Конструкция ветрового лидара

В настоящее время происходит быстрое развитие лазерных технологий и областей применения оптических приборов с использованием лазерных излучателей, таких как лазерное зондирование атмосферы, геодезия, картография, системы обеспечения вихревой безопасности полетов и т. д.

За последние 20 лет в международной практике авиаметеорологического обеспечения авиации были достигнуты значительные успехи в разработке, как наземного, так и бортового оборудования, предназначенного для обнаружения сдвига ветра и предупреждения о нем. В частности, большой прогресс в разработке наземных доплеровских РЛС и доплеровской технологии обработки сигналов способствовал появлению высокоэффективных наземных систем обнаружения и предупреждения о сдвиге ветра.

Опыт западных стран свидетельствует об успешном использовании этой не так давно сугубо военной технологии в задачах метеорологического мониторинга и управления воздушным движением. Установленные в районах аэропортов, лидары измеряют ветровые сдвиги на летном поле, завихренность следа самолета и другие атмосферные параметры, знать которые необходимо для обеспечения безопасности в метеорологическом отношении взлета и посадки воздушных судов. В мировой практике авиаметеорологического обеспечения использование лидаров в этих целях осуществляется с 90-х годов. Это оборудование установлено в крупных авиапортах Англии, Германии, Франции и Гонконга.

Приблизительный эффект от использования лидара уже просчитан и для аэропорта Хитроу он составляет увеличение пропускной способности около 26 000 рейсов в год, а для аэропорта Франкфурт-на-Майне около 11 500 рейсов соответственно.

В Российской Федерации в настоящее время отрабатывается процедура внедрения интегрированной системы вихревой безопасности полетов в оперативную практику наблюдений за турбулентностью. Эта система включает в себя «Подсистему метеорологического обеспечения» состоящую из наземного модуля, основой которого является лидарный комплекс для метеорологического обеспечения полетов авиации и мониторинга вихревой обстановки (разработка НПО «Лазерные системы» и ЗАО «Спецтехника»), а также разрабатываемый ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей» доплеровский метеорологический радиолокатор.

Методы лазерного зондирования, и только они, обеспечивают получение профилей или полей различных параметров атмосферы с исключительно высоким временным и пространственным разрешением, обладая при этом рекордными концентрационными чувствительностями.

Рис. 1. Зондирование атмосферы с помощью лидара

доплеровский лидар вихревый сигнал

Лазерное зондирование основывается на принципе световой локации атмосферного аэрозоля при помощи лидара. В обобщенном смысле лазер в лидаре используется как импульсный источник направленного светового излучения. В отличие от радиодиапазона, в световом диапазоне частот из-за малости длин волн особенно видимого и ультрафиолетового излучения отражателями локационного сигнала являются все молекулярные и аэрозольные составляющие атмосферы, т. е. по сути дела сама атмосфера формирует лидарный эхо-сигнал со всей трассы зондирования. Это позволяет осуществлять лазерное зондирование по любым направлениям в атмосфере.

Использование для зондирования атмосферной среды оптического излучения видимого и ближнего ИК-диапазона позволяет существенно расширить возможности дистанционного мониторинга среды и проводить измерения при существенно меньших концентрациях аэрозоля, чем метеорадары. Это особенно актуально для решения задач вихревой безопасности в авиации, поскольку в благоприятных для полетов условиях видимость хорошая и концентрация фонового аэрозоля мала.

Преимущества лазерного зондирования атмосферы:

— Дистанционность лазерных измерений. Это значит, что наблюдение за выбросами предприятия может проводиться дистанционно, оперативно, без вмешательства в работу предприятия.

— Возможность определить выбранную характеристику воздушной среды на любом направлении лазерного луча и на различных высотах, что позволяет определить источники выбросов вредных веществ.

— Хорошее пространственно-временное разрешение (детальное исследование облака загрязняющей примеси, слоя атмосферы и т. д. за короткое время). Это связано с малой длительностью импульса и высокой частотой повторения импульсов лазера. Лазерное зондирование практически сразу дает сведения по всей трассе измерений во много раз быстрее, чем изменяется состояние самой атмосферы.

— Возможность проведения длительных непрерывных измерений (мониторинг атмосферных загрязнений).

1. Конструкторский раздел

1.1 Конфигурации Доплеровских лидаров для обеспечения вихревой безопасности

Для сохранения вихревой безопасности в воздухе внедрение лидаров началось довольно давно. Существуют как наземные, так и бортовые системы. Ниже вашему вниманию будут предложены следующие установки: мобильные ZETHIR, HARLIE, GLOW и стационарная WindTracer.

Wind Tracer

Доплеровский лидар Wind Tracer производства компании Lockheed Martin (США) использует импульсы с длиной волны 2.0225 мкм и энергией около 2 мДж, повторяющиеся с частотой 500 Гц. Заявленная дальность составляет 10 км. Эти параметры в соответствии с принятыми нормами являются безопасными. Активные оптико-локационные системы для детектирования опасных метеоявлений — сдвига ветра, областей больших градиентов скорости ветра, зон с интенсивными восходящими и нисходящими потоками и т. п. — должны использовать лазерное излучение, безопасное для глаз.

Рис. 2 Лидарная система WindTracer

Система WindTracer была впервые испытана в 1999 г., а лазерный излучатель для нее был создан годом ранее. Это уникальный твердотельный лазер, одночастотная генерация в котором обеспечивается инжекцией одночастотного излучения в резонатор. В настоящее время, с развитием оптико-волоконных систем связи, появляется возможность использования серийных одночастотных волоконных систем типа генератор+усилитель, работающих на длине волны около 1.5 мкм.

Внедрение подобных лидарных систем позволит успешно решать задачи мониторинга поля ветра в воздушном пространстве аэродромов, что в современных условиях необходимо для обеспечения высокого уровня безопасности и эффективности авиации.

HARLIE

Рис. 3 Лидарный комплекс HARLIE

Уникальная сканирующая способность лидара HARLIE достигается при помощи использования вращающегося голографического телескопа для измерения атмосферного профиля аэрозоля, пограничного слоя, верхней и нижней границ высот облаков и профиля ветра с высоким временным разрешением.

HARLIE использовался в нескольких исследовательских компаниях, включая IHOP, ARMIOP 2000 и HARGLO. 2 метода применения: наземный и воздушный.

Для исследования на поверхности Земли HARLIE устанавливается на открытый автомобильный прицеп. В самолетах трансивер установлен на раме, расположенной в нескольких см от смотрового окна, что обеспечивает поле зрения 200 мкрад. и сканирующий конус в 45 градусов.

HARLIE используется для измерения состава облаков, структуры аэрозоля, с помощью обратного рассеивания в 3х измерениях. Используя коническое сканирование, голографический телескоп, твердотельный инфракрасный лазер с диодной накачкой, этим компактным высокотехнологичным устройством можно снабжать самолеты для полетов как на низких так и средних высотах.

Широкая область мониторинга тропосферы и нижней стратосферы на воздушных и наземных операционных системах предоставляет ценные данные об обратном рассеянии в атмосфере, ветре и турбулентности.

Параметры HARLIE:

— Длина волны: 1064 нм.

— Мощность лазера 200 мкДж.

— Лазерная частота импульса 5 кГц.

— Непрерывный режим сканирования до 30 оборотов в минуту.

— Максимальный диапазон действия 6 км

GLOW

Рис. 4 Лидарный комплекс GLOW

Основные моменты GLOW:

— GLOW мобильная система для определения вертикального профиля ветра с помощью доплеровского сдвига частоты, лазерный сигнал рассеивается обратно в направлении лидара. Измеряются профили скоростей и направления ветра.

— GLOW участник международных экспериментов таких как H2O Project (IHOP), the Groundwinds, NH Validation Experiment and HARGLO.

— Glow находится в настоящее время в Howard University.

— Т.к. лидар — мобильная система, платформой для него выбрана автомобильная база, которая предназначена для дневного и ночного режима работы. Сканирование по азимуту от 0 до 360 с фиксированным углом возвращения от 0 до 90 градусов.

Описание:

Измерение тропосферного ветра признано самым важным измерением для улучшения прогнозирования погоды. Ветровые параметры также необходимы для различных исследовательских целей, требуются знания процессов динамики атмосферы и транспортных исследований. The Goddard Lidar Observatory for

Winds (GLOW) является мобильной ветровой лидарной системой которая использует прямое обнаружение профилей ветра на расстоянии 35 км. GLOW мобильная лидарная система преследующая двойную цель: во-первых обеспечить измерение профиля ветра с поверхности в тропосфере для изучения в научных измерительных программах, а во-вторых как стенд для проверки производительности новых технологий и измерительной техники предлагаемых для будущих космических применений. В будущем ожидается наблюдение за космическими глобальными ветрами, бортовые и наземные исследования для изучения мезомасштабной динамики и атмосферных процессов.

Результаты работы GLOW:

— Разрешающий диапазон сканирования (PPI и RHI) радиальной скорости ветра.

— Вертикальные профили ветров, скорость и направление ветра.

— Зона распространения: от 0,1 до 30 км

— Минимальная разрешающая способность по дальности: 40 м.

— Погрешность измерения — от 0.5 до 3 мс.

Параметры GLOW:

— Длины волн: 1064 и 355 нм.

— Энергия лазера: 50 мДж.

— Частота повторения импульсов: 50 Гц.

— Диаметр телескопа 45 см.

— Поле зрения 0.2 мрад.

— Максимальный диапазон действия: 5 км

ZETHIR

Лазерная анемометрия была впервые разработана в 1970;е годы с использованием газовых лазеров, и до недавнего времени использовался как основной инструмент исследования. Тем не менее, системы на базе твердотельных источников на длине волны 1.55 мк, теперь доступны для автономного дистанционного измерения скорости ветра.

ZETHIR, названный в честь греческого бога ветра, определяет качество ветра с точки зрения скорости, турбулентности, направления. Результаты исследования могут быть быстро представлены, настроены и перераспределены, сохраняться на жесткий диск либо быть переданными. Требования к размещению отсутствуют, это устраняет любой риск при работе на высоте и позволяет разработчикам ветряных ферм и производителям турбин выполнять операции при любой погоде. Благодаря двойной стенке из стекла и армированного пластика ZETHIR можно использовать при больших перепадах температур как при -25 так и при +40 градусов.

Параметры:

— Минимальный диапазон-10 метров.

— Максимальный диапазон-200 метров.

— Расширенный диапазон-300 метров.

— Сканирование под углом 30 градусов.

— Диапазон скоростей от 1 мс до 70 мс.

— Точность направления менее 0.5 градусов.

— Потребляемая мощность 69 Вт.

Рис. 5 Лидарный комплекс ZETHIR

1.2 Анализ методов детектирования и выбор метода

Прямое детектирование

В устройствах прямого детектирования на фотокатод приёмника поступают только полезный оптич. сигнал и фоновое излучение. Для повышения уровня сигнала относительно уровня фона перед приёмником иногда помещают полосовой оптич. фильтр и усилитель. В результате прямого детектирования изменения интенсивности принимаемого излучения, усреднённые по времени за время (периода оптич. колебаний) и по площади фотокатода приёмника, преобразуются в изменения мощности выходного электрич. сигнала. В силу статистич. характера фотоэмиссии при детектировании возникает шум, характеризуемый неопределённостью числа фотоэлектронов, эмитируемых фотокатодом («фотонный шум»). Этот шум складывается с шумом фонового излучения и темнового тока, генерируемого внутри приёмника, а также с тепловыми шумами нагрузки. Эти шумы ограничивают чувствительность устройств Д. с. для выделения информативного параметра из дробовых и тепловых шумов выходной электрич. ток приёмника подаётся на обрабатывающее устройство радиочастотного диапазона, напр. НЧ-фильтр. Устройства прямого детектирования не чувствительны ни к частоте, ни к фазе, ни к углу падения на фотокатод несущей оптич. волны. Информативным параметром при прямом детектировании является только амплитудная модуляция несущей принимаемой волны.

Гетеродинное детектирование

Большое распространение метод гетеродинирования получил после создания лазеров. Высокая степень когерентности, монохроматичность и направленность лазерного излучения позволяют получать высокую эффективность гетеродинирования со сверхвысоким частотным разрешением выходного сигнала (R~1014), что особенно важно в лазерной спектроскопии светорассеяния. В гетеродинных спектрометрах рассеянное на исследуемом образце лазерное излучение смешивается с опорным излучением, в качестве которого обычно используется либо часть излучения зондирующего лазера, либо излучение другого — гетеродинного лазера, привязанного по частоте к зондирующему.

Проведя сравнительный анализ двух заданных систем, для нашей установки, работающей на длине волны 355 нм, наиболее выгодным является метод прямого детектирования. Также, лидары с прямым приемом сигнала наиболее просты в реализации, и соответственно, являются более доступными в материальном аспекте. Гетеродинное детектирование в техническом отношении намного сложнее, для него характерна большая чувствительность, дискриминация фоновых помех. Серьёзным недостатком этого метода является существенная зависимость величины сигнала на выходе фотоприёмника от характеристик трассы.

1.3 Особенности разрабатываемой конструкции

Проведя анализ существующих лидарных систем, которые используются для зондирования атмосферы, было определено, что наиболее распространены мобильные системы зондирования. Максимальный диапазон их действия не велик. Следовательно, хотелось бы получить результаты исследований на более максимальном расстоянии, что могло бы внести большую ясность в вопросе о воздушной безопасности. Для достижения поставленной цели, нами были выбраны следующие особенности конструкции:

— Вид системы — стационарный.

— Диапазон распространения — 15 км.

— Метод прямого детектирования.

— Рабочая длина волны — 355 нм.

— Диаметр телескопа — 0,5 м.

Нами был сделан выбор в пользу стационарного базирования нашей системы так как мы сразу можем пренебречь некоторыми габаритным размерами для нашей конструкции. Мы можем не заострять внимание на разработке каких либо механизмов для перевозки нашей системы, как например если бы перед нами стояла задачи разработки мобильного комплекса. 15 километров и более это те высоты где тоже очень важна воздушная безопасность. Нами был сделан выбор в пользу прямого детектирования, его преимущества перед гетеродинным детектированием выглядят следующим образом:

— Простота конструкция, отсюда финансовый аспект

— На коротких длинах волн большие значения частот и применение гетеродинного детектирования просто нецелесообразно.

— Нами выбрана длина волны 355 нм т.к. для нас важно получить как можно большее значение эффективности обратного рассеяния, которое пропорционально л^-4.

— Диаметр телескопа выбран 0,5 м это минимальный диаметр которого достаточно для трассы в 15 км. Возможен выбор и большего диаметра, но финансово это будет не оправдано затратно.

1.4 Схема установки

Рис. 6.

Обозначения на схеме:

СД (beam splitter) — светоделитель.

M1, M2 и M3 — зеркала.

ИФ (interference filter) — интерференционный фильтр.

ДКВМ (Energy monitor detector) — Детектор контроля выходной мощности.

ПР — приемник.

Ветровые доплеровские лидары прямого детектирования были построены в Марте 2004 г. в Анхуйском институте оптики и точной механики в Китае. Лидарная система состоит из трех частей: передатчика, приемника и конролирующей подсистемы, как показано на рисунке 1. Лазерный пучок из стационарного Nd: YAG импульсного лазера, расширяется 8x экспандером, чтобы сократить расходимость пучка до 0,1 мрад, отражается от зеркала M2 и направляется в атмосферу через двухизмерительный сканер. Полученный обратно рассеянный свет поступает обратно на приемник через телескоп диаметром 500 мм, а затем через мультимодовое оптоволокно толщиной 100 мкм, проходит через интерференционный фильтр (ИФ) с пропускной способностью 0,5 нм. Свет разделяется на 2 пучка 80/20 светоделителем (СД), 80% направляется на двойной эталон Фабри — Перо (на каждый эталон приходится одинаковая интенсивность) и затем направляется на приемники. А остальные 20% света поступают на приемник контроля входной мощности, для контроля за величиной вернувшегося рассеянного света. Операции связанные с работой лазера, XY сканера и согласованием эталонов контролируются персональным компьютером через интерфейс RS232.

Параметры частотного детектора (двойного эталона) выставляются с учетом динамического диапазона, оптимизируется чувствительность и интенсивность обратно рассеянного света. 2 ой эталон выполнен в форме буквы D, в форме полуокружности для каждого канала, как показано на рисунке 2. Спектральное разрешение в 30 м и максимальный радиус обнаружения 10 км это параметры задаваемые пультом управления.

Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) электровакуумный прибор, в котором поток электронов, эмитируемый фотокатодом под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 105 раз и выше). Впервые был предложен и разработан Л. А. Кубецким в 1930;34.

Для счёта сцинтилляций обычно используются два типа фотоумножителей: с круговой электростатической фокусировкой и линейные электростатические без фокусировки. В умножителях первого типа диноды расположены по кругу; они представляют собой пластины, выгнутые в форме корыт. Другой тип ФЭУ имеет ряд параллельных динодов, состоящих из узких твёрдых активированных полос, расположенных в форме жалюзи.

Рис. 7 Упрощенное устройство ФЭУ

Рис. 8 Внешний вид ФЭУ

Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной частицы, по светопроводу достигают ФЭУ и через его стеклянную стенку попадают на фотокатод. ФЭУ представляет собой баллон, внутри которого в вакууме располагается фотокатод и система последовательных динодов, находящихся под положительным увеличивающимся от динода к диноду электрическим потенциалом.

Рис. 9. Схема, иллюстрирующая принцип действия сцинтилляционного счётчика с фотоумножителем

Для целей спектрометрии ядерных излучений фотокатод обычно располагается на внутренней поверхности плоской торцевой части баллона ФЭУ. В качестве материала фотокатода выбирается вещество достаточно чувствительное к свету, испускаемому сцинтилляторами. Наибольшее распространение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды, максимум спектральной чувствительности которых лежит при л= 3900−4200 А, что соответствует максимумам спектров люминесценции многих сцинтилляторов. Одной из характеристик фотокатода является его квантовый выход в, т. е. вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод. Величина e может достигать 10−20%. Свойства фотокатода характеризуются также интегральной чувствительностью, представляющей собой отношение фототока (мка) к падающему на фотокатод световому потоку (лм).

Рис. 10 Устройство ФЭУ

Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрачного слоя. Существенна толщина этого слоя. С одной стороны, для большого поглощения света она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие фотоэлектроны, обладая очень малой энергией не смогут выходить из толстого слоя и эффективный квантовый выход может оказаться малым. Поэтому подбирается оптимальная толщина фотокатода. Существенно также обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувствительность была одинакова на всей площади. В сцинтилляционной г-спектрометрии часто необходимо использовать твердые сцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру. Поэтому возникает необходимость изготавливать ФЭУ с большими диаметрами фотокатодов. В отечественных ФЭУ фотокатоды делаются с диаметром от нескольких сантиметров до 15ё20 см. фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод. Для этой цели используется система электростатических линз, которые представляют собой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения хороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую систему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временным разбросом. На Рис. 3 приведено схематическое устройство фотоэлектронного умножителя. Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным полюсом присоединяется к катоду и распределяется между всеми электродами. Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспечивает фокусировку фотоэлектронов на первый умножающий электрод. Умножающие электроды носят название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной эмиссии которых больше единицы (s>1). В отечественных ФЭУ диноды изготовляются либо в виде корытообразной формы (Рис. 10), либо в виде жалюзи. В обоих случаях диноды располагаются в линию. Возможно также и кольцеобразное расположение динодов. ФЭУ с кольцеобразной системой динодов обладают лучшими временными характеристиками. Эмитирующим слоем динодов является слой из сурьмы и цезия или слой из специальных сплавов. Максимальное значение s для сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энергии электронов 350−400 эВ, а для сплавных эмиттеров — при 500−550 эВ. В первом случае s= 12ё14, во втором s=7ё10. В рабочих режимах ФЭУ значение s несколько меньше. Достаточно хорошим коэффициентом вторичной эмиссии является s= 5. Фотоэлектроны, сфокусированные на первый динод, выбивают из него вторичные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на второй динод, где также выбивают вторичные электроны и т. д., от динода к диноду, число электронов увеличивается в s раз.

Рис. 11. Схема умножения потоков электронов в ФЭУ: 1 — источник ядерного излучения; 2 — фосфор; 3 — фотокатод ФЭУ; 4 — диноды; 5 — анод

При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5−7 порядков и попадает на анод — собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает импульс напряжения.

В результате фотоэффекта из фотокатода вылетают электроны, которые затем, ускоряясь в электрическом полем, направляются на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Обычно коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона) составляет 105−106, но может достигать и 109, что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс. Временнoе разрешение ФЭУ составляет 10^-8 -10^-9 с. ФЭУ, предназначенные для сцинтилляционного счётчика, должны обладать высокой эффективностью фотокатода (до 2,5%), высоким коэффициентом усиления (10⁸), малым временем собирания электронов (~ 10^-8) сек) при высокой стабильности этого времени. Последнее позволяет достичь разрешающей способности по времени порядка 10^-9 сек. Высокий коэффициент усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собственных шумов делает возможной регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Сигнал на аноде ФЭУ может достигать 100 В.

Рис. 12. Принципиальная схема ФЭУ

Рис. 13. Схема сцинтилляционного счётчика: канты света (фотоны) «выбивают» электроны с фотокатода; двигаясь от динода к диноду, электронная лавина размножается

Рис. 14. Электрическая схема ФЭУ

1.5 Режимы приема сигнала

Аналоговый режим и цифровой режим (режим счета фотонов)

В обычных приложениях выходные импульсы, передаваемые фотоэлектронами на приемник, не фиксируются как отдельные, но воспринимаются как единый аналоговый сигнал созданный множеством импульсов (так называемый аналоговый режим).

Рис. 15. Изображение общего числа падающих фотонов, образовавшихся фотоэлектронов, принятых импульсов и результирующего сигнала в аналоговом режиме и режиме счета фотонов

В этом случае общее число фотонов падающих на ФЭУ в единицу времени это (1) на рисунке 15, а результирующее число фотоэлектронов излученных из фотокатода это цифра (2). Фотоэлектроны умножаются динодами и затем выводятся на анод в качестве выходных импульсов (3).В этот момент когда интервал между импульсами Уже, чем ширина каждого импульса или процесс обработки сигнала не достаточно быстр, отдельные выходные импульсы перекрывают друг друга и в конце концов могут быть восприняты как электрический сигнал с шумовыми флуктуациями (4).

В противоположность этому когда интенсивность света становится настолько мала что отдельные фотоны могут быть выделены как на (5), выходные импульсы собираемые на аноде становятся так же дискретными (7). Это состояние называется «одиночное фотоэлектронное состояние». Число выходных импульсов прямо пропорционально количеству падающего света и режим счета фотонов имеет преимущество в отношении сигнал-шум и стабильности, по отношению к аналоговому режиму, в котором все импульсы усредняются.

Этот режим называется «режим счета фотонов». Когда распознанные импульсы преобразуются в двоичный сигнал, режим счета фотонов можно называть цифровым режимом.

Принцип счета фотонов

Одним из важных факторов в счете фотонов является квантовая эффективность (QE). Это вероятность производства фотоэлектрона когда один фотон падает на фотокатод. Так как один падающий фотон может породить только один фотоэлектрон, то квантовая эффективность можно так же описать как доля среднего числа излученных электронов в единицу времени к среднему числу падающих фотонов.

Рис. 16. Процесс размножения фотоэлектронов в ФЭУ

Фотоэлектроны излученные с фотокатода собираются и на первом диноде для производства вторичных электронов, в то же время некоторые из этих электронов могут не попасть на первый динод или отклониться от их нормальной траектории, таким образом они не будут размножены. Эффективность сбора фотоэлектронов называют «эффективностью сбора» (CE). В дополнение, доля полученного полезного сигнала (число выходных импульсов) по отношению к числу падающих фотонов, называется «эффективность обнаружения» или «эффективность счета» (DE) и описывается следующим выражением:

DE = Nd / Np = з б (1)

здесь,

Nd — число выходных импульсов,

Np — число падающих фотонов,

з — квантовая эффективность фотокатода (QE),

б — эффективность сбора (CE).

Эффективность обнаружения так же зависит от порогового уровня достаточного для перевода выходных импульсов в двоичный сигнал. Так как число вторичных электронов испущенных из первого динода варьируется от нескольких до около 20 по отношению к одному электрону в фотокатоде. Они могут быть описаны распределением Пуассона, тогда число вторичных электронов примет значение доли вторичной электронной эмиссии д. Это подтверждает истинность умножительных процессов в каждом последовательном диноде. В частности для ФЭУ имеющего n уровней динодов единственный фотоэлектрон из фотокатода умножается на, создавая группу электронов, которые доставляются на анод в качестве выходного импульса. В этом процессе высота каждого выходного импульса, принятого анодом зависит от колебаний в процессе вторичной электронной эмиссии, таким образом она отличается от импульса к импульсу (рисунок 17).

Рис. 17. Зависимость высоты принятых импульсов от эффективности размножения фотоэлектронов и числа фотоэлектронов участвующих в процессе

Другие причины, почему высоты отдельных импульсов отличаются друг от друга это различие усилений на каждом диноде, а так же некоторые отклоненные электроны которые не участвуют в нормальном умножительном процессе. Рисунок 17 показывает гистограмму высот импульсов на аноде. Этот график известен как распределение высот импульсов (PHD).

Как показано на рисунке 17, колебания в процессе вторичной электронной эмиссии и число фотоэлектронов, участвующих в процессе, проинтегрированы по времени и представлены как единая картина распределения высот импульсов. Абсцисса этого графика обозначает высоту импульса зависящую от заряда (числа электронов собранных в электронной группе) или напряжения импульса произведенного группой электронов. Это главным образом выражено числом каналов используемых для распознавания импульса в мульти канальном анализаторе.

Рисунок 18 (а) показывает распределение высот импульсов, когда оно зависит только от интенсивности падающего света и процессов происходящих с фотоэлектронами. А рисунок 18 (б), когда меняется прикладываемое к ФЭУ напряжение.

Ординаты это частота выходных импульсов от которых зависит определенная высота в отведенное время. Поэтому распределение зависит от времени или числа падающих за это время фотонов.

Рис. 18 (а). Распределение высот импульсов при отсутствии прикладываемого дополнительного напряжения

Рис. 18 (б). Распределение высот импульсов при приложенном дополнительном напряжении

Как замечено выше абсцисса показывает высоту импульса, которая пропорциональна производительности ФЭУ и также является функцией напряжения прикладываемого к ФЭУ. Это значит, когда прикладываемое напряжение меняется, то распределение высот импульса сдвигается по ординате, но общее число импульсов остается постоянным.

Операции и характеристики режима счета фотонов

Этот раздел описывает последовательные схемы используемые в режиме счета фотонов и базовые характеристики измерений производимых в этом режиме.

Фотонный счетчик и мультиканальный анализатор высот импульсов

Существует 2 метода получения сигнала в режиме счета фотонов: первый использует фотонный счетчик, а второй мультиканальный анализатор импульсов (MCA). Рисунок 19 показывает последовательные схемы каждого метода и значения импульсов получаемых в результате обработки сигнала.

В системе использующей фотонный счетчик (Рисунок 19 (а)) выходные импульсы из ФЭУ усиливаются первичным усилителем. Затем эти усиленные импульсы направляются на частотный детектор, он сравнивает полученные импульсы с заданным значением напряжения, чтобы разделить их на 2 группы. Первая группа ниже, а вторая группа выше, чем заданное напряжение. Первая группа направляется на частотный детектор нижнего уровня (ДНУ), а вторая группа направляется на частотный детектор высшего уровня (ДВУ). Сигналы преобразуются в квадратные импульсы постоянной длительности (TTL либо CMOS преобразования). Это преобразование осуществляется при помощи компаратора (устройство для сравнения величин с эталоном). Эти квадратные импульсы поступают на счетчики, где происходит их распознавание.

В противоположность этому в системе с MCA, показанной на рисунке 19 (б), выходные импульсы из ФЭУ, как правило, суммируются с помощью зарядочувствительного усилителя, усиливаются и формируются с помощью линейного усилителя. Эти импульсы распределяются по своим высотам частотным детектором и затем преобразуются из аналоговых в цифровые. Они окончательно закрепляются в памяти и отображаются на экране. Эта система необходима для получения информации о высоте импульса и частоте (числе импульсов) одновременно, что мы можем видеть на рисунке.

Система со счетчиком фотонов используется для вычисления числа выходных импульсов из ФЭУ соответствующих числу падающих фотонов,

В то время как система MCA используется для вычисления высоты каждого импульса и числа выходных импульсов одновременно.

Первая система со счетчиком более эффективна в скорости счета, поэтому она используется для операций общего назначения. Вторая работает медленнее, но может быть использована для операций когда необходимо проанализировать высоту импульса.

Рис. 19 (а) Схема работы приемника с фотонным счетчиком

Рис. 19 (б) Схема работы приемника с мультиканальным анализатором высот

1.6 Эталон Фабри — Перо

доплеровский лидар вихревый сигнал

Эталон Фабри — Перо является ключевым элементом интерферометра Фабри — Перо — прибора высокого спектрального разрешения. Его важным отличием от обычных дифракционных спектрографов является отсутствие элементов, разлагающих свет в спектр, и отсутствие щели. Интерферометр широко применяется для исследования источников самой различной яркости с эмиссионным (реже — с абсорбционным) спектром. Особенно эффективно использование интерферометра для одновременного получения спектров и измерения доплеровских скоростей большого количества областей протяженного источника (солнечная корона, газовая эмиссионная туманность, галактика).

Для получения спектра с высокой разрешающей силой в «классических» дифракционных спектрографах требуется использование как можно более узкой щели, минимальная ширина которой (нормальная ширина щели) соответствует дифракционному пределу как коллиматора, так и объектива телескопа. Однако на практике при наблюдении астрономических объектов (за исключением деталей на диске Солнца) щель приходится расширять, поскольку размер отдельных элементов изображения источников существенно превышает дифракционный, и элемент изображения в фокальной плоскости телескопа превышает нормальную ширину щели. А расширение щели снижает спектральное разрешение спектрографа, так что оно оказывается значительно ниже предельно возможного. При этом, чем больше размер объектива телескопа, тем (при данном качестве изображения) больше проигрыш, поскольку с ростом диаметра объектива возрастает и отношение углового размера изображения точечного источника к дифракционному пределу объектива.

В отличие от «классического» спектрографа, эталон Фабри-Перо не требует узкой щели, что позволяет более полно использовать световой поток от исследуемых источников. Этот прибор не разлагает свет на спектр; он только пропускает (или не пропускает) свет определённых длин волн, значения которых зависят от угла падения света на его пластины. Эталон работает на принципе многолучевой интерференции, которая происходит в воздушном промежутке между двумя зеркальными полупрозрачными пластинками.

Рис. 20.

Устройство эталона предельно просто. Воздушный промежуток толщиной h (см. рис. 20) ограничен стеклянными пластинами, несущими зеркала и. Зеркала полупрозрачны, так что часть света отражается от них, а часть проходит без отражения. При использовании для астрономических наблюдений эталон обычно ставится за фокальной плоскостью объектива, в выходном зрачке линзы, преобразующей расходящийся пучок от бесконечно удаленного точечного источника, в параллельный. Поэтому от каждой точки наблюдаемого протяженного источника на эталон падает параллельный пучек лучей, интерферирующих между собой в результате отражения от зеркальных поверхностей. Большое число интерферирующих лучей с медленно спадающей интенсивностью получается за счёт высокого коэффициента отражения зеркальных слоев.

В интерферометре Фабри — Перо за эталоном располагается линза, которая строит изображение источника на поверхности детектора. В роли последнего обычно используется ПЗС — матрица (ранее использовался ЭОП). Если на пластину эталона падает монохроматический свет под всевозможными углами к ее плоскости (случай протяженного источника света), то на выходе создаются кольца равного наклона, каждое из которых соответствует своему порядку интерференции. Для света с непрерывным спектром все интерференционные полосы будут, естественно, замыты. Каждой длине волны соответствует своя система интерференционных колец. Поэтому для избежания наложения колец от разных эмиссионных линий свет пропускают через узкий интерференционный фильтр, выделяющий излучение только в выбранной спектральной линии.

Обозначим фазу световых колебаний через. При интерференции разность фаз каждой пары интерферирующих лучей ДФ = 2рд/л, где д — разность хода между соседними лучами, равная 2hcosц.

Обычно принимается, что показатель преломления n вне пластин и между ними равен единице. В общем случае, здесь и ниже можно заменить h на n•h.

Из условия д = mл, где m — целое число (порядок интерференции), получаем основное уравнение интерферометра (условие максимумов):

; (2)

В проходящем или отраженном монохроматическом рассеянном свете (то есть свете, падающим под различными углами к плоскости пластин), эталон создает систему тонких колец равного наклона, локализованных в бесконечности, которые можно наблюдать, построив их изображение на экране с помощью линзы., свет перед ЭОПом проходит через интерференционный фильтр, пропускающий излучение только в выбранной спектральной линии.

Важнейшими характеристиками эталона и создаваемой им интерференционной картины являются:

— расстояние между пластинами,

— Коэффициент отражения зеркал,

— угловая дисперсия,

— спектральное разрешение на данной длине волны,

— величина спектрального интервала, свободного от перекрытия порядков (область свободной дисперсии),

— размер центрального пятна.

Эти параметры предстоит оценить в настоящей задаче.

Рассмотрим их подробнее.

Для получения угловой дисперсии эталона продифференцируем основное уравнение интерферометра:

;

откуда для угловой дисперсии получаем:

; (3)

Из этой формулы следует важный практический вывод: по мере удаления от центра интерференционной картины угловая дисперсия быстро уменьшается.

Угловое расстояние между кольцами (то есть между соседними порядками) получается дифференцированием уравнения (2) по m. При изменении порядка интерференции на единицу, т. е. при m=1

; (4)

Линейный радиус кольца, образуемого объективом камеры, определяется из формулы, где F — фокусное расстояние объектива камеры, ц? — угол наклона лучей к оптической оси (пластины эталона предполагаются расположенными перпендикулярно оптической оси). Линейное расстояние между кольцами получается дифференцированием этой формулы по ц:. Подставив Дц из уравнения (4), получим:

.

Так как в реальных условиях использования эталона и cosц = 1, то для связи h радиусом и расстоянием между кольцами получаем следующее простое уравнение:

(5)

Это уравнение можно использовать для оценки расстояния между пластинами эталона.

Однако более удобно для этой цели измерить последовательное изменение радиусов колец с изменением порядка интерференции.

Для этого воспользуемся приближением малых углов: cos ц = (1-ц2/2). Тогда условие максимумов интерференционной картины запишется следующим образом:

2h-hц2 = mл,

откуда модуль производной

|d (ц2)/dm| = л/h, или

d (r2) = (F2л/h)•|dm|. (6)

Если на графике последовательно откладывать по одной оси квадрат радиуса колец (начиная от центра картины), а по другой — порядковый номер кольца, отсчитываемый от центрального кольца (пятна), то наклон зависимости будет равен отношению F2л/h, что дает возможность оценить расстояние между пластинами.

Коэффициент отражения пластин и спектральное разрешение интерферометра. Спектральное разрешение будет тем выше, чем более узкими будут интерференционные кольца.

Введём обозначения: — интенсивность падающего на эталон света, при отсутствии щели, которая необходима в обычных спектрографах, Iц, линтенсивность падающего света в зависимости от угла наклона к оптической оси и длины волны л; R, T, A — коэффициенты отражения, пропускания и поглощения зеркального слоя. Они связаны очевидным соотношением:

R + T + A = 1;

Интенсивность прошедшего через эталон света описывается выражением:

; (7)

Максимумам пропускания соответствует условие .

Интенсивность в максимуме получается из формулы (7):

; (8)

Если A<

Из уравнений (7,8) следует соотношение для фотометрического профиля кольца:

; (9)

При увеличении R от 0.6 до 0.95 ширина инструментального контура интерференции уменьшается в 8 раз. Следовательно, во столько же раз увеличивается спектральная разрешающая сила. Величина коэффициента пропускания не влияет на разрешающую силу. Зеркала с многослойными диэлектрическими покрытиями позволили с большой эффективностью применять эталоны Фабри-Перо в различных задачах экспериментальной астрофизики. Это обусловлено малыми световыми потерями в таких эталонах, что очень важно в астрономии.

Угловая ширина колец в монохроматическом свете, или разрешаемый спектральный интервал, получается из выражения (9), если считать, что ширина максимума измеряется по уровню, где. Тогда для угловой ширины максимума получаем:

; (10)

или, используя (4)

. (11)

Таким образом, отношение ширины кольца к расстоянию между соседними кольцами определяется коэффициентом отражения зеркального покрытия.

Число, равное:

; (12)

называется эффективным числом интерферирующих лучей. Чем оно выше, тем лучше спектральное разрешение эталона.

Выразим ширину кольца дц в единицах длин волн. Используя уравнения для угловой дисперсии (3) и r=F•tgц, получаем:

|дл| = дц•лtgц = л•дr•r•cos2ц/F2 (13)

Разрешающая сила эталона Фабри-Перо равна:

(14)

Ширина области дисперсии определяется расстоянием между соседними максимумами (кольцами), выраженным в длинах волн. Эту величину можно найти из условия одинакового угла ц, соответствующего максимумам m и m+1 порядка для длин волн л и л+?л соответственно (уравнение (2)):

(15а)

Наибольший порядок интерференции достигается при л = л+?л, т. е. в центре интерференционной картины:, чему соответствует минимальное значение

.

В общем случае,

. (15b)

Это же выражение может быть получено из уравнений для угловой дисперсии и для углового расстояния между кольцами (уравнения (3) и (4)).

Область дисперсии определяет ширину спектрального диапазона, который может быть исследован в данном порядке интерференции. В реальной ситуации в этот интервал могут попасть и такие спектральные линии, которые отличаются от выбранной линии на величину, превышающую, но они будут относиться уже к другому порядку интерференции. Величина называется также областью свободной дисперсии.

Как уже говорилось, достаточно узкий интерференционный фильтр на пути лучей позволяет «вырезать» выбранную спектральную линию и избежать наложения колец, связанных с различными линиями в разных порядках. Однако, иногда желательно получить одновременно информацию в нескольких близких линиях (например, Hб и [NII]). Для этого можно подобрать расстояние между пластинами такими, что в интересующем нас участке поля будут раздельно видны максимально разнесенные кольца, относящиеся к двум разным линиям, но наблюдаемым в разных порядках интерференции. Оптимальным образом этому соответствует условие

mл1 = (m+½+k)л2, где k — целое число.

При таком подходе оказывается возможным, например, получить поле скоростей объекта сразу в двух различных линиях.

Если в центре интерференционной картины, образуемой при освещении эталона рассеянным светом в узкой спектральной полосе, выполняется условие максимума, то там будет наблюдаться светлое пятно конечного размера. Его угловой размер называют размером центрального пятна. «Вырезая» его диафрагмой в фокальной плоскости объектива и перебрасывая свет линзой на приемник излучения, мы можем наблюдать через эталон объект малого (не больше чем размер диафрагмы) углового размера. В этом случае эталон можно рассматривать как очень узкий интерференционный фильтр, пропускающий свет только тех длин волн, которым соответствует условие максимума.

Найдем спектральную ширину такого фильтра. Пусть нам надо разделить две близкие линии с предельно малой разностью длин волн дл. В этом случае, когда для одной линии выполняется условия максимума в центре, излучение в другой линии образует кольцо, которое должно находиться за пределами диафрагмы. Если, А <<1 — угловой радиус диафрагмы, то для первой и второй линии имеем:

mл = 2h

m (л-дл) = 2hcosц = 2h (1-A2/2),

откуда А2 = 2m•дл/h, или, поскольку m = 2h/л,

A = (2дл/л) ½ (16)

Даже при диафрагме диаметром в несколько угловых минут (в сотни раз больше размера щели, обычно устанавливаемого на звездных спектрографах) может быть реализовано очень высокое спектральное разрешение Rл ?106. Это делает эталон особенно ценным прибором при исследовании эмиссионного излучения как звезд, так и протяженных источников, позволяя использовать больший поток света.

1.7 Выбор компонентов оптической системы

Выбор источника излучения

В качестве источника излучения необходимо выбрать мощный твердотельный Nd: YAG лазер с полупроводниковой накачкой.

Требования предъявляемые к лазеру:

— длина волны 355 нм

— энергия лазера? 100 мДж/импульс

— частота лазера 50 ГЦ

— расходимость пучка? 0,1 мрад

Выбираем лазер Powerlite DLS 8050 фирмы Continuum.

Рис. 21 внешний вид лазера

Основные параметры лазера приведены в таблице 1

Таблица 1. «Свойства лазера»

Рис. 22 Блок питания лазера

Таблица 2. Параметры блока питания

Выбор приемника излучения

Необходимо выбрать два приемника излучения на основе ФЭУ: один для работы в аналоговом режиме, второй для работы в режиме счета фотонов. Для работы в режиме счета фотонов, необходим модуль ФЭУ с установленным предусилителем. Приемники должны обеспечивать высокую оптическую (~60%) и квантовую (~18%) эффективность приёма сигнала и работать на длине волны 355 нм.

Для работы в аналоговом режиме выберем ФЭУ Hamamatsu R7446.

Рис. 23 Внешний вид ФЭУ R7446

Основные параметры приведены в таблице 3:

Для работы в режиме счета фотонов выберем приемник Hamamatsu H5696−01. Это модуль ФЭУ со встроенным предусилителем, который позволит обрабатывать сигнал в режиме счета фотонов при небольшой интенсивности падающего света.

Рис. 24 Внешний вид модуля ФЭУ

Основные параметры приведены в таблице

Таблица 4 Основные параметры Hamamatsu H9656−01

Выводы по конструкторскому разделу:

1. Были рассмотрены существующие аналоги доплеровских лидаров.

2. Были выбраны источник и приемник излучения.

3. Были рассмотрены основные принципы работы компонентов нашей системы.

2. Технологический раздел

В технологическом разделе стоит задача описать метод изготовления и юстировки главного зеркала телескопа. Данное зеркало является ключевым оптическим элементом в схеме ветрового лидара, т.к. служит для передачи луча в атмосферу и транспортировки вернувшегося сигнала на приемники.

2.1 Методы сборки зеркал

Методы сборки зеркал располагаются по убывающей производительности труда сборочных работ в следующем порядке:

— с полной взаимозаменяемостью;

— с неполной взаимозаменяемостью;

— с групповой взаимозаменяемостью;

— с регулировкой компенсаторами;

— с результативной обработкой или механизированной пригонкой;

— с пригонкой индивидуальной, выполняемой вручную.

Сборка неподвижных зеркал

При сборке неподвижных зеркал необходимо обеспечить: 1) угол излома визирной оси (рис. 1 и 2); 2) отсутствие натяжении в больших призмах и пирамидальности в них; 3) заданные размеры свободных отверстий деталей;

Рис. 1.

4) симметричность свободных отверстий деталей относительно оси системы; 5) наклон изображения в пределах допуска; 6) при установке деталей между объективом и сеткой центрировку системы в допуске; 7) разрешающую силу (при сборке призм).

Наиболее просто собираются неподвижные зеркала и призмы наблюдательных труб (рис. 2 а и б), установленные перед объективом в параллельных пучках лучей.

Зеркала кладутся на опорные плоскости R корпуса и прижимаются к ним крышкой 3 — посредством четырех или трех винтов4 либо плоской пружиной, А (рис 3, б).

Рис. 2.

Иногда между зеркалом и крышкой помещают картонную или пресс-шпановую прокладку 5 (рис 1, а). Аналогично собираются призмы, например при помощи прижимной планки 1, пружины 2 и крышки 3 (рис 1, б).

Перёмещение зеркал по стрелкам в, б, г для узлов, представленных на рис. 1, не вызывает какой-либо деюстировки прибора. Поворот зеркала по стрелке, а вызывает постоянную ошибку угла, которая для наблюдательных труб не имеет значения, а для прицельных может быть учтена при установке нуля шкалы углов, прицеливания при пристрелке оружия. В-этом же случае перемещения деталей могут привести к срезанию наклонных пучков лучей.

Поворот зеркала вокруг оси Z вызывает наклон изображения. Все юстировочные повороты и смещения зеркала могут быть осуществлены только припиловкой опорных поверхностей оправы или установкой прокладок (например, 6, рис. 1, разрез АВ) между этими поверхностями и оптическими деталями. Это нежелательно, так как в условиях эксплуатации прибора, например при тряске, прокладка может сместиться, а прибор разъюстироваться.