаро-советского семинара по лазерным методам и средствам измерения v. контроля параметров окружающей среды. София: ИЭ БАН, 1985. С. 89-94.

12. Абрамочкин А.И., Занин В.В., Зорин В.Д., и др. Самолетньн поляризационный лидар "Макрель-2" // Аппаратура дистанционногс зондирования параметров атмосферы. Томск: ИОА СО АН СССР, 1987. С. 511.

13. Абрамочкин А.И., Зорин В .Д., Пеннер И.Э. и др. Приемопередающее устройство самолетного лидара с поляризационным и люминесцентные каналами // Труды IX Всесоюз. симпоз. по лазерному и акустическом) зондированию атмосферы. Томск: ИОА СО АН СССР, 1987. С, 297-301.

14. Abramochkin A.I., Burkov V.V., Zuev V.E., Samokhvalov I.V., Shamanaev V.S An Airborne Polarization Lidar for Sounding Clouds and Underlying Surface / Topikal meeting on laser and optical remote sensing. N.W., Washington: Optica Sosiety of America, 1987. P. 254-257.

15. Абрамочкин А.И., Занин B.B., Пеннер И.Э., Тихомиров А.А., Шаманаев В.С Самолетные поляризационные лидары для исследования атмосферы i гидросферы // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. № 2. С.92-96.

16. Абрамочкин А.И., Пеннер И.Э., Шаманаев B.C. Лидар для подспутниковьи исследований облаков // Оптика атмосферы. 1991. Т. 4. № 3. С. 332-334.

17. Матвиенко Г.Г., Аршинов Ю.Ф., Гришин А.И., Бобровников С.М. Романовский О.А., Игонин Г.М., Астафуров В.Г., Балденков Г.Н. Абрамочкин А.И. Лазерное зондирование профилей метеопараметров Создание метеорологического лидара // Труды XI Симпоз. по лазерному i акустическому зондированию атмосферы. Томск: ИОА СО РАН, 1993. С 130-136.

18. Абрамочкин А.И., Коханенко Г.П., Шаманаев B.C. Модернизаци; самолетного лидара "Макрель-2" с целью выделения из сигнал; многократного рассеяния // Тез. докл. I Межреспубл. симпоз. Оптик; атмосферы и океана. Томск: ИОА СО РАН, 1994. Ч. 2. С. 176.

19. Абрамочкин А.И., Тихомиров A.A. Оптимизация приемной системы лидара. К оценке эффективности приемных объективов различного типа // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. № 8. С. 899-908.

20. Abramochkin A.I., Tikhomirov A.A. Comparative analysis of the lidar receiving objectives // Proc. SPIE "5-th Internat. Symp. On Atmospheric and Ocean Optics". 1998. V. 3583. P. 498-504.

21. Абрамочкин А.И., Тихомиров A.A. Оптимизация приемной системы лидара. 2. Пространственные фильтры // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 4. С. 345 - 356.

22. Абрамочкин А.И., Кауль Б.В., Тихомиров A.A. Оптимизация приемной системы лидара. 3. Ан&тазаторы состояния поляризации // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 7. С. 643-652.

23. Abramochkin A.I., Kaul B.V., Tikhomirov A.A. Optimization of polarization lidar structure // Proc. SPIE. 1999. V. 3983. P. 407-416.

24. Abramochkin A.I., Abramochkin S.A., Tikhomirov A.A. Lidar receiver spatial filters for recording multiple scattering // Proc. SPIE. 1999. V. 3983. P. 458 - 462.

25. A.c. СССР № 555720. Регистратор прозрачности атмосферы // Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, A.A. Тихомиров. Заявл. 21.01.76. № 2316714/10; МКИ G 01 W1/00; Без публикации.

26. A.c. СССР № 596069. Устройство для оптического зондирования атмосферы // Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, С.А. Даничкин, A.A. Тихомиров. Заявл. 07.06.76. №2369900/18-10. МКИ GO 1 W 1/00. Без публикации.

27. A.c. СССР № 607478 Устройство для оптического зондирования атмосферы // Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, С.А. Даничкин, A.A. Тихомиров. Заявл. 28.06.76. № 2376007/18-10. МКИ G01 W 1/00. Без публикации.

28. A.c. СССР № 610037. Способ определения прозрачности атмосферы // Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, Г.О. Задде, A.A. Тихомиров. Заявл. 22.03.76. №2335970/18-10; МКИ G01 W1/00. Опубл.вБ.И. 1978, N21.

29. A.c. СССР № 676961. Способ оптического зондирования атмосферы // Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, П.М. Нолле, A.A. Тихомиров. Заявл. 09.11.77. № 2540251/18-10; МКИ G01 W1/00. Опубл. в Б.И. 1979, N28.

30. A.c. СССР № 689521. Устройство для оптического зондирования атмосферы // Авт. изобрет. A.A. Тихомиров, А.И. Абрамочкин. Заявл. 12.07.77. № 25064931/18-10; MKHG01W1/00; Без публикации.

31. A.c. СССР № 720961 Двухволновой лидар для зондирования атмосферы // Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, Ю.С. Балин, A.A. Тихомиров, Й.В.Самохвалов, Б.В. Кауль, Г.В. Ушаков. Заявл. Ю.04.78. № 2605078/18-23. МКИ G0I W 1/00. Без публикации.

32. A.c. СССР № 758310 Фотоприемник с временной регулировкой коэффициента усиления // Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, П.М. Нолле, A.A. Тихомиров. Заявл. 05.10.77. № 25322146/18-28. МКИ Н01 J40/12. Опубл. в Б.И. 1980, №31.

33. A.c. СССР № 758891. Регистратор прозрачности атмосферы // Авт. изобр А.И. Абрамочкин, A.A. Тихомиров. Заявл. 04.07.78. № 2640757/18-10; Ml G01 W1/00; Без публикации.

34. A.c. СССР № 778531 Устройство для оптического зондирован рассеивающих сред // Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, A.A. Тихомир* Заявл. 26.12.78. № 2702495/18-10. МКИ G 01 W 1/00 Без публикации.

35. A.c. СССР № 999791. Устройство для зондирования атмосферы // А изобрет. А.И. Абрамочкин, Ю.Н. Пономарев, Г.Г. Фомин. Заявл. 26.01.81. 3240966. МКИ G01 W1/00. Без публикации.

36. A.c. СССР № 1039351. Лидар для зондирования атмосферы // Авт. изобр А.И. Абрамочкин, A.A. Тихомиров, B.C. Шаманаев. Заявл. 17.07.80 2957609. МКИ GO 1 W1/00. Без публикации.

Заказ № А. , Тираж JOD экз. Формат 60 х 84 /16. Усл. печ. л. Ц6_. Подписано к печати

Издательский дом "Цхай иК°" 634021, г.Томск, пр. Фрунзе, 118