автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Повышение эффективности многопучковых лазерных систем методами адаптивной коррекции излучения

На правах рукописи

ТРОФИМОВ ВЯЧЕСЛАВ ВИКТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОПУЧКОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ МЕТОДАМИ АДАПТИВНОЙ КОРРЕКЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.13.05-элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Казань 2003

Работа выполнена на кафедре радиоэлектронных и квантовых устройств Казанского государственного университета им. А.Н. Туполева.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Воронов В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Белавин В.А.

кандидат технических наук, доцент Николаев Р.П.

Ведущая организация: ФНПЦ «Государственный институт

прикладной оптики»

Защита состоится » /¿¿у^У 2003 г. в на заседании

диссертационного совета Д 212.079.04 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан « 2003 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

В.А. Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Разработка и создание многопучковых лазерных систем является одним из перспективных направлений лазерной техники. Многопучковые лазеры находят широкое применение в технологии, оптической астрономии, системах передачи световой энергии на далёкие расстояния, открытых лазерных системах связи. По сравнению с однопучковыми лазерами такой же мощности многопучковые системы являются более компактными источниками, так как каналы генерации отдельных пучков обычно располагаются параллельно, что приводит лишь к увеличению поперечных габаритов лазера.

К многопучковым лазерам относятся: многоканальные лазеры, лазеры на многоходовых модах (М-модах), решётки полупроводниковых лазеров. Многоканальный принцип построения лазера позволяет эффективно и просто осуществлять накачку энергии в активную среду и отвод тепла из её объёма.

Однако существуют ряд факторов, ограничивающих практическое применение многопучкового лазерного излучения. В технологических системах таким фактором выступает сложность фокусировки многопучкового излучения. В атмосферных оптических линиях связи (АОЛС) отрицательное влияние на его свойства оказывают: во-первых, сильная зависимость дальности лазерной связи от метеоусловий и, во-вторых, отсутствие прецизионной и высокоскоростной системы наведения лазерного луча на приёмник, находящийся на расстоянии, большем 1000 м от передатчика.

На сегодняшний день производители оборудования, использующего лазерное излучение, используют различные методы для снижения влияния указанных факторов. Так производители технологических лазеров применяют сложные системы фокусировки многопучкового излучения, различные схемы внутрирезонатроной коррекции. Для снижения влияния атмосферной турбулентности на качество связи изготовители АОЛС также применяют такие

подходы, как увеличение мощности и расхрдиюатхцядаршГОАЯЗлучения,

БИБЛИОТЕКА |

увеличение диаметра приёмной оптики, увеличение числа приёмных апертур, некогерентное сложение излучения нескольких лазеров.

В то же время одним из возможных способов, позволяющих улучшить фокусировку излучение многопучковых лазеров, корректировать аберрации волновых фронтов в режиме реального времени, формировать лазерное излучение с заданным распределением интенсивности в некоторой области пространства, является применение адаптивных оптических систем (АОС).

Принцип работы АОС заключается в том, чтобы, воздействуя на волновой фронт, оптимизировать характеристики лазерного излучения. С этой целью в оптическом тракте системы устанавливается адаптивное зеркало, способное заданным образом деформировать фазовый фронт принимаемой или передаваемой волны.

Вместе с тем в настоящее время в литературе отсутствует информация о попытках применения АОС для коррекции излучения многопучковых лазерных систем, об алгоритмах управления и особенностях их использования в тех или иных условиях.

Данная работа посвящена разработке алгоритмов адаптивной коррекции многопучковых лазеров и исследованию характеристик высокоэффективных АОС, работающих на основе данных алгоритмов. Такие системы могут применяться, во-первых, для компенсации вредного влияния турбулентной атмосферы на свойства распространяющегося в ней лазерного излучения, и, во-вторых, для адаптивной фокусировки излучения многопучковых технологических лазеров.

Целью работы является улучшение характеристик многопучковых лазерных систем на основе одновременного управления наклонами волновых фронтов нескольких пучков, образующих многопучковое излучение.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: 1. Изучение современного состояния и развития многопучковых лазерных

систем и оценка особенностей их работы в различных условиях;

' ■ щ* л.

2. Разработка математических моделей адаптивных оптических систем для управления излучением многопучковых технологических лазеров, а также систем угловой коррекции лазерных пучков, распространяющихся в турбулентной атмосфере;

3. Разработка эффективных алгоритмов адаптивной коррекции излучения многопучковых лазеров;

4. Создание программного обеспечения и проведение численного моделирования многопучковых лазерных систем с адаптивной коррекцией излучения на основе предложенных алгоритмов;

5. Исследование эффективности предложенных алгоритмов, работающих в составе конкретной системы программного управления многопучковым передатчиком АОЛС;

6. Выработка предложений по использованию разработанных алгоритмов в системах адаптивной коррекции многопучковых лазеров, работающих в

/ различных условиях.

/ »

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы математического и имитационного моделирования, реализованные в рамках численных экспериментов.

Научная новизна работы представлена следующими результатами:

1. Предложена схема системы адаптивной коррекции случайных наклонов волновых фронтов для многопучкового лазера «Юпитер», изучены особенности различных алгоритмов коррекции излучения. Предложены два варианта управления системой - «параллельный» и «последовательный». Установлено, что «последовательный» вариант является более эффективным, чем «параллельный»;

2. Изучено влияние параметров оптической системы измерительно-управляющего канала системы угловой коррекции и параметров лазерного излучения (поляризации) на процесс адаптации. Показано, что

при оптимальном выборе параметров оптической системы можно существенно ослабить требования к алгоритму коррекции. Предложен быстродействующий алгоритм на основе градиентного метода. Изучены особенности его работы;

3. Предложена схема адаптивной коррекции наклонов волновых фронтов многопучкового излучателя, функционирующего в условиях турбулентной атмосферы и образованного тремя взаимно некогерентными лазерами. Для управления системой коррекции разработаны алгоритмы на основе градиентного метода и метода Ньютона, изучены их свойства;

4. На базе пакета LabVIEW проведено имитационное моделирование системы угловой коррекции случайных смещений пучков, возникающих в турбулентной атмосфере, предназначенной для работы в составе многопучкового излучателя AOJIC.

Практическая ценность диссертации.

Результаты диссертационной работы использованы в ООО «Телесет» '%

(г. Казань) при разработке проекта по развёртыванию атмосферных оптических линий связи в составе сетей передачи данных, а также в НИР «Численное моделирование и исследование процессов адаптивной юстировки лазерного передатчика высокоскоростного атмосферного канала связи» по гранту Т02-03.1-2577 Министерства образования РФ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и её отдельные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

1. VII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Томск, ИОА СО РАН, 2000 г.);

2. Конференция молодых учёных, посвящённая 10-летию ИВТ СО РАН (Новосибирск, ИВТ СО РАН, 2000 г.);

3. Юбилейная научно-техническая конференция «Автоматика и электронное приборостроение», посвященная 50-летию факультета автоматики и электронного приборостроения КГТУ им. А.Н. Туполева (Казань, КГТУ, 2001 г.);

4. IX Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Томск, ИОА СО РАН, 2002 г.);

5. X Юбилейный международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, ИАО СО РАН, 2003 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модели систем адаптивной коррекции лазерных излучателей со взаимно когерентными и взаимно некогерентными пучками;

2. Эффективные алгоритмы адаптивной коррекции, повышающие качество многопучкового лазерного излучения со взаимно когерентными и взаимно некогерентными пучками;

3. Комплекс программ для численного моделирования многопучковых лазерных систем с адаптивной коррекцией излучения;

4. Результаты исследования влияния параметров оптики на поведение адаптивных систем коррекции многопучкового лазерного излучения, включая оптимальные соотношения между размерами диафрагмы измерительного канала и диаметром пучков;

5. Результаты анализа влияния шумовых воздействий на работу системы адаптивной коррекции.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, включая 5 статей и 4 тезисов докладов.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объём работы 177 страницы. Основной текст диссертации содержит 167 страницы машинописного текста, 55 формул, 70 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 73 наименования.

б

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и основные задачи диссертационной работы, приводится краткое содержание глав диссертации, показана научная новизна и её практическая значимость. Определены выносимые на защиту основные положения работы.

В первой главе проведён аналитический обзор источников и областей применения многопучковых лазерных систем, рассматриваются существующие системы управления многопучковым лазерным излучением, их возможности, ограничения и недостатки.

К многопучковым лазерам относятся: многоканальные волноводные технологические С02-лазеры, лазеры на М-модах, решётки и сборки полупроводниковых лазеров. Такие типы лазеров находят широкое применение в астрономии, медицине, технологии, системах связи. В частности, на сегодняшний день системы АОЛС изготавливают такие производители г

телекоммуникационного оборудования, как Lucent, Alcatel, PAV Data Systems, российские компании - ФГУП НИИ «Полюс», ФГУП НИИ прецизионного приборостроения, Информационно-технологический центр, Государственный рязанский приборный завод, НПК «Катарсис», ООО «Мостком».

К недостаткам многопучковых технологических лазеров можно отнести сложность фокусировки и получения заданного распределения интенсивности излучения. Для лазеров на М-модах - наличие случайных наклонов волновых фронтов пучков, которые обусловлены неоднородностями активной среды. На качество связи АОЛС существенно влияют различные факторы, вызывающие смещение лазерных пучков от нормали, а именно, колебания зданий, ослабление и рассеяние сигнала, влияние турбулентности атмосферы, которое выражается во флуктуациях фазы и интенсивности, уширении, случайных смещениях, флуктуациях угла прихода и расщеплении лазерных пучков.

Для уменьшения влияния названных факторов производители лазерного оборудования применяются различные методы. В технологических лазерных установках применяются сложные системы фокусировки излучения и различные методы внутрирезонаторной коррекции. Производители оборудования АОЛС также используют разные подходы для снижения вредного влияния турбулентной атмосферы на качество связи.

Обзор литературных данных показал, что до настоящего времени для решения проблем, возникающих при транспортировке и фокусировке многопучкового лазерного излучения, адаптивные системы находили ограниченное применение. В частности, в периодических изданиях отсутствует информация о практическом применении АОЛС, в которых одновременно корректируются наклоны нескольких лазерных пучков на выходе излучателя.

В диссертации для управления многопучковым лазерным излучением предлагается использовать адаптивные системы угловой коррекции.

На основании материалов данной главы сформулированы основные задачи исследования и определены концепции их решения.

Во второй главе предложены и исследуются алгоритмы управления многопучковыми лазерами со взаимно когерентными пучками, изучается влияние параметров системы и поляризации излучения на работу этой системы адаптивной коррекции.

В системах зондирования атмосферы при использовании в качестве источников многопучкового излучения лазеров на М-модах возникает необходимость коррекции наклонов волновых фронтов, которые обусловлены случайными неоднородностями активной среды лазера и турбулентностью атмосферы. Для решения подобной задачи применительно к многопучковому лазеру «Юпитер» с кольцевым сечением выходного пучка предложена двухканальная схема системы коррекции. В этой системе задачей первого канала является обеспечение начальной параллельности всех пучков на входе в среду, а второго - обеспечение их последующей адаптации к атмосферным

искажениям. В данной главе изучаются особенности работы первого канала коррекции, предназначенного для компенсации наклонов волновых фронтов на выходе лазера «Юпитер».

Исходя из требований простоты и удобства измерения, критерием качества коррекции системы выбран функционал фокусировки который определяется стандартным образом, как 3л = Р/Рй, где Р - мощность излучения, проходящего через диафрагму в измерительно-управляющем канале, Р0 - мощность проходящего излучения для случая, когда центры всех пучков сведены в центр диафрагмы. Для вычисления мощности Р в пределах диафрагмы использовано выражение:

2

12*

]{г,у/)*е

У)

• гйгйц/, (1)

где а - радиус диафрагмы, А/г, у/), Ф/г, у/) - амплитуда и фаза у-го пучка, г и у/-текущие радиальная и угловая координаты в пределах диафрагмы. Индекс 2Ы определяет количество лучевых потоков лазера «Юпитер».

В этом случае задача управления лучевыми потоками сводится к нахождению такого взаимного углового положения лазерных пучков, при котором функционал фокусировки достигает максимального значения.

Разработана математическая модель системы адаптивной коррекции, получено выражение для функционала фокусировки, характеризующего качество многопучкового излучения лазеров, работающих на М-модах.

В данном исследовании была выявлена сильная изрезанность зависимости функционала фокусировки от управляющих воздействий. Наличие локальных максимумов ^ существенно затрудняет выбор конкретного алгоритма управления. В связи с этим для системы адаптивной коррекции предложено два варианта управления пучками - «параллельный» и «последовательный». В первом случае система коррекции сводит каждый лучевой поток в центр диафрагмы только после полного сведения предыдущего. При этом для полного сведения одного пучка требуется, как правило, несколько шагов управления. Во втором случае пучки сводятся

о о

чередующимися шагами управления, очередной шаг для текущего пучка выполняется сразу после завершения соответствующего шага управления для предыдущего.

Анализ работы системы коррекции показал, что «последовательный» вариант управления характеризуется меньшей изрезанностью критерия качества и является более эффективным по сравнению с «параллельным» при использовании метода покрытий для вычисления управляющих воздействий.

Численное моделирование работы системы коррекции проводилось применительно к лазеру «Юпитер», параметры которого характеризуются следующими значениями: длина волны излучения лазера X = 10.6 мм, радиус кольца излучения на выходной апертуре лазера Яср - 40 мм, фокусное расстояние системы фокусировки излучения в плоскость диафрагмы/= 304 мм, радиус пучка в перетяжке № - 0.3 мм, радиус диафрагмы а = 0.01 мм, погрешность вычислений методом покрытий £=0.005. Начальное положение пучков гср]иач задавалось с помощью генератора случайных чисел в пределах 0.3 мм от центра диафрагмы.

Моделирование проводилось сериями численных экспериментов, каждый из которых характеризовался случайным начальным распределением пучков в плоскости диафрагмы. Результаты моделирования системы адаптации, работающей по «последовательному» алгоритму представлены в таблице.

Таблица

Результаты численного моделирования системы коррекции

Номер луча Число шагов адаптации нач, ММ конеч, ММ к Уз нач VJконеч

1 29 0.08 0.04 0.058 ТЕ/8 71/8

2 25 0.06 0.04 0.083 2я/8 2тс/8

3 26 0.18 0.03 0.124 Зя/8 я + Зя/8

4 24 0.10 0.04 0.181 я/2 я + л/2

5 25 0.24 0.03 0.263 5л/8 71 + 5 я/8

6 30 0.06 0.03 0.326 6к/8 тс + 6 я/8

Продолжение таблицы

Номер луча Число шагов адаптации иач, мм Гер) коиеч» мм •Г.! Ч' J нач V ^ конеч

7 27 0.20 0.04 0.354 7тс/8 тс + 7тг/8

8 22 0.10 0.04 0.434 % 2%

9 29 0.04 0.03 0.436 9тс/8 л/8

10 29 0.04 0.03 0.438 1071/8 2тг/8

11 26 0.28 0.04 0.486 11 тс/8 И 71/8

12 34 0.04 0.03 0.484 Зл/2 12л/8

13 30 0.06 0.04 0.574 13я/8 13 л/8

14 31 0.16 0.04 0.758 14гс/8 14тс/8

15 30 0.18 0.04 0.882 15п/8 15 л/8

16 36 0.06 0.03 0.999 2тс 2л

Полученные данные свидетельствуют, что по окончании процесса адаптации функционал фокусировки имеет значение Jc¡ & 0.99. Таким образом, численный анализ показал, что в общем случае предложенный алгоритм адаптации позволяет выполнить фокусировку многопучкового лазерного излучения со взаимно когерентными пучками с требуемым качеством, которое для большинства АОС определяется как соотношение 0.8. Однако существенным недостатком предложенного алгоритма является большое число шагов адаптации - порядка 450. Это повышает требования к объёму оперативной памяти и быстродействию вычислительного и управляющего устройств при практическом использовании систем коррекции в лазерах со взаимно когерентными пучками. Поэтому следующей важной задачей исследования стал поиск путей повышения быстродействия системы адаптивной коррекции. Для этого было проведено исследование влияния параметров системы, в частности, размера диафрагмы на качество адаптации. .

Результаты исследования представлены на рис. 1. На этом рисунке графики 1, 2, 3 соответствуют различному начальному положению лучевых потоков в плоскости диафрагмы.

3 ----т--

2.5---^^^-

^ К5 ~пйЬ^^---

Iф=========±

0.5------

0 ------

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

а ,мм

Рис. 1. Значения функционала фокусировки по окончании процесса адаптации в зависимости от радиуса диафрагмы

Численный анализ показал, что при радиусе диафрагмы большем 0.02 мм сквозь неё проходит излучение локальных максимумов интенсивности, когда пучки ещё не сведены в центр. В результате значение функционала фокусировки Зц становится большим 1. Таким образом, максимальный радиус диафрагмы, при котором адаптация осуществляется с необходимым качеством (./¿>0.8) равен 0.02 мм, при этом соотношение радиус пучка/радиус диафрагмы равно ¡¥/а = 15.

Практическое использование диафрагм такого малого размера в измерительно-управляющем канале адаптивной системы нецелесообразно, так как возможно возникновение ситуации, когда отношение сигнал/шум на выходе фотоприёмника может оказаться недостаточным для эффективного функционирования системы. По этой причине было проведено дополнительное исследование влияния других параметров системы на качество коррекции.

Одним из таких параметров, определяющих фазовые соотношения интерферирующих пучков в плоскости диафрагмы, является фокусное расстояния оптической системы сведения лучей / Поэтому на следующем этапе изучалось влияние фокусного расстояния на величину функционала

1 -х ' \

2 3

¿Г С 1

А

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.

а ,мм

фокусировки. При численном моделировании радиус диафрагмы принимался равным 0.2 мм. Начальное расположение пучков устанавливалось генератором ' случайных чисел в плоскости диафрагмы на расстоянии, не превышавшим I

0.5 мм от её центра.

Исследования показали, что увеличение фокусного расстояния приводит к существенно более благоприятным условиям работы системы адаптации. Так при/> 3000 мм зависимость функционала фокусировки сглаживается, при этом максимум Jd располагается вблизи центра диафрагмы.

С учётом вышесказанного был предложен «комбинированный» алгоритм управления системой адаптивной коррекции: на первом этапе для каждого пучка методом перебора определяется начальное приближение к максимуму критерия качества, на втором этапе используется градиентный метод, с помощью которого уточняется положение максимума. А

В градиентных методах точка экстремума определяется в ходе I

итерационной процедуры: i

д("+1> = Д<"> +aMJXa(n)),n = 0,1,2,..., (2)

где а'"' - управляющее воздействие на и итерации, J'(а) - первая производная

I

показателя качества. Шаг градиентного метода рассчитывался по формуле:

(и) __ос_

* (3)

где параметр градиентного метода а ~ const.

При моделировании использовались следующие параметры: погрешность вычислений £ = 0.002, радиус диафрагмы а = 0.2 мм, фокусное расстояние / = 3000 мм, параметр градиентного метода а = 0.005.

На рис. 2 показано поведение функционала фокусировки в процессе адаптации, осуществляемой различными алгоритмами: алгоритмом, основанным на методе покрытий (зависимость 1), и алгоритмом, основанном на «комбинированном» методе (зависимость 2).

п

Рис. 2. Изменение функционала фокусировки в процессе адаптации: график 1 соответствует алгоритму с использованием метода покрытий, график 2-е использованием «комбинированного» метода

В ходе исследований было установлено, что в первом случае для завершения адаптации с требуемым качеством требуется порядка 240 итераций (1,1= 0.99), во втором - порядка 130 итераций (^ = 0.88). Таким образом, применение алгоритма, основанного на «комбинированном» методе для завершения адаптации с необходимым качеством требует почти в два раза меньшего количества итераций.

Чтобы определить влияние размера диафрагмы на качество адаптации системы, в которой реализован «комбинированный» метод, было проведено моделирование её работы при различных значениях размера диафрагмы и фокусных расстояниях оптической системы.

Результаты численных экспериментов представлены на рис. 3.

Выполненные исследования показали, что при фокусном расстоянии /5 3000 мм изменение размера диафрагмы от 0.07 мм до 0.3 мм не оказывает существенного влияния на качество адаптации. Таким образом, увеличение фокусного расстояния оптической системы позволяет увеличить размер диафрагмы, при котором адаптация выполняется с требуемым качеством.

3.0 2.5 2.0 ^ 1.5 1.0 0.5 0

0.05

0.1 0.15 0.2 а, мм

0.25 0.3

Рис. 3. Зависимость функционала фокусировки по окончании адаптации от радиуса диафрагмы: 1 - при / = 304 мм, 2 - / = 600 мм, 3 - / = 1000 мм, 4,5 -/= 3000 мм. Графики 1 - 4 соответствуют адаптации методом покрытий, график 5 - «комбинированным» методом

Для изучения влияние поляризации излучения на качество адаптивной коррекции был проведён анализ работы системы при суммарном воздействии парциальных компонент излучения (э- и р-компонент). При этом амплитуда волны излучения каждой из компонент задавалась следующим образом:

"V

фт^)],

А^=е ^ *|со5(У0;)|. При этом мощность излучения в пределах диафрагмы определялась как:

о о

2А/

М I (1Мг,¥)*е

И

№

(4а) (46)

(5)

где <1^ и Фр, - фазы пучков в плоскости диафрагмы для я- и р-компонент соответственно. В этой формуле квадрат модуля первого слагаемого в подынтегральном выражении соответствует Б-компоненте излучения, квадрат модуля второго слагаемого - р-компоненте.

Анализ работы системы показал, что поляризационные свойства излучения не оказывают существенного влияния на характеристики системы коррекции.

I 15

I

Третья глава посвящена разработке алгоритмов управления многопучковыми лазерными системами со взаимно некогерентными пучками. 1 Предложена структурная схема системы адаптивной коррекции,

предназначенной для использования в составе передатчика АОЛС (рис. 4.).

Рис. 4. Структурная схема системы адаптивной коррекции излучения нескольких взаимно некогерентных лазеров: БИ - блок излучателей, ИВБ -измерительно-вычислительный блок, ФП - фотоприёмник, М - мультиплексор, ДМ - демультиплексор

Разработана математическая модель системы адаптивной коррекции. В этом случае использовалась иная формула для мощности излучения лазерных пучков, учитывающая их взаимную некогерентность:

*rdrd¥, (6)

О О J' 1

где г и - текущие радиальная и угловая координаты, координаты Rj и f, определяют положение пучков в плоскости диафрагмы, п - число лазерных пучков.

Поскольку число пучков в конкретных АОЛС, как правило, не превышает трёх, численное моделирование проводилось для лазерных передатчиков именно с таким числом пучков.

По результатам моделирования было установлено, что в этом случае зависимость функционала фокусировки от величины управляющих воздействий является гладкой функцией и имеет один глобальный максимум. В

этом случае появляется возможность использовать для угловой коррекции два алгоритма: на основе градиентного метода и на основе метода Ньютона.

При использовании метода Ньютона точка экстремума определяется в ходе итерационной процедуры:

о Ди*)

где Д - параметр метода Ньютона, и З'(и\) - соответственно, значение функционала фокусировки и его первой производной на ¿-ой итерации.

Для выбора наиболее эффективного алгоритма было исследовано поведение функционала фокусировки в процессе адаптации при «последовательном» и «параллельном» вариантах управления.

Моделирование производилось при следующих параметрах системы: радиус пучков IV = 0.3 мм, погрешность градиентного метода е = 0.01, параметр градиентного метода а = 0.1, погрешность метода Ньютона е = 0.01, параметр метода Ньютона /?= - 0.4. Исследования проводились для систем с различными фокусными расстояниями задаваемыми в диапазоне от 2500 до 4000 мм, и радиусами диафрагмы а в диапазоне от 0.1 до 0.3 мм.

Типичные результаты численного моделирования показаны на рис. 5.

а . б '

Рис. 5. Изменение функционала фокусировки в процессе адаптации: а - градиентным методом, б - методом Ньютона; график 1 соответствует «последовательному», 2 - «параллельному» варианту управления пучками при параметрах системы: / = 3000 мм, а = 0.2 мм

Численный анализ показал, что и в этом случае «последовательный» вариант управления системой является более эффективным, чем «параллельный», обеспечивая большее быстродействие при более высоком качестве адаптации. Кроме того, алгоритм, основанный на методе Ньютона, позволяет почти в два раза увеличить быстродействие системы по сравнению с алгоритмом, использующим градиентный метод.

В четвёртой главе представлены результаты имитационного моделирования системы угловой коррекции излучения взаимно некогерентных лазеров, применяемой в составе лазерного передатчика АОЛС. Исследовалось качество работы системы адаптивной коррекции, а также поведение системы при воздействии шумовых сигналов.

В первом разделе главы IV представлена возможная структурная схема системы угловой коррекции. Управление системой осуществляется программой, разработанной на основе языка графического программирования измерительно-управляющего комплекса ЬаЬУ1е\у. Представлено описание алгоритмов, программного обеспечения, функциональных схем виртуальных инструментов, используемых в процессе имитационного моделирования.

Выбраны параметры системы угловой коррекции, соответствующие параметрам типовых АОЛС, а также параметры атмосферы, соответствующие режиму слабых флукгуаций. Проведено моделирование работы системы коррекции «последовательным» вариантом управления, реализованным в рамках градиентного метода (а = 0.02). Результаты имитационного моделирования показаны на рис. 6.

В ходе исследований определены показатели качества системы угловой коррекции. Получена переходная характеристика системы, по которой определено время регулирования. Вычислена динамическая ошибка ед = 0.005 и среднеквадратическая ошибка есркв = 0.002.

Изучено поведение системы угловой коррекции при отсутствии шумовых воздействий и в присутствии шумов. Установлено, что для принятых при

моделировании параметрах система сохраняет работоспособность в условиях, когда уровень шумов не превышает Ршума= 0.07 РСигнала, что соответствует уровню сигнал/шум, равному 11.5 дБ.

11

Jd <" 08 07

0 100 200 300 400 500

i

Рис. 6. Изменение функционала фокусировки: график 1 - без адаптации, график 2 - в процессе адаптации (а = 0.02)

Произведено сравнение быстродействия «последовательного» и «параллельного» вариантов управления системой. Установлено, что при использовании «последовательного» варианта управления коррекция внешнего возмущения осуществляется почти в 4 раза быстрее, чем при использовании «параллельного» варианта. Полученные результаты подтвердили результаты теоретических исследований, полученные в предыдущих главах, в частности, о том, что «последовательный» вариант является более быстродействующим, чем «параллельный».

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложении 1 представлен Акт внедрения результатов НИР «Численное моделирование и исследование процессов адаптивной юстировки лазерного передатчика высокоскоростного атмосферного канала связи» по договору РЭКУ-1/03 от «8» января 2003 г. между КГТУ им. А..Н. Туполева и ООО «Телесет».

В приложении 2 приведён текст программы имитационного моделирования системы коррекции в программном пакете Lab View.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе численного моделирования изучены характеристики адаптивных систем коррекции многопучковых лазеров со взаимно когерентными и взаимно некогерентными пучками излучения;

2. Предложен «последовательный» вариант управления системой коррекции многопучкового излучения со взаимно когерентными пучками являющийся более эффективным, чем «параллельный», что обеспечивает большее быстродействие системы при более высоком качестве излучения;

3. Разработан эффективный алгоритм коррекции на основе метода покрытий, который обеспечивает требуемое качество фокусировки в процессе коррекции многопучкового излучения со взаимной когерентностью пучкоз;

4. Показано, что параметры оптики системы коррекции существенно влияют на качество фокусировки взаимно когерентных пучков. При этом требуемое качество фокусировки (функционал фокусировки ^ й 0.8) достигается, если размер пучка более, чем на порядок превышает размер диафрагмы. Увеличение фокусного расстояния приводит к сглаживанию зависимости критерия качества от величины управляющих воздействий;

5. Предложен эффективный «комбинированный» алгоритм управления системой коррекции многопучкового излучения со взаимно когерентными пучками, учитывающий особенности оптического тракта. Показано, что данный алгоритм позволяет почти в два раза уменьшить количество итераций по сравнению с алгоритмом, использующим метод покрытий;

6. Установлено, что функционал фокусировки для нескольких взаимно некогерентных лазеров является достаточно гладкой функцией, что позволяет использовать алгоритмы коррекции на основе двух методов: 1радиентного и метода Ньютона. При этом использование метода

Ньютона обеспечивает почти двукратное увеличение быстродействия системы по сравнению с градиентным методом;

7. Установлено, что поляризационные свойства излучения взаимно некогерентных лазеров не оказывают существенного влияния на качественные или количественные характеристики системы;

8. Определена критическая величина шумовых воздействий, при которых предложенная система угловой коррекции излучения трёх взаимно некогерентных лазеров сохраняет свою работоспособность и обеспечивает адаптацию с требуемым качеством. Для исследованной в диссертации системы коррекции критическая величина шумового воздействия соответствует отношению сигнал/шум равному 11.5 дБ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ, ОТРАЖАЮЩИХ

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ I

I

I

1. Воронов В.И., Трофимов В.В. Адаптивное управление лучевыми потоками многопучкового лазера. // VII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана». Материалы симпозиума. Под общей редакцией М.В. Панченко, Г.П. Коханенко. - Томск: Институт оптики атмосферы СО РАН, 2000, с. 60.

2. Воронов В.И., Трофимов В.В. Адаптивное управление лучевыми потоками многопучкового лазера // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 10. с. 954-958.

3. Воронов В.И., Трофимов В.В. Влияние параметров оптики на адаптивное управление многопучковым лазером [Электронный ресурс]: Тез. докл. «Конференция молодых учёных, посвящённая 10-летию ИВТ СО РАН», Новосибирск, 25-26 декабря 2000 г. - Режим доступа: http://wvлv.ict.nsc.ru/ws/show_abstract.dhtml?гu+9+1201

4. Воронов В.И., Трофимов В.В. Влияние параметров оптики на адаптивное управление многопучковым лазером: Тез. докл. Юбилейная науч.-техн. конф. «Автоматика и электронное приборостроение». Казань, 2001. -Казань: КГЩКАИ), 2001. - с. 107-108.

5. Воронов В.И., Трофимов В.В. Особенности адаптивной коррекции излучения многопучковых лазеров // Вестник КГТУ. 2002. № 3. с. 17-20.

6. Воронов В.И., Трофимов В.В. Влияние поляризации излучения на работу адаптивной оптической системы многопучкового лазера: Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 4 (25). Казань: КГТУ (КАИ), НИО «САН». 2002. с. 94-102.

7. Воронов В.И., Трофимов В.В. Адаптивная коррекция лучевых потоков нескольких лазеров // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т 15. № 12. с. 1084-1087.

8. V.I.Voronov, V.V.Trofimov «Adaptive correction of beams from several lasers» // Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics/ IX Joint International Symposium, July 2*5, 2002, Материалы Симпозиума. - Томск: Институт оптики атмосферы СО РАН, 2002, с. 69.

9. V.I.Voronov, V.V.Trofimov «Numerical analysis of angular correction system for several laser beams propagating through a turbulent atmosphere» // Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics/ X Joint International Symposium, June 24 - 28, 2003, Материалы Симпозиума. - Томск: Институт оптики атмосферы СО РАН, 2003, с. 74.

Формат 60-84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Усл. кр.-отт. 1,21. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 245".

• Типография Издательства Казанского государственного Технического университета 420111, Казань, К.Маркса, 10

»17 044

I7Ы4

j ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. МНОГОПУЧКОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ.

1.1. Источники многопучкового лазерного излучения.

1.1.1. Многоканальные технологические СОг-лазеры.

1.1.2. Лазеры на многоходовых модах.

1.1.3. Решётки полупроводниковых лазеров.

1.2. Области применения многопучкового лазерного излучения.

I 1.2.1. Лазерные технологические системы.

1.2.2. Атмосферные оптические линии связи (АОЛС).

1.3. Проблемы использования многопучкового лазерного излучения

1.3.1. Управление многопучковым лазерным излучением в технологических системах.

1 1.3.2. Особенности распространения оптического излучения в атмосфере и влияние атмосферной турбулентности на i работу АОЛС.

1.4. Постановка задачи исследований и формулировка основных концепций её решения.

ГЛАВА И. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОПУЧКОВЫМИ СИСТЕМАМИ СО ВЗАИМНОЙ КОГЕРЕНТНОСТЬЮ ПУЧКОВ.

2.1. Математическая модель системы управления. Функционал фокусировки. i 2.2. Алгоритмы управления и работа системы в процессе i адаптации.

2.3. Влияние параметров оптической системы на качество адаптации.

2.4. Влияние поляризации излучения.

I 2.5. Выводы по главе.

ГЛАВА III. УПРАВЛЕНИЕ МНОГОПУЧКОВЫМИ СИСТЕМАМИ СО

ВЗАИМНО НЕКОГЕРЕНТНЫМИ ПУЧКАМИ.

3.1. Описание математической модели. j 3.2. Результаты численного моделирования адаптивной системы.

3.3. Выводы по главе.

ГЛАВА IV. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ s УГЛОВОЙ КОРРЕКЦИИ ПУЧКОВ ВЗАИМНО

НЕКОГЕРЕНТНЫХ ЛАЗЕРОВ. j 4.1. Структурная схема системы угловой коррекции.

4.2. Выбор параметров имитационного моделирования.

4.3. Анализ работы имитационной модели.

4.3.1. Поведение системы при отсутствии шумовых

1 воздействий.

4.3.2. Показатели качества системы адаптивной коррекции.

4.3.3. Сравнение «параллельного» и «последовательного»

1 алгоритмов управления системой коррекции.

4.3.4. Исследование влияния шумов на характер адаптации.

4.4. Выводы по главе.

Актуальность темы.

Одним из перспективных направлений лазерной техники является разработка и создание многопучковых лазерных систем. Многопучковые лазеры находят широкое применение в технологии, оптической астрономии, системах передачи световой энергии на далёкие расстояния, открытых лазерных системах связи и т.д. Если излучение во всех пучках синфазно, они образуют когерентный широкоапертурный источник, излучение которого можно сфокусировать в малый объём для получения высокой плотность мощности. По сравнению с однопучковыми лазерами такой же мощности многопучковые системы являются более компактными источниками, так как каналы генерации отдельных пучков обычно располагаются параллельно, что приводит лишь к увеличению поперечных габаритов лазера. Этим обуслена перспективность применения многопучкового лазерного излучения для сварки, резки, термоупрочнения, перфорации отверстий, маркировки, гравировки, наплавки.

К многопучковым лазерам относятся: многоканальные лазеры [45, 57], представляющие собой сборку из нескольких параллельно расположенных волноводных трубок, лазеры на М-модах [17, 18, 19, 49], имеющие коаксиальную конструкцию разрядной камеры и генерирующие излучение, формируемое пучками многоходовых мод (М-мод), а также решётки полупроводниковых лазеров [40,41].

Многоканальный принцип построения лазера позволяет эффективно и просто осуществлять накачку энергии в активную среду и отвод тепла из её объёма [41].

В последние годы на телекоммуникационном рынке наблюдается большой интерес к коммерческому использованию атмосферных оптических линий связи (AOJIC), которые позволяют передавать сигналы в атмосфере посредством оптического излучения. В подобных устройствах источником излучения часто служит набор из нескольких полупроводниковых лазеров.

Однако существуют ряд негативных факторов, ограничивающих J практическое применение многопучкового лазерного излучения. В технологических системах к ним относятся сложность фокусировки многопучкового излучения и получение необходимого распределения интенсивности в фокальной плоскости. В атмосферных оптических системах отрицательное влияние оказывают: во-первых, зависимость дальности лазерной связи от метеоусловий и, во-вторых, существенное влияние атмосферной турбулентности на положение и форму пятна излучения в зоне приема. Анализ публикаций показывает, что в настоящее время отсутствуют прецизионные и высокоскоростные системы наведения лазерного луча на приёмник, находящийся на относительно большом расстоянии (более 2000 м) V от передатчика [71].

На сегодняшний день производители оборудования, использующего лазерное излучение, применяют различные методы для снижения влияния названных факторов. Так производители технологических лазеров применяют сложные системы фокусировки многопучкового излучения, различные схемы внутрирезонатроной коррекции. Для снижения влияния атмосферной турбулентности изготовители AOJIC также применяют различные подходы: увеличение мощности и расходимости лазерного излучения, увеличение диаметра приёмной оптики, увеличение числа приёмных апертур, некогерентное сложение излучения нескольких лазеров.

В то же время одним из возможных способов, позволяющих улучшить фокусировку излучения многопучковых лазеров, корректировать аберрации волновых фронтов в режиме реального времени, формировать лазерное излучение с заданным распределением интенсивности в некоторой области пространства, является применение адаптивных оптических систем (АОС).

Принцип работы АОС заключается в таком воздействии на волновой фронт, который позволяет оптимизировать пространственные характеристики лазерного излучения в зоне приема. С этой целью в оптическом тракте системы устанавливаются адаптивные зеркала, способные заданным образом деформировать фазовый фронт принимаемой или передаваемой волны.

Диссертация посвящена разработке алгоритмов, программного обеспечения и моделированию работы систем одновременной угловой коррекции пространственного положения пучков, формирующих многопучковое лазерное излучение. Управляющие системы, построенные на основе коррекции такого типа, могут применяться, во-первых, для компенсации влияния турбулентной атмосферы на свойства распространяющегося в ней лазерного излучения, и, во-вторых, для адаптивной фокусировки излучения многопучковых технологических лазеров.

Целью диссертационной работы является улучшение характеристик многопучковых лазерных систем на основе одновременного управления наклонами волновых фронтов нескольких пучков, образующих многопучковое излучение.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Изучение современного состояния и развития многопучковых лазерных систем и оценка особенностей их работы в различных условиях;

2. Разработка математических моделей адаптивных оптических систем для управления излучением многопучковых технологических лазеров, а также систем угловой коррекции лазерных пучков, распространяющихся в турбулентной атмосфере;

3. Разработка эффективных алгоритмов адаптивной коррекции излучения многопучковых лазеров;

4. Создание программного обеспечения и проведение численного моделирования многопучковых лазерных систем с адаптивной коррекцией излучения на основе предложенных алгоритмов;

5. Исследование эффективности предложенных алгоритмов, работающих в составе конкретной системы программного управления многопучковым передатчиком AOJIC;

6. Выработка предложений по использованию разработанных алгоритмов в системах адаптивной коррекции многопучковых лазеров, работающих в различных условиях.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы математического и имитационного моделирования, реализованные в рамках численных экспериментов.

Научная новизна работы представлена следующими результатами:

1. Предложена схема системы адаптивной коррекции случайных наклонов волновых фронтов для многопучкового лазера «Юпитер», изучены особенности различных алгоритмов коррекции излучения. Предложены два варианта управления системой - «параллельный» и «последовательный». Установлено, что «последовательный» вариант является более эффективным, чем «параллельный»;

2. Изучено влияние параметров оптической системы измерительно-управляющего канала системы угловой коррекции и параметров лазерного излучения (поляризации) на процесс адаптации. Показано, что при оптимальном выборе параметров оптической системы можно существенно ослабить требования к алгоритму коррекции. Предложен более быстродействующий алгоритм на основе градиентного метода. Изучены особенности его работы;

3. Предложена схема адаптивной коррекции наклонов волновых фронтов многопучкового излучателя, функционирующего в условиях турбулентной атмосферы и образованного тремя взаимно некогерентными лазерами. Для управления системой коррекции разработаны алгоритмы на основе градиентного метода и метода Ньютона, изучены их свойства;

4. На базе пакета LabView проведено имитационное моделирование системы угловой коррекции случайных смещений пучков, возникающих в турбулентной атмосфере, предназначенной для работы в составе многопучкового излучателя АОЛС.

Практическая ценность диссертации.

Результаты диссертационной работы использованы в ООО «Телесет» (г. Казань) при разработке проекта по развёртыванию атмосферных оптических линий связи в составе сетей передачи данных, а также в НИР «Численное моделирование и исследование процессов адаптивной юстировки лазерного передатчика высокоскоростного атмосферного канала связи» по гранту Т02-03.1-2577 Министерства образования РФ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и её отдельные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

1. VII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Томск, ИОА СО РАН, 2000 г.);

2. Конференция молодых учёных, посвящённая 10-летию ИВТ СО РАН (Новосибирск, ИВТ СО РАН, 2000 г.);

3. Юбилейная научно-техническая конференция «Автоматика и электронное приборостроение», посвящённая 50-летию факультета автоматики и электронного приборостроения КГТУ им. А.Н. Туполева (Казань, КГТУ, 2001 г.);

4. IX Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Томск, ИОА СО РАН, 2002 г.);

5. X Юбилейный международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, ИАО СО РАН, 2003 г.).

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Модели систем адаптивной коррекции лазерных излучателей со взаимно когерентными и взаимно некогерентными пучками;

2. Эффективные алгоритмы адаптивной коррекции, повышающие качество многопучкового лазерного излучения со взаимно когерентными и взаимно некогерентными пучками;

3. Комплекс программ для численного моделирования многопучковых лазерных систем с адаптивной коррекцией излучения;

4. Результаты исследования влияния параметров оптики на поведение адаптивных систем коррекции многопучкового лазерного излучения, включая оптимальные соотношения между размерами диафрагмы измерительного канала и диаметром пучков;

5. Результаты анализа влияния шумовых воздействий на работу системы адаптивной коррекции.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объём работы 177 страницы. Основной текст диссертации содержит 167 страницы машинописного текста, 55 формул, 70 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 73 наименования.

4.4. Выводы по главе

В ходе выполнения исследования были получены следующие результаты:

1. Разработано программное обеспечение для управления адаптивной системой коррекции наклонов волновых фронтов трёх взаимно некогерентных лазеров.

2. Разработано три варианты программного обеспечения: для «параллельного» алгоритма, в котором реализован градиентный метод, для «параллельного» алгоритма с методом Ньютона, для «последовательного» алгоритма, использующего градиентный метод.

3. Для первого «параллельного» варианта построения системы изучено влияние параметра градиентного метода на быстродействие системы.

4. Рассмотрено поведение этой системы при начальной разюстировке оптической линии.

5. Изучено поведение системы коррекции при уменьшении уровня сигнала до уровня внутренних шумов фотоприёмника.

6. Получены переходная и импульсная характеристики для системы, в которой реализован «параллельный» алгоритм и градиентный метод.

7. Исследовано влияние параметра управления метода Ньютона на быстродействие «параллельной» системы, в которой реализован этот метод.

8. Проведено сравнение быстродействия систем, в которых реализованы «параллельный» и «последовательный» варианты управления. Показано, что «последовательный» алгоритм является почти в четыре раза более быстродействующим, чем «параллельный».

9. Установлено, что рассмотренная система угловой коррекции сохраняет работоспособность в условиях, когда отношение сигнал/шум не превышает 11,5 дБ.

В результате исследования получено подтверждение теоретических результатов глав II и III, а именно, результаты эксперимента свидетельствуют, что для этого типа систем «последовательный» вариант управления системой является более эффективным, чем «параллельный».

163

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор литературных данных указывает на безусловную перспективность практического использования многопучкового лазерного излучения в технологии и телекоммуникациях, однако широкое применение сдерживается рядом существенных факторов. В технологии таким фактором является сложность фокусировки и управления мощным лазерным излучением, в телекоммуникациях - вредное воздействие атмосферной турбулентности на свойства лазерного излучения. Применение адаптивных оптических систем для управления многопучковым излучением технологических лазеров позволяет существенно улучшить параметры оптического излучения, получить необходимое для выполнения технологической операции распределение интенсивности лазерного излучения. Использование адаптивных систем в АОЛС позволяет уменьшить вредное влияние атмосферной турбулентности на качество и надёжность связи.

Для атмосферных оптических систем важной характеристикой является быстродействие, её способность компенсировать влияние атмосферы в реальном масштабе времени. Одним из аспектов проблемы повышения быстродействия адаптивной системы является выбор оптимального алгоритма управления и определение его параметров. Однако, на сегодняшний день в литературе практически не освещаются вопросы, связанные с особенностями работы алгоритмов управления в многопучковых лазерных системах.

Поэтому разработка эффективных алгоритмов адаптивной коррекции наклонов волновых фронтов многопучкового лазерного излучения и изучение особенностей их работы в различных условиях является актуальной проблемой, решение которой позволяет существенно повысить эффективность многопучковых технологических лазеров и многопучковых АОЛС.

В ходе исследования были решены следующие задачи:

1. Изучены особенности работы современных систем управления и фокусировки многопучкового лазерного излучения;

2. Изучено влияние различных факторов, в том числе и турбулентности атмосферы, на характеристики многопучковых лазерных систем;

3. Предложена схема системы адаптивной коррекции случайных наклонов волновых фронтов для многопучкового лазера «Юпитер», изучены особенности различных алгоритмов управления системой, предложен «последовательный» алгоритм, в котором управляющее воздействие вычисляется методом покрытий;

4. Изучено влияние параметров оптической системы измерительно-управляющего канала системы угловой коррекции и параметров лазерного излучения (поляризации) на процесс адаптации. Показано, что при оптимальном выборе параметров оптической системы можно ослабить требования к алгоритму коррекции. Предложен более быстродействующий алгоритм на основе градиентного метода. Изучены его особенности;

5. Предложена схема системы коррекции наклонов волновых фронтов, возникающих при распространении лазерного излучения в турбулентной атмосфере турбулентности, многопучкового излучателя на основе трёх взаимно некогерентных лазеров. Для управления системой угловой коррекции предложены алгоритмы на основе градиентного метода и метода Ньютона, изучены их свойства;

6. На базе пакета LabVIEW произведено имитационное моделирование работы системы угловой коррекции случайных смещений пучков, возникающих в турбулентной атмосфере, предназначенной для работы в составе излучателя на основе набора трёх взаимно некогерентных лазеров.

Выполненные исследования позволяют сформулировать основные результаты, полученные в диссертации:

1. На основе численного моделирования изучены характеристики адаптивных систем коррекции многопучковых лазеров со взаимно когерентными и взаимно некогерентными пучками излучения;

2. Предложен «последовательный» вариант управления системой коррекции многопучкового излучения со взаимно когерентными пучками являющийся более эффективным, чем «параллельный», что обеспечивает большее быстродействие системы при более высоком качестве излучения;

3. Разработан эффективный алгоритм коррекции на основе метода покрытий, который обеспечивает требуемое качество фокусировки в процессе коррекции многопучкового излучения со взаимной когерентностью пучков;

4. Показано, что параметры оптики системы коррекции существенно влияют на качество фокусировки взаимно когерентных пучков. При этом требуемое качество фокусировки (функционал фокусировки Jd ~ 0.8) достигается, если размер пучка более, чем на порядок превышает размер диафрагмы. Увеличение фокусного расстояния приводит к сглаживанию зависимости критерия качества от величины управляющих воздействий;

5. Предложен эффективный «комбинированный» алгоритм управления системой коррекции многопучкового излучения со взаимно когерентными пучками, учитывающий особенности оптического тракта. Показано, что данный алгоритм позволяет почти в два раза уменьшить количество итераций по сравнению с алгоритмом, использующим метод покрытий;

6. Установлено, что функционал фокусировки для нескольких взаимно некогерентных лазеров является достаточно гладкой функцией, что позволяет использовать алгоритмы коррекции на основе двух методов: градиентного и метода Ньютона. При этом использование метода Ньютона обеспечивает почти двукратное увеличение быстродействия системы по сравнению с градиентным методом;

7. Установлено, что поляризационные свойства излучения взаимно некогерентных лазеров не оказывают существенного влияния на качественные или количественные характеристики системы;

8. Определена критическая величина шумовых воздействий, при которых предложенный вариант системы угловой коррекции излучения трёх взаимно некогерентных лазеров сохраняет свою работоспособность и обеспечивает адаптацию с требуемым качеством. Для конкретных параметров пучков и системы критическая величина шумового воздействия соответствует отношению сигнал/шум равному 11,5 дБ.

Разработанные в диссертации вычислительные алгоритмы, могут быть использованы при создании пакетов прикладных программ, для моделирования систем адаптивной коррекции многопучковых лазеров. Использование данных алгоритмов и программ делает возможным моделирование работы оптико-электронной системы управления в целом.

1. Anderson S.G. Review and forecast of laser.// Laser Focus World. 1999. V.35. № l.p. 80-100.

2. Arnulf A., Bricard Т., Cure E., Veret C. Transmission by hase and for in the spectral regions 0,35 to 10 microns.// J. Opr. Soc. America. 1957. V. 47. № 6. p.- 491.

3. Karr T.J. Atmospheric effects on laser propagation.// Proc. SPIE. 1989. V.1060. p. 120-128.

4. PAV Data Systems Ltd. Electronic resource. http://www.wireless.ru

5. Semiconductor Laser International Corp. Electronic resource. -http:// www.slicorp.com

6. Tyson R.K. Principles of adaptive optics. Academic Press, 1991. 233 p.

7. VII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Томск, ИОА СО РАН, 2000 г.)

8. IX Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Томск, ИОА СО РАН, 2002 г.)

9. И.Аллен Д. Второе пришествие беспроводной оптики. // LAN Magazin. Журнал сетевых решений. 2001. № 4. с. 38-45.

10. Арсеньян Т.И., Зотов A.M., Короленко П.В., Маганова М.С., Меснянкин А.В. Характеристики лазерных пучков в условиях перемежаемости мелкомасштабной атмосферной турбулентности // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т.14. № 10. с.894 899.

11. Башилов Г. Тянем-потянем.// Компьютерра. 2001. № 46 (423). с. 32-34.

12. Бойко В.И. Управляемый термоядерный синтез и проблемы инерциального термоядерного синтеза. // Соросовский образовательный журнал. 1999.- N.6. - с.97-104.

13. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Пер. с англ. С.Н. Бреуса и др. Под ред. Г.П. Мотулевич. Изд. 2-е, испр. М.: «Наука», 1973. - 719 с. с ил.

14. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1988. 552 с.

15. П.Воронов В.И., Большаков С.С., Ляпахин А.Б., Польский Ю.Е., Ситенков Ю.Е., Урываев В.Е., Хохлов Ю.М. СОг-лазер с активным объемом кольцевого сечения. // Приборы и техника эксперимента. 1993. № 3. С. 162-167.

16. Воронов В.И. Пространственные характеристики многоходовых мод в лазерах с активным объемом кольцевого сечения. // Журнал технической физики. 1995. Т. 65. № 7. С. 98-107.

17. Воронов В.И. Структура мод и характеристики излучения в дальней зоне широкоапертурных коаксиальных лазеров. // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т.9. № 3. С. 397-401.

18. Воронов В.И. Численное моделирование сложных лазерных резонаторов и систем формирования излучения на основе методов лучевой и дифракционной оптики: Докторская диссертация. Казань: Казан, техн. ун-т, 1997. - 307 с.

19. Воронов В.И., Трофимов В.В. Адаптивное управление лучевыми потоками многопучкового лазера // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 10. с. 954-958.

20. Воронов В.И., Трофимов В.В. Влияние параметров оптики на адаптивное управление многопучковым лазером: Тез. докл. Юбилейная науч.-техн. конф. «Автоматика и электронное приборостроение». Казань, 2001. -Казань: КГТУ(КАИ), 2001. с. 107-108.

21. Воронов В.И., Трофимов В.В. Особенности адаптивной коррекции излучения многопучкового лазера // Вестник КГТУ. 2002. № 3. с. 17-20.

22. Воронов В.И., Трофимов В.В. Влияние поляризации излучения на работу адаптивной оптической системы многопучкового лазера: Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 4 (25). Казань: КГТУ (КАИ), НИО «САН». 2002. с. 94-102.

23. Воронов В.И., Трофимов В.В. Адаптивная коррекция лучевых потоков нескольких лазеров // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т 15. № 12. с. 1084-1087.

24. Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики. М.: Наука, 1985.-335 с.

25. Государственный рязанский приборный завод. Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.grpz.ru

26. Денисов С.Ю., Зеленое Е.В., Сафонов А.Н., Тарасенко В.М., Филимонов Д.Ю., Щербакова Е.А. Особенности формирования структурыизлучения многоканального лазера. // Квантовая электроника. 1991. Т. 18. №5. с. 648-650.

27. Дьякова Ю.Г., Амбарцумян М.А., Белоногова Е.К., Витовтова Е.А., Мирошниченко Т.А. Состояние и перспективы развития лазерной промышленности за рубежом в 2001 г. // Лазерные новости. Laser News. 2001. № 1-2. с. 3-33.

28. Дьякова Ю.Г., Шавкунов С.В., Развитие волоконно-оптических сетей связи в России. // Лазерные новости. Laser News. 2000. № с. 42-48.

29. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ. М.: Наука, 1987. - 240 е.: рис.

30. ЗАО «ТехноЛазер». Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.technolaser.ru35.3АО «Информационно-Технологический Центр», http://www.optolan.ru

31. Ищенко Е.Ф., Климков Ю.М. Оптические квантовые генераторы. М.: «Сов. радио», 1968. - 470 с.

32. Кандидов В.П., Леванова И.Г. Цилиндрический резонатор Тальбо // Квантовая электроника. 1995. Т. 22. № 1. с.93-94.

33. Кандидов В.П. Лазерные решётки. // Соросовский образовательный журнал. 1999.- N.12. - с.68-75.

34. Канев Ф.Ю., Лукин В.П., Лавринова Л.Н. Исследование коррекции турбулентных искажений на основе фазового сопряжения при наличии дислокаций в фазе опорного пучка. // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. №12. с. 1170-1175.

35. Клоков А. Беспроводные РЖ технологии истинное качество последней мили. // Технологии и средства связи. 2000. № 6. с. 8-10.

36. Козлов В.К., Танташев М.В., Филиппов B.JI. Влияние неоднородной атмосферы на условия наблюдения объектов. Научное издание. Казань: Каз. гос. энерг. ун-т, 2003. 132 с.

37. Козлов Г.И., Кузнецов В.А., Масюков В.А. Мощный многолучевой газоразрядный лазер непрерывного действия // Письма ЖТФ. 1978. Т.4. № 3. с. 129-132.

38. Конференция молодых учёных, посвящённая 10-летию ИВТ СО РАН (Новосибирск, ИВТ СО РАН, 2000 г.)

39. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. Для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы. / Пер. со 2-го амер. перераб. изд. И.Г. Арамановича и др.; Под общ. ред. И.Г. Арамановича. — М.: Наука, 1984.-831 с.

40. Коровин Б.Г., Прокофьев Г.И., Рассудов JI.H. Системы программного управления промышленными установками и робототехническими комплексами: Учебное пособие для вузов. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. 352 с.

41. Короленко П.В., Федотов Н.Н., Шарков В.Ф., Основные свойства и перспективы практического использования лазеров на М-модах. // Квантовая электроника. 1995. Т.22. № 6. с.562-650.

42. Кулик Т.К., Прохоров Д.В., Сумерин В.В., Хюппенен А.П. Особенности применения атмосферных оптических линий связи. // Лазер-информ. 2001. №9-10(216-217). с. 1-6.

43. Кулик Т.К., Прохоров Д.В. Методика сравнительной оценки работоспособности лазерных линий связи. // Технологии и средства связи. 2000. № 6. с. 8-10.

44. Лукин В.П., Фортес Б.В., Адаптивное формирование пучков и изображений в атмосфере. / Под общей редакцией д. ф.-м. н. Г.Г. Матвиенко. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - 214 с.

45. Лукин В.Пю Лазерные опорные звёзды для астрономических телескопов наземного базирования. // Оптика и спектроскопия. 2001. Т. 91. № 6. с. 1011-1020.

46. Матвеев А.Н. Оптика: Учеб. Пособие для физ. впец. вузов. М.: Высш. шк., 1985.-351 е., ил.

47. Медвед Д.Б. Влияние погодных условий на беспроводную оптическую связь. // Вестник связи. 2001. № 4. с. 154-157.

48. Милинкис Б., Петров В. Атмосферная лазерная связь. // Радиоэлектроника и Телекоммуникации. 2001. №5 (18). с. 45 - 49.

49. Многоканальные промышленные С02-лазеры. НИЦТЛ РАН: Докл. Рос. нац. конф. «Лазер, технол. 93», Шатура. 14-16 апр., 1993 / Васильцов В.Н. // Изв. АН. Сер. физ. (Россия). - 1993. - 57, № 12. - с. 150-159. - Рус.

50. Перепёлкин С.Р. Расчёт следящих систем (частотный метод). Харьков: «Вища школа», 1978. - 124 с.

51. Сумерин В.В. Новое поколение АОЛС. // Технологии и средства связи. 2001. №2. с. 32.

52. Тараненко В.Г., Шанин О.И. Адаптивная оптика. М.: Радио и связь, 1990.-112 с.

53. Тартаковский В.А., Сенников В.А., Коняев П.А., Лукин В.П. Обращение волны в условиях сильных флуктуаций и последовательное фазирование в адаптивной оптике. // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15. № 12. с. 1104-1113.

54. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов / Под ред. А.А. Воронова.-М.: Высш. шк.,1986.

55. Тюрин С.В., Романюк В.А., Семенин A.JI., Шурыгин С.В. Адаптивные телескопы в лидарных измерениях. // Радиотехника. 2001. № 6. с. 33-37.

56. ФГУП НИИ «Полюс». Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.polyus.ru

57. ФГУП НИИ прецизионного приборостроения. Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.russiancom.ru

58. Филиппов В.Л., Макаров А.С., Иванов В.П. Оптическая погода в нижней тропосфере. Научно-техн. сборник. Казань: Издательство «Дом печати». - 1998 г.-183 стр.

59. Шереметьев А.Г., Толпарев Г.И. Лазерная связь. М.: Связь, 1974. -284 е., ил.

60. Шифрин Я.С., Лучанинов А.И., Шокало В.М., Коновальцев А.А. Проблема беспроводной передачи энергии. // Радиотехника. 2001. № 6. с. 43-44.

61. Юбилейная научно-техническая конференция «Автоматика и электронное приборостроение», посвященная 50-летию факультета автоматики и электронного приборостроения КГТУ им. А.Н. Туполева (Казань, КГТУ, 2001 г.)

62. Технических предложений по использованию атмосферных оптических линий связи в сети передачи данных ООО «Телесет».

63. Методик расчёта и моделирования для оценки влияния -метеорологических условий и других факторов на качество связи и дальность действия оборудования АОЛС.

64. Рекомендаций по выбору моделей и применению оборудования АОЛС • при организации доступа к сети ООО «Телесет».

65. Технический директор ООО «Телесет» Члены комиссии:

66. Начальник отдела эксплуатации сетейч

67. Начальник отдела систем передата1. С.А. Гурьянов/1. В.Ф. Куракин/