Разработка оптико-электронной схемы оптической приемной системы стационарного поста СП-2

Разработка оптико-электронной схемы оптической приемной системы стационарного поста СП-2

1. Оптическая схема приемо-передающего тракта

Оптическая схема приемного тракта изображена на рис.

+/

Рис. Оптическая схема приемного тракта стационарного поста СП-2.

оптическая схема телескоп излучение фотоприемный

Оптическая приемная система состоит из следующих основных элементов:

1- Большого диагонального зеркала (1).

2- Телескопа — для приема обратно рассеянного излучения.

3- Фото приемного блока (анализатора) с оптическими элементами.

Приемный телескоп предназначен для приема излучения, рассеянного атмосферой, и передачи ее в анализатор. Телескоп представляет собой объектив, состоящий из большого сферического зеркала (2), компенсатора (3), диагонального зеркала (4).

Излучение лазера, рассеянное аэрозолем атмосферы в обратном направлении, поступает на большое диагональное зеркало (1), отражаясь от него излучение, попадает на апертуру приемного телескопа (сферическое зеркало) (2). Далее излучение, пройдя компенсатор (3) и отразившись от диагонального зеркала (4), фокусируется в фокальной плоскости объектива телескопа, где установлена диафрагма поля зрения (5), и проходя через оптические элементы попадает в фотоприемник.

Требуемые технические характеристики лидара:

разрешение системы по дальности — 30 м;

максимальная дальность зондирования (при МДВ=20 км) — 12 км

— обнаружение аэрозольных выбросов с уровнем превышения мутности над фоном в 3 раза.

Для решения поставленных задач проведена оценка и выбор основных параметров приемо-передатчика. При выборе длины волны зондирования учитывалось наилучшее пропускание атмосферы и отсутствие спектральных линий поглощения газовых примесей атмосферы на длине волны зондирования, а также наличие надежных излучателей и чувствительные малошумящих приемников. Энергия импульса излучателя определяется действующими СНиП и пересчитывается с учетом допустимой плотности мощности излучения. Для повышения отношения сигнал/шум целесообразно увеличение частоты следования импульсов, однако, повышен частоты следования импульсов более чем 5 кГц (что соответствует максимальной дальности зондирования 30 км) нежелательно, в связи с возможным возникновением наложения принимаемых сигналов. Для реализации оптимального приема излучения целесообразно использовать излучатель с наименьшей выходной расходимостью излучения. Сопоставление исходных данных позволяет сформулировать технические характеристики излучателя:

1. длина волны — 532 нм;

2. энергия импульса — 20 мДж;

3. частотой следования импульса — не менее 100 Гц;

4. расходимость излучения на выходе лазера — < 2 мрад (после 14^х расширяющего телескопа < 0,3 м Рад);

5. длительность импульса 15 нс.

Характеристики приемного канала определяются условием оптимального приема рассеянного назад лазерного излучения при максимальной эффективности подавления фоновой засветки. Наиболее важным параметром системы является диаметр приемной апертуры. В большинстве лидарных систем используются диаметры около 0,4 м, что обусловлено экспериментальными результатами подтвердившими, что увеличение апертуры более чем в 2−3 раза по сравнению с радиусом первой зоны Френеля (хL, где Х-длина волны, L-расстояние до отражателя) не дает существенного прироста эффективности принимаемого излучения, что обусловлено флуктуациями амплитуды эхо-сигнала. Например, для дальности 10 км на длине волны 0,532 нм радиус первой зоны Френеля равен 0,0725 м. Выбор интерференционного фильтра отсекающего фоновую засветку определяется с одной стороны наибольшим пропусканием на рабочей длине волны с другой наибольшей эффективностью отсечки фоновой засветки. Полевая диафрагма, устанавливаемая перед фильтром, определяемая требуемым углом поля зрения системы, связанным с расходимостью зондирующего излучения и стабильностью его диаграммы направлености. Технические характеристики приемного канала:

1. диаметр приёмной апертуры — 400 мм;

2. ширина спектра пропускания интерференционного фильтра — 10 А;

3. пропускание ИФ на 532 нм — 50%;

4. тип фотоприемника — ФЭУ.

2. Особенности построения фотоприемного канала

Фотоприемный канал лидара выполняет функцию сбора лазерного излучения, отраженного от аэрозоля. Фото приемное устройство (ФПУ) содержит: ФЭУ, плату предварительного усилителя. ФПУ предназначено для преобразования отраженной атмосферой светового сигнала в электрические и их усиления для передачи по кабелю в систему регистрации и обработки сигнала.

На рис. показана упрощенная схема фото-приемного тракта аэрозольного лидара.

Рис. Фотоприемный канал лидара.

Фотоприемный канал содержит: пространственный фильтр (диафрагма поля зрения) (1); собирающие линзы (2), (4); интерференционный фильтр (3); фокусирующая линза, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) (5); плата предварительного усилителя с временной автоматической регулировкой усиления (ВАРУ) (6).

Принимаемый лазерный сигнал собирается приемным телескопическим объективом и далее попадает на пространственный фильтр (полевая диафрагма). Пространственный фильтр устанавливается в фокусе телескопа и служит для сбора полезного отраженного сигнала и отсечки фонового излучения от других источников излучения (например солнца). Размер полевой диафрагмы нужно выбирать исходя из расходимости лазерного пучка. Если диафрагма будет меньше чем угловая расходимость лазерного пучка, то на фотоприемник будет приходить крайне мало полезного сигнала, что затруднит его расшифровку и анализ состава исследуемого аэрозоля. Если же полевая диафрагма будет иметь размер больше, чем угловая расходимость лазерного пучка, то в месте с полезным сигналом на фотоприемник будет приходить излучение от других объектов и на фоне сильного шума будет крайне сложно произвести эффективный анализ и расшифровку полученного сигнала.

Осуществив пространственную фильтрацию полученого сигнала, нам нужно отфильтровать его по длинам волн. Для этого направим сигнал с полевой диафрагмы на интерференционный фильтр, т.к. этот фильтр работает только в параллейных лучах света, то в фокусе диафрагмы нужно поставить собирающую линзу 2, с помощью которой получим параллейный пучок света.

На рис. показан принцип действия интерференционного фильтра.

Рис. интерференция в многослойном диэлектрическом интерференционном фильтре.

Интерференционный фильтр — это многослойная диэлектрическая структура, через которую проходит излучение. В результате многократных отражений и пропусканий возникает явление интерференции. Только одна спектральная полоса, соответствующая определенной длине волны, интерферирует с усилением и поэтому проходит эту многослойную структуру без существенного ослабления. Схематически этот процесс изображен на рис.

После пространственной фильтрации полученного сигнала и фильтрации по длине волны, на которой работает лазер, полученное излучение нужно направить на фотоприемник. Чтобы сфокусировать параллельный пучок света от интерференционного фильтра на площадке Фотокатода ФЭУ нужно поставить собирающую линзу 4.

В качестве преобразователя световых сигналов используется умножитель фотоэлектронный ФЭУ-84. Питание ФЭУ осуществляется от высоковольтного источника питания 1500 В, питание платы предварительного усилителя 10 В, расположенных в отдельном блоке. Электрический сигнал с выхода ФЭУ усиливается на плате предварительного усилителя и по кабелю передается на АЦП.

3. Оценка энергетических параметров принимаемого излучения.

Упрощённую оценку уровня принимаемой энергии можно провести по формуле:

где:

Е₀ — энергия импульса Дж (0,02 Дж);

А_R — площадь приёмной апертуры м (0,12 м);

— разрешение системы по дальности. Минимальная величина, определяется длительностью импульса равняется 2,25 м (частота квантования 100 МГц соответствует 3 м); по ТЗ = 30 м;

— коэф. обратного рассеяния 1/м ср; для МДВ = 20 км; 2−6*

1/м^-1ср^-1 ;

- коэффициент ослабления 1/м; для МДВ = 20 км; а>2−10^-4 1/м;

R — дальность до измеряемого объёма максимальное значение 12 000 м.

При проведении лидарных измерений существует неопределённость параметров лидарного отношения вследствие которого возникает неточность определения, а и р. Это отношение также является функцией распределения частиц по размерам и коэффициентам преломления. Обычно |лежат в диапазоне: 0,01 ср^-1 < р_л/а< ОД ср^-1

т.о. меньше чем для Релеевского рассеяния /=1.5/4= 0,12 ср^-1

Ряд модельных экспериментов показал, что в видимом диапазоне

/=0,002−2-0,03 ср^-1.

В [Хинкли стр.110] проводится изменение и от атмосферных условий.

Таблица.

Исходя из выше сказанного величине энергии с участка 3 м на расстоянии 12 км при МДВ 20 км составит 1,64*1^-18 Дж (что соответствует энергии 4,5 фотонов), а с длины 30 м — соответственно 1,64*10^{, 17} Дж.

С учётом ослабления излучения на оптических элементах и интерференционном фильтре уровень энергии может быть менее 0,5*10¹⁷ Дж для 30 м или менее 15 фотонов.

Для оценки уровня фоновой засветки примем наибольшие значения яркости дневного неба рассеянным светом в диапазоне 532±1 нм при растении солнца в зените. Максимальный уровень фоновой засветки рассеянного солнечного излучения по данным Ивлева О. А составляет величину = 10⁶ Вт/см² с рад-нм.

В спектральном диапазоне ± 0,5 нм за период 100 нс (30 м); максимальная величина фоновой засветки составит 1,2*10^{, 6}Дж (300 фотонов) при величине полевой диафрагмы 1 мрад.

По соображениям увеличения стабильности сигнала при разъюстировке целесообразно увеличивать угол поля зрения приемника, однако, при увеличении угла поля зрения до 3 мрад величина фоновой засветки увеличится пропорционально квадрату диаметра диафрагмы и составит величину 2700 фотонов, что существенно снизит отношение сигнал/шум.

Очевидно, реальный уровень фона будет меньше вследствие потерь в оптике, идентичных потерям сигнала. Кроме того, указанного значения фон будет достигать лишь в наиболее солнечные дни и при максимальном угле места солнца.

Минимализацию фоновой засветки можно осуществить:

— уменьшением поля зрения до 0,5 мРад (уменьшение в 4 раза);

— установки поляризатора перед ФЭУ (уменьшение в 2 раза).

4. Технические требования к ФЭУ и АЦП.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать основные технические требования к приемнику на основе ФЭУ; и к плате АЦП:

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

Частота выборки > 10 МГц

Ширина полосы пропускания >10 МГц

Число битов оцифровки >12 бит Синхронизация внеш/внутр Входное напряжение 0 — +2 В Входное сопротивление 50 ом Передача данных по чтению готовности Запуск АЦП от внутреннего кварцевого генератора

(10 МГц) и от внешнего генератора

Частота выборки устанавливается настройкой от компьютера наличие буфера памяти.

Приемник на основе ФЭУ.

Динамический диапазон принимаемого

светового сигнала 10^-5 — 10^-11 Вт Выходное напряжение 0 — +2 В Выходное сопротивление 50 Ом Запуск внешний Закон изменения коэффициента усиления от времени t²

длительность строба >100мкс уровень шума на выходе блока >10^-12 Вт

5 Электрическая схема ФПУ.

Электрическая принципиальная схема ФПУ изображена на рис.

Перечень элементов устройства «Плата ФПУ-ФЭУ-84»

Выводы

Блок-схема и временные диаграммы системы приёма и оцифровки сигнала лидарного канала СП-2 приведены на рис. В качестве задающего источника импульсов используется генератор импульсов с той 100 Гц. По импульсу генератора (1) включаются лампы накачки лазерного излучателя, время задержки открывания электрооптического ра устанавливается внутренней линией задержки лазера. Импульс генератора, через линию задержки Л31 активизирует систему аналогово-цифрового преобразователя, который переходит в режим «готовность». В это время лазерный импульс посылается в атмосферу, часть излучения попадает на блок фотодиода ФД, который формирует сигнал запуска блок 1 ФЭУ (2), Система управления (СУ) ФЭУ по сигналу (2) формирует строб 5, задающий в аналоговом режиме коэффициент усиления ФЭУ, по которому модулируется усиление ФЭУ. Обратно рассеянное излучение пост, I прохождения полевой диафрагмы, коллимирующей линзы и интерференционного фильтра поступает на фотокатод ФЭУ, работающего токовом режиме. Сигнал с ФЭУ совмещается с прошедшим дифференцирующую цепь ДЦ сигналом ФД (4), после чего суммированный сигнал (5) поступает на АЦП, которое производит оцифровку сигнала и запись его во внутренний буфер памяти, считывание сигнала компьютером производится в течении последующих 400 мкс. Для считывания уровня фоновой засветки по первому импульсу производи несколько циклов работы ФЭУ. Запись в память компьютера времени регистрации импульса лазера через сигнал (4) позволяет с высокой точностью осуществить привязку лидарного сигнала аверному импульсу.