автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.20, диссертация на тему:Исследование влияния характеристик приемно-измерительного тракта КР-лидара на точность измерения параметров атмосферы

российская академия наук томский филиал сибирского отделения

РГ6 ОД институт оптики атмосферы ; ( О К Г Й53

На правах рукописи УДК 551.501.8; 621.383. 292

Шэлефонткк Дмитрий Иванович

исследование влияния характеристик • приешю-измерительного тракта кр-лидара на точность измерения параметров атшсферы

Специальность 05.12. 20 - "Оптические системы связи, локации и обработки информации. "

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТОМСК - 1993 Г.

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В. П. Денисов Официальные оппоненты:- доктор физико-математических наук, профессор Г. О.Задде кандидат технических наук, с. н. с. а II Сырямкин

Еедутая организация: Сибирский физико-технический институт.

Защита состоится олтяВра. 15эз г_

в 9 часов на заседании специализированного совета К. 063.05.02 в Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники.

Адрес: 634050, г.?смск, пр. Ленина, 40.

С диссертацией' ыозяо ознакомиться в библиотеке Тоыского . института автоматизированных систем управления и радиоэлектроники.

Автореферат разослан " 10" г?///??ЛЧУа1993 г. Ваши отзьшы в двух экземплярах, заверенное печатью, просим направлять в адрес института ученому секретари;.

Ученый секретарь специализированного совета,

ССгвд характеристика работы

Актуальность темы. Систем дистанционного лазерного зондирования атмосферы (лидары) являются перспективными средства»® исследования атмосферы а плане изучения процессов погодообразо-вания и контрой за гошюнентаыи индустриального происхоидения и распространением в атмосфере.

Вольсое разнообразие задач, решаемых при лазерном зондировании атмосферы разны),ш методами, обуславливает весьма широкий диапазон технических требований, предъявляет« к аппаратуре регистрации лидарных сигналов. Одним из основных требований является обеспеченно заданной точности измерения параметров ат- . иосферы. В особенности это актуально для метода, использующего явление комбинационного рассеяния (КР) лазерного излучения на молекулах атмосферных газов, поскольку при его использовании к точностным характеристикам фоторетстрирухщгй аппаратуры предъявляется наиболее высокие требования. Анализ литературных источников показывает, что наиболее эффективную регистрацию слабых оптических сигналов обеспечивает аппаратура, вкиочаацзя фотоэлектронный унаокитель (СЗУ), работающий в релгнэ счета фотонов, амплитудный дискриминатор и счетчик фотоимпульсов. Осноаным недостаткам предпринимавшихся рачее попыток разработки фоторегистрирувдэй аппаратур« ка.ч для КР - ллдзрз, так и для лндаров, исполъзуедих другие методы зондирования атмосферы, яв--лялось отсутствие •систешюго подхода, позволяющего выявить и учесть основные факторы, оказыва'оэга влияние на то'шость измерений, и определить технические требования к фоторегистрирукцей аппаратуре. В связи с этим нересенными или частично ревенными к настоящему времени являются еледукциэ проблемы:

- создание аппаратуры для оперативного исследования характеристик СОУ в рэлжмэ счета фотонов и разработка методики их отбора для работы в приеино-кзмэрительЕом тракте КР-лидара;

- теоретическое исследование влияния характеристик приешю-

■ измерительного ^ракта НР-лвдара ка точность измерения параметров атмосферы;

- разработка Фэторегистрируюгей аппаратуры -для решения разных задач лазерного зондирования атмосферы. • '

Ресевие перечисленных вадач составляет основное содержание данной работа

Дели настоящей работы:

- З1сспэр:п!еятальк0е исследование харакгеристек разных типов <ЕЗУ в резюме счета фотонов;

- разрз5огг?а ьйтодазги отбора 23У дгз «работа е прнемпо-кзизра-тсльяом тракте КР-йздара; •

- псгтроенкэ математической юдоли ОЗУ, работшс^эго в рекой счета Фотонов;

- исследование ашйия СЭУ ка точность преобразовании спта-чзских сигналов в электрические;

- разработка амплитудного дискриминатора с учетом фор?.га ки-п/дьссв фототока <КЭУ;

- разработка оселх принципов функционального пострознкя счетчиков фотоимпульсов для лидаров, работающих з реяиыэ счета фотонов;

- разработка счет таков фотоишульсов длл решения разных задач лазерного зондирования атмосферы

■ Об едя цель работы заключалась в реализации систешого подхода к проблею разработки к анализа приемке»-измерите лько-го тракта КР-лидара, поаволявдэго выявить и учесть основниз факторы, влияххцие на точность измерения параметров атмосферы, определить требования к техническим характеристикам элементов тракта и разработать доторегистрирувдую аппаратуру, обеспечивающую регистрацию лидарных сигналов с заданной точностью.

Науная новизна работы. При выполнении диссертационной работа получены следующее новые результаты:

- разработана методика отбора ©У для работы в приемно-измерительном траста К?-ли дара, позволяющая подобрать СЭУ, обеспечиващяэ заданную точность измерения параметров ат-шсфзры; ■

- впервые предложка и ксследозана зосьмипараиэтричэскзя аппроксимация импульсной переходкой характеристики (ЕПХ> ФЭУ, огралгшдая динашку внутренних физических процессов з . ФЭУ при преобразовании оптических сигналов в электрические в режиме счета фотонов, и позволяются с высокой точностью описать ИПХ £ЭУ в области времен 0-10 мкс;

- предложены общие принципы функционального построения счетчиков фотоимпульсов для решэция разных задач лагерного зондирования атмосферы; в соответствии с предлол»нными принципами разработано три типа счетчиков фотоиыпудьсов для решения конкретных физических задач;

- с помощью разработанной усилительно-регистрирующей аппара-

• туры получены качественно новые, данные о составе и динамике

азрозольно-газовых выбросов из труб промышленных предприятий и динамике атмосферных процессов.

Практическая ценность работы заключается в следуюсэм:

- разработан автоматизированный стенд для исследования харак-

- Б -

теристик СЭУ с роп..кз счета фотонов, позволяющий оперативно' к с высокой точность» снимать характеристики разных типов ®ЭУ;

- разработана методика отбора «ЗУ для работы в пркеино-изме-рительном тракте КР-лидера, ¡гаторая позволяет отобрать ФЭУ для работы в спектральных каналах приемно-изыерителыгого тракта КР-лидара, обеспечивающие требуемую точность измерений, и оптимальным образом выбрать режим питания <Х8У и порог дискриминации одноэлектронных импульсов (ОЯ);

- предлогзны принципы построения усилительно-регистрирующей аппаратуры, позволяваде с учетом особенностей регистрируема сигналов и репзешх физических задач оптимизировать состав и технические характеристики аппаратур!:;

- разработала усилительно- регистрирующая аппаратура для решения различных задач лазерного зондирования атмосферы, поз-воляоцдя проводить регистрац1ш лидзрных сигналов с высокой точность»,

- с помощью разработанной аппаратуры получены новые данные о составе и динамике азрозольно-газовых выбросов из труб промышленных предприятий и дина)ш:е атмосферных процессов.

На зашггу выносятся сдедушиа основные положения:

- точность ив >.:-э рения параметров атмосфзры КР-лидаром зависит от трех характеристик СЗУ - временной зависимости частоты следования текновых импульсов после включения питания, временной зависимости частоты следования фотоимпульсов после . включения- подсветки и импульсной переходной характеристики; перечисленные характеристик для какого ССУ является индивидуальными;

г- ь-етодика отбора ®ЗУ для работы в приеьшо-изиерительном тракте КР-лидара, позволяется с погацью специально разработанного. автоматизированного стенда отбирать ®ЭУ с характеристикам!, при которых обеспечивается" заданная точность из-¡¿еренля параметров атмосферы;

- восьшшараметрическая аппрогаииация импульсной переходной характеристики СЗУ, позволяйся шгерсксишровать реальную импульсну» переходную характеристику с точностью, достаточной для количественной оценки влияния аффекта последействия на результаты лидарЕЫх измерений;

- методика определения технических требований к усилитель- ' но-регкетрирущей аппаратуре лздарных систем различного назначения, учитывающая особенности выходных сигналов 28У и специфику реваешх физических задач;

- прккекеняе предлоггекной мэтедкки отбора и разработанной

- б - .

усилительно-регистрирующей аппаратуры позволило получить качественно новые данные о составе и динамике азрозоль-но-газовых выбросов из труб промышленных предприятий и о динамике атмосферных процессов.

Реализация результатов работы. Основные результаты работу внедрены в.Институте оптики атмосферы СО РАЕ Разработанная аппаратура автоматизированного исследования характеристик СЭУ а ре.тале счета (ротонов и методика отбора использовались при выбора для работы в составе приемно-измерительных трактов следующих лидарных систем

- RP-лидара для измерения температуры и влагсюстн и исследования газовых выбросов на выходах труб промьшшзнных установок;

- поляризационного лидара "Стратосфера-1М";

- .лидара с диаметрои приемного зеркала 2,2 м для ¡сомплэкснкх исследований атмосфзры.

Разработанной аппаратурой регистрации лидарных сигналов оспакены четыре лидарных систеш - три упомянутые выше, а также лядар с диметром приемного зеркала 1 и для исследования вертикальной стратификации атмосферного аэрозоля.

Апробация работн. Результаты, изломанные и диссертационной работе, докладывались на Международной лидарной конференции (Сан-Кондидо, Италия, 1989г.), на ID и 11 симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосфер« (Томск, 1989г., 1932г.), на 13 Всесоюзном семинаре по импульсной фотометрии (Москва, 1990г.) и на первой мездународной конференции "Нано-техпология, наноэлектроника и криоэлэктроника (ШК-92)" (Барнаул, 1992г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе: в центральной печати - 4, в местной печати - 4,-тезисы докладов на международных конференциях - 2, получено одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из ьвед^икя, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 178 страниц, в том числе 120 страниц машинописного текста, 52 рисунка и 5 фотографий. Список литературы включает 63 наименования на 6 страницах.

Краткое содержание работы.

Во введении сформулированы проблемы, возникающие при технической реализации КР-метода, обосновывается актуальность теш диссертации, 'формируются цели работы, приведены положения, вы-

носимые на золоту.

В первой главе проведен краткий обзор эффектов взаимодействия лазерного излучения о компонентами атмосферы. При рассмотрении возмогших способов технической реализации К13-метода показано, что при достигнутом уровне развития лазерной техники и аппаратуры Фоторегистрации наиболее зффестивное измерение интенсивности спектров КР обеспечивает метод счета фотонов, зазшвчащийся в подсчете числа квантов рассеянного излучения в интервалах времени (стробах), соответствую?;;« интервалам дальности, на которые условно разбивается трасса зондирования. При этом требуемая точность измерения достигается накоплением числа фотоотсчетоп во всех стробах в течение определенного времени работы лазера. Основным уравнением, решение которого позволяет извлекать информации сб атмосфере, является уравнение лазерной локации, которое для КР-лндара записывается в следующем виде:

гЦ 8г * , (1)

где П.'(8)- среднее число фотонов, зарегистрированных аппаратурой фоторегистрации после одного зондирующего лазерного импульса, 1-/р - энергия импульса лагерного излучения, энергия кванта принимаемого излучения, А - площадь приешюго телескопа, . а - расстояние до рассеивающего объема, сечение КР на длине волны принимаемой спектральной линии X , кепцэнтрацгн рассеивав^« молекул, л к' - пространственное разрешение лкдара, Т\с(&) " 7~\ (Я) - прозрачность атмосферы для длин воля Я , К0 - коэффициент передачи фоторегистрк-ругщей аппаратуры, Кспт - коэффициент передачи приемной оптики, £.((?)- геометрический фактор" лидара. Показано, что эффективная регистрация линий КР зозмоляа при использовании лазера на парах меди и аппаратуры фоторегкетрации, включающей ЧвУ, работавший в рзжыэ счета фотонов, амплитудный дискриминатор и счетчик фото»мтульсбв. Проведен расчет уравнения (1) для случая регистрации линий чисто вралзтелыюго спектра гСР молекул атмосферного азота при вероятшк значениях параметров фоторегист-рирупгцэЯ аппаратуры, показывающий что вероятность регистрации • одного фотона из объема длиной 12 и, распололэиного кз расстоянии 200 !Л от лвдара. за одну лазерную посылку не превышает 0.1. Рассмотрена работа КР-лидара по блок-схеме (рис.1). Приводятся технические характеристик: КР-лндара, эксплуатирующегося в Ин-

Рис. 1. Блок-схема КР-лидара.

Л - передамся система

1 - источник питания лазера

2 - лазер на парах меди

3 - оптическая ? ;тенна Б - приемная система

А - спектральное устройство

5 •- блок ||отсушю:»1Т<злей

6 - блок амплитудных дискриминаторов

7 - счетчик фотоимпульсов

В - система обработки информации

8 - ЭВМ

9 - алфавитно-цифровой дисплей

10 --цветной графический дисплей

11 - печатающее устройство

12 - накопитель на магнитных дисках

стэтуте оптики ат!!Осферы СО РАН, приемно-изшрнтельныЛ тракт которого был разработан автором. Основные технические характеристики лидара:

- длина волны возбугдахщэго излучения - 510,6 им;

- средняя мощность излучения - 5 - 10 Вт;

- длительность зондирувдэго гошульса - 10 - 20 не;

- частота повторения импульсов -7-8 1сГц;

- диаметр линзы приемного объектива - 30 си;

- количество приемных спектральных каналов - 8;

- полоса пропускания спектрального канала - 0,1 им;

- пространствеиное разрешение лидара при измерении профилей температуры и влажности - 12 м;

- пространственное разрешение лидара при измерении гащентрации газон на шкодах труб - 3 м;

- максимальная протяженность трассы зондирования - 3 ¡см.

При рассмотрении возможностей КР-метода в плане измерения характеристик атмосферы показано, что он позволяет измерять прозрачность атмосферы, коэффициент ослабления, вариации коэффициента обратного рассеяния и лидаркого отношения, температуру атмосферы и концентрацию газов, содержание которых сравнимо с содержанием основных газовых компонент атмосферы - азота и кислорода.

Проведен анализ факторов, вяляктдта на точность измерения параметров атмосферы КР-лидаром, позволяющий систематизировать погресности измерений следующим образом:

- статистические ошибки измерений;

- систематические ошибки за время измерения;

- систематические опибки га время накопления; . - методические ошибки измерений.

Время измерения - это ин'.грвал времени, начинающийся с момента излучения импульса лазера в атмосферу, в течение которого регистрируется рассеянное атмосферой излучение. Еремя накопления - это время, 'в течение которого производится накопление фотоотсчетов во всех временных стробах по заданному количеству импульсов лазера. Для исследованного КР-лидара время измерения составляет 5-10 икс, а время накопления 1-30 кинут. Систематические ошибки за время измерения обусловлены эффектом последействия £8У и подробно рассматривается в главе 3. Систематические погрешности за время накопления обусловлены дрейфом ■ коэффициентов передачи спектральных кзкалов в течение времени накопления. Этот вид ошибок автором не рассматривался, поскольку такие работы ранее проводились другими авторами. В них показало, что влияние дрейфа коэффициентов передачи спектральных

каналов минимизируется применением соответствующих методкс.

При анализе влияния аппаратуры на статистические озкбю! измерений отмечено, что з алгоритмах расчета характеристик атмосферы по сигналам КР присутствует операция деления сигналов, зарегистрированных е.разных спектральных каналах КР - лндара. С учетом пуассоновской статистики сигналов на выходе ФЭУ относительная погревность измерения отношения Б двух сигналов списывается выралапнем:

(2)

г г" г Л'м ;

где - Я^ , г?,.-, - среднее число сигналышх фотонов, приходящих после одного выстрела лазера в течение одного строба па фотскатоди £6У первого и второго каналов," соответственно, , - КЕаНТОВЫЭ ЕЫХ0ДЫ (ЗЭУ, /'/> - число выстрелов

лазера (число измерений), , ^ ~ отношение сиг нал/пум

в спектральных каналах, равное

О.; - _ ^ '-=--(3)

где - 117. - среднее число теадовых щгяульсов <йЭУ в стробе, , - среднее число приходящее в течение стрсба на фз-

токатод СЭУ, соответственно, фотонов, вызванных фоновым излучением атмосферы, и фотонов, вызванных не достаточный! подавление!! несмещенной линии 1£и-рассеяния. Анализ выражений (2-3) при разном соотношении интенсивностей сигнала, фоновой засветки, уровня подавления несмещенной линии Ш-рассеяния и сдноэлектрскных параметров £8У - частоты следования импульсов темпового тока и квантового выхода - позволил выработать рекоыендащш по выбору <10У для ресения конкретных физических задач.

При оценках точности измерения температуры атмосферы и концентраций загрязняющих газовых компонент на выходах труб промышленных предприятий показано, что для описанного КР-лидара достижимая относительная погрешность измерения температуры при времени накопления около 24 мин составляет примерно 0,15° С на расстоянии 200 м от лидара, а относительная погрешность измерения концентрации молекул окиси углерода при ее значении порядка на выходе трубы диаметром 12 м, расположенной на расстоянии

- Ii -

,600 г.: »о? дэдара, состав глет примерно 3,51.

¿Ъ второй г ".арс представлены результаты экспериментальных "сследо^куп'й элементов приемно-измерительного тракта, предложена гзтодига отбора <КЗУ для работы в рокике счета фотонов, рассмотрены принципы построения усилительно-регкстриру!оп?гй аппаратуры для КР-лкдара, приводятся хграктеристики разработанной к изготовленной автором аппаратура

Анализ литературно источников показывает, что С0У является основным источником погреиюетей при измерении параметров атмосфера КР-лидаром. Поэтому экспериментальному исследованию характеристик 59У в ре.тимэ счета фотонов и разработке методики отбора Й2У для работы в приемно-измерптельном тракте КР-лидара в диссертации удалено особое внимание. Приводится классификация характеристик СЭУ, описан автоматизированный стенд, разработанной автором для исследования характеристик различных типов сеУ з ре.тамэ счета фотонов.

Трудность отбора <ЭЗУ для работы в прпемно-цзмерительнсм трасте КР-лидара заключается в том, что вследствие неконтроли-руеюд отклонений в технологии изготовления эти пркборн имеет бодьсой разброс по основным однозлектронным пара«етрзм - частоте импульсов темнового тока и квантовому выходу. Так, квзяториэ выходи разных 0ЭУ могут отличаться на порядок, а частота следования импульсов темнового тска на три-четыре порядка. Задача отбора С8У усложняется тем, что в паспортах на приборы изготовителями £8У не приводятся ни их одноэлектронные характеристики, пи оптга.ильный. ре;:з:м их эксплуатации в режиме счета фотонов. Позто:г/ задача оперативного исследования характеристик ОТУ и их отбора по некоторым критериям является весьма актуальной. Известный методики отбора СБУ оперируют, как правило, тремя величинами - протяженностью и наклоном плато ССХ и отношением пик-долина АРЯ. Недостаток этих методик в том, что указанные величины не входят в уравнения, описывэяяцие относительную пог-решюсть измерений. Разработанная автором методика направлена на повышение.точности лидврнкх измерений и предполагает проведение отбора ССУ по двум параметрам - квантовому выходу и частоте импульсов тёмнового TOita. Отбор проводится в три зтапа. На первом этапе теиковая и световая счетные характеристики (ТСХ и ССХ) и амплитудные распределения импульсов'(ЛРй) используются для предварительной оценки качества 50У, ¡сак регистратора клал- • тов оптического излучения , и выбора оптимального напря:;вния питания и порога дискриминации однозлектронных импульсов (ОН). На втором зтале отбора временные зависимости частоты следования темновых ишульсов ФЗУ после включения питания и частоты следо-

вания фотоимпульсов после включения постоянной подсветки при выбранном рабочем режиме позволяют определить кзантовый выход ®ЭУ, среднюю частоту темновых импульсов, определить время установления этих параметров и оценить величину медленных флуктуации их относительно средних значений в установившемся режиме работы. На третьем этапе проводится сравнительный анализ 18У по частоте импульсов темнового тока и квантовому выходу и с использованием соотношений (2-3) подбираются пары ФЭУ для работы в спектральных каналах КР-лидара, обеспечивающие заданную точность измерения параметров атмосферы.

Приводятся результаты, экспериментального исследования <КЭУ следующих типов: 18У-71, ЮУ-79, 1ЭУ-104, <КЭУ-1С6, 38У-130, ФЭУ-136 и ЮУ-147. • На основе АРЙ разных типов 23У сделаны попытки интерпретации физических эффектов (эффект пролета, двухэ-лектронные события), оказывающие заметное влияние на вид этих характеристик, для их учета с целью увеличения точности оценки параметров регистрируемых оптических сигналов. Особый практический интерес представляют результаты, полученные при исследовании етУ-130 и ФЗУ-147, "Гак для: 28У-130 установлено, что при выборе схемы делителя напряжение на участке фотокатод - первый динод должно- быть,. в соответствии с рекомендациями изготовителя, в 5..2. раза больше напряжений на междншздных промежутках. Следование данной рекомендации позволяет' существенно улучшит, одноэлектронные характеристики <137-130 '- увеличить, протяженность плато ССХ? отношение пш;-долша АРИ, в 1,5 - 2 раза уменьшить частоту импульсов темнового тока и несколько увеличить квантовый выход ЗЭУ. Для ФЗУ-147 установлено,- что путей, правильного выбора рабочего участка фотокатода можно пракпгчески полностью избежать эффекта пролета (рис.2), что позволяет увеличить отношение пик-долина АРИ, уменьшить частоту темнових импульсов в 1,5-2,5 раза путем существенного увеличения порога дискриминации и, тем самым, увеличить точность измерения параметров регистрируемых оптических сигналов. Обобщение результатов исследований дало еозмокность выработать рекомендацш по использованию исследованных типов ГОУ в КР-лидаре.

Исследование формы импульсов выходного тога ФЭУ показало, что задний фронт ОИ сильно искатён паразитными колебаниями, обусловленными наличием конструктивных реактивных элементов анодной камеры и выходов (КЭУ. Показано, что ограничение полосы пропускания сверху на уровне 30 МГц (рис.3) позволяет полностью подавить паразитные колебания у трех типов <ГОУ при допустимом ухудшении временных характеристик ОИ. С учетом особенностей выходных сигналов ОЗУ обоснованы требования к характеристикам

а)

Рис.2. Амплитудные распределения импульсов ФЭУ-147 при освецении всего фотокатода (а) и при освещении различных участков фотокатода (б): кривая 1 - сильно выражен эффект пролета, кривая 2 - эффект пролета практически отсутствует.

- 14 -

0 _ I <о о- юо мгц о-го /иг* о-^о мгц

А/ . 1 1 1 1 1 } I 1

/ \ 1 \ ✓ / \ \ / "1

•1) 1 1/ ■ 1 / 1/ у 1 У 1

О г"

I-1

10 нс

П.

■101г\ ю

10г\

'А

Рис.3. Форш сигналов ка выходе усилителя импульсов фототека 11ЭУ-104 при различной полосе пропусканий усихнтехя.

ю

/г ь

МНС

Рис. -1. Ямпульсная переходная характеристика ■:ЯУ-Ю4. измеренная в режиме счета фотонов.

О

:"реДйар!«ехбного усилителя ж.й/льсов фототога <13У, пряпедспи ха-

*бМбрРЯЯт& разработанного и изготовленного автором ашлитуд-ного'.Лйскрк.-глиаторз.

Приведена ишульсная переходкая характеристика ЗЭУ-1.С4, которая следствие проявления эффекта последействия ««ест достаточно" с'лояивЧ вид (рис. 4). Более подробно НИХ ®ЭУ-1(М рассматривается в главе 3.

ПрН разработке счетчиков фотоимпульсов приходется сталкиваться с' рядом противоречащих друг другу требований, которые в конкретном случае обусловлены спецификой решаемой физической задачи, типсм используемого лазерного источника и быстродействием используемой ЗЕМ В связи с этим проблема разработки общих принципов построение счетчиков фотоикпульсов для ресэния разнообразию задач оптического зондирования атмосфзри является весьма актуальной. Автором предложены общие принципы функционального построения счетчиков фотоимлульсов. Схема счетчгаса фо-тоймпульсоз строится исходя из характеристик используемого лагерного источника (энергия импульса лазера,- частота повторения пют'удьсов), решаемой физической" задачи с йбШйгосакнгн уравнения (1), соотношения операции регистрации м суммирования фото-отсчетоз н быстродействий используеШЛ ЗЕ':'- 3 соответствии с предложенными принципами автором разработай! типа счетчикоз фотоимпульсов, адаптированных под конкрбгй'е" задачи.

Универсальный аактялзпзаэди? фМсиыпульсов РС2

предназначен для использования з гХ&р'А&Л- 6£&Г&т, в состав которой входит импульсный лазерный И616*сЖ 6 высокой частотой повторения импульсов и небольпой эиергкзй' Кзлучения в импульсе. Его универсальность обусловлена- возг::Шй'6СТ"В;о; изменения технических характеристик при настройке- па жкКр'ёТнуй физическою задачу. Основные технические характеристика' счётчика:

- число независимых каналов регпстрадйй' - 1; 2; 3; 4; число стробов в одном канале, с:бот2етственко - 4096; 1024; 512; 256;

- число Фотоимпульсов, регистрируемых з стробе - не более 1;

- максимальное число фотоимпульсоз, накапливаемых в одной стробе без обращения к ЭШ - 4095;

~ длительность строба, не - 80; 160;

- время передачи массива данных в ЗЕН, с - не более 0,1. По;сазано, что счетчик фотоимпульсов РС2 обладает значительными преимуществами перед использовавшимся ранее в КР-лидаре счетчиком <£ютон;,пульсов С4-Б. На описанный счетчик фотоимпульсоз получено авторское свидетельство.

Счетчик фотоимпульсов РС4 разработан как приставка к

счетчику фотокмпульсов РС2 для расширения его возможностей и предназначен для использования в КР-лидаре для измерения концентраций загрязняющих газов на выходах труб промышленных установок. Его особенностью является повышенное временное разрешение, что обуславливает возможность независимой регистрации ли-дарных сигналов с повышенным пространственным разрешением в заданно« участке трассы зондирования. Основные технические характеристики счетчика- число каналов ' 8;

- число стробов в одно« канале - 64;

.. - число фотоиипульсов, регистрируемых в одном стробе аа один импульс лазера - не более 1;

- длительность строба, не - 10; 20;

- протяженность участка трассы, кз которого регистрируются сигналы, соответственно, м - 96; 192;

При совместной работе счетчиков фотокмпульсов РС2 и РС4 одновременно регистрируются сигналы по четырех спектральным каналам с "грубым" пространственны« разрешением (12 м), и по восьми спектральным каналам сигналы из выбранного участка трассы зондирования с повышенным пространственным разрешением (3 ы). Такое техническое решение позволило сравнительно простых« средствами значительно повысить пространственное разрешение КР-дидара и получить новые данные о динамике азрозолыю-газовых выбросов на выходах труб промышленных установок

Счетчик фотоиипульсов РСЗ-4 предназначен для использования в лидарной системе, в состав которой входит импульсный лазерный источник с низкой частотой повторения импульсов и высокой импульсной энергией излучения. Его особенностями являются возможность регистрации болью го обгема информации, приходясей из атмосферы после одного зондирующего импульса и высокая скорость обмена информацией »яму счетчиком и ЭВМ, достигнутая за счет реализации режима прямого доступа к памяти ЭЕЫ. Основные технические характеристики счетчика:

- число независимых каналов регистрации - 4;

- число стробов в одном канале - 4096;

- длительность строба, не - 40; 80; 160; 320;

- протяженность трассы зондирования, соответственно, км

24; 48; 96; 192;

- максимальное число фотоикпульсов, регистрируемых в одном стробе за один импульс хазера - 7;

- максимальная скорость счета фотоишульсов, ЫГц - 30;

- продолжительность одного цикла суммирования в реяиме прямого доступа, икс 1 2,56.

- 17 -

Экспериментальное исследование точностных характеристик разработанной автором система! регистрации для КР-лидара, включающей фотоэлектронный умножитель ЖЗУ-101, отобранный по предложенной авторон методике, разработанные автором амплитудный дискриминатор и счетчик фотоимпульсов РС2, проводилось в предположении, что регистрируемый приемно-измерительным трактом оптический сигнал представляет собой случайный процесс с пуассо-новским распределением, Исследование показало (рис.5), что разработанная автором система позволяет проводить измерения со статистической погреязюстьо не более 0,12.

В третьей гласе рассмотрен алгоритм восстановления сигнала на входе >Х9У по измеренным ИПХ и выходному сигналу, предложи на и исследована восьмипараметрическая аппроксимация ИПХ ФЭУ-104, работающего в режиме счета фотонов, и проведена оценка точности восстановления входного сигнала при использовании реальной ИПХ <ЮУ-104 и предложенной аппроксимирующей функции.

Случайный характер процесса фотодетектирования является причиной статистических ошибок измерения еыходного сигнала ФЭУ, поэтому задача последующей обработки полученных экспериментальных данных сводится к задаче регресионного анализа Сигнал на выходе линейнрй динамической системы можно представить в виде суммы преобразованного системой входного сигнала и опибки измерений

у » П5 + о, (4)

где у=[уГ1],...у[пЛг- вектор-столбец значений выходного сигнала, В=[иС1],... , [тПт- Еектор-столбец значений входного сигнала, Г - матрица размером пхп, где п.- число измеренных значений 1ШХ, п - число измеренных значений выходного сигнала. При выполнении условия ггрп матрица Р является треугольной

ТМ1] 0 0 . .. .0

ТЬСп] ТЬСп-13 ...... ... ,ТЬС1]

где Т - период дискретизации,. Ь[1] - среднее значение ИПХ в 1-том стробе. Решение системы линейных уравнений, получаемых из

Pite, Б. Зависимости статистической погрепгасти ' измерений ст уровня накопления фотоотсчетов теоретическая (крз£вая 1) и измеренная (кривая 2).

матрица (5), дает известнее из литературы реюсуррентноо соотнесение

/иС13-у£13/Н[и . (5)

\_иС 13-СуС 13- ииз - НЕ 1-^+13 )Л1Г11 , (1-2,3,.. ,п),

где НГ 13-ТЫ 1] - измеренное з 1-том стробе значение ЯПХ <13У. Применение алгоритма (6) показало, что аффект последействия -ФЗУ приводит к смецення спешги средних значений лидзрпкх екгна-лов, возрастающей с ростом расстояния от лидара до рассеиваа^з-го объема. Описанный алгоритм шкэт использоваться в том случая, если матрица " является хорошо обусловленной. Обусловлеп-ность матрицу характеризуется коэффициентом обусловленности соп<3 Г , равным

согс! Р • 11 7 (?)

где 1) , ]| Р"'!)- нормы оснозкой и обратной матриц. Еозфф:ш:ек? обусловленности этргэ? роль коэффициента усиления еппбек и показывает во сколько раз увеличивается относительная погрешность измерений при _ восстановлен™ сигнала на входе лнлейлой динамической систеш ■ по известному выходному сигналу и З^ПХ системы. Обусловленность матрицы оценивается близостью значения козффя-циента обусловленности 1С 1. Элементы обратной матрицы рассчитываются из полученного автором рекнуррекгного соотношения •

/Н[13-1/Н Ш (8).

<1 к . * •

I НЕкЗ —( 2;и£13'КСк-1-ИЗ)/}:С13, (1=2,3,..,п).

Для патрицы еидз (5) вкбрана норма, .равнат

II1/21 НИЗ .. (9)

Далее предлогхэна оригинальная восьмипарс-мэтрическая аппроксимация КПХ «ЗУ-104. Исследование б экземпляров ®7-1С4, отобранных по предло.танней в глазе 2 методике, показало, что форма ИПХ для разных ®У отличается незначительно. Это дает основание предполагать, что причиной появления импульсов последействия в разных >ЗЭУ являются одинаковые физические процессы. Автором было установлено, что з формировании ИПХ ФЭУ-104 в области времен 0-10 ми участвуют три процесса, обусловленные эффектом последействия.- Назовем-их условно последействие 1, последействие 2 я последействие 3. кгадиз литературных источников указывает на

отсутствие аппроггсгалфукдай Функции, с хорошей точность» отра-;зещэй динамику физических процессов в области времен 0-10 мкс, актуальной для КР-яидара. Автором предлагается следующая нормированная КПХ ФЭУ-104

НЕ II-1+р/ехр(-( Ьй,>+рг-езф(-С ) +

(10)

Р<» Ра» Р3" кзксицаяькыэ вероятности выхода импульсов последействия 1, 2 К З, , дисперсии процессов 1 и 2. Ь,, ьзыэнты шкскмушв проявления последействие 1 к 2, постоянная времени последействия 3. Нз вдаваясь подробно в физику процессов ттослодойствия можно предположить, что это процессы бомбардировки фотокатода иопшл; водорода и другого Еесествз (возможно материала дняодов), десорбированзыми с поверхности дино-дов электронным потоком (слагаемые 1 и 2), и люлшисценция элементов конструкции СвУ (слагаемое 3). Ввиду значительной слог-кости определения параьгатров шпрокскмируизззй функции, обусловленных ее нелинейностью, ее параметры для конкретного экземпляра ©ЭУ-104 6шй опр&делены экспериментально путей подбора с использованием метода наименьших квадратов. Значения подобранных величин оказались следующими: р5Г-4,2x10*1 рг »4,45x10** рз-1,48x10^ 1,-0,412«: , ^«=5,12 ыкс, Ц»6,4 мке, О,«0,14 мкса, 0а»32мкс£.

йитеграаъкш вероятности выхода импульсов последействия 1, 2 и 3 составили, соответственно, 0,142, 2,231, 1,2%, а полная вероятность выхода импульса последействия рш а 3,57%.

; Рассмотрен пример коррекции реального лидарного сигнала КР с использованием экспериментально снятой КПХ СБУ-104 и предложенной аппроксимирующей функции. Хорошая обусловленность задачи восстановления входного с гнала продемонстрирована расчетом коэффициента обусловленности, значение которого составило 1,07. Это означает, что если, например, выходной сигнал ФЗУ измерен с погрешностью IX, то погрешность измерения входного сигнала не превысит 1.07%. Устойчивость решаемой обратной задачи оценивалась такяг на примерах -уменьшения и увеличения всех пз-рауатров аппроксигйфущзй функции на 10%. Смещение оценки среднего значений входного сигнала отклонялось не более чем на 2-3% в области времен 0-6,5 икс, н только при 10 икс достигало 352.

Для случаев когда допустима погрешность измерений 3-4% и протяженность трассы зоидироЕапкя не превышает несколько сотен

- а

мэтров, предложена ИПХ упросршюго вида

/i, i-1, « Я(1) 1>1 . (И)

Здесь р - ¡юнсталта, равная сродно Л ¿ерог.тносл' появления пульса последействия на используемом временном интервале. Применение КПХ вида (11) упроп®ет алгоритм коррекции лицарных с;гг-налоз и ускоряет процедуру сбработ;сн сигналов на ЭВМ.

Четвертая глаза. посвяшеиа результатам исследования процессов в атмосфере, полученным с использованием разработанных автором систем регистрации для разных дидароз, эксплуатирующие я а Институте оптики атмосферы СО РАЯ.

Приведены результаты, полученные из мобильном КР-лндарэ при исследовании проваленных ^ыбросов на выхода;« труб прсмыз-ленных установок на территории Западно-Сибирского Бгталлургк-ческого Комбината (г. Новокузнецк) з нспбре-декабрэ 1GCG года и в октябре 1991 года Показано, что применение разработанной аз-тором аппаратуры позволило повысить точность измерзши концентраций загрязнякетх газов и получить новые данные о дкпамхке аз-розолыю- газового шлейфа на вькоде трубы. .

Представлены результаты, полученные па поляризацмлкои лидаре "Стратосфера- llf*, . предназначенном для исследования профилей отношения коэффициента обратного рассеяния и вектор-параметра Стокса обратно рассеянного лазерного излучения. по, что использованный . в приемло-измер'.ггельксы тракте хг.дара счетчик фотокмпульеов РСЗ-4 обладает рядом существенна преюгу-¡деств перед использояазшимся ранее счетчиком фокж-шулъсов, что позволило практически полностью реализовать потенциальные воз-мо;шости лидара и повысить точность измерений.

Приведены результаты исследования жкроызеитгбкю: а?-, мосферных процессов высотным лидзром с диаметром приемного зеркала 1 м, предназначенным для исследования вертикальной стратификации аэрозоля. Показано, что использование ранее установленного з системе регистрации счетчига фотоимпульсов С-1-В прподит к снияению использования энергетического потенциала лидера в несколько раз. Установка в системе регистрации лидара счотчкка Фотоимпульсов Д1 (однокачальный вариант счетчика РС2) позволила достичь использования энергетического потенциала лидара на 95 -98% и повысить точность измерений. Высокая эффективность системы регистрации со счетчиком фотсимлульсов Д1 позволила прогости исследование шкромаедггабных атмосферных прсцэссоз с характерными временами от единиц секунд до нескольких часов в диапазоне высот от 5 до 28 км. Подучены ноеыо данные о динамике атмосфер-

шхс процессов.

Приведены данные, полученные на высотной лидаре с диак!ет-рои приемного вер!ала 2,2 и, предназначенное для комплексных исследований верхней атмэсф-эры. Систеиа регистрации КР-канала высотного лидара была полностью разработана авторов При отборе СБУ длл использования в спектральных каналах лкдара была применена авторская методика. Сравнение экспериментально полученного профиля аппаратуры, измеренного методой КР, с модельным профи-лек тешературы по ГОСТ 24531-81 показало хорошее соответствие кх до высоты порядка 13 км. До высоты 5 км статистическая погрешность измерения температуры не превышала 0,5°С.

Шлученные на разных лидарных системах результаты подтвердили высокое качество работ, проведенных автором по разработке методики отбора с.оу и комплекса аппаратуры для регистрация лидарных сигналов в режиме счета ротонов при репеиии разных задач лазерного зондирования атмосфера

В заключен!;;! обобщены основные результаты проведенной автором работы.'

Ссновныо результаты работы.

1) Проведен теоретический анализ влияния характеристик пркемно-гамерительного траста КР-лидара на результаты измерения параметров атмосферы.

2) Определены требования к технический характеристикам элементов пркемко-измерительного тракта.

3) Разработана аппаратура и методика отбора СЭУ для работы в рехиме' счета ¿стонов, позволягг-дя выбрать оптимальный ре-гкц их эксплуатации и отобрать СЭУ, ойеспечиваххцие заданную точность измерения параметров атмосферы.

4) Предложены обк^е принципы построения усшютелько-ре-гистрирувсгй аппаратуры, предназначенной для работы в составе пркаино-кашрительЕых трактов радарных систем различного назначения.

Б) В соответствп! с предложенными принципами разработана к наследована аппаратура усиления и регистрации фотснмпульсов СЭУ, сСеевзчйБаящзБ высоку»-точность лидарных юхергний к поз-ЕОВашя, с одной стороны. существенно улучшить использование потевццальшс вовкэаюстей сусестауЕ^а гадаров к, с другой стороны, сбзспсчягь получение качественно новых сведений об ат-иосфэрз.

6) Црс-дгалгса кяыкпзрга^гркческаа гппрокмагзцца 1ШХ 5БУ-104, с слагай кусостьи ограгагцая Д'-сггла^у внутракккх

зических процессов в области времен 0-10 мкс, а таклэ исследована возможность коррекции лидарных сигналов на последействие ■Х0У и .оценена точность восстановления формы лидарных сигналов ' при коррекции их динамических искажений, обусловленных эффектом последействия.

7) Разработанными и изготовленными автором системами регистрации лидарных сигналов оснащены четыре лидарных систему:

- КР-лидар для измерении профилей тешератури, влалвости и концентраций загрязняющих га-зов па выходах труб промышленных установок;

- поляризационный лидар "Стратосфера-ИГ';

- высотный лидар для исследования вертикальной стратификации аэрозоля;

- KP-канал высотного лидара с диаметром приемного зеркала 2,2 м.

8) С помощью разработанной аппаратуры получены качественно новые результаты о составе и динамика азрозольно-газовых выбросов кз труб промышленных предприятий и динамике атмосферных процессов.

Список публикация

1. Иэлефонтюк Д. И. Автоматизированный стенд для контрой статических характеристик счетнья фотоэлектронных умногдтелей. - Приборы и системы управления, 1992, (13, с. 37-33.

2. Шэлефонткк Л-И. Автоматизированный стенд для контроля статических характеристик фотоэлектронных умяолаггелгй. - 3 кн. 13 Всесоюзный семинар "Импульсная фотометрия". Тезисы докл., Ленинград, 1990, с. 60-61.

3. Щелефонткк Д. И. Аппаратура и методика отбора 28У для работы в ре.такг счета фотонов. - В кн.: 11 симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосфера Тезисы докл. -Томск, 1992.

4. Ше.чефонтак Д. П. Амплитудный дискриминатор для счетного фотоумножителя. - Приборы и техника эксперимента, 1992, N5, с. 167-170.

5. Ельников А. Е , Маричев В. Н. , Щелевой К. Д. , Шэлефонтюк Д. IL Лазерный локатор для исследования вертикальной стратификации аэрозоля. - Оптика атмосферы, 1938, т. 1, ÍJ4, с. 117-123.

6. А. V. Elnikov, V. Е. Zuev, V.M. Marichev, K.D. Shelevoy, D. I. Shelefontjuk. Lidar Observations of Stratospheric Aerosol Vertical. Distribution.//14 International Lazer Radar Conference. San-Condido, Italy, 1988.-

- 24 -

7. Бурков Е Е., Екиефоптяк Д. И. Универсальный счетчик фотонов. - в кн.: 10 Бсесоетный симпозиум по лазерного к акустическому волдироЕанко атмосфера Тезисы докл. - Томск,. 1989, С. 216-218.

8. Бурков Е В., Еолс фонте; Д. И. Аппаратура регистрации лидарньк зхо-скгпа^эв. - В сб.: Результаты комплексных исследований Вэртккаль-8б и Вертикаль-87. - Томск Издание ТНЦ СО АН СССР, 1039, с. 65-93.^

0. Бурков Е В., Еэхефонхкс Д. К. Счетчик фотонов. А. с. N 1702752.

10. Шзлефантвк Д. II Систеиа регистрации КР-лндара для га-воанализа выбросов «з труб предприятий. В гас.: 11 симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Тезисы докл. - Томск, 1992.

11. Шзлефонгк-; Д. И. • Система регистрации лидарных сигна-лое.- В кн.: Первая международная конференция "Нанотехнология, наноэлекгроннха, криоэлекгроншз (ННК-92)", тезисы докл., - Барнаул, 1992, с.' 92-93.

12. Волков С. Е , Кауль Е Е , Шапранов Е А., СЬлефоник Д. II Измерение вертикального профиля температуры СКР-какалом станции высотного вондирования атмосферы. - Оптика атмосферы океана, т. 5 , 1992. Н5, с. 603-610.

13. Еолкав С. Е , Кауль Е Е, Еапранов Е А., Щэлефонтю: Д.Е Измерение вертикального профиля температуры СКР-каналов станции высотного вондирования атмосферы. - в кн.: 11 симпозиум по лазерному к ачустическоь-у зондированию атмосферы, Тезисы докл.- Тохнк, 1992.