WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |
    • управление режимом работы лидара,
    • управление частотой зондирующего излучения лазеров излучателя,
    • измерение энергии излучения в выходящем и принимаемом пучках,
    • обработка результатов – получение спектральных характеристик атмосферы и определение наличия и концентрации примесей по имеющимся в памяти компьютера «спектральным портретам» молекул,
    • управление системой наведения лидара на исследуемый объект.

Основой системы наведения является персональный компьютер типа IBM PC. К системе регистрации относятся также три пары фотоприемников. Первые три измеряют пришедшее излучение на трех длинах волн (9,22мкм, 10,6 мкм, 9–13,5 мкм), вторая тройка служит для измерения ушедшего излучения на этих длинах волн. Аналоговые сигналы с фотоприемников преобразуются АЦП в цифровой код, а затем обрабатываются компьютером.

В разделе 2.5 описана система наведения устройства на исследуемый объект. Эта система решает два задачи: обеспечение с одной стороны доставку лазерного излучения в нужную область пространства и создание условия для получения рассеянно–отраженного излучения фотоприемниками. Управление работой этой системы осуществляется компьютером с помощью видеокамеры.

Рис 9. Газоваккумная система мобильного двухчастотного лидара

В разделе 2.7 описана газовакуумная система, использующаяся для обеспечения кювет лазеров необходимыми газами, а также для периодического профилактического обновления газового состава (рис. 9). Эта система должна осуществить откачку лазерных кювет до давления не выше 3.10-2 мм рт.ст., наполнить кюветы рабочими газами и обеспечить разрядники азотом под давлением до 2,5 атм. При ее создании нужно было решить вопрос о форвакуумном насосе – необходимо было совместить стандартный насос 2НВР5Д с двигателем, питающимся от 12 В источника. Для этой цели мы использовали стартер от автомобиля ВАЗ2109, у которого для увеличения срока службы подшипники скольжения были заменены подшипниками качения. В результате при работе системы откачки в течение 5 минут (откачка всей лидарной газовакуумной системы от давления 1атм. до давления 10-2 мм рт.ст.) форвакуумный насос потребил от аккумулятора 500 кДж электроэнергии.

В третьей главе выполнены расчет и проектирование приемной части NH3CO2 лидара. Как показано на рис. 10 приемная часть состоит из объектива Кассегрена, трёх оптических каналов и фотоприёмников HgCdTe. Поскольку каждый оптический канал эквивалентен оборачивающей системе поэтому задача расчета приемной части может разделиться на две независимые задачи:

  • расчет телескопа без окуляра, состоящего из объектива Кассегрена, оборачивающей системы и конденсора
  • расчет интерференционных фильтров

Рис. 10. Трёхканальная схема приемной оптики мобильного двухчастотного лидара

Для упрощения процесса вычисления в приемной части мы использовали три одинаковых оборачивающей системы с увеличением = –1 тогда решение первой задачи распадется на четыре шага:

  • расчет конструктивных параметров объектива Кассегрена и его аберрации;
  • на основе остаточной аберрации объектива Кассегрена расчет конструктивных параметров оборачивающей системы, величина аберрации которой компенсирует аберрацию объектива Кассегрена,
  • расчет реальной аберрации и коррекция аберрации компонентов оборачивающей системы;
  • расчет конструктивных параметров конденсора.

Решение второй задачи определяет конструктивные параметры интерференционных фильтров: диаметр, толщину, материал подложки, количество и материалы слоев покрытия.

Рис. 11. Интерфейс программы для расчета приемной оптики лидара

Для расчета компонентов приемной части, например объективов Кассегрена, компонентов оборачивающей системы… можно использовать известные программы проектирования оптических систем как ОПАЛ, CODE V, OSLO, ZEMAX.. однако с целью упростить процесс вычисление и уменьшить время для проектирования мы создали специальную программу для расчета приемной оптики мобильного двухчастотного лидара. Эта программа написана на языке программирования – Visible basic и удобна для разработчика. Вводимые данные для объектива Кассегрена представляют собой: фокусное расстояние, угол зрения поля, коэффициент экранирования, расстояние от главного зеркал до фокуса и относительное отверстие. Вводимые данные для компонентов оборачивающей системы представляют собой расстояние между ними, коэффициент преломления линз. Вводимые данные для конденсора и интерференционных фильтров представляют собой: диаметр чувствительной площади фотоприёмников и коэффициент преломления конденсора и интерференционных фильтров. Результат вычисления представляет собой все конструктивные параметры приемной оптики и значения аберрации ее компонентов. Интерфейс программы приведен на рис. 11.

Рис. 12. Принципиальная блок-схема мобильного двухчастотного лидара

В четвертой главе приведены параметры мобильного двухчастотного NH3–CO2 лидара. На рис. 12 показана электрическая блок-схема лидара, она состоит из семи главных компонентов:

персонального компьютера (РС)

высоковольтного блока (ВВ) СО2 лазера

блока перестройки частот лазеров (ПЧ)

системы наведения устройства на исследуемый объект (СН)

форвакуумного насоса газовакуумной системы (ФН)

фотоприемников

видеокамеры

Все эти компоненты питаются от бортовой сети автомобиля. Кроме форвакуумного насоса газовакуумной системы, управление работой всех остальных компонентов осуществляется с помощью персонального компьютера. Связь между отдельными компонентами и компьютером осуществляется с помощью специально разработанной платы NVL8, включающей в себя 8 каналов АЦП и 4 канала ЦАП, она также способна выводить 8 разрядное двоичное число, записанное по определенному адресу. Последнее обстоятельство было использовано для создания системы компьютерного управления двигателями как системы перестройки частоты генерации лазеров, так и двигателями для системы наведения лидарного комплекса на цель. Шесть АЦП были подключены к ИК фотоприемникам и служили для ввода информации об энергетических параметрах излучения на выходе и входе в лидарный комплекс.

Рис. 13. Оптическая схема лазерного излучателя лилара

1 – Опорные пучки (9,22 и 10,6 мкм); 2 – измерительный пучок (9–10 и 10–11 мкм); 3 – измерительный пучок (11–13,5 мкм)

Как правило, при создании лазерного излучателя лидара особое внимание необходимо уделять вопросу пространственного и временного совмещения двух разных по частоте лазерных пучков. На рис. 13 приведена оптическая схема излучателя NH3–CO2 лидара. Излучатель лидара работает в трех режимах: 1) 910 мкм, опорное излучение –10,6 мкм, 2) 1011 мкм, опорное излучение –9,22 мкм, 3) 1113,5 мкм, опорное излучение –9,22 мкм.

В третьем режиме резонатор СО2 лазера образован зеркалом M1 и решеткой G1. Решетка G1 ТЕА–СО2 лазера неподвижна и постоянно настроена на линию 9R(30) ( = 9,22 мкм). При отсутствии полупрозрачного зеркала М2 и клиновидной пластинки К лидар работает с измерительной частотой, меняющийся в диапазоне 11–13,5 мкм, и опорной частотой, являющейся неиспользуемой частью излучения накачки (9,22 мкм). Поскольку NH3 лазер преобразует ~ 50% от входящей в кювету с аммиаком энергии СО2 лазера, то остальная часть излучения накачки используется в качестве опорного излучения лидара. Перестройка частот в диапазоне 11–13,5 мкм осуществляется вращением зеркала М5.

Переключение режима работы лидара с режима 3 в режим 1 или 2 осуществляется путем введения полупрозрачного зеркала М2. В этом случае в качестве полупрозрачного зеркала резонатора СО2 лазера используется аналог интерферометра Майкельсона, состоящий из двух дифракционных решеток G1 и G2 и полупрозрачной пластины М2, причем G1 настроена на длину волны 9,22 мкм, а перестройка частот в диапазоне 9–11 мкм осуществляется вращением дифракционной решетки G2. Для перехода опорного излучения с частоты 9,22 мкм на частоту 10,6 мкм (переключение режима 2 на режим 1) используется клиновидная пластинка К.

Рис. 14. Спектр излучения мобильного двухчастотного лидара

В качестве полупрозрачного зеркала M2 используется плоскопараллельная пластинка толщиной 1 мм, а в качестве пластинки К используется оптический клин с углом при вершине 44’12”. Материалом для изготовления обеих пластинок является германий.

Спектр излучения мобильного двухчастотного лидара состоит из спектра генерации ТЕАСО2 лазера, покрывающего диапазон 911 мкм, и спектра генерации NН3 лазера, перекрывающего диапазон 1113,5 мкм. На рис. 14 показан полный спектр зондирующей части излучения мобильного двухчастотного лидара. Поскольку излучатель лидара организован по схеме рис. 13 (в качестве выходного зеркала используется аналог интерферометра Майкельсона), энергия двухчастотного излучения СО2 лазера значительно уменьшилась и на максимальной линии 10Р(20) достигала 2,5 Дж.

В таблице 1. приведены основные технические характеристики мобильного двухчастотного NН3–СО2 лидара а на рис. 15 показан его общий вид со снятым кожухом и без приемной части и компьютера.

Таблица 1

Основные технические характеристики NН3–СО2 лидара

Характеристики излучения 911 мкм

Источник TEA–СО2 лазер

Частота первого опорного излучения 1084,60 см-19R30 (9, 22 мкм)

Частота второго опорного излучения 943,40 см-1 10Р20 (10,6 мкм)

Частота зондирующего излучения 920 см-1 1090 см-1

Энергия излучения в импульсе накачки ~ 10 Дж

Энергия излучения в импульсе зондирования ~1 Дж

Длительность излучения импульса зондирования 0,2…2 мкс

Характеристики излучения 11-13,5 мкм

Источник NН3 –N2 лазер

Частота излучения 745 928 см-1

Энергия излучения в импульсе зондирования до 1,5 Дж

Длительность излучения импульса зондирования 1…2 мкс

Характеристики приемо-передающей системы

Диаметр приемного зеркала 40 см

Фокусное расстояние 1 м

Чувствительность ИК детектора: не хуже 91010 смГц1/2/Вт

Спектральное разрешение не хуже 0,5 см-1

Общие характеристики лидара

Габариты прибора: 21,5x1 м

Вес прибора: не более 300 кГ

Потребляемая энергия от автомобильного аккумулятора (12 В) за цикл: не более 30 Вт.час 100 кДж

Дальность зондирования (в зависимости от состояния атмосферы): 15 км

В пятой главе выполнен расчет расщепления колебательно-вращательных линий полосы 2 молекулы 14NH3 в сильном магнитном поле. Это полезно для ряда практических случаев когда нужны лидары, лазерные излучатели которых работают либо в непрерывном режиме, либо в режиме импульсов миллисекундной длительности. Как правило, при создании непрерывного NH3 лазера возникают проблемы, связан­ные со сдвигом максимума линии поглощения NH3 относительно линии излучения СО2 лазера. Компенсировать такой сдвиг можно, поместив кювету с аммиаком в сильное продольное магнитное поле, т.е. использовать продольный эффект Зеемана. Рассчитанное индуктивное значение магнитного поля примерно 1Тл. Таким образом, использование продольного магнитного поля индукцией ~ 1Тл позволит компенсировать разность частот линии поглощения аммиака и линии излучения СО2 лазера и получить непрерывную генерацию в спектральном диапазоне 11-13,5 мкм.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ СФОРМУЛИРОВАНЫ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

  1. Доказано, что сочетание импульсного электроразрядного CO2 лазера и NH3 лазера с оптической накачкой излучением CO2 лазера позволяет создать мобильный двухчастотный лидарный комплекс, который может размещаться на шасси грузо-легкового автомобиля.
  2. Впервые разработана и опробована схема импульсного высоковольтного источника питания электроразрядного CO2 лазера, питающегося от бортовой сети автомобиля.
  3. Впервые предложена и исследована оптическая схема излучателя мобильного NH3 - CO2 лидара, перестраиваемого в спектральной области 9-13,5 мкм, в которой имеются только два подвижных элемента, осуществляющие перестройку измерительной частоты лазеров. Изменение частоты опорного излучения производится за счет введения клиновидной просветленной пластинки из Ge. Такая схема делает излучатель более надежным в работе в полевых условиях.
  4. Разработана и рассчитана трехканальная система приемного тракта, состоящая из приемного телескопа Кассегрена и трех фотоприемников, два из которых настроены на определенную длину волны (9,22 мкм и 10,6 мкм), а третий работает во всем диапазоне 9-13,5 мкм. Эта система позволяет упростить обработку полученных результатов во всем спектральном диапазоне работы лидара.
  5. Разработана и изготовлена газовакуумная система, позволяющая откачать кюветы NH3 и CO2 лазеров до давления 10-2 мм рт. ст. и наполнять их активными газами до давления вплоть до 1 атм. и питающаяся от аккумуляторной батареи автомобиля.
  6. Теоретически рассмотрены пути увеличения длительности NH3 лазерного излучения лидара до ~ 1мс при возбуждении аммиака излучением непрерывного СО2 лазера при подстройке линии поглощения NH3 под линию излучения СО2 лазера с помощью эффекта Зеемана. Показано, что для достижения этой цели необходимо магнитное поле индукцией ~ 1 Тл

ПУБЛИКАЦИЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»