Введение к работе
Актуальность работы. Индустриальная деятельность человека с каждым годом делает все более актуальной проблему охраны окружающей среды. Убедительной иллюстрацией сказанного , являются принятые за последние годы законы об охране природы и все возрастающий объем капитальных елокєний на природоохранные мероприятия.
Особое внимание при разработке средств контроля за состоянием окружающей среды уделяется методам бесконтактного определения параметров среды, которые позволяют получать с -, высокой оперативностью и в значительных пространственных объемах необходимые данные. Указанным требованиям лучше всего удовлетворяют методы дистанционного лазерного, зондирования. Такие методы обладают высоким временным и пространственным разрешением, что недоступно при применении других способов.- Это обусловлено возможность» использования лазеров с малыми длителз"Третями и высокой частотой повторения зондирующих импульсе». В связи с этим оперативность извлечения ..информации определяется быстродействием приема и обработки отраженного сигнала, который доставляет в приемное устройство измерителя -информацию об - атмосфере. Поэтому улучшение характеристик современных лазерных информационно - измерительных комплексов для контроля за состоянием окружающей среды неразрывно связано с проблемой повышения помехоустойчивости и чувствительности радиотехнических систем лидарных комплексов, работающих в большом динамическом диапазоне входных сигналов и обеспечивающих заданную точность измерения выходных параметров.'
В качестве приемников оптических сигналов в впдимой и {,-ближней инфрокраспой областях спектра в лидарных комтипч-ах применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Условия их работы в лазерній информационно - измерительных комплексах существенно отличаются от одноздектрокных режимов работы, ко-
торые достаточно хорошо изучены в литературных источниках.
Анализ современного состояния в области разработки оптических приемных устройств показывает, что недостаточна изучены вопросы изменения шумовых характеристик приемников,, работающих в большом динамическом диапазоне входных сигналов при значительных импульсных 'засветках.
Не полностью решены вопросы аналогового запоминало,» отраженных импульсных сигналов в большом?динамическом диапазоне с малым временем стирания информации, которое диктуется спецификой работы радиотехнических систем в лидарных комплексах, например, в измерителях 'прозрачности атмосферы.
Недостаточно рассмотрены вопросы кратковременной нестабильности "выходной мощности серийных твердотельных лазеров и влияние этих факторов на построение функциональных схем оптических приемников, введения автоматической регулировки усиления по зондирующему импульсу и т.д.
Поэтому возникает необходимость проведения исследований, связанных с разработкой радиотехнических устройств лидарных комплексов, работающих в большом динамическом диапазоне и обеспечивающих заданную точность измерения входного параметра. Решению этой актуальной задачи посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы. Исследование, разработка и создание радиотехнических систем лидарных комплексов, работающих в большом динамическом диапазоне' принимаемых сигналов и обеспечивающих заданную погрешность измерений в любой измеряемой точке.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы дифференциального и интегрального исчисления, методы численного анализа, методы теории анализа радиотехнических цепей, элементы теории оптимизации, методы постановки научного эксперимента и статической обработки результатов.
Исследование схем аналогового запоминания, работающих в большом .- динамическом диапазоне и обеспечивающих малое время стирания информации, проводилось теоретически и подтверждалось результатами экспериментальной проверки. Ряд характеристик аналогового запоминающего устройства получен с помощью ЭВМ. С учетом экспериментальных исследований кратков-
ременной нестабильности выходной.мощности серийных лазеров' [4] проведен теоретический анализ особенностей построения функциональных схем лидарных комплексов. Подучены аналитические выражения, позволяющие определить оптимальную амплитуду опорного сигнала при заданной погрешности измерений. Аналитические результаты подтверждены экспериментальными исследованиями [6].
Научная новизна работы. 1. Проведена систематизация работ по исследованию шумовых характеристик фотоэлектронных умножителей,' работающих в большом динамическом диапазоне входных сигналов. Исследованы шумовые характеристики фотоэлектронного умножителя и оптических приемников в целом при воздействии мощного светового-импульса помехи. Исследования проведены для оптических приемников с линейной и логарифмической амплитудными характеристиками.
-
Анализ влияния нестабильности мощности выходного излучения лазера на построение функциональных схем оптических приемников. Выбор амплитуды опорного сигнала для обеспечения оптимальной работы системы АРУ с целью уменьшения относительной погрешности измерения выходного параметра.
-
Анализ емкостных аналоговых запоминающих устройств с отрицательной обратной связью по времени стирания информации. Предложена и исследована схема аналогового запоминающего Устройства на емкости с пьедесталом напряжения, обладающая высокой линейностью амплитудной характеристики в большом динамическом диапазоне входных сигналов и малым временем стирания информации.
Практическая ценность работы. Результаты теоретических Л экспериментальных исследований позволили создать измеритель ігрозрачности атмосферы с большим динамическим диапазоном входных сигналов и высокой точностью измерения параметра благодаря тому, что :
разработана методика и проведены экспериментальные исследования изменения шумовых характеристик оптического приемника на ФЭУ при воздействии мощной импульсной оптической засветки; '--' - - '
проведенные экспериментальные и теоретические исследования запоминающего устройства с отрицательной связью поз-
;..?/;.;,
воляют сделать вывод о нецелесообразности применения указанной схемы в дидарных комплексах из-за большого времени стирания информации;
- создана и исследована схема запоминающего устройства
с применением пьедестала напряжения, позволяющая расширить
диапазосн линейности характеристик и уменьшить время стирания информации;
- создана и исследована схема автоматической регулиров
ки-усиления оптического приемника на ФЭУ,уменьшающая влияние
изменения выходной мощности импульса излучения на относитель
ную погрешность измерений измерителя прозрачности атмосферы.
Реализация в промышленности. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований была разработана и изготовлена приємно-регистрирующая аппаратура измерителя прозрачности атмосферы с динамическим диапазоном входных сигналов 103 и относительной погрешностью измерения параметра не хуже 10% в любой измеряемой точке, внедряемая в разработках организации л/я Г-4671, а также может быть использована при создании измерительных комплексов для научных исследований в других организациях.
На защиту выносятся:
результаты исследований шумовых характеристик оптического приемника на ФЭУ;
результаты анализа схемы запоминающего устройства с отрицательной обратной связьк^при стирании информации;
-создание и анализ запоминающих устройств на емкости с малым временем стирания информации и высокой линейностью в большом динамическом диал&оне;
особенности построения функциональных _ схем лидарных комплексов с учетом нестабильнос'ш выходного излучения передатчика оптического диапазона. Выбор амплитуды опорного сигнала при применении автоматических регулировок .усиления;
результаты по реализации и внедрению измерителя прозрачности атмосферы с большим динамическим диапазоном.
Апробация работы. Теоретические и практические результаты работы докладывались и обсуждались на 5 и 6 Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Томск. ИОА АН СССР. 1978, 1980, на П Всесоюзной НТК
"Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике", Москва, МВТУ, 1979; на I Всесоюзной НТК "Безопасность полета в условиях опасных внешних воздействий", Киев, КИИГА, 1981; на П Совещании по атмосферной оптике, Томск, ИОА АН СССР, 1980; на итоговых научно-технических конференциях, КАИ, Казань,КамПИ, Наб.Челны, 1975-1987; на 1 межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", Томск, ИОА, 1994г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 20 работ, в том числе 8 научно-технических отчетов. Образец разработанной аппаратуры измерителя ЛИПА-1000 демонстрировался на ВДНХ(автор награжден серебряной медалью) и выставке НТТМ-80.
