автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование и анализ процессов в атмосферной линии связи на основе лазерных технологий

На правах рукописи

КРАСНОВ Роман Петрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В АТМОСФЕРНОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 2005

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Юдин Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Защита состоится 30 июня 2005 г. в 10 00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.01 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, Воронеж, Московский просп. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан «30 » мая 2004 г.

Киселев Геннадий Леонидович;

кандидат технических наук, доцент Холопкина Людмила Владимировна

Ведущая организация

НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники при МГТУ им. Н.Э. Баумана

Ученый секретарь диссертационного совета

г

.^ч л А о о ^ о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время широкое развитие получили атмосферные оптические линии связи (AOJIC) на основе лазерных технологий.

Интерес к коммерческому использованию AOJIC вызван общими тенденциями развития рынка услуг связи и передачи данных, где по-прежнему остро стоит вопрос доставки информации конечному потребителю.

Высокий КПД, уникальные спектральные возможности излучения, а также попадание рабочей длины волны в «окно прозрачности» атмосферы создают благоприятные предпосылки для применения в оптических системах передачи информации С02-лазеров с высокочастотным (ВЧ) возбуждением активной среды, как одних из наиболее перспективных источников когерентного излучения в среднем ИК диапазоне.

Ввиду большой вычислительной сложности провести разработку, а тем более оптимизацию, параметров AOJIC без использования компьютерного моделирования невозможно.

Имеется опыт разработки программных комплексов моделирования и анализа оптических, в том числе лазерных, комплексов и систем. Однако, существующие пакеты (Zemax, CODE V, GLAD, LasCAD и др.) не учитывают процессов формирования оптических сигналов в излучателях оптических передатчиков и в приемниках, либо проводят подобный анализ исключительно для случая применения твердотельных лазеров (LasCAD), обходя газовые лазеры, в частности, углекислотные.

Модели, описывающие процессы в оптическом излучателе с учетом их взаимосвязей при строгом физическом подходе используют достаточно сложный математический аппарат и не обходятся без значительных затрат машинного времени. Применение подобного математического обеспечения при расчете и проектировании AOJIC требует от разработчика высокого уровня квалификации. В то же время на сегодняшний момент существуют модели, позволяющие при незначительном уменьшении точности полученных результатов существенно снизить вычислительную нагрузку при расчете и проектировании коммерческих лазерных систем связи на основе С02-лазеров.

Для целей рационального моделирования систем AOJIC на основе С02-лазера требуется разработка специализированного математического и программного обеспечения, позволяющего осуществить разработку и оптимизацию параметров каждого из функциональных блоков АОЛС, а также всей линии связи в комплексе.

В существующих работах, рассматривающих применение ЭВМ при разработке лазеров, отсутствуют алгоритмы и программные средства

сквозного моде.

[С., Следовательно, требуется разработка

«д ,rvr г;"! \Я"Т

I I tv \

С tll>V|)r 1 ,

функциональной, обобщенной структурной схемы, а также общего алгоритма объединения элементов в единую систему с учетом механизмов взаимодействия главных функциональных блоков.

Использование универсальных программных продуктов (MathCad, MatLab, Maple) в процессе проведения компьютерных экспериментов не дает эффективного результата, поэтому в диссертационной работе основное внимание уделено созданию математических средств моделирования и анализа функциональных блоков AOJIC и линии связи в комплексе. В этой связи разработка математических моделей процессов в AOJ1C на основе лазерных технологий с целью выбора оптимальных проектных решений является актуальной научной задачей.

Работа выполнена по материалам исследований, проведенных на кафедрах радиотехнических систем и радиоэлектронных устройств и систем ВГТУ в 1997-2003 г.г. в рамках научно-технической программы «Конверсия и высокие технологии», а также по научным направлениям Воронежского государственного технического университета «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приема и защиты информации» и «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы».

Целью диссертационной работы является разработка средств формализованного описания процессов, положенных в основу комплекса математических моделей AOJTC и ее структурных блоков с целью выбора оптимальных проектных решений.

Для реализации данной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. разработка обобщенной структурной модели AOJIC, позволяющей осуществлять анализ систем оптической связи, проводить численный анализ и расчет их параметров по заданным техническим и эксплуатационным характеристикам с ориентацией на критерий максимального качества связи или минимума массогабаритных показателей;

2. математическое моделирование и построение алгоритма анализа основных функциональных блоков AOJIC и протекающих в них процессов;

3. разработка алгоритмов оптимизации параметров моделируемой AOJIC как единой системы;

4. реализация разработанных алгоритмов в виде комплекса программ, ориентированных на вычислительный эксперимент.

Методы исследования. При выполнении работы использованы: теория вероятности, структурного, объектно-ориентированного и визуального программирования, теория турбулентной атмосферы, математические методы квантовой электроники, физики плазмы высокочастотного газового разряда.

г

Научная новизна В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. многоуровневая обобщенная математическая модель АОЛС, отличающаяся включением модели углекислотного лазерного излучателя с высокочастотным возбуждением активной среды, а также методика моделирования и расчета линии атмосферной оптической связи;

2. математическая модель С02 лазерного излучателя, отличающаяся многотемпературным квантово-электронным уровнем рассмотрения с учетом особенностей поперечного возбуждения активной среды высокочастотным электромагнитным полем;

3. методика оптимизации базовых характеристик АОЛС по критериям максимального качества связи или минимума массогабаритных показателей;

4. алгоритм моделирования атмосферного канала лазерной связи в среднем ИК диапазоне, отличающийся учетом характеристик углекислотного лазерного излучателя;

5. комплекс программ, реализующих алгоритм расчета и оптимизации технических параметров АОЛС.

Практическая ценность работы заключается в совершенствовании процесса проектирования оптического когерентного излучателя на базе С02-лазера с ВЧ возбуждением активной среды. Теоретические результаты работы положены в основу четырех специализированных прикладных программ компьютерной модели АОЛС на основе С02-лазеров, зарегистрированных в Государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации №50200400466, №50200400465 и №50200400464 от 17.05.04, № 50200401267 от 09.11.04.

Реализация и внедрение результатов работы Основные теоретические и практические результаты работы используются для расчета энергетических характеристик оптического излучения щелевого С02-лазера с ВЧ возбуждением активной среды НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники при МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также внедрены в учебный процесс ВГТУ на кафедре РЭУ С для специальности 210302 «Радиотехника».

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях: XI, XIII,XIV Международных НТК "Лазеры в науке, технике и медицине" (Адлер, 2001, 2002, 2003); IX Международной НТК "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2003), а также на научных семинарах кафедры "Радиоэлектронные устройства и системы" ВГТУ в 2002, 2003 и 2004 годах.

Публикации Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 печатных работах. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: алгоритм расчета поведения диэлектрической проницаемости плазмы [2,7], алгоритм расчета кинетики процессов в плазме С02-лазера [4,6], алгоритм

расчета функции распределения электронов по энергиям [8] методика оптимизации параметров АОЛС при моделировании базовых характеристик по критерию минимума массогабаритных показателей и максимального качества связи [9].

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 105 наименований. Работа изложена на 156 страницах, содержит 49 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы, сформулирована цель работы, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дана краткая аннотация диссертации по главам.

В первой главе рассмотрено современное состояние систем разработки и проектирования оптических систем, изучена проблематика моделирования АОЛС. В современных системах разработки и проектирования лазерных приборов основная роль отводится моделированию прохождения когерентного излучения через отдельные оптические элементы или их комплекс. Как следствие отсутствуют: модели расчета процессов внутри резонатора газовых лазеров; методики теоретического и численного анализа для моделирования работы С02-лазеров различных конструкций с ВЧ возбуждением активной среды; методики применения решающей обратной связи при комплексном моделировании оптических систем; модели, рассматривающие АОЛС в целом. Упростить процесс выбора проектных решений на каждом из вышеприведенных этапов возможно путем применения компьютерного моделирования, позволяющего в процессе реализации вычислительных экспериментов получить количественные и качественные характеристики моделируемого объекта, которые позволяют провести анализ неизвестных априори свойств системы.

Однако, всвязи с тем, что на практике в технических заданиях (ТЗ) на различные лазерные системы выделяются те или иные предпочтительные характеристики, которые кладутся в основу расчета, возможно значительное изменение структуры счетной последовательности. Таким образом, при проектировании АОЛС предпочтительным является комплексный подход, решающий первоначально вопрос оптимизации общих характеристик АОЛС, а затем детализирующий и определяющий последние на уровне компонент системы. Для проектирования АОЛС предложена многоуровневая модель, блок-схема которой приведена на рис. 1. Модель включает в себя следующие расчетные блоки, функционально связанные друг с другом. В расчетном блоке «элементарные процессы» рассматриваются микропроцессы, определяющие заселенности энергетических уровней молекул С02 и N2 рабочей газовой среды С02-лазера при возбуждении ее высокочастот-

»

Массив входных

Источник излучения

Элементарные процессы

Поведение диэлектрической проницаемости плазмы

Уравнение Больцмана

Шеститемпературная колебательная кинетика квантовых процессов

Резонатор

Радиорезонатор

Активная среда

Оптический резонатор

Лазерное излучение

Канал связи

Приемник излучения

ным электрическим разрядом, и энергетический спектр свободных электронов плазмы, а, следовательно, ее диэлектрическую проницаемость. В блоке «резонатор» заложено математическое моделирование процессов,определяющих основные спектральные характеристики лазерного оптического резонатора. Блок «лазерное излучение» посвящен моделированию распространения когерентного оптического излучения в атмосферном канале связи, что позволяет скорректировать полученные данные с учетом метеорологических особенностей на трассе распространения в данной конкретной местности. Блок «приемник оптического излучения» рассматривает оптический приемник как целевое устройство, в котором происходит конечная обработка и восстановление сигнала из модулированного оптического излучения. При этом в качестве критериев оптимизации выступают: для аналоговых АОЛС-максимальное отношение сигнал/шум, для цифровых АОЛС-минимальная вероятность ошибки.

На начальном этапе проектирования АОЛС проводится ранжирование ее характеристик по разбросам значений. Введено разделение на три категории: неизменяемые параметры (они не подлежат модификации и принимаются за основные отправные точки расчета); возможно изменяемые параметры (изменение которых нежелательно, однако, при невозможности

Распространение излучения

Оптический приемник

Поиск и вхождение в связь

Рис. 1. Обобщенная блок-схема моделирования АОЛС с использованием ЭВМ

Считывание начальных установок газовой смеси и разрядной области

Модификация начальных данных

Считывание исходных величин Ул/, 0/Д к№

Х

Установка начальных значении !'. 7',5 „. Р, и Л и <Ь I

Блок начальных установок расчета

'лавный расчетный блок (для всехх) N/1:),Ш(х),Е(х)./,(х).

Р,„,(х). Ф). ".(*), Р.Ы. Р^х). IV Р^(х)_/

реализации АОЛС, удовлетворяющей требованиям ТЗ, подлежат частичной корректировке); параметры, изменяемые в ходе расчета и оптимизации.

Взаимное влияние последовательности расчета и веса входящих в него переменных позволяет проводить подгонку счетного алгоритма под конкретную реализацию проектируемой оптической системы связи.

Во второй главе представлены математические модели и результаты компьютерных экспериментов по определению параметров плазмы активной среды отпаянного С02-лазера с ВЧ накачкой, соответствующие блоку «элементарные процессы» рис. 1. В модели, описывающей поведение диэлектрической проницаемости плазмы, рассмотрено разрядное ВЧ устройство щелевого типа. Счетный алгоритм приведен на рис. 2. Результаты представляются в виде таблицы, обновляющейся на каждом временном интервале.

Математической модели придан самосогласованный характер благодаря учету взаимного влияния поля накачки на плазму и плазмы на поле. В модели полагается, что ВЧ поле накачки поддерживает активную среду С02-лазера в состоянии плазмы, проводимость которой равна

т«, +*>„)

Изменение электронной концентрации за А1 составляет:

г

Вых

Пересчитать Продолжение

расчета

1

Рис. 2 Структура алгоритма расчета диэлектрической проницаемости плазмы активной среды отпаянного С02-лазера с ВЧ накачкой

ДЛ'ДХ):

у, (*) -V. (л:) + //. (х) А', (х)ЖмЕл (ж) +

¿У, О) ¿а

Р.(х) МЛ*)

О.(х)

Дг

Яее

10000 1—

мЛ*)

где ^-эффективная частота соударений, /^-подвижность, а Д,-коэффициент диффузии ионов, £„-статическая составляющая электрического поля,.

При расчете задавалось произвольное начальное распределение электронной концентрации по зазору (положим, Ые(х)=Иетшссоз(7^х-1)/2[) и граничные условия Ые(0)=Ие(21)=0. Установившееся значение электронной концентрации получалось после нескольких сотен итераций.

При воздействии ВЧ поля накачки на рабочую газо- р=ю тодо вую среду С02-р*2о торр лазера реальная часть ее диэлектрической проницаемости уменьшается вследствие ионизации газа (рис. 3). Этот процесс носит колебательный

26 30 1, НС

Рис. 3. Изменение действительной части комплексной относительной диэлектрической проницаемости плазмы активной среды С02 лазера в переходный период после включения ВЧ накачки характер с постепенно уменьшающейся амплитудой к концу переходного процесса. Последний характеризуется мелкомасштабными колебаниями с частотой близкой к частоте накачки. Размах колебаний уменьшается с течением времени (в интервале г=(Н30 не относительная амплитуда равна 10" МО'3, при «=30-5-70 не порядка Ю^-НО"6).

В качестве частного, но в то же время типичного, примера рассматривались параметры плазмы с газовым составом С02:К2: Не=1:1:4 при площади разрядных ВЧ электродов- 510"3 м2, в межэлектродном зазоре равном- 21= 4.3-10"3 м, с начальной температурой электродов- 290К, на частоте ВЧ на-качки-/=81,36 МГц.

Основной характеристикой разряда при рассмотрении элементарных процессов в активной среде лазера является функция распределения электронов по энергиям/о(Ю (IV-кинетическая энергия электрона), являющаяся решением уравнения Больцмана. В общем случае, интегро-дифференциальное уравнение Больцмана не имеет аналитического решения. Решение данного уравнения, отвечающего условиям нашей задачи, находилось по методу интерполяции Шермана с переменным шагом. Ос-

новной особенностью данной модели являлось то, что рассчитывалась в ВЧ поле в условиях а-формы разряда, поле накачки, поляризованное линейно, направлено перпендикулярно оси оптического резонатора.

Считалось, что рабочая среда являлась трехкомпонентной газовой смесью (С02-М2-Не). применялась замена/о(№)^(\У)у(1У), где -решение в отсутствие неупругих членов. Столкновения второго рода не учитывались, что справедливо для отпаянных лазеров. Функция распределения /о(№) полагается равной у(Ю ПРИ всех энергиях выше некоторой пороговой. По достижении порога интегрирование «обрезается».

Для смеси газов уравнение Больцмана записывалось в виде:

8кЧл (№) + В, (Ж)

1У*1ГЛ

\-3nYS, ¡иг^г^^улг^о

(3)

где //-концентрация молекул газа, ^-действующее значение напряженности электрического поля накачки; е-заряд электрона, т - масса электрона, 8к -доля молекул &-го газа в смеси; Мк - масса молекул к-то газа; Вк - вращательная постоянная для молекулы £-го газа; ак - сечение возбуждения вращений молекулы к-то газа; дтк(Т^), де,к(Ю - эффективные сечения соответственно упругих и неупругих столкновений для к-го газа. Решение находилось для каждого значения энергии по рекуррентной методике в обратной последовательности; окончательное значение /0(№) получалось после нормировки. В диапазоне энергий 0+2эВ вычисления выполнялись с шагом 0.01эВ, в диапазоне 2+25эВ - с шагом 0.1эВ, в диапазоне 25-П00эв - с шагом 1эВ. Количество шагов по энергиям выбиралось таким, чтобы на интервале интегрирования относительное изменение /о(Ю не превышало 10" 10-ИО-20, что определяется областью корректности нормировки. Алгоритм представлен на рис. 4.

Полученные результаты использовались для вычисления полной частоты ионизации в газовой смеси при моделировании поведения диэлектрической проницаемости плазмы и для определения скоростей электронного возбуждения колебательных энергий молекул газовой смеси при моделировании кинетики внутриплазменных процессов С02-лазерного передатчика на основе шеститемпературной модели.

Компьютерный расчет энергетических характеристик лазера при заданных параметрах активной среды выполнен по шеститемпературной модели С02 лазера. Шесть температур характеризуют плотности энергии Ei-.Es, запасаемые в трех колебательных модах молекулы С02 (асимметричной с температурой^ - уровень 00° 1; деформационной с температурой

Т2 - уровень 0110; симметричной с температурой Т, - уровень 10°0); в низших колебательных модах молекул N2 с температурой Т4 (уровень у=1); и молекул СО с температурой Т5, в активной смеси с температурой Т. Запасенные в единице объема энергии £,. ,Е5 изменяются за счет релаксационных и обменных процессов, протекающих в активной среде, вследствие электронного возбуждения, индуцированного рождения и гибели фотоМодель учитывает, что в процессе генерации часть молекул С02 диссоциирует с образованием молекул СО и атомов кислорода. Работа лазера как усилителя оптического излучения возможна только при определенном уровне инверсии населенности, когда потери в активной среде становятся меньше энергии, запасаемой в ее объеме. Временная зависимость интенсивности излучения внутри резонатора напрямую определяется этим параметром. Таким образом, для полно ценного описания системы математическая модель последней дополняется уравнениями, описывающими временную эволюцию внутрирезонаторной интенсивности излучения и инверсии населенностей.

С учетом сказанного, в рамках шеститемпературной модели лазерная среда описана восемью связанными дифференциальными уравнениями с главными зависимыми переменными: Е, Ед Е2, Е3, Е4, Е}, /„ и N¡00, где Е-энергия поступательно-вращательного движения газа, /„ - интенсивность излучения в лазерном резонаторе. Вычисление ведется в следующей последовательности: сначала, используя соответствующий метод приближенного

<С_

Начало

3

Считывание начальных данных из ini-файла

Установка объемных долей газов и отношения ЕЛр^

Calculate»

Получение сечений переходов (СеДаа) Расчет 710

Расчет обобщенной ФРЭЭ у (GetGAMMA)

Расчет /^И?

Изменение счетного интервала

Построение зависимости fo(W)

CL_Конец

Рис. 4. Структурная схема алгоритма расчета/о(Ю по методу Шермана

вычисления, решается система связанных дифференциальных уравнений, затем определяются их правые части для следующей итерации.

Вычислить последние невозможно без указания значения входящих в выражения констант. Поэтому на каждом шаге итераций последовательно

определяются значения характерных времен релаксации г(/ и электронной концентрации N/0. Алгоритм счета представлен на рис. 5.

На первых четырех временных интервалах счета система уравнений решается методом Рунге-Кутта, затем- методом прогноза и коррекции Хем-минга.

В программе предусмотрено автоматическое деление пополам или удвоение интервала на основе оценки разности между прогнозируемой и скорректированной вели-

Ввод начальных данных МСОл, Л'Л -объемные доли компонентов, /•"-коэффициент заполнения, '-длина резонатора, /¿-коэффициент отражения выходного зеркала, Л^.-площадь выходного зеркала, /„„„«-пороговое значение

Г„„„ /'„„-начальные температура и давление газа, | 'л '» Ь -коэффициенты для расчета N,(1), А> эффективные скорости возбуждения уровней, Л, Л,, счетныс интервалы |

I -

Установка переключателей

количество рассматриваемых уравнений, -Ч-форма зависимости N/1), ЮеЬи%-счетный/пошаговый режим, /55С-вюпочение/ис1слючение уравнения для /..

Рис. 5. Алгоритм расчета кинетики внутриплаз-менных процессов с помощью шеститемператур-ной модели

чинами 1у

Основные подпрограммы, приведенные в схеме алгоритма и используемые в них переменные, а также выполняемые этими подпрограммами действия перечислены ниже:

ИеСак - вычисляет значение Л^ как функции времени; ЕСа1с - вычисляет правые части уравнений; ТаиСак- вычисляет значение времен релаксации тц\ ЕяпСак- решение системы уравнений с использованием методов Рунге-Кутта и прогноза-коррекции Хемминга

Разработанная модель апробирована для описания и расчета лазера с длиной резонатора 70 см и площадью поперечника разрядного промежутка 2.5 см2, с отношением объемных долей СОг:]Ч2:Не=2:1:6, коэффициентом

отражения выходного зеркала /?р=0.7, «глухого» зеркала /?у=1.0, с начальной газовой температурой 7^300К, с эффективными вероятностями электронно-колебательных переходов Х1=Х2=Хз=4-10'9, Х4=2-10"8,Х5=3-10"8.

Использовался пошаговый режим счета со следующими параметрами: полная продолжительность счета: 1.5мкс, первый счетный интервал 50нс.

Вычислительный эксперимент показал (рис. 6), что на начальном участке зависимости наблюдается быстрое увеличение значения интенсивности излучения. С ростом Ие повышается температура газа в активной зоне генерации, заселяется уровень, соответствующий симметричной колебательной моде С02, вследствие чего рост интенсивности индуцированного излучения постепенно замедляется.

На рис. 7а и 76 показаны выходные импульсы лазера, найденные путем моделирования для различных степеней диссоциации С02 на окись углерода и кислород. На графиках четко прослеживается «хвост», обусловленный переходными процессами, ограничивающий предельно достижимую скорость передачи данных в АОЛС.

В третьей главе приводится описание выбора для АОЛС типа лазера, конструкции его излучателя, алгоритма габаритного расчета лазерного излучателя, способа и технической реализации режима перестройки излучения, соответствующей блоку «резонатор» (рис.1). На основании проведенного обзора различных конструктивных решений излучателя С02 лазера предложен цельнометаллический вариант излучателя с высокочастотным

р ,ВТ

3 4 .„-«> -з N хЮсм

Рис. 6. Зависимость внутрирезо-наторной интенсивности излучения лазера от Л^,

Р , Вт

]

1 и Л

40

20

-< и. — ■■ -■ — —|

1.0

1, МКС

а)

2

С, МКС

б)

Рис. 7. Временная зависимость мощности выходного импульса при отсутствии диссоциации молекул С02 (а) и при 15%-ой диссоциации (б).

электромагнитным возбуждением активной среды.

Подобный излучатель одновременно выполняет следующие функции: он является радиорезонатором, настроенным на частоту колебаний накачки, оптическим резонатором и резонатором, заполненным рабочей смесью, одна часть которой, заполняющая емкостной зазор радиорезонатора, находится в активном состоянии, а другая, заполняющая тороидальную полость резонатора, остается «холодной» балластной смесью. Алгоритм расчета разработан для двух вариантов конструкций радиорезонатора: в виде отрезка Н-волновода и тороидального типа. Габаритный расчет излучателя первого типа настроенного на частоту накачки, первоначально проводится для предпускового режима, т.е. без учета влияния плазмы активной среды. Эквивалентная схема такого излучателя представляет собой параллельный колебательный контур с эквивалентной емкостью Сэ, сосредоточенной в щелевом зазоре и эквивалентной индуктивностью ¿3 боковых полостей, которые могут быть выражены через размеры резонатора следующим образом (см. рис. 8):

а ж

К-1, ■

4 = цЛЫг--/

' ° ' 4/г + 1-1

Р Р "

После включения ВЧ накачки и «зажигания» разряда в рабочей газовой смеси появляется плазма, смещающая настройку Н-резонатора вниз по частоте. При выполнении габаритного расчета Н-резонатора требуется подгонка его размеров, для обеспечения настройки на заданную частоту /„. С целью сокращения времени проектирования лазера разработана программа габаритного расчета излучателя с Н-резонатором накачки, позволившая вычислить размеры, а также значения его эквивалентных емкости и индуктивности.

В излучателе дисковой конструкции использован квазиустойчивый оптический резонатор, встроенный в тороидальный радиорезонатор накачки. Разработан алгоритм габаритного расчета последнего с учетом взаимосвязи его параметров с другими счетными блоками обобщенно-структурной модели. Влияние плазмы на расстройку резонатора накачки в модели поведения диэлектрической проницаемости плазмы активной среды, входящей в блок «Элементарные процессы».

Рассмотрим Н-резонатор, заполненный плазмой активной среды. Если «холодный» резонатор (до пуска лазера) характеризуется частотой настройки на основной тип колебаний соо, то в «горячем» состоянии (включена накачка) резонансная частота смещается и равна:

Для указанных типов излучателей проведен сравнительный анализ режимов работы и обоснован выбор типа модуляции оптического излучения в каждом их них. Для повышения скрытности передачи данных использована программно-управляемая перестройка частоты излучения.

1п

"Ж

Вид в поперечном сечении Рис. 8. Н-резонатор

Вид в боковом сечении

Четвертая глава посвящена рассмотрению моделей распространения оптического излучения в атмосферном канале, оптического приемника, а также модели и результатам компьютерных экспериментов, оптимизирующих базовые характеристики АОЛС и играющих роль обратной связи в итерационном процессе проектирования АОЛС с учетом математической модели передающего лазера, приведенной в главах 2-3.

Для вычисления полной битовой ошибки приема использовалось соотношение

д=1 2

'УехрИ«--/)а/(2сг,»)]Д| | ехр[-(;)2 /(2ег02

0 5/ 41ла О

(6)

где 07 и а0- дисперсия шума при передаче "1" и "0", / - фиксированный уровень сигнала при заданной протяженности АОЛС и коэффициенте экс-тинкции.

Ослабление лазерного излучения в атмосфере определялось экспоненциальным законом Бугера. Для моделирования флуктуаций амплитуды, отклонения пучка и среднеквадратического отклонения угла поляризации применена теория турбулентной атмосферы Татарского. Структурная функция фазы принимаемого излучения определялась по модели турбулентности атмосферы Колмогорова-Обухова.

Среднее число шагов при регулярном взаимном поиске оптических передатчика и приемника находилось из следующего выражения , = 1 + 2^(1-/0+2/^

где ра - вероятность обнаружения сигнала в шумах, рА - вероятность верной направленности луча, рц - вероятность ложной тревоги. Для решения задачи комплексной оптимизации параметров АОЛС по критерию минимума массогабаритных показателей необходимо знать: мощность передатчика Ро, диаметр лазерного пучка на приемной стороне (диаметр пятна) Опучш', угол расходимости пучка в„учт ¡мгновенное значение рабочей длины волны Ло и диапазон ее перестройки; угол поля зрения передатчика ©пр0; коэффициент пропускания оптики передатчика К*™; диаметр (площадь) передающей оптической системы Б тип модуляции излучения (АМ, ЧМ, ФМ, ПМ); минимальную дальность связи Я\ метеорологическую дальность видимости Бм; высоту расположения оптической трассы Н0 над поверхностью Земли; относительную влажность воздуха <ро; средний размер рассеивающих частиц с1расс\ количество молекул в 1 см3 трассы структурную константу турбулентности С„; внутренний и внешний масштаб турбулентности, соответственно 10 и 10; тип приемника (прямого

Рис. 9. Структура программы расчета базовых характеристик АОЛС

ности, соответственно 1и и Ь0\ тип приемника (прямого детектирования, гетеродинный); диаметр (площадь) приемной оптической системы £> (Я„ри);

коэффициент пропускания входной оптики приемника К"™; угол поля

зрения приемника 0„рм; мощность гетеродина (при гетеродинном приеме) Рг\ сопротивление нагрузки фотодетектора Л„; выходное сопротивление фотодетектора Яфа", коэффициент усиления по то

Приведенному описанию отвечает блок-схема, представленная на

рис. 9.

10 1 01 0Л1

м-'

аа*:

10

10"' и"' 10"* и'

0 2.5 1 и 10

Б Ш

Рис. 10. Зависимость относительной флуктуации амплитуды от дальности связи

О 1 0 01 ю"'

А8д, ю"1 рад ш"*

ю-' 10

ю-" и"» 10""

0133*5678910 К ш

Рис. 11. Зависимость среднеквадратического углового отклонения луча от протяженности турбулентной среды 0 01

ЛП, рад

О 003

° О 2 ^ 6 8 10

К КМ

Рис. 12. Зависимость среднеквадратического отклонения угла поляризации от расстояния

Разработанная программа позволила получить зависимость относительной флуктуации амплитуды принимаемого сигнала от дальности связи

(С02-лазер с 2=10.6 мкм, Р„зл=10Вт, структурная константа турбулентности укладывалась в разброс от 810"9 до 5-Ю"7), представленную на рис. 10(А, В, С - случаи слабой, средней и сильной турбулентности соответственно).

Результаты вычислительного эксперимента по определению зависимости среднеквадратического углового отклонения луча в функции дальности представлены на рисунке 11, а среднеквадратического отклонения угла поляризации принимаемого сигнала - на рис. 12.

Для оценки затухания оптического излучения в турбулентной атмосфере при входных данных: Л= 10.6 мкм, та= 0.67, РПРД=\0 Вт, dnbt> и ¿прьг^З м., 5д^=5км компьютерный эксперимент дал зависимость, представленную на рис. 13.

Разработанная модель позволила провести комплексную оптимизацию параметров AOJIC по критерию минимума массогабаритных показателей лазерных излучателей приемопередатчиков, однако, может быть использована и при проектировании AOJIC, отвечающих другим основным критериям путем модификации алгоритма.

10 -

PCR). Вт 1 -

0 1 ♦ 6 8 10

R, км

Рис. 13. Зависимость принимаемой мощности от расстояния

Процедура оптимизации проводится на основе матрицы взаимных связей.

Пусть передатчик характеризуется набором переменных Х„ которые полностью описывают его как элемент АОЛС, а приемник описывается набором У,. Тогда взаимное влияние переменных из этих наборов описывается матрицей (11), где оператор ри принимает значение (+1) в случае, когда связь положительная (для достижения требуемого результата необходимо увеличение значения исходной переменной), (-1) в обратном случае и 0, если связь между переменными отсутствует.

Матрица взаимных связей может быть многомерной, если учитывается большое количество компонент системы связи.

р =

X, Х2 ••■ X,

Y\ Рч Рг I Рп

Yi Рп Рп " Рч

Yj Pij Pi, - Р,

Ри е [U -U0]

(8)

На к-м шаге счета переменные представляются в виде

На каждом счетном этапе выполняется проверка удовлетворения полученных параметров требованиям, заложенным в ТЗ. Если рассчитанные значения не укладываются в требования, проводится корректировка значений переменных с последующим пересчетом. Если при расчете использовались предельные значения переменных, то принимается решение о необходимости корректировки входных данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена построению и реализации математической модели процессов в оптических системах связи и ее структурных блоков с целью облегчения проектирования и повышения эффективности действия АОЛС.

Основные научно-технические результаты диссертационной работы заключены в следующем:

1. Разработана обобщенная структурная модель АОЛС, позволяющая

осуществлять сквозное оптимальное проектирование систем оптической связи, проводить численный анализ и расчет параметров АОЛС по заданным техническим и эксплуатационным характеристикам с ориентацией на критерий максимального качества связи или минимума массогабаритных показателей.

2. Разработан комплекс взаимосвязанных математических моделей ос-

новных функциональных блоков АОЛС на основе С02-лазера: модель С02-лазерного излучателя с возбуждением активной среды поперечным высокочастотным электромагнитным полем (в том числе модель диэлектрической проницаемости плазмы, энергетического спектра электронов в высокочастотной плазме активной среды С02-лазера, квантово-электронных процессов в активной среде С02-лазера);

модель влияния атмосферного канала на распространение оптического сигнала АОЛС;

модель взаимного наведения оптического передатчика и приемника.

3. Разработаны алгоритмы численного анализа АОЛС.

4. Разработан комплекс программ, ориентированных на выполнение компьютерных экспериментов и реализующих алгоритм расчета и оптимизации технических параметров АОЛС с С02-лазером в качестве излучателя.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Расчет параметров лазерной атмосферной линии связи среднего ИК диапазона / Р.П. Краснов //Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТТ, 2002. С.122-129.

2. Самосогласованная задача моделирования диэлектрической проницаемости плазмы активной среды плазмы С02-лазера / A.A. Азаров, Р.П. Краснов, В.И. Юдин. //IX международная научно-техническая конференция. Радиолокация, навигация, связь, том 1, Воронеж, ВГТУ. С.437-444.

3. Алгоритм расчета цифровых AOJIC по критерию минимума битовых ошибок фотоприемника/ Р.П. Краснов. //Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та.. Сер. Радиоэлектроника и системы связи, Воронеж, ВГТУ, 2003. С. 207-209.

4. Моделирование параметров излучения отпаянного С02 - лазера с высокочастотным возбуждением / Р.П. Краснов, В.И. Юдин. // Сб. науч. тр. Проектирование радиоэлектронных устройств и систем. Воронеж, 2004, С.57-62.

5. Реализация алгоритма оптимального проекти-рования атмосферной оптической линии связи / Р.П. Краснов, В.И. Юдин. // Сб. науч. тр. Проектирование радиоэлектронных устройств и систем. Воронеж, 2004, С.50-56.

6. Р.П. Краснов, В.И. Юдин. Программа расчета кинетики процессов в плазме С02-лазера. М.: ФАП ВНТИЦ, 2004. Per. №50200400466 от 17.05.04.

7. A.A. Азаров, Р.П. Краснов, В.И. Юдин. Программа расчета зависимости диэлектрической проницаемости плазмы от напряженности приложенного внешнего высокочастотного поля. М.: ФАП ВНТИЦ, 2004. Per. №50200400465 от 17.05.04.

8. A.A. Азаров, Р.П. Краснов, В.И. Юдин. Программа численного моделирования функции распределения электронов по энергиям в плазме активной среды С02-лазера с высокочастотной накачкой М.: ФАП ВНТИЦ, 2004. Per. №50200400464 от 17.05.04.

9. Р.П. Краснов, В.И. Юдин. Программа расчета базовых характеристик атмосферной оптической линии связи М.: ФАП ВНТИЦ, 2004. Per. №50200401267 от 09.11.04. j/j^/'

Подписано в печать 26.05.2005.

Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90. экз. Заказ №

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ч.

л*,

!

0ШЛ005

РНБ Русский фонд

2005-4 31465

о*.«.

k ^ i

леоэ

Введение.

1. Обобщеннаяктурная модель АОЛС.

1.1.Современные средства расчета и проектирования лазерных и оптических систем.

1.2.Принципы построения модели АОЛС.

1.3.Проблематика моделирования АОЛС.

1.4.Оптимизация общих характеристик АОЛС.

1.5.Выводы по первой главе.

2. Математическое моделирование физических процессов в активной среде С Or- лазера.

2.1.Высокочастотное электромагнитное возбуждение углекислотного лазера.

2.2.Численный метод анализа диэлектрической проницаемости плазмы активной среды.

2.2.1. Математическое описание плазмы.

2.2.2. Результаты компьютерного моделирования.

2.3.Численный метод расчета энергетических характеристик

СОг-излучаетля лазерного передатчика.

2.3.1. Многотемпературная квантово-электронная модель активной среды С02- лазера.

2.3.2. Численное решение уравнения Больцмана и определение скоростей элементарных процессов.

4 2.3.3. Построение и реализация алгоритма счета.

2.3.4. Компьютерный расчет функции распределения электронов по энергиям в активной среде.

2.3.5. Реализация счетного алгоритма решения шеститемпературной модели.

2.4.Выводы по второй главе.

3. Алгоритм разработки СС^-лазера с высокочастотным возбуждением для передатчика атмосферной оптической линии связи.

3.1.Разработка и численный расчет излучателя СОг-лазерного передатчика.

3.1.1. Требования к излучателю.

3.1.2. Выбор конструкции.

3.1.3. Моделирование и расчет линейного лазера с радиорезонатором накачки Н-типа.

3.1.4. Моделирование и расчет дискового лазера с радиорезонатором накачки тороидального типа.

3.2.Выбор режимов излучения лазерного передатчика.

3.2.1. Непрерывный режим оптического излучения.

3.2.2. Импульсный режим оптического излучения.

3.2.3. Режим перестройки частоты оптического излучения.

3.3.Выводы по третьей главе.

4. Алгоритм процедуры приема сигнала в атмосферной оптической линии связи.

4.1 .Моделирование процедуры обнаружения и оптимального приема оптического сигнала.

4.2.Моделирование атмосферного канала прохождения оптического излучения.

4.3.Моделирование процедуры взаимного наведения лазерного передатчика и приемника AOJIC.

4.4.Построение и реализация алгоритма счета.

4.5.Выводы по четвертой главе.

Актуальность темы. В настоящее время широкое развитие получили атмосферные оптические линии связи (AOJIC) на основе лазерных технологий.

Интерес к коммерческому использованию AOJIC вызван общими тенденциями развития рынка услуг связи и передачи данных, где по-прежнему остро стоит вопрос доставки информации конечному потребителю.

Высокий КПД, уникальные спектральные возможности излучения, а также попадание рабочей длины волны в «окно прозрачности» атмосферы создают благоприятные предпосылки для применения в оптических системах передачи информации СОг-лазеров с высокочастотным (ВЧ) возбуждением активной среды, как одних из наиболее перспективных источников когерентного излучения в среднем ИК диапазоне.

Ввиду большой вычислительной сложности провести разработку, а тем более оптимизацию, параметров AOJIC без использования компьютерного моделирования невозможно.

Имеется опыт разработки программных комплексов моделирования и анализа оптических, в том числе лазерных, комплексов и систем. Однако, существующие пакеты, ориентированные на проектирования оптических систем связи, ориентированные на Windows-платформы на базе IBM-совместимых ПК (Zemax, CODE V, GLAD, LasCAD и др.) не учитывают процессов формирования оптических сигналов в излучателях оптических передатчиков и в приемниках, либо проводят подобный анализ исключительно для случая применения твердотельных лазеров (LasCAD), обходя газовые лазеры, в частности, углекислотные.

Модели, описывающие процессы в оптическом излучателе с учетом их взаимосвязей при строгом физическом подходе используют достаточно сложный математический аппарат и не обходятся без значительных затрат машинного времени. Применение подобного математического обеспечения при расчете и проектировании AOJIC требует от разработчика высокого уровня квалификации. В то же время на сегодняшний момент существуют модели, позволяющие при незначительном уменьшении точности полученных результатов существенно снизить вычислительную нагрузку при расчете и проектировании коммерческих лазерных систем связи на основе СС>2-лазеров.

Для целей рационального моделирования систем AOJIC на основе СС>2-лазера требуется разработка специализированного математического и программного обеспечения, позволяющего осуществить разработку и * оптимизацию параметров каждого из функциональных блоков AOJIC, а также всей линии связи в комплексе.

В существующих работах, рассматривающих применение ЭВМ при разработке лазеров, отсутствуют алгоритмы и программные средства сквозного моделирования AOJIC. Следовательно, требуется разработка функциональной, обобщенной структурной схемы, а также общего алгоритма объединения элементов в единую систему с учетом механизмов взаимодействия главных функциональных блоков.

Использование универсальных программных продуктов (MathCad, MatLab, Maple) в процессе проведения компьютерных экспериментов не дает эффективного результата, поэтому в диссертационной работе основное внимание уделено созданию математических средств моделирования и анализа функциональных блоков AOJIC и линии связи в комплексе. В этой связи разработка математических моделей процессов в AOJIC на основе лазерных технологий с целью выбора оптимальных проектных решений является актуальной научной задачей.

Работа выполнена по материалам исследований, проведенных на кафедрах радиотехнических систем и радиоэлектронных устройств и систем

ВГТУ в 1997-2003 г.г. в рамках научно-технической программы «Конверсия и высокие технологии», а также по научным направлениям Воронежского государственного технического университета «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приема и защиты информации» и «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы».

Целью диссертационной работы является разработка средств формализованного описания процессов, положенных в основу комплекса математических моделей AOJIC и ее структурных блоков с целью выбора оптимальных проектных решений.

Для реализации данной цели в работе поставлены и решены « следующие основные задачи:

1. разработка обобщенной структурной модели AOJIC, позволяющей осуществлять моделирование и анализ систем оптической связи, проводить численный анализ и расчет их параметров по заданным техническим и эксплуатационным характеристикам с ориентацией на критерии минимума массогабаритных показателей и максимального качества связи; т

2. математическое моделирование и построение алгоритма анализа основных функциональных блоков AOJIC и протекающих в них процессов;

3. разработка алгоритмов оптимизации параметров моделируемой AOJIC как единого комплекса;

4. реализация разработанных алгоритмов в виде комплекса программ, ориентированных на вычислительный эксперимент.

Методы исследования. При выполнении работы использованы: теория вероятности, структурного, объектно-ориентированного и визуального программирования, теория турбулентной атмосферы, математические методы квантовой электроники, физики плазмы высокочастотного газового разряда.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: щ 1. многоуровневая обобщенная математическая модель, методика моделирования и расчета линии атмосферной оптической связи, отличающейся применением углекислотных лазерных излучателей с высокочастотным возбуждением активной среды;

2. методика оптимизации базовых характеристик AOJIC по критериям минимума массогабаритных показателей и максимального качества связи, отличающаяся комплексным анализом AOJIC;

3. алгоритм и программа моделирования атмосферного канала Л лазерной связи в среднем ИК диапазоне, отличающаяся учетом характеристик углекислотного лазерного излучателя;

4. многотемпературная квантово-электронная математическая модель СОг лазерного излучателя, отличающаяся рассмотрением метода поперечного ВЧ возбуждения активной среды.

Практическая ценность работы заключается в совершенствовании процесса проектирования оптического когерентного излучателя на базе СО2-* лазера с ВЧ возбуждением активной среды. Теоретические результаты работы положены в основу четырех специализированных прикладных программ компьютерной модели AOJIC на основе СОг-лазеров, зарегистрированных в Государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации №50200400466, №50200400465 и №50200400464 от 17.05.04, № 50200401267 от 09.11.04.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы используются для расчета энергетических характеристик оптического излучения щелевого СОг-лазера с ВЧ возбуждением активной среды НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники при МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также внедрены в учебный процесс ВГТУ на кафедре РЭУС для специальности 210302 «Радиотехника».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях: XI, XIII,XIV Международных НТК "Лазеры в науке, технике и медицине" (2001, 2002, 2003г.г.); IX Международной НТК "Радиолокация, навигация, связь", г. Воронеж, 22-24 апреля 2003 г.; а также на научных семинарах кафедры "Радиоэлектронные устройства и системы" ВГТУ в 2002, 2003 и 2004 годах.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 печатных работах. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: алгоритм расчета поведения диэлектрической проницаемости плазмы [32, 99], алгоритм расчета кинетики процессов в плазме СОг-лазера [41, 98], алгоритм расчета функции распределения электронов по энергиям [102] методика оптимизации параметров AOJIC при моделировании базовых характеристик по критерию минимума массогабаритных показателей и максимального качества связи [103].

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 105 наименований. Работа изложена на 156 страницах, содержит 49 рисунков и 7 таблиц.

4.5 Выводы по четвертой главе

В итоге моделирования блоков «Лазерное излучение» и «Приемник излучения» обобщенно-структурной модели AOJIC достигнуты следующие результаты:

1. проведено математическое моделирование и оптимизация базовых характеристик AOJIC;

2. осуществлено компьютерное моделирование атмосферного канала прохождения оптического излучения, процедуры взаимного наведения лазерного передатчика и приемника AOJIC;

3. проведена статистическая оценка времени обнаружения и оптимального приема сигнала;

4. разработана математическая модель и осуществлено компьютерное моделирование параметров приемника оптического излучения в составе AOJIC с модулированным углекислотным лазером в качестве передатчика.

5. продемонстрировано действие разработанных алгоритмов и реализующих их программ на примере расчета конкретной AOJIC среднего ИК-диапазона, использующей в качестве передатчика модулированный СОг-лазер с ВЧ накачкой. В блоке «Лазерное излучение» используются следующие значимые переменные:

Заключение

Диссертационная работа посвящена построению и реализации математической модели AOJIC и ее структурных блоков с целью облегчения проектирования и повышения эффективности действия АОЛС.

Основные научно-технические результаты диссертационной работы заключены в следующем:

1. Разработана обобщенно-структурная модель АОЛС, позволяющая проводить моделирование и анализ процессов в АОЛС по заданным в ТЗ техническим и эксплуатационным характеристикам.

2. Разработан комплекс математических моделей блоков АОЛС, включающий: модель углекислотного лазерного излучателя с высокочастотным возбуждением активной среды; модель квантово-электронных процессов в активной среде СО2-лазера; модель описания энергетического спектра электронов в высокочастотной газоразрядной плазме СОг-лазера; модель влияния атмосферного канала на распространение оптического сигнала АОЛС; модель взаимного наведения оптического передатчика и приемника.

3. Разработаны алгоритмы численного анализа АОЛС, реализованные в виде комплекта программ, ориентированны на выполнение компьютерных экспериментов. Комплект логически объединяет: программу расчета параметров физических процессов, ответственных за формирование выходного когерентного оптического излучения С02-лазера; программу решения кинетического уравнения Больцмана для функции распределения электронов активной среды по энергиям; программу габаритного расчета Н-резонатора СО2 лазерного излучателя в составе AOJIC; программу расчета и оптимизации параметров оптического приемника; программу взаимного пространственно-углового наведения оптических передатчика и приемника. 4. Разработан численный метод оптимизации AOJIC в целом, основанный на комплексном итерационном выборе технических параметров важнейших функциональных блоков AOJIC.

1. http://lfw.pennnet.com/Articles/Article Display.cfm?Section=ARCHI&Su bsection=Displav&ARTICLE ID=197497&KEYWQRD=laser%20market &p=12

2. Особенности применения атмосферных оптических линий связи//Лазер-информ, №12 (243), 2002, С.13-17.3. http://silicon3.narod.ru/Plazm/lecO/Model.htm

3. Райзер ЮП., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный газовый разряд М.: изд. МФТИ; Физматлит. - 1995. - 320с.

4. Яценко Н.А. Пространственная структура ВЧ-емкостного разряда и перспективы его применения в лазерной технике. Москва. — 1988. -43с. (Препринт Институт проблем механики АН СССР; №381).

5. М.Ишутин А.Н., Юдин В.И. Газовый лазер с высокочастотной накачкой А.С. №780776 СССР. Н 01 S 3/09. Заявл. 1.06.1979. Опубл. 18.07.1980.

6. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, 1990. - 264с.

7. Акиртава Д.О., Акиртава О.С., Голубев B.C., Исламов Р.Ш., Конев Ю.Б., Панченко В.Я. Исследование характеристик технологического

8. С02-лазера с накачкой в самостоятельном ВЧЕ разряде// г. Шатура. -1987. 16с. (Препринт НИЦТЛАН; №39).

9. Грановский B.JI. Электрический ток в газе (Установившийся ток). -М.: Наука.- 1971.-543с.

10. Веденов А.А. Физика электроразрядных С02 лазеров. М.: Энергоатомиздат. - 1982. - 111 с.

11. Чернетский А.В. Введение в физику плазмы. М.: Энергоатомиздат. - 1969.-303с.

12. Manes K.R., Seguin H.J. Analysis of the C02 TEA laser // Journ.Appl. -1972. v.34, № 12. - P. 5073-5078.

13. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах. — М.: Мир.-1967.-832с.

14. Schroeder К. Theoretical treatment of RF discharges in C02 waveguide lasers// J.Appl.Phys. 1990.- V.68. - №11. -P.5528-5531.

15. Варграфтик H.B. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука. - 1972. - 720с.

16. Taylor R.L., Bitterman V. Survey of vibrational relaxation data for process important in the C02-N2 laser system // Rev.Modern.Phys. 1969. - v.41, № 1. - P. 26-47.

17. Moore C.B., Wood R.E., Hu B.L., Gardley J.T. Vibrational energy in C02 lasers // The Journ. of Chemical Physics. 1967. - v.46, № 11. - P. 42224231

18. Wiol W., Uhlenbusch J. Generation og CO2 laser pulses by Q-switching and cavity dumping and their amplification by a microwave exited CO2 laser//J. Phys. D./Appl. Phys. 1996-29. - P. 57-67.

19. Смит К., Томсон P. Численное моделирование газовых лазеров. — М.: Мир.-1981.

20. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат. - 1977. - 384с.

21. Краснов Р.П., Юдин В.И. Моделирование параметров излучения отпаянного СО2 лазера с высокочастотным возбуждением//Сб. науч. тр. Проектирование радиоэлектронных устройств и систем. Воронеж, 2004, С.57-62.

22. Кочетов И.В., Певгов В.Г., Полак JI.C., Словецкий Д.И. Скорости процессов, инициируемых электронным ударом в неравновесной плазме (молекулярный азот и двуокись углерода)//Плазмохимические процессы/ под ред. Полак JI.C. М.: Наука. - 1979. - С.4-41.

23. Арасланов Ш.Ф. Расчет функции распределения электронов по энергиям в слабоионизированной плазме разряда в смеси газов СО2, N2, СО, 02, Н2, Не. Казань. - 1987. - 68с. (Препринт ВИНИТИ №2187-В87).

24. Арасланов Ш.Ф. Расчет функции распределения электронов по энергиям в слабоионизированной плазме газового разряда /сб. Исследования по физической газовой динамике. — Казань. Изд-во КазГУ. 1983. - С.80-90.

25. Карлов Н.В., Конев Ю.Б., Кочетов И.В. Певгов В.Г.Константы скорости и баланс энергии эектронов в плазме газоразрядных СО2-лазеров. Москва. - 1976. — 44с. (Препринт №91).

26. Балошин Ю.А., Крылов К.И., Шарлай С.Ф. Применение ЭВМ при разработке лазеров.

27. Хаксли Л., Кромптон Р. Диффузия и дрейф электронов в газах. — М.: Мир.- 1977.-672с.

28. Baker С.J., Hall D.R., Daies A.R. Electron energy distribution transport coefficient and electron rates for RF excited CO2 lasers // Journ.Phys.D: Appl.Phys. 1984. - v.l7. - P. 1597-1606.

29. Краснов Р.П., Юдин В.И. Программа расчета кинетики процессов в плазме С02-лазера. М.: ФАП ВНТИЦ, 2004. Per. №50200400466 от 17.05.04.

30. Азаров А. А., Краснов Р.П., Юдин В.И. Программа расчета зависимости диэлектрической проницаемости плазмы от напряженности приложенного внешнего высокочастотного поля. М.: ФАП ВНТИЦ, 2004. Per. №50200400465 от 17.05.04.

31. Азаров А.А., Краснов Р.П., Юдин В.И. Программа численного моделирования функции распределения электронов по энергиям в плазме активной среды СОг-лазера с высокочастотной накачкой М.: ФАП ВНТИЦ, 2004. Per. №50200400464 от 17.05.04.

32. Плис А.И., Сливина Н.А. Лабораторный практикум по высшей математике: учеб. пос. для втузов. М.: Высшая школа, 1994. - 416с.

33. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987. -550 с.

34. Виттеман В. С02-лазер. М.: Мир, 1990 - 360 с.

35. Немчинова Е.А., Съедугин В.В., Юдин В.И. Устройство высокочастотного возбуждения газового оптического квантовогогенератора А.С. №286822. СССР. Н 01 S 3/22. Заявл. 14.02.1969. Опубл. 21.08.1970.

36. Немчинова Е.А., Съедугин В.В., Юдин В.И. Устройство для высокочастотного возбуждения газового оптического квантового генератора А.С. №317340 СССР. Н 01 S 3/09. Заявл. 16.04.1969. Опубл. 13.07.1971.

37. Харитоненко Э.П., Худяков Г.Н., Юдин В.И. Газовый лазер А.С. №888785 СССР. Н 01 S 3/22. Заявл. 14.07.1980. Опубл. 07.08.1981.

38. Никольский О.А., Юдин В.И. Газовый лазер А.С. №622376 СССР. Н 01 S 3/097. Заявл. 19.09.1975. Опубл. 06.05.1978.

39. Панюшкин Н.Н., Юдин В.И. Газовый оптический квантовый генератор с высокочастотным возбуждением А.С. №660522 СССР. Н 01 S 3/09. Заявл. 10.10.1977. Опубл. 8.01.1979.

40. Маношкин Ю.В. Газовый лазер А.С. №544317 СССР. И 01 S 3/09. 1973.

41. Ишутин А.Н., Кузьмин Ю.Ф., Макаров В.В., Харитоненко Э.П., Юдин В.И. Газовый лазер с высокочастотным возбуждением А.С. №805894 СССР. Н 01 S 3/09. Заявл. 29.05.1979. Опубл. 14.10.1980.

42. Маношкин Ю.В. Газовый лазер А.С. №562158 СССР. И 01 S 3/09. 1975.

43. Юдин В.И., Макаров В.В., Кузьмин Ю.Ф., Сычевский Е.И. Устройство сверхвысокочастотного возбуждения газового лазера А.С. №705947 СССР. И 01 S 3/09. Заявл. 17.03.1978. Опубл. 28.08.1979.

44. Юдин В.И. А.С. №118937 СССР. Заявл. 30.05.1977. Опубл. 02.08.1978.

45. Кузьмин Ю.Ф., Макаров В.В., Юдин В.И. А.С. №130098 СССР. Заявл. 26.07.1978. Опубл. 11.05.1979.

46. Юдин В.И. А.С. №135225 СССР. 1979.

47. Ишутин А.Н., Кузьмин Ю.Ф., Макаров В.В., Харитоненко Э.П., Юдин В.И. Газовый лазер с высокочастотным возбуждением Пат. РФ №793261 Н 01 S 3/09. Заявл. 12.09.1979. Опубл. 23.09.1993.

48. Ишутин А.Н., Макаров В.В., Кузьмин Ю.Ф., Худяков Г.Н., Юдин В.И. А.С. №247957 СССР. Заявл. 10.12.1984. Опубл. 02.02.1987.

49. Ишутин А.Н., Гладких А.В., Кузьмин Ю.Ф., Макаров В.В., Харитоненко Э.П., Юдин В.И. А.С. №250411 СССР. Заявл. 25.03.1986. Опубл. 02.03.1987.

50. Юдин В.И. А.С. №118884 СССР. Заявл. 3.05.1977. Опубл. 2.08.1978.

51. Архипова Н.В., Юдин В.И. Газовый лазер Пат. №2113751 РФ. Н 01 S 3/09. Заявл. 21.02.1996. Опубл. 20.06.1998. Бюлл. 17.

52. Архипова Н.В., Юдин В.И. Газовый лазер Пат. РФ №2113752 Н 01 S 3/09. Заявл. 21.02.1996. Опубл. 20.06.1998. Бюлл. №17.

53. Худяков Г.Н., Ишутин А.Н., Кузьмин Ю.Ф., Макаров В.В., Юдин В.И. Газовый лазер с перестраиваемым спектром излучения: Пат. 2035812 Россия, МКИ5 H01S 3/104; НКТБ «Феррит». Заявл. 03.07.90, опубл. 20.05.95, Бюл. №14.

54. Ишутин А.Н., Кузьмин Ю.Ф., Макаров В.В., Худяков Г.Н., Юдин В.И. Газовый лазер с внутрирезонаторным сканированием Пат. РФ. №1708121 Н 01 S 3/09. 07.10.1993.

55. Архипова Н.В., Юдин В.И. Газовый лазер с высокочастотным возбуждением Пат. РФ №2170483 Н 01 S 3/09. Заявл. 30.09.1996. Опубл. 10.07.2001. Бюлл. №19.

56. Юдин В.И. Газовый лазер с высокочастотным возбуждением Пат. РФ № 2223579 Н 01 S 3/09. Заявл. 27.12.2001 Опубл. 10.02.2004 Бюл. №4.

57. Архипова Н.В., Юдин В.И. Газовый лазер с высокочастотным возбуждением Пат. РФ №2170482 Н 01 S 3/09. Заявл. 30.09.1996. Опубл. 10.07.2001. Бюлл. №19.

58. Архипова Н.В., Меркулов К.Б., Юдин В.И. Перестраиваемый газовый лазер Пат. РФ №2130676 Н 01 S 3/104. Заявл. 14.10.1997. Опубл. 20.05.1999.Бюлл. 14.

59. Кугушев A.M., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. М.: Энергия, 1969.-880 с.

60. Юдин В.И. Методы и устройства передачи информации по каналам связи. Воронеж, Изд. ВПИ, 1979. - С. 70-75.

61. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ; под ред. академика Н.Д. Девяткова, М.: "Высшая школа", 1970. 440с.

62. Юров ЮЛ. Электронные приборы СВЧ: Учеб. пос. Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1972. - 145с.

63. Мейнке, Гундлах Радиотехнический справочник. М. Радио и связь, 1972, в 2 т.

64. Справочник по радиотехнике/ Под ред. Б.М. Смиренина. М. ГЭИ, 1950.-784с.

65. Пратт В.К. Лазерные системы связи. М.: Связь, 1972. 323с. 77.Siegman А.Е., Arrathoon R. // IEEE J. Quant. Electr. 1967., V. QE-2,1. P. 156.

66. Аблеков B.K., Колядин С,А., Фролов A.B. Высокоразрешающие оптические системы. М.: Машиностроение, 1985.

67. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения.-М.: Наука, 1979.

68. Анохов С.П., Марусий Т.Я., Соскин М. С., Перестраиваемые лазеры. -М.: Радио и связь, 1982-360с.

69. Moeller G, Rigden J.D. Observation of laser action in R-branch of CO2 and N2) vibrational spectra //Appl. Phys. Lett., 1966, v.8, №3, P.69-70.

70. SofferB.H., McFarland B.B. Continuously tunable narrowband organic dye laser// Appl. Phys. Lett., 1967, v. 10, №10, P.266-267.

71. А.А. Азаров, В.В. Макаров, Г.Н. Худяков, В.И. Юдин Электронная перестройка длины волны излучения СОг-лазера //Квантовая электроника, 25, №12 (1998), С.1103-1104.

72. Г.Н. Макаров, Д.Д. Огурок, А.Н. Петин Получение многополосного перестраиваемого излучения в TEA СОг-лазерах // Квантовая электроника, 24, №7, 1997, С. 643-648

73. Н.В Наумов, В.Н. Петровский, Е.Д. Проценко, Р.А. Шананин Системы передачи информации на основе двухмодовых лазеров с управляемыми частотами излучения// Квантовая электоника, 22, №10, 1995, С. 1055-1056.

74. Серопегин В.И. Беспроводные системы передачи данных локального, городского и регионального масштабов. //Технология и средства связи, 1999, №4, С. 72-77.

75. Strickland B.R., Lavan M.J., Woodbridge Е., Chan V. Efects of fog on the bit-error rate of a free-space laser communication system// Applied optics 1999. V. 38. N.3.P. 424-431.

76. Шереметьев А.Г. Статистическая теория лазерной связи. М.: Связь, 1971.264с.

77. Шереметьев А.Г., Толпарев Р.Г. Лазерная связь. М.: Связь, 1974. 384с.

78. Росс М. Лазерные приемники. М.: Советское радио, 1969. 520с.

79. Сироклин И. Л. DECT последняя миля + мобильность. //Информост - Средства связи, 2001, № 2(15), С. 24-27

80. Милютин Е.Р., Гумбинас А.Ю., Статистическая теория атмосферного канала оптических информационных систем. М.: Радио и связь, 2002, 256с.

81. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548с.97.3уев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех). М.: Советское радио, 1977. 368с.

82. Краснов Р.П. Расчет параметров лазерной атмосферной линии связи среднего ИК диапазона //Синтез, передача и прием сигналов управления и связи: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, ВГТУ, 2002. С.122-129.

83. Краснов Р.П. Алгоритм расчета цифровых AOJIC по критерию минимума битовых ошибок фотоприемника//Вестник ВГТУ. Серия Радиотехника и системы связи, Воронеж, ВГТУ, 2003. С. 207-209.100. http://www.vkss.ru/conf/progrconf/gprz/

84. Гальярди P.M., Карп Ш. Оптическая связь: Пер. с англ./Под ред. А.Г. Шереметева. М.: Связь, 1978. 424 с.

85. Краснов Р.П., Юдин В.И. Реализация алгоритма оптимального проектирования атмосферной оптичекой линии связи// Сб. науч. тр. Проектирование радиоэлектронных устройств и систем. Воронеж, 2004, С.50-56.

86. Краснов Р.П., Юдин В.И. Программа расчета базовых характеристик атмосферной оптической линии связи М.: ФАП ВНТИЦ, 2004. Per. № 50200401267 от 09.11.04.

87. Хоровиц X., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х томах. М. Мир, 1983.-Т.2, 590с.

88. Гауэр Дж. Оптические системы связи.-М.: Радио и связь, 1989.-504с.1. УТВЕРЖДАЮ

89. Директор НИИ Радиоэлектроникиим^Н.Э. Баумана1. В.Н. Рождествин 2005 г.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯрезультатов диссертационной работы Краснова Р. П.,представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

90. Экон ' от внедренных результатов не определялся.по специальности 05.13.18д.т.н., профессор В.И. Козинцевк.т.н., доцент Смирнова О.А.

91. Первый проректор Воронежского государственного1. УТВЕРЖДАЮтренко В.Р.2005 г.1. АКТвнедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс

92. Эффект от внедренных результатов заключается в углублении знаний студентов в области проектирования лазерных устройств, а также в приобретении навыков моделирования и анализа с помощью ЭВМ энергетических характеристик лазерного излучения.

93. Начальник учебного управления

94. Заведующий кафедрой радиоэлектронных устройств и систем1. Ю.С. Балашов

95. УТВЕРЖДАЮ" Первый проректор Воронеж^сого государственного верситета1. Петренко В.Р.2005 г.1. АКТвнедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс

96. Эффект от внедренных результатов заключается в углублении знаний студентов в области проектирования лазерных систем, а также в приобретении навыков моделирования и анализа с помощьк^ ЭВМ воздействия атмосферного канала связи на оптическое излучение.

97. Начальник учебного управления

98. Заведующий кафедрой радиоэлектронных устройств и систем1. B.C. Железный1. Ю.С. Балашов