Цифровой накопитель информации для исследования флуктуаций оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Ростов Андрей Петрович

РГ£ од 1 алр ш

ЦИФРОВОЙ НАКОПИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФЛУКТУАЦИЙ ОПТИЧЕСКИХ И ЗВУКОВЫХ ВОЛН В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕ

Специальность 01.04.05 ~ оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1999

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН

Научный консультант:

доктор физико-математических наук В.А. Банах

Официальные оппоненты:

член-кор. РАН В.Л. Миронов д.т.н. Н.П. Солдаткин

Ведущая организация:

Институт лазерной физики СО РАН

Защита диссертации состоится "24" декабря 1999 ,г. в 14 ч.ЗО м. на заседании диссертационного совета Д 200.38.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте оптики атмосферы СО РАН (634055, г. Томск, пр. Академический, 1)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы СО РАН

Автореферат разослан " 23 " ноября 1999 г. Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математическнхнаук

0 З-ЪЧ.Я. се?О Ъ £ 3 с О О

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Исследованию распространения электромагнитных и звуковых волн в турбулентной атмосфере уделяется значительное внимание в связи с широким использованием оптических, радиотехнических и звуковых систем в земной атмосфере. Атмосфера, и особенно ее приземной слой, оказывает существенное, часто решающее влияние на распространение оптических и звуковых волн. Вне линий поглощения излучения свободной от аэрозольного замутнения атмосферы турбулентность становится основным фактором, определяющим функционирование лазерных комплексов различного назначения и определяет информационную емкость и надежность оптических линий связи, пространственное и временное разрешение лазерных локаторов и т.д. Вопросы теории флуктуации характеристик лазерного излучения и акустических волн при распространении в турбулентной атмосфере является предметом интенсивных исследований на протяжении многих лет. Они изложены в основополагающих монографиях Татарского, Осташова и других авторов, подводящих определенные итоги проведенных исследований. Однако развитие теоретических исследований невозможно без проведения соответствующих экспериментов. Часто именно эксперимент, как это было в случае сильных флуктуаций интенсивности, вызывает необходимость развития более совершенных теоретических методов, позволяет уточнить границы применимости имеющихся теоретических результатов, а также дать новые знания.

Для проведения экспериментов в атмосферных условиях необходимо использование аппаратуры, которая должна удовлетворять ряду эксплуатациошшх требований:

- рабочий диапазон температур (— 10 + 40 гр. С);

- устойчивая работа в условиях запыленности и слабых осадков;

- мобильность;

- надежность.

Состояние вопроса. В конце 70-х годов при проведении экспериментальных .исследований распространения оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере для регистрации и обработки сигналов использовались преимущественно аналоговые приборы. Их точность и эксплуатационные характеристики не устраивали ученых экспериментаторов, работающих в этом направлении. Требовалась аппаратура и методы обработки данных, имеющие большой динамический (до 70 дБ) и частотный (до 10 КГц) диапазоны, а также обеспечивающие регистрацию большого объёма информации (5-20 Мбайт.) с нескольких источников.

Этим условиям удовлетворяли цифровые методы, которые в то время в основном использовались для решения вычислительных задач, но уже делались первые попытки применить их для регистрации, анализа и обработки экспериментальных данных. Поскольку такая аппара-

тура нашей промышленностью не выпускалась, то практически все ученые-экспернменгаторы, которые занимались распространением волн, уделяли много внимания разработке и созданию специальной аппаратуры для своих экспериментальных исследований.

Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) в начале 80-х годов были в основном стационарными, поэтому для регистрации экспериментальных данных использовались различные накопители информации с последующим вводом её в ЭВМ.

Для регистрации больших объёмов и потоков информации применялись в основном многоканальные магнитографы и скоростные перфораторы. Использовались также цифровые накопители на магнитной ленте на основе лентопротяжных механизмов от бытовых магнитофонов или ЭВМ. Далее записанная на тот или иной носитель информация доставлялась на вычислительный центр (ВЦ), вводилась в ЭВМ и обрабатывалась. По такой схеме работали многие экспериментаторы Института физики атмосферы АН СССР и Института оптики атмосферы СО РАН, занимающиеся проблемой распространения оптических и звуковых волн в атмосфере.

Однако использовавшиеся накопители информации по своим техническим характеристикам не позволяли осуществлять регистрацию экспериментальных данных для ряда задач распространения волн в атмосфере. Магнитографы типа Н-036, Н-049 имели узкий динамический диапазон до 47 ДБ, а перфораторы и цифровые накопители - низкий частотный диапазон - 0-150 гц и 0-5 Кгц соответственно. Но цифровая запись информации привлекала неограниченностью динамического диапазона регистрируемых параметров и надежностью хранения информации. Нужно было только увеличить частотный диапазон или, по-другому, поток регистрируемой информации при неизменной достоверности.

Техника цифровой магнитной записи насчитывает немногим более трех десятилетий. Е^е возникновение и развитие на первых этапах было связано с потребностями электронно-вычислительной техники во внешних запоминающих устройствах (ВЗУ), обладающих достаточно большим объемом памяти и низкой стоимостью хранения информации.

Достижения микроэлектроники в конце 7.0-х и начале 80-х гг. обеспечили почти повсеместный переход к цифровым методам записи информации на магнитные носители.

Цель работы. Разработка и создание цифрового накопителя на магнитной ленте для обеспеченда достоверной цифровой регистрации больших объёмов и потоков информации от оппиеских и звуковых датчиков при экспериментальных исследованиях распространения волн в турбулентной атмосфере.

Научная новизна результатов работы определяется тем, что впервые: разработан и создан цифровой накопитель на магнитной ленте с повышенной плотностью записи (200 пер.мм), с широким частотным диапа-

зоном (до 120 кГц) и большим объёмом (до 300 Мб) регистрации информации в реальном времени, обеспечивающий получение достоверных экспериментальных данных (коэффициент искажения не хуже 10"7) о распространении оптических и акустических волн в атмосфере.

Использование в экспериментальных исследованиях разработанного накопителя позволило: установить применимость К-распределення для описания плотностей вероятностей насыщенных флуктуацнй интенсивности; получить экспериментальное подтверждение предсказанного теоретически низкочастотного сдвига временного спектра флуктуацнй интенсивности оптических и звуковых волн в зависимости от эффективной скорости ветра; экспериментальным путем подтвердить существование эффекта усиления обратного рассеяния и усиления флуктуацнй интенсивности оптического излучения, отраженного в турбулентной атмосфере от плоского зеркала.

Достоверность полученных результатов работы подтверждается:

Результатами независимых испытаний цифрового накопителя на предприятии п/я В-2431 - на соответствие техническим условиям.

Достаточным динамическим, частотным диапазонами и достоверностью регистрируемых экспериментальных данных.

Статистической устойчивостью и неоднократной воспроизводимостью экспериментальных данных.

Совпадением результатов экспериментов с корректными теоретическими данными и результатами независимых измерений.

Научная и практическая ценность, связь с плановыми исследованиями. В диссертации изложены материалы, которые использовались в ИОА СО РАН при выполнении бюджетных НИР, а также хоздоговорных НИР ФК101, ФК104, 30Ж6, Т1 А, КД, ОКР №416, отнесенных директивными органами Академии наук к важнейшей тематике.

На защиту выносится:

1. Способ выделения синхронизации из информации при многоскоростной цифровой магнитной записи сигналов в диапазоне температур -50 +50 Гр. Цельсия, основанный на цифровой "привязке" фазы генератора, стабилизированного кварцевым резонатором, к фазе воспроизводимого сигнала.

2. Способ организации оперативной диагностики и ремонта цифрового накопителя на магнитной ленте без останова режима записи или воспроизведения, основанный на использовании самокорректирующегося кода и построении накопителя с учетом канальности и модульности.

и следующие положения:

3. Для достижения коэффициента выпадения информации не хуже 10Е-7 в аппаратах магнитной записи необходимо использовать самокорректирующиеся коды.

4. Достигнутые технические характеристики цифрового накопителя позволяют осуществлять эффективные исследования распространения оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере. В частности использование цифрового накопителя позволило доказать существование ряда физических закономерностей, не имевших до этого экспериментального по дтверж дення :

- при отражении от плоского зеркала оптического излучения в направлении строго назад происходит как увеличение его среднего значения, так и флуктуаций интенсивности;

- при любых отношениях дисперсии флуктуаций поперечной скорости ветра а± к её среднему значению V± вариации временных характеристик флуктуаций интенсивности оптических и звуковых волн лежат в границах, соответствующих значениям ст±=0 и Vi=0;

- закон распределения плотности вероятности насыщенных флуктуаций интенсивности оптических волн близок к К- распределению.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на III Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Томск, 1983), VIII Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1981), на III национальной конференции Laser - 88 (Bulgaria, Plovdiv, 1988), на II, III, IV -Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск 1995,1996,1997) а также на специализированных семинарах ИОА.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей в рецензируемых журналах, сделано 9 докладов на Всесоюзных и международных конференциях, получены два авторских свидетельства. Общий перечень их приведен в конце реферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и приложений. Объем диссертации 119 страниц, включая 37 рисунков, 9 таблиц и 52 ссылки на литературные источники.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы диссертации, проанализированы история и состояние вопроса, сформулированы основные задачи, обоснованы достоверность полученных результатов, научная и практическая значимость работы.

В первой главе проводится аналитический обзор работ по методам и способам записи цифровой информации на магнитный носитель при повышенной плотности и делается выбор функциональной схемы накопителя.

Мерой количественной оценки цифровой записи служат плотност-ные характеристики, показывающие зависимость максимального значе ния воспроизводимого сигнала от плотности записи р. Типичный ход плотностной характеристики показан на рис. 1.

Рис. 1. Плотностная характеристика.

Ее горизонтальный участок соответствует отсутствию взаимовлияния: спад наступает, когда расстояние между оптиками становится меньше половины протяженности одиночного отклика. В современных устройствах высокоплотной записи на ленту с тонким рабочим слоем спад плотностной характеристики начинается со значений р, примерно равных 80...90 перепадам намагниченности на миллиметр, а при р = 300 перепадов/мм отдача уменьшается на 90% максимального значения. Следовательно многочастотный сигнал воспроизведения при плотности 200 пер. /мм будет иметь достаточно сложную форму и потребуется специальная обработка сигнала. Задача становится еще сложнее в случае многодорожечной и многоскоростной записи. Из-за относительных перекосов магнитных головок, флуктуа-ций скорости движения магнитной ленты по тракту временное рассогласование крайних дорожек (1 - 22) может достигать более 100 периодов тактовой частоты, что сразу исключает возможность использования синхродо-рожки для общей синхронизации воспроизводимой информации.

Для решения этой задачи необходимо использование канальных кодов, обладающих свойством самосинхронизации. В результате проведенного детального анализа канальных кодов выбран групповой код 4/5 без возвращения к нулю модифицированный (БВНМ). Это трех-частотный код, имеющий в своей временной последовательности не более двух нулей подряд. Его спектр практически не содержит постоянной составляющей и хорошо согласуется с полосой частот линейного тракта канала воспроизведения. Избыточность этого кода не превышает 26%.

Важное место в цифровой записи сигналов на магнитный носитель отводится синхронизации воспроизведенного сигнала, необходимой для выделения исходной цифровой последовательности. Известно несколько способов решения этой проблемы. В большинстве это фазовая автоподстройка частоты генератора синхронизатора к фазе воспроизводимого сигнала.

Этот способ, хотя и нашел большое применение в технике цифровой магнитной записи, имеет два существенных недостатка. Первый - инерционность. Синхронизм наступает через некоторое время после появления

информации, что в свою очередь требует записи специальных полей синхронизации. Это повышает избыточность кода. Второй - температурная нестабильность основного звена синхронизатора генератора управляемого напряжением (ГУН) в рабочем диапазоне температур (от -50 до +50) Гр С.

После многочисленных неудачных экспериментов с вышеописанной системой синхронизации появилась идея использовать в качестве источника квантов времени генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, а фазовую синхронизацию осуществить цифровым способом. Функциональная схема такого устройства представлена на рис. 3. На него было получено авторское свидетельство за № 1224822.

Применение кварцевого резонатора обеспечивает стабильность частоты задающего генератора порядка 10~6 в широком интервале рабочих температур, а высокая частота генератора после ее деления двоичным счетчиком позволяет легко получить нужный временной интервал стробирующих импульсов при многоскоростнон записи (скорость меняется на величину кратную 2 простым делителем). Способ цифровой фазовой синхронизации поясняет временная диаграмма в нижней части рис.3. Очевидно, что первый же воспроизведенный соответствующий единице сигнал "обнуляет" счетчик. Переход счетчика в "нулевое" состояние вызывает срабатывание одновибратора, выходной сигнал которого стробирует воспроизведенный сигнал, фиксируя его в сдвиговом регистре. В случае нулевой последовательности, а длшельностъ ее не превышает при способе 4/5 БВНМ более 2 интервалов, синхроимпульсы вырабатываются одновибратором при переходе счетчика через "нулевое" состояние при его переполнении.

Генератор Делитель на ИР

2 МГц 12 43 Г- 76,2 38,1 1 Б °

19,05

§ Я5 Я 53

Г- Н

э о

с те <30 _ 5->4

0 01 —

02 —

03 —

01

входной код -

выход делите_

выходной

КОД -

\1 р п _г

'.Г >г ¿г > 1 ¿г

Рпс.З. Функциональная схема выделения синхронизации нз воспроизводимого сигнала и временная диаграмма восстановления кода записи.

Устройство абсолютно безинерционно, синхронизация наступает при первом воспроизведенном импульсе.

Основным качественным показателем всех цифровых систем передачи информации, в том числе и аппаратуры записи сигналов, является достоверность передачи информации, характеризуемая вероятностью ошибки. Чаще всего достоверность цифровой записи оказывается ниже требуемой, и для ее повышения применяют различные методы обнаружения и исправления ошибок. Эти методы в аппаратуре записи в принципе не отличаются от тех, которые используются в других системах передачи информации, но специфика ошибок и особенности их группирования в канале записи - воспроизведения определяют, какие методы являются наиболее эффективными применительно к системам записи сигналов. Поэтому повышение достоверности цифровой записи следует начать с анализа статистики ошибок воспроизведения.

Основными причинами появления ошибок при цифровой записи являются следующие:

1. Наличие дефектов на поверхности рабочего слоя магнитных носителей из-за несовершенства технологии их изготовления.

2. Нарушение контакта ленты с головкой из за появления дефектов в процессе эксплуатации ленты.

3. Шумы магнитной ленты и усилителей. Шумы имеют хаотический характер и основные ошибки, вызванные ими, являются одиночными.

4. Межсимвольная интерференция.

5. Несовершенство лентопротяжного механизма (ЛПМ), приводящее к колебаниям скорости ленты, её перегибам в тракте ЛПМ, и др. Ошибки, вызванные причинами 4 и 5, также имеют флуктуационный характер. Основным фактором, снижающим достоверность записи, являются выпадения сигнала. На рис. 4 приведено распределение выпадений, возникающих в течение заданного времени при записи - воспроизведении сигналов, полученных на нашем накопителе.

ео

40 200

0 2%

1 2 3

Выпадения

Рис. 4. Распределение выпадении при записи - воспроизведении (Р = 2.6х10~®, лента FUJI V611, v = 19,5 см/сек).

100

Очевидно, что для получения достоверности записи сигналов па порядок достаточно скорректировать одиночные ошибки.

Далее проводится детальный анализ самокорректирующихся кодов. В результате выбор был сделан в пользу 22-разрядного кода Хем-минга. Алгоритм его формирования показан на рис. 5. Он имеет 5 проверочных разрядов. Достоинством выбранного кода Хемминга является то, что число проверок, обнаруживающих одиночные ошибки, является минимально возможным и он имеет простую аппаратную реализацию. Все это вместе и определило применение данного самокорректирующегося кода в разработанном накопителе.

21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

16 15 14 13 12 11 X 10 9 8 7 6 5 4 X 3 2 1 X 0 X X

1!тос121 |Т6|15|14|13|12|11| = |

Етос!2

ши

7 6 5 4 =

Егшос12

|16|15|14|Ю|9|8| 7|3|2~П"

ДтосДг |15|14|п|ю| 7 | 6 | 3 | 2 | 0~]~

2тос12

|16|И|12|10|8| 6 | 4 | 2 | 0 |

Рис.5. Формирование проверочных разрядов кода Хемминга.

Сформированные по модулю 2 проверочные разряды помещаются на позиции указанные значком X.

При воспроизведении подсчитываются пять сумм по модулю 2, как это показано в табл. 1.

Таблица 1

Разряд контрольного кода Суммированные разряды

0 0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20

1 1,2,5,6,9,10,13,14,17,18,21

2 3,4,5,6,11,12,13,14,19,20,21

3 7,8,9,10,11,12,13,14

4 15,16,17,18,20,21

Заметим, что при вычислении разрядов контрольного кода каждый разряд проверочного кода участвует только один раз и является дополнением суммы до четности. Поэтому при передаче без ошибок соответствующие разряды контрольного кода равны 0, если же при передаче какого либо из разрядов такого самокорректирующегося кода произошла одиночная ошибка, то при контрольном суммировании мы получим двоичный код, значение которого указывает на место ошибочного разряда.

Таким образом, простой инверсией этого разряда одиночная ошибка может быть исправлена. Заметим, что рассмотренный код Хемминга имеет длину 22. Если к этому коду добавить дополнительный проверочный разряд 5, а проверочные соотношения дополнить еще одним, осуществляющим общую проверку на четность

5 = то(12(1р + 2р + Зр + ... + 21),

то такой код может обнаружить двойную ошибку. В этом случае это соотношение будет выполнено, а хотя бы одна из контрольных сумм (табл. 1) окажется равной единице. Следовательно, расширенный код Хемминга исправляет одиночную либо обнаруживает двойную ошибку.

Качество магнитных лент во многом также определяет достоверность записанной информации. С этой целью были проведены сравнительные испытания 25-мм магнитных лент различных фирм. Испыты-валнсь изделия японских, немецких, американских и отечественных разработчиков и производителей.

За эталон был взят ролик измерительной ленты американской фирмы АМРЕХ.

Тестирование лент производилось за три цикла записи — воспроизведения на 200 метровый участок 22 - канальным способом 4/5 БВНМ при плотности записи 200 пер.мм. Предварительно перед измерением подбирался ток записи по минимуму количества сбоев. Коэффициент выпадения информации рассчитывался по формуле

N

К =

М

где N - сумма всех одиночных и двойных сбоев, а М - объем записанной информации. В нашем случае М = 3.84x108.

Результаты показали, что отечественные магнитные ленты непригодны для использования в разрабатывавшемся накопителе. Они имеют большое количество сбоев и сильный разброс параметров от ролика к ролику. При выборе типа ленты дополнительно учитывались такие параметры лент как абразивность поверхности рабочего слоя, механическая прочность ферролака и его носителя, фрикционные характеристики, стабильность параметров в экстремальных климатических условиях. По совокупности характеристик выбор сделан в пользу ленты V-611 японской фирмы FUJI.

По результатам описанного в этой главе анализа, учитывая требования заказчика и характеристики ЛПМ, была предложена и реализована функциональная схема накопителя. Она показана на рис. 6. Электронная часть накопителя согласно техническому заданию (ТЗ) заказчика выполнена в виде стандартного блока наземного оборудования. Ему был присвоен шифр ДЯ 950.

Функционально блок состоит из 22 независимых каналов записи -воспроизведения, спецпроцессора синхронизации, устройства обнаружения и исправления ошибок. В блоке ДЯ950 также имеется два независимых канала записи-воспроизведения речевого сопровождения, как с микрофона, так и с линии напряжением 0.78 В.

Шифратор ^служебной информации

Формирователь самокор-' ректирую-щегося кода

Микрофон

Ю—

2-буфер-ное ОЗУ

Форми-

Шифра- рователь

тор тока

4->5 записи

Системная магистраль блока

Г3>..........................................................................

122

п.....г

2...

л.....г

п.....г.

гв

Формирователь сигнала воспроизведения

Дешифратор кода 5->4

2-буферное ОЗУ

Т>

Устройство обнаружения и исправления ошибок

Дешифратор служебной информации

КОД2

=>

20Р

ГВ

Звук-1 воспр.

Звук-2 воспр.

Рис.6. Функциональная схема накопителя. 12

Конструктивно и функционально блок выполнен с учетом каналь-ности и модульности, что позволило при использовании самокорректирующего кода Хемминга охватить 78% всего оборудования блока возможностью диагностики и замены неисправного модуля блока без выключения питания и останова рабочего режима.

Выводы.

В результате выполненных исследований в первой главе получены детальные данные для построения функциональной схемы накопителя с плотностью записи 200 пер. мм и работающего в широком диапазоне температур от -50 до +50 Гр. С.

1. Определен способ записи 4/5 БВНМ как оптимальный по критериям избыточности, устойчивости самосинхронизации и достоверности записи.

2. Показано, что при записи 22-каналыюго цифрового кода вышеопределенным способом записи при использовании ЛПМ ФД92 и магнитных лент FUJI V-611 BASF и CV-26R-98% из всего количества выпадений информации составляют одиночные и что для их исправления достаточно использования одного из самокорректирующихся кодов Хемминга.

3. Был разработан цифровой способ выделения синхронизации из потока информации, устойчиво работающий в экстремальных условиях эксплуатации.

4. По результатам сравнительных испытаний магнитных лент при плотности записи 200 пер. мм был сделан выбор основной рабочей магнитной ленты - V-611 японской фирмы FUJI.

5. В результате проведенного анализа и с учетом модульности и канальности была выбрана функциональная схема накопителя на магнитной ленте.

В второй главе представлено описание накопителя на машитной ленте и его отдельных устройств, а также алгоритмов их работы.

Накопитель на магнитной ленте состоит из блока ДЯ950, и шкафа ФД92 и предназначен для записи и воспроизведения двоичной цифровой информации в виде стандартного кадра записи "КОД-2, а также для записи и воспроизведения речевой информации по двум каналам в следующих условиях эксплуатации:

диапазон рабочих температур от 223К (минус 50С) до323К(плюс 50С);

повышенная влажность до 98% при температуре до 308К (плюс 35С);

ударные нагрузки многократного действия до 98 м/с (10g) длит, импульса 5-10 м/с;

пониженного атмосферного давления до 7х104 ПА (525 мм.рт.ст.)

Внешний вид накопителя представлен на рис. 7.

31! "«а

.Г

&

ос !

и

с;

ч;

с 'Ш

Л..-*;.-"

Рис.7. Внешний вид цифрового пакоиителя па магнитной лепте ДЯ950-ФД92.

Блок обеспечивает запись и воспроизведение цифровой информации в виде стандартного кадра записи "КОД-2" на скоростях движения ленты и частотой, приведенной в табл. 2.

Таблица 2

№ и/и Скорость движения лепты, см/с Максимальная частота входной информации, кгц

1. 9,53 15

2. 19,05 30

3. 38,1 60

4. 76,2 120

Плотность записи 200 пер. мм. Коэффициент выпадения не хуже 10~6.

Блок имеет следующие режимы работы:

- запись,

- воспроизведение,

- запись-воспроизведение,

- перезапись,

- имитатор.

Блок обеспечивает:

- контроль информации по МОД-2 и подсчет количества сбоев. Объем счетчика сбоев - 3 десятичных разряда;

- воспроизведение и индикацию текущего времени, записанного в стандарте "КОД-2";

- запись и воспроизведеипе речевой информации в полосе частот 300...3000 Гц по двум каналам;

- дистанционное управление по скоростям движения ленты и включения блока напряжением управляющих сигналов +27В.

Блок имеет индикацию отказов дорожек (каналов) и наличия информации на входе и выходе блока.

Конструкция блока

Конструктивно блок выполнен на типовом "двойном" шасси. Связи между ячейками, разъемами в блоке выполнены печатным способом на объединительной 24-слойной печатной плате. Вид блока со стороны объединительной платы показан на рис. 8.

Ячейки блока выполнены на 8-слойных печатных платах. Внешний вид канальной ячейки ДЯ950-01 показан на рис. 9.

Рис. 8. Вид блока со стороны объединительной печатной платы.

15

Рис. 9. Внешний вид канальной ячейки ДЯ950-(И

В главе 3 рассматриваются результаты экспериментальных работ по изучению распространения лазерного излучения и акустических волн в атмосфере с использованием разработанного цифрового накопителя информации.

Высокая достоверность записи информации позволила провести изучение законов распределения насыщенных флуктуации интенсивности лазерного излучения в атмосфере и эффекта усиления обратного рассеяния от плоского зеркала. В этих экспериментальных работах мы имели дело с сигналом, имеющим большой динамический диапазон (более 70 дБ). Причем сильные замирания и выбросы сигнала имеют низкую вероятность и только благодаря высокой достоверности записи накопителя нам удалось исследовать эти процессы.

Большое время регистрации и многоканальность накопителя позволили детально исследовать зависимость спектров флуктуаций интенсивности оптической и звуковой волны от флуктуационной компоненты вектора скорости ветра.

В период 1985-1996 гг нами были проведены эксперименты по измерению высших нормированных моментов и гистограмм флуктуаций интенсивности оптических волн при различных значениях параметра Во2.

Во2 = 1.23 Си2 &7/6 Т,11-76, характеризующего интенсивность оптической турбулентности на трассе, где Си2 - структурная постоянная показателя преломления; & = 2ж/Х -волновое число; Ь - длина трассы.

Во всех экспериментах контроль Сп2 осуществлялся оптическим способом и рассчитывался из данных измерения относительной дисперсии флуктуаций интенсивности сферической волны аг2 на короткой трассе, такой, чтобы насыщения флуктуаций интенсивности не происходило. В этом случае зависимость величины Си2 от а2 вплоть до уровня насыщения примерно равного 4, хорошо описывается формулой

Сл2 =

0,344

■ 2^-7/6 ¿-и/6

2 </2> где <х/ = —^ •

Длинна трассы равнялась 200 м.

В качестве излучателя использовался Не-№-лазер без формирующей оптики, а приемником излучения был фотоэлектронный умножитель ФЭУ7Э с входной диафрагмой диаметром 0.5 мм, сигналы с которого через усилитель поступали на аналого-цифровой преобразователь и далее на цифровой накопитель на магнитной ленте.

Этот метод недомненно имеет преимущество перед градиентными и другими локальными измерителями за счет пространственного усреднения и работоспособности при малых градиентах температуры и скорости ветра, когда локальные измерители дают большую погрешность.

Схема эксперимента по измерению высших нормированных моментов и гистограмм флуктуаций интенсивности оптических волн показана на рис. 10.

зеркало

плоская волна

2км

500мм

1 объектив

/

/

фэу

Сферическая волна

зеркало

Рис. 10. Схема эксперимента по исследованию законов распределения флуктуаций интенсивности плоской волны.

Измерения осуществлялись на У-образной трасса с отражением, длина которой изменялась от 0.8 до 4 км. Отражатель - высококачественный зеркальный диск диаметром 500 мм; расстояние между оптическими осями прямого и отраженного излучения в месте приема было чуть более одного метра, что позволяло не учитывать эффект усиления флуктуаций интенсивности, имеющий место на локационных трассах.

Измерения проводились в нюне - июле месяце в условиях ясной солнечной погоды в полуденное или близкое к нему время суток. На рис. 11 приведена зависимость индекса мерцаний, ^ _ ^^ 2 ^_ ^ от

параметра ро2 имевшего место в нашем эксперименте.

-а8°

Во

-1 | , I I |—,—|—,—|—I—|—,—|

0 2 A G 8 10 12 14 16 10 20

Рис. 11. Зависимость индекса мерцаний ß, от параметра ßQ2.

Кривая 1 соответствует усредненным экспериментальным данным, приведенным в монографии А.И. Кона, A.C. Гурвича, В.Л. Миронова, С.С. Хмелевцова (М. Радио, 1996 г.) для плоской волны, кривая 2 -асимптотика, полученная Шишовым по формуле

ß2 = 1 + 0,85 (ß02)"2/5 кривая 3 - расчет по формуле полученной Wang, Flatte

ß = 1,74 - 0,092 ßo+0,6~уз

для плоской волны в области фокуса флуктуацнй с учетом внутреннего масштаба турбулентности 10 = 4 мм. Штриховая линия 4 представляет аппроксимацию экспериментальных данных по методу наименьших квадратов.

Более полную- информацию о характере флуктуации процесса дает сравнительный анализ высших моментов и плотности вероятностей мгновенных значений интенсивности с модельными распределениями.

На рис. 12 приведена зависимость высших нормированных экспериментальных моментов (п = 3,4,5) от второго нормированного момента М2.

1000

100 ■=

10 -

1

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4.0

Рис. 12. Зависимость высших нормированных экспериментальных моментов от второго нормированного момента.

Сплошные кривые соответствуют моментам логарифмически нормального распределения вычисленным с учетом смещения за счет ограниченности динамического диапазона для условий эксперимента (/тах = = 4095, <1> = 150) по формуле

Р(1) = (л&/) 1 exp -(l/2a2)(:

^ In /

а'

ln(l + p2)c = ln[(/>/(l + p2)1/2]

Штриховые линии соответствуют моментам /("-распределения, вычисленным также с учетом смещения. Как видно из рис. 12, экспериментальные моменты с увеличением значения второго момента отклоняются от логарифмически нормальной зависимости и в диапазоне от 2 до 3 соответствуют моментам Я-распределения

(1)Р(1) = {2/г(у))^ + 'УЬ(у-{УЬ<у_1[2(1!/у1 у = 2/(р2 -\),у> 0,

где Kyiz) - функция Макдональда, а F(z) - гамма-функция.

Для значений М2 > 3 усеченные моменты вышеназванных распределений идут настолько близко друг к другу, что сложно выявить соответствие моментов тому или иному закону, поэтому для более детального анализа закона распределения проводился анализ гистограмм мгновенных значений интенсивности.

Экспериментальное исследование эффекта усиления интенсивности оптической волны при отражении от плоского зеркала.

При отражении волн от объектов, расположенных в случайно неоднородной среде, в направлении строго назад возникает усиление обратного рассеяния и увеличение относительных флуктуаций интенсивности. Степень проявления этих эффектов зависит от уровня турбулентности, дифракционных характеристик оптической волны и отражателя, от соотношения между временем переноса оптических неоднород-ностей поперек трассы и временем распространения в прямом и обратном направлениях. В турбулентной атмосфере усиление обратного рассеяния наблюдалось при отражении сферической волны от шероховатой поверхности A.C. Гурвнчем в 1986 г. для плоской волны - при наличии фазового экрана вблизи зеркальной поверхности Jaceman в 1988 г. Экспериментального подтверждения, предсказанного теоретически И.П. Аксёновым, В.А Банахом и В.Л. Мироновым в 1976 г. усиления обратного рассеяния при отражении сферической волны от зеркального диска до 1990г не было получено. При этом следует отметить, что теоретические расчеты носили асимптотический характер, и строго говоря, хорошо описывали этот эффект лишь при слабых, либо насыщенных флуктуациях интенсивности. Поэтому в 1989-90 годах были проведены экспериментальные исследования этого явления.

Измерение эффекта усиления обратного рассеяния на трассе с отражением проводилось по схеме установки представленной на рис. 13.

При изменении положения фотоприемников 7, 8, 12, регистрировалась картина распределения сигналов в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, а также сигналы, несущие информацию о взаимно-корреляционной функции флуктуаций интенсивности на прямой трассе, с дискретным шагом 3 мм. Минимальное расстояние от оптической оси источника было 3 мм, максимальное - 21 мм. Опорный приемник регистрировал сигнал на расстоянии 3 мм от оптической оси волны.

Синхронно с регистрацией экспериментальной информацией на КМН проводились измерения давления, влажности, температуры на трассе, а также средней и флуктуационной составляющих перпендикулярной по отношению к трассе распространения компоненты скорости ветра с помощью акустического анемометра-термометра, разработанного автором и расположенного на расстоянии 100 м от измерительного павильона. Параллельно с основной трассой была организована дополнн-

тельная трасса для определения структурной характеристики показателя преломления Сп2 и последующего вычисления параметра Во2.

Рис. 13. Схема эксперимента для исследования эффекта усиления.

Результаты измерения коэффициента усиления обратного рассеяния N(p) = <IR(Lp)>/<Ion{р)>, где </оя(р)> соответствует средней интенсивности прямой волны, в зависимости от расстояния, выраженного в зонах Френеля = р/y[kL и турбулентных условий распространения Во2 приведены на рис. 14.

Щ)

¡.а

Рис. 14. Фактор усиления Жр) (треугольники р0 = 3 штриховые кривые - теоретическая зависимость, сплошные зависимость Жр) = <Кр)>/<1ор>.

> -р/й/с

3.3, точки ро = 5.4 - 5.7,

экспериментальная

Из этих данных видно, что эффект усиления локализован в области первой зоны Френеля и наиболее значим для слабых флуктуаций интенсивности.

Исследования зависимости спектральных и временных характеристик флуктуаций интенсивности оптических волн от флуктуаций ветра.

Эксперименты проводилось при слабых флуктуациях интенсивности на взаимно перпендикулярных трассах У-образного типа с отражением излучеюш квазисферической волны от зеркального диска диаметром 300 мм.

Диапазон изменения скорости ветра в различных измерениях составлял от 0,1 до 4 м/сек. Флуктуационная и средняя компоненты скорости ветра регистрировались с помощью автоматического акустического анемометра - термометра, расположенного в центре биссектрисы угла между оптическими трассами.

Использование в этом эксперименте цифрового накопителя позволило изменять длительность реализации в зависимости от условий стационарности по ветру от 40 сек до 24 минут без потери качества записи.

На рис. 15 приведены результаты синхронных измерений частотных спектров флуктуаций интенсивности квазисферических волн. Хорошо виден частотный сдвиг спектров, зависящий от соотношения СТ]./У± скорости ветра.

IgU

Рис. 15. Нормированный спектр Vif) флуктуаций интенсивности отраженной от зеркала сферической в зависимости от частоты /X/,/' при a±/V± = 0.3, 2,2' при

a±/V± = 4).

В результате анализа обширного экспериментального материала было установлено, что при введении безразмерной частоты

£2 = /"//эф = л///°х2 + vj/фк У, 2L

спектры сближаются, но при этом сохраняется сдвиг обусловленный точкой наблюдения.

Нами также экспериментально были исследованы временные спектры флуктуаций амплитуды звуковой волны при произвольной взаим-

ной ориентации трассы распространения и вектора средней скорости ветра в условиях, когда существенно отражение от земной поверхности. Схема эксперимента приведена на рис. 16.

П

Р

10 м О

1.5 м О

¿I

1.5 м

О

1П

D*-

'

I У 'vj.

-i —

Рис. 16. Схема проведения эксперимента по распространению звуковых волн.

Два излучателя И одновременно направляли горизонтально две квазн-сферпческие волны (частота - = 3.2 кГц) вдоль средней скорости ветра и перпендикулярно к ней. На расстоянии L = 20 м от излучающих рупоров И находились приемные микрофоны I, II, III. Излучатели и приемники располагались на высоте Ii - 1.5 м. Сигналы с выходных усилителей каждого микрофона оцифровывались и регистрировались на цифровом накопителе. Мгновенные значения компонент скорости ветра относительно трасс распространения "и температуры измерялись ультразвуковыми анемометрами термометрами, расположенными по биссектрисам взаимно перпендикулярных трасс на высоте h = 1.5 м. На рис. 15 они обозначены кружками. Третий анемометр-термометр располагался на высоте h = 10 м и использовался для контроля температурно-ветровой стратификации приземного слоя. Одновременно с температурой и скоростью ветра определялись давление и влажность воздуха соответствующими датчиками, конструктивно совмещенными в одном из анемометров.

На рис. 17 приведены типичные безразмерные нормированные временные спектры для всех трех трасс W(f) = S(f)/ü2A, где S(f) - ис-w

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

0____

-1.5 -1.0 -0.5 О 0.5 1.0 1.5 2.0 log(///„)

Рнс. 17. Временные спектры \V{f) флуктуации амплитуды звуковой волны при поперечном Г, продольном 2', и под углом 45° 3' к трассе распространения ветра.

1,2 расчеты Патрушева при ci=0 и t>i=0 соответственно.

тинный спектр, f - частота, а~А - дисперсия флуктуации амплитуды звука. По оси абсцисс отложен логарифм относительной частоты log(f/fo), где f0= [(vh+

Введение эффективной нормальной к лучу компоненты скорости v3 - (v~i + а2!)1/2 позволило, как и в случае с оптической волной, совместить безразмерные спектры флуктуации амплитуды звуковой волны, разнос которых по оси частот составлял почти полпорядка. При этом оказывается, что увеличение флуктуационной компоненты скорости ветра a2i относительно средней d2i приводит к относительному уменьшению максимума безразмерного спектра. В обоих случаях величина максимумов оценок спектров заметно меньше теоретических. По видимому, это связано с тем, что отраженная волна, будучи существенной по амплитуде, вносит заметный вклад в суммарное звуковое поле. Действительно, большую часть трассы прямая и отраженная волна проходят так, что расстояние между ними существенно меньше внешнего масштаба турбулентности для скорости ветра, что дает заметную корреляцию флуктуации поля прямой и отраженной волн. Поэтому временной спектр флуктуаций амплитуды не будет простой суммой соответствующих спектров прямой и отраженной волн.

Выводы. Разработанный автором накопитель на магнитной ленте позволил установить неизвестные ранее закономерности распространения оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере и в ряде случаев получить экспериментальное подтверждение существования теоретически предсказанных эффектов. Он систематически использовался для регистрации данных в различных натурных экспериментах более 15 лет.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Покасов В.В., Ростов А.П. Комплекс аппаратуры с повышенной плотностью записи цифровой информации на магнитную ленту. // III Всесоюзное совещание по атмосферной оптике и актинометрии Тезисы докладов. Часть II. Томск. 1983. С. 238-247

2. Патрушев Г.Я., Ростов А.П., Рубцова O.A. Моменты и плотность вероятностей насыщенных флуктуаций интенсивности в турбулентной атмосфере. // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. N б. С. 819-825.

3. Ростов А.П., Рубцова O.A. Плотность вероятностей сильных насыщенных флуктуаций интенсивности при локации уголковых отражателей в турбулентной атмосфере. // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. N8. С. 1077-1081.

4. Ростов А.П. Передвижной аппаратурно-программный комплекс экспериментатора. // Оптика атмосферы. 1988. Т. 1. N3. С. 125,126.

5. Патрушев Г.Я., Петров А.II., Покасов В.В., Ростов А.П. Способ измерения скорости турбулентного потока. // Письма в ЖТФ. -1982. Т. 8. В. 2. С. 94-97.

6. Патрушев Г.Я., Печеркина Т.П., Ростов А.П. О реальной точности экспериментального определения высших моментов временных рядов. //' Автометрия. 1985. Т. 3. С. 2227.

7. Иванов А.П., Патрушев Г.Я., Ростов А.П. Экспериментальное исследование флуктуаций сферической волны при отражении от зеркальной поверхности в турбулентной атмосфере. // Оптика атмосферы. 1989. Т. 2, Т 9. С. 923-927.

8. Гурвич A.C., Иванов А.П., Кашкаров С.С., Патрушев Г.Я., Ростов А.П. Экспериментальное исследование эффекта усиления обратного рассеяния и усиления флуктуаций интенсивности при отражении от зеркальной поверхности. // Оптика атмосферы. 1992. Т. 5. № 1. С. 44-49.

9. Патрушев Г.Я. Ростов А.П. Анизотропия временных спектров флуктуаций амплитуды звуковой волны при распространении над земной поверхностью в турбулентной атмосфере. // Акустический журнал. 1996. Т. 42. № 1. С. 88-90.

10. Ростов А.П. Устройство для воспроизведения цифровой информации с носителя магнитной записи. Авторское свидетельство. N 1224822. 1985.

11. Вакуров Г.Ф., Жаркова Л.А., Исакова А.И., Монастырный Е.А., Патрушев Г.Я., Ростов А.П. Аппаратурно-программный комплекс для исследования распространения оптического излучения в приземном слое атмосферы. // Препринт N14. Томский филиал СО АН СССР. 1984. 39 с.

12. Ростов А.П., Вакуров Г.Ф. Макет аппаратуры цифровой регистрации сигналов. //В кн. VIII Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Тезисы докладов. Часть II. Томск. 1981. С. 190-192.

13. Патрушев Г.Я., Печеркина Т.П., Ростов А.П. О реальной точности экспериментального определения высших моментов временных рядов. // III Всесоюзное совещание по атмосферной оптике. Тезисы докладов. Ч. 2. Томск. 1983. С. 43-45.

14. Monastyrnii Е., Patrushev G., Petrov A., Pokasov V., Rostov A. Optical method for sounding the turbulent flow velocity // 3-d Nat. con-

ference & technical exhibition with international paticipancerLaser-88,Bulgaria,Plovdiv, 10-14 October 1988. P. 176-177.

15. Иванов A.П., Патрушев Г.Я., Ростов A.П. Пространственно-временная структура флуктуаций интенсивности отраженной волны. /',/ XII Межреспубликанский симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах. Тезисы докладов. Томск. 1993. С. 14.

16. Патрушев Г.Я., Ростов А.П. Временная и пространственно временная структура флуктуаций интенсивности лазерного излучения в атмосфере. // XII Межреспубликанский симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах. Тезисы докладов. Томск. 1993. С. 6.

17. Антошкин Л.В., Ботыгина Н.Н., ЕмалеевО.Н., Лавринова Л.Н., Лукин В.П., Ростов А.П., Фортес Б.В., Янков А.П. Исследования анизотропии спектра турбулентности в приземном слое атмосферы. // Тезисы II Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана". Томск. 1995. Ч. 1. С. 106.

18. Патрушев Г.Я., Ростов А.П., Рубцова О.А. Моменты и плотность вероятностей насыщенных флуктуаций интенсивности в турбулентной атмосфере. // Тезисы II Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана". Томск. 1995. Ч. 1. С. 116.

19. Ростов А.П., Рубцова О.А. Плотность вероятностей сильных и насыщенных флуктуаций интенсивности при локации уголковых отражателей в турбулентной атмосфере. // III Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана". Томск. 1996. С. 36-37.

20. Патрушев Г.Я., Ростов А.П., Рубцова О.А. Анизотропия флуктуаций амплитуды звуковой волны, распространяющейся вблизи поверхности земли в турбулентной атмосфере. //IV Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана", Томск. 1997. С. 62.

Введение

Глава 1. Функциональная схема цифрового накопителя информации с повышенной плотностью записи.

1.1. Анализ и выбор способов записи цифровых сигналов на магнитный носитель

1.1.1 Плотностная характеристика в устройствах магнитной записи.

1.1.2. Сигнал БВН в канале записи-воспроизведения

1.1.3. Сигнал БВНМ в канале записи-воспроизведения

1.1.4. Групповые способы записи' сигналов методом

БВНМ.а*.;*.

1.2. Выделение синхронизации и восстановление цифровой информации.

1.3. Достоверность цифровой записи.

1.3.1. Источники ошибок в канале магнитной записи - воспроизведения.

1.3.2. Статистическая модель выпадений

1.3.3. Выбор магнитных лент

1.3.4. Самокорректирующиеся коды

1.4. Выбор функциональной схемы накопителя

Выводы.

Глава 2. Накопитель на магнитной ленте.

2.1. Назначение и состав накопителя.

2.1.1. Состав блока ДЯ

2.2. Технические данные.

2.3. Устройство и работа блока

2.3.1. Общие сведения о принципе работы.

2.4. Конструкция блока

2.4.1. Внешние связи блока

2.5. Ячейка ДЯ950

2.5.1. Назначение.

2.5.2. Технические данные.

2.5.3. Состав и принцип действия

2.6. Ячейка ДЯ950

2.6.1. Назначение.

2.6.2. Технические данные.

2.6.3. Состав и принцип действия

2.7. Ячейка ДЯ950

2.7.1. Назначение.

2.7.2. Технические данные.

2.7.3. Состав и принцип действия

2.8. Ячейка ДЯ950

2.8.1. Назначение

2.8.2. Технические данные.

2.8.3. Состав и принцип действия

2.9. Ячейка ДЯ950

2.9.1. Назначение.

2.9.2. Технические данные.

2.9.3. Состав и принцип действия

2.10. Ячейка ДЯ950

2.10.1. Назначение.

2.10.2. Технические данные.

2.10.3. Состав и принцип действия

2.11. Размещение и монтаж блока.

2.12. Маркирование.

Выводы.

Глава 3 Использование цифрового накопителя информации для экспериментальных исследований распространения лазерного излучения в атмосфере.

3.1. Экспериментальное исследование законов распределения насыщенных флуктуаций интенсивности

3.2. Экспериментальное исследование эффекта усиления оптической волны

3.3. Измерение спектральных и временных характеристик интенсивности оптических и звуковых волн от флуктуаций ветра.

Выводы.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Исследованию распространения электромагнитных и звуковых волн в турбулентной атмосфере уделяется значительное внимание в связи с широким использованием оптических, радиотехнических и звуковых систем в земной атмосфере. Атмосфера, и особенно ее приземной слой, оказывает существенное, часто решающее влияние на распространение оптических и звуковых волн. Вне линий поглощения излучения свободной от аэрозольного замутнения атмосферы турбулентность становится основным фактором определяющим функционирование лазерных комплексов различного назначения и определяет информационную емкость и надежность оптических линий связи, пространственное и временное разрешение лазерных локаторов различного назначения и т.д. Вопросы теории флуктуаций характеристик лазерного излучения и акустических волн при распространении в турбулентной атмосфере является предметом интенсивных исследований на протяжении многих лет. Они изложены в основополагающих монографиях Татарского [1,2] и Осташова [18] и других авторов [10,12,39,41], подводящих определенные итоги проведенных исследований. Однако развитие теоретических исследований невозможно без проведения соответствующих экспериментов. Часто именно эксперимент, как это было в случае сильных флуктуаций интенсивности, вызывает необходимость развития более совершенных теоретических методов, позволяет уточнить границы применимости имеющихся теоретических результатов, дать совершенно новые знания.

Для этого разрабатываются и создаются сложные комплексы аппаратуры [4,16,25,36,40,42], методики, программы сбора и обработки экспериментальных данных [14,34].

Атмосферно-оптические эксперименты проводятся преимущественно на больших открытых площадках. Такое требование возникает по многим обстоятельствам. Поля многих метеопараметров, характеризующих состояние атмосферы могут искажаться строениями и другими объектами, расположенными в месте измерения, и поэтому измерительный полигоны располагаются на значительном (более 3 км) удалении от всевозможных строений. Другими словами - измерения проводятся в полевых условиях и для этого требуется специальная аппаратура, удовлетворяющая целому ряду эксплуатационных требований: ■рабочий диапазон температур не уже (-10 +40 гр. С); устойчивая работа в условиях запыленности и слабых осадков; мобильность; надежность.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. В конце семидесятых годов при проведении экспериментальных исследований распространения оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере для регистрации и обработки сигналов использовалась преимущественно аналоговые приборы. Их точность и эксплуатационные характеристики не устраивали ученых экспериментаторов, работающих в этом направлении. Нужна была аппаратура и методы, которые имели большой динамический (до 7 0дБ) и частотный (до 10 КГц) диапазоны [37], а также обеспечивали регистрацию большого объёма информации (520 Мбайт.), с нескольких источников.

Этим условиям удовлетворяли цифровые методы, которые в то время в основном использовались для решения вычислительных задач, но уже делались первые попытки применить их для регистрации, анализа и обработки экспериментальных данных. Поскольку такая аппаратура нашей промышленностью не выпускалась то практически все ученые-экспериментаторы, которые занимались распространением волн, уделяли много внимания разработке и созданию специальной аппаратуры для своих экспериментальных исследований.

Электронно - вычислительные машины (ЭВМ) в начале 80-х годов были в основном стационарными, поэтому для регистрации экспериментальных данных использовались различные накопители информации с последующим вводом её в ЭВМ.

Для регистрации больших объёмов и потоков информации использовались в основном многоканальные магнитографы (аналоговые магнитофоны, использующие частотную модуляцию), скоростные перфораторы типа ПЛ-150. Использовались также цифровые накопители на магнитной ленте на основе лентопротяжных механизмов от бытовых магнитофонов или ЭВМ. Далее эта записанная на тот или иной носитель информация доставлялась на вычислительный центр (ВЦ), вводилась в ЭВМ и обрабатывалась. По такой схеме работали многие ученые -экспериментаторы Института физики атмосферы АН СССР и Института оптики атмосферы СО РАН, занимающиеся проблемой распространения оптических и звуковых волн в атмосфере.

Однако использовавшиеся накопители информации по своим техническим характеристикам не позволяли зарегистрировать экспериментальные данные для достаточно большого круга задач распространения волн в атмосфере.

Магнитографы типа Н-03 6, Н-04 9 имели узкий динамический диапазон до 4 7 ДБ, а перфораторы и цифровые накопители - низкий частотный диапазон до 0150гц и 0-5 Кгц соответственно. Однако цифровая запись информации привлекала неограниченностью динамического диапазона регистрируемых параметров и надежностью хранения информации. Нужно было только увеличить частотный диапазон или, по-другому, поток регистрируемой информации при неизменной достоверности.

Цифровой называется запись, при которой сигнальное описание записываемой информации преобразуется в канале записи в цифровую форму или перекодируется из одной цифровой формы в другую. Техника цифровой магнитной записи насчитывает немногим более трех десятилетий. Ее возникновение и развитие на первых этапах было связано с потребностями электронно-вычислительной техники во внешних запоминающих устройствах

ВЗУ), обладающих достаточно большим объемом памяти и низкой стоимостью хранения информации.

Внешние запоминающие устройства ЭВМ в виде накопителей на магнитных лентах (НМЛ) и дисках (НМД) и сейчас являются наиболее распространенными устройствами цифровой записи, причем существует большое число различных типов НМЛ и НМД.

Достижения микроэлектроники конце 7 0-х начале 80-х гг. обеспечили почти повсеместный переход к цифровым методам записи информации на магнитные носители.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка и создание цифрового накопителя на магнитной ленте для обеспечения достоверной цифровой регистрации больших объёмов и протоков информации от оптических датчиков при экспериментальных исследованиях оптики турбулентной атмосферы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов работы определяется тем, что впервые: разработан и создан цифровой накопитель на магнитной ленте с повышенной плотностью записи (2 00 пер/мм), с широким частотным диапазоном (до 12 0 кГц) и большим объёмом (до 300Мб) регистрации информации в реальном времени, обеспечивающий получение достоверных экспериментальных данных (коэффициент искажения не хуже 10-7) о распространении оптических и акустических волн в атмосфере.

Использование в экспериментальных исследованиях разработанного накопителя позволило:

- установить применимость К-распределения для описания плотностей вероятностей насыщенных флуктуаций интенсивности; получить экспериментальное подтверждение предсказанного теоретически низкочастотного сдвига временного спектра флуктуаций интенсивности оптических и звуковых волн в зависимости от эффективной скорости ветра для; экспериментальным путем подтвердить существование эффекта усиления обратного рассеяния и усиления флуктуации интенсивности оптического излучения, отраженного в турбулентной атмосфере от плоского зеркала.

ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных результатов работы подтверждается:

- Результатами независимых испытаний цифрового накопителя на предприятии п/я В2431 на соответствие техническим условиям.

- Достаточным динамическим, частотным диапазонами и достоверностью регистрируемых экспериментальных данных.

- Статистической устойчивостью и неоднократной воспроизводимостью экспериментальных данных.

- Совпадением результатов экспериментов с корректными теоретическими данными и результатами независимых измерений.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ, СВЯЗЬ С ПЛАНОВЫМИ ИССЛЕДОВАНИЯМИ. В диссертации изложены материалы, которые использовались в ИОА СО РАН при выполнении бюджетных НИР, а также хоздоговорных НИР ФК101, ФК104, ЗОЖб, TIA, КД, ОКР №416, отнесенных директивными органами Академии наук к важнейшей тематике.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ:

1. Способ выделения синхронизации из информации при многоскоростной цифровой магнитной записи сигналов в диапазоне температур -50 +50 Гр. Цельсия, основанный на цифровой «привязке» фазы генератора, стабилизированного кварцевым резонатором, к фазе воспроизводимого сигнала.

2. Способ организации оперативной диагностики и ремонта цифрового накопителя на магнитной ленте без останова режима записи или воспроизведения, основанный на использовании самокорректирующегося кода и построении накопителя с учетом канальности и модульности.

И СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

3. Для достижения коэффициента выпадения информации не хуже 10Е-7 в аппаратах магнитной записи необходимо использовать самокорректирующиеся коды.

4. Достигнутые технические характеристики цифрового накопителя позволяют осуществлять эффективные исследования распространения оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере. В частности использование цифрового накопителя позволило доказать существование ряда физических закономерностей, не имевших до этого экспериментального подтверждения:

- при отражении от плоского зеркала оптического излучения в направлении строго назад происходит как увеличение его среднего значения, так и флуктуаций интенсивности;

- при любых отношениях дисперсии флуктуаций поперечной скорости ветра а± к её среднему значению Ч± вариации временных характеристик флуктуаций интенсивности оптических и звуковых волн лежат в границах, соответствующих значениям а±=0 и У±=0;

- закон распределения плотности вероятности насыщенных флуктуаций интенсивности оптических волн близок к К-распределению.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на III Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Томск, 1983), VIII Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1981), на III национальной конференции Laser - 88 (Bulgaria, Plovdiv, 1988), на II, III, IV - Межреспубликанских симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск 1995,1996,1997) а также на специализированных семинарах ИОА.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 8 статей в рецензируемых журналах, сделано 7 докладов на Всесоюзных и международных конференциях, получены два авторских свидетельства. Общий перечень их включен в список литературы диссертации.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и приложения.

Объем диссертации 119, страниц включая 37 рисунков, 9 таблиц.

ВО ВВЕДЕНИИ показана актуальность темы диссертации, проанализированы история и состояние вопроса, сформулированы основные задачи, обоснованы достоверность полученных результатов, научная и практическая значимость работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проводится аналитический обзор работ по методам и способам записи цифровой информации на магнитный носитель при повышенной плотности и делается выбор функциональной схемы накопителя.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена описанию накопителя на магнитной ленте и его отдельных устройств, а также алгоритмов их работы.

В ГЛАВЕ 3 рассматриваются результаты экспериментальных работ по изучению распространения лазерного излучения и акустических волн в атмосфере с использованием разработанного цифрового накопителя информации.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ даны основные выводы по результатам работы.

Список литературы включает 52 наименования.