автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.20, диссертация на тему:Технические средства лазерного зондирования аэрозольной атмосферы и подстилающей поверхности

Для служебного пользования Экз. № оС-

На правах рукописи ТИХОМИРОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АЭРОЗОЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ И ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.12.20 - оптические системы локации, связи и обработки информации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации ка соискание ученой степени доктора технических наук

Томск-2000

Работа выполнена в Институте оптического мониторинга СО РЛН (с 1972 г. по 1992 г. - Специальное конструкторское бюро научного приборостроения "Оитика" СО АН СССР, затем в 1992-1997 гг. - Копструкторско-технологнческий институт "Оптика" СО РАН)

Научный консультант

доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР Самохвалов Игнатий Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ильин Герман Иванович

доктор технических наук, профессор Пуговкин Алексей Викторович

доктор физико-математических наук, профессор Лукин Владимир Петрович

Ведущая организация

Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Защита состоится « ¿6" 2000 г. в 9 Час ¿4' мин

на заседании диссертационного совета Д 063.05.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Томском университете систем управления и радиоэлектроники (634050, г. Томск, проспект Ленина, 40).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского университета систем управления и радиоэлектроники.

Автореферат разослан "3/" ^Ц &/>у*

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

_2000 г.

4/

О? А.А . Кузьмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и состояние вопроса

Среди дистанционных методов зондирования окружающей среды с использованием электромагнитного излучения наиболее эффективными для исследования атмосферы являются методы, использующие оптический диапазон, длины волн которого сравнимы с размерами составляющих атмосферных компонентов - молекулами газов и аэрозольных частиц, активно взаимодействующих с этим излучением. Развитие оптических методов и технических средств дистанционного зондирования атмосферы способствует решению многих исследовательских и прикладных задач: совершенствованию знаний о самой атмосфере как среде обитания; исследованию физических явлений, происходящих при распространении в ней оптического излучения; проведению мониторинга с использованием приборов оптического диапазона; и в конечном итоге - совершенствованию самих оптических систем и средств, работающих в атмосфере.

Появление лазеров стимулировало развитие методов дистанционного зондирования атмосферы с помощью лазерных локаторов - лидаров (Захаров В.М., Костко O.K. Метеорологическая лазерная локация, Л.: Гидрометеоиздат, 1977; Лазерный контроль атмосферы, под ред. Э.Д. Хинкли, М.: Мир, 1979; Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование, М.: Мир, 1987). Существенными преимуществами методов лазерного зондирования являются: 1) высокое пространственное разрешение, достигающее нескольких метров по дальности и единицы миллирадиан по углу; 2) быстродействие, позволяющееимпаек54 получать информацию о зондируемой среде в реальном масштабе времени; 3) большой интервал дальности действия - от нескольких десятков метров до десятков и сотен километров. Размещение лидаров на мобильных наземных носителях позволяет осуществлять оперативный контроль состояния атмосферы в региональном масштабе. Установка лидаров на самолетах в значительной степени расширяет возможности зондирования, как по территории, так и виду и числу исследуемых объектов. И, наконец, размещение лидаров на космических аппаратах позволяет осуществлять оперативное дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности в глобальном масштабе. Лидарная техника развивается одновременно с совершенствованием методов зондирования, которые характеризуются различными эффектами взаимодействия лазерного излучения с компонентами атмосферы и, соответственно, различными алгоритмами обработки сигналов.

В течение более трех с половиной десятилетий, после создания первого лидара, в развитии методов и средств лазерного зондирования атмосферы достигнут существенный прогресс. В СССР, а затем в России работы по созданию лидаров ведутся в Институте

оптики атмосферы (ИОА) СО РАН и в Институте оптического мониторинга СО РАН (прежние названия: СКБ научного приборостроения "Оптика" СО АН СССР, затем - КТИ "Оптика" СО РАН), в Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО), Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А.И. Воейкова, в Институте прикладной геофизики (ИПГ) им. Е.К. Федорова и в Институте экспериментальной метеорологии (ИЭМ) Росгидромета, в Белоруссии - в Институте физики НАНБ, на Украине - в Харьковском институте радиоэлектроники (ХИРЭ), а также в ряде других организаций РАН и Росгидромета." В 80-х годах на основе конструкторской документации, разработанной в СКБ НП "Оптика", в НПО "Зенит" МЭП СССР была создана малая серия лидаров различных модификаций для зондирования атмосферы под общим названием "Электроника". Первые образцы самолетных лидаров были созданы в ЦАО, а затем в ИОА с СКБ НП "Оптика", первый российский космический лидар - совместно СКБ НП "Оптика", ИОА, НПО "Радиоприбор" и НПО "Энергия". За рубежом работы по созданию лидаров активно ведутся в США (NASA, SRI, NOOA и др.), Германии (DLR и др.), Японии (NIES и др.), Франции (CNRS и др.), Италии (CNR-IROE), а также в других странах. В конце 70-х годов в ФРГ фирмой Impuls Physics была выпущена малая серия аэрозольных лидаров.

Отдельные вопросы теории и расчета параметров лидаров рассматривались в работах В.Е. Зуева, И.В. Самохвалова, Ю.Ф. Аршинова и других сотрудников ИОА, В.М. Захарова, O.K. Костко и других сотрудников ЦАО, А.Д. Егорова, В.А. Ковалева и других сотрудников ГГО, М.Ф. Лагутина с сотрудниками (ХИРЭ), А.П. Иванова с сотрудниками (ИФ НАНБ), Г.Ф. Туликова и Ш.Д. Фридмана (ИПГ), Ю.Е. Польского и Г.И. Ильина (Казанский государственный технический университет). Работами по созданию лидаров серии "Электроника" руководил В.И. Козинцев (НПО "Зенит" МЭП СССР).

Однако системный подход к проектированию лидаров, как новых дистанционных измерительных средств оптического диапазона, до настоящего времени отсутствует. Последовательное развитие лидарной техники от стационарных экспериментальных установок к мобильным наземным системам, затем к системам самолетного и космического базирования требует создания инженерных методик расчета параметров лидаров, отработки и оптимизации технических средств лазерного зондирования, доведения их до уровня опытных образцов, удовлетворяющих условиям эксплуатации при воздействии механико-климатических факторов широкого диапазона, а также решения вопросов метрологического обеспечения лидарных измерений и оптимизации технологий их проведения.

Лель работы - разработка основ расчета и проектирования лидаров, поверочных устройств для их метрологической аттестации, технологий дистанционного зондирования и создание на этой основе новых измерительных средств оптического диапазона - лидарных

систем наземного, самолетного и космического базирования для зондирования аэрозольной атмосферы и подстилающей поверхности.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Создание инженерных методик расчета параметров лидаров, основ практического проектирования их составных частей, с учетом имеющихся в литературе и полученных автором данных по дальнейшему развитию теории приема и регистрации лидарных сигналов.

2. Оптимизация проектируемой лидарной техники и ее составных частей по предложенным критериям эффективности.

3. Создание опытных образцов мобильных лидарных систем наземного, авиационного и космического базирования, удовлетворяющих условиям эксплуатации при воздействии механико-климатических факторов широкого диапазона.

4. Разработка технологий проведения лидарного мониторинга атмосферы и подстилающей поверхности.

5. ¡Метрологическое обеспечение комплексных испытаний лидарной техники и создание поверочных средств для контроля параметров разработанных лидаров, как нового класса измерительных приборов (с учетом требований нормативных документов).

6. Проведение научно-экспериментальных работ с использованием созданной лидарной техники для исследования аэрозольной атмосферы и подстилающей поверхности.

Научная новизна. Теоретические и экспериментальные исследования, анализ данных комплексных испытаний разработанных приборов и устройств позволили получить новые результаты, которые формулируются следующим образом:

1. Предложена методика оценки динамического диапазона лидарных сигналов, которая учитывает ограничивающее действие внешних фоновых помех и собственных шумов лидарной системы на динамический диапазон снизу, а также влияние составных частей приемной системы лидара на ограничения динамического диапазона сверху.

2. Для лидарных систем в приближении геометрической оптики решены задачи: а) формирования изображения удаляющегося рассеивающего объема в зафокалыгом пространстве приемного объектива; б) определения функции геометрического фактора лидара и границ интервата ее действия, с учетом всех оптических характеристик приемопередающей системы, включая разьюстировку оптических осей.

3. Теоретические исследования пространственной фильтрации лидарных сигналов позволили: а) провести оптимизацию пространственных фильтров приемной системы лидара; б) получить соотношения для расчета параметров новых типов полевых диафрагм, обеспечивающих повышение отношения сигнал/фон в 4 раза; в) определить места их

б

оптимальной установки, уменьшающие влияние аберраций приемного объектива; г) провести анализ работы диафрагм и растров, позволяющих выделять сигналы кратного рассеяния, к других специальных пространственных фильтров.

4. Предложен и развит системный подход к оценке эффективности методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов, позволяющий проводить их классификацию и сравнительный анализ технических средств, применяемых для этих целей.

5. Предложены и проанализированы новые оптические методы, позволяющие сжимать динамический диапазон обратнорассеянного потока излучения как за счет его ступенчатого регулирования в приемной системе, так и путем функционального регулирования, используя пространственные фильтры с коэффициентом передачи, зависящим от расстояния до рассеивающего объема.

6. Предложен и экспериментально исследован фотоприемник на основе серийного ФЭУ с регулировкой коэффициента умножения по квадрату текущего времени; обоснована методика его калибровки с помощью имитатора оптических сигналов и экспериментально показана эффективность применения в ладарах для увеличения дальности зондирования. Для активных методов компенсации обратноквадратичной временной зависимости сигналов оценено влияние фоновых помех на погрешность определения коэффициента рассеяния при использовании алгоритма накопления (интегрирования) принимаемого сигнала.

7. Проведена классификация лидарных приемных объективов различных типов и на основе предложенных критериев оценки выполнен их сравнительный анализ по двум введенным показателям: коэффициенту относительной энергетической эффективности (нормированное произведение коэффициента пропускания приемного объектива на его эффективную площадь) и минимальному относительному габариту (отношение минимально возможной длины объектива к его диаметру). ' '

8. Для сканера на основе двух оптических клиньев, вращающихся синфазно или ортофазно, получены соотношения, определяющие траекторию перемещения оптической оси самолетного лидара, а также плотность распределения лазерных пятен на поверхности при сканировании по образующей конуса или в плоскости, составляющей любой угол с направлением полета, с учетом параметров зондирования, сканирования и полета. Эти соотношения применимы также для сканеров на основе вращающихся и качающихся зеркал или на основе вращающейся дифракционной решетки и экстраполируются на космическое зондирование со сканированием.

9. Предложена методика оптимального синтеза приемопередающих устройств поляризационных лидаров для одновременного (параллельно в нескольких каналах) и последовательного (в одном приемном канале) измерения параметров Стокса, необходимых

для определения элементов матрицы рассеяния неоднородной зондируемой среды.

10. Впервые реализованы методики лидарных измерений облачной атмосферы и подстилающей поверхности из космоса, связанные с планированием и расчетным баллистическим обеспечением экспериментов, пространственно-временной привязкой результатов измерений, проведением сопутствующих подспутниковых измерений.

Совокупность полученных результатов позволила решить важную научно-техническую проблему разработки, практического проектирования, метрологической аттестации и применения высокоэффективной лидарной техники для исследовательских и специальных задач зондирования атмосферы и подстилающей поверхности.

Практическая значимость работы обусловлена, прежде всего, ее направленностью на создание принципиально новых измерительных средств для решения важных задач мониторинга окружающей среды. Новые способы и технические решения, обеспечивающие разработку лидаров с улучшенными параметрами, защищены авторскими свидетельствами. Ряд из них положен в основу работы созданной аппаратуры. Технические и конструкторские решения, реализованные в экспериментальных и опытных образцах лидарной техники, подтвердили ее высокую эффективность в объеме требований ГОСТов серии "В".

Реализация результатов работы подтверждается их использованием в технических средствах, разработанных в ИОМ СО РАН на уровне экспериментальных и опытных образцов в ходе выполнения НИОКР по постановлениям директивных органов, хоздоговорных работ по заказам Института оптики атмосферы СО РАН, а также предприятий и организаций ряда министерств. Испытания аппаратуры, проведенные в объемах требований ГОСТ В20.39.304-76, подтвердили эффективность ее внедрения в исследовательские и специальные комплексы.

Конструкторская документация на лидары "ЛОЗА-2" и "ЛОЗА-З" передана в НПО "Зенит" МЭП СССР, где на ее основе были выпущены малой серией лидары "Электроника". Самолетный поляризационный лидар "Светозар-3" использовался в ИОА СО РАН для исследования облачных образований и на самолетах Минрыбхоза СССР для поиска биопродуктивных зон в акваториях Мирового океана. Для этих же целей были созданы специальные лидары типа "Макрель-2" и "Макрель-2М". Малые серии этих самолетных лидаров, ввиду их уникальности, выпущены опытным заводом СО РАН и в ИОМ СО РАН.

Созданный оптический имитатор лидарных сигналов ИОС-1 прошел метрологическую аттестацию во ВНИИОФИ и использовался для настройки, испытаний и проверки приемо-регистрирующих трактов лидаров.

Первый отечественный космический лидар "Балкан", созданный в кооперации с другими организациями страны, в 1995 г. был введен в состав научной аппаратуры

орбитальной станции "Мир" и являлся первым стационарным лидаром, длительное время работавшим на орбите. С его помощью отработаны методологические и технологические основы проведения сеансов космического лазерного зондирования.

Достоверность полученных результатов обеспечивается совпадением, в пределах обоснованных погрешностей, -расчетных и экспериментальных данных, а также метрологически обоснованными испытаниями разработанной аппаратуры.

Личный вклад автора. Диссертация является обобщением работ, выполненных автором в Институте оптического мониторинга СО РАН в период с 1972 г. по настоящее время, по проблемам: создание лидаров, разработка технических решений по оптимизации их структуры и инженерных методик расчета параметров, метрологическое обеспечение испытаний и технология проведения лидарных измерений. Работа выполнена с использованием результатов, полученных лично автором или при его творческом участии в постановке задач и исследований. Под руководством автора и при его участии в качестве ответственного исполнителя либо научного руководителя разработан, изготовлен и испытан ряд экспериментальных и опытных образцов наземных, самолетных и космического лидаров.

Автором непосредственно предложена система классификации методов и технических средств сжатия динамического диапазона лидарных сигналов и проведен их сравнительный анализ по предложенным критериям качества. В приближении геометрической оптики получено аналитическое выражение для функции геометрического фактора лидара и соотношения, определяющие границы ее действия, с учетом возможных разьюстировок оптических осей приемопередатчика.

Совместно с A.A. Абрамочкиным и С.А. Даничкиным, определены параметры оптимальных пространственных фильтров, на которые получен ряд авторских свидетельств. Работы по созданию и исследованию ФЭУ с временной регулировкой усиления выполнены совместно с А.И. Абрамочкиным и П.М. Нолле. Исследования по оптимизации параметров приемной системы лидара проведены совместно с А.И. Абрамочкиным. Вместе с ним, а также с Б.В. Каулем и B.C. Шаманаевым проведена оптимизация структуры поляризационных лидаров.

Организация и проведение космических экспериментов осуществлялись автором совместно с Ю.С. Балиным. Анализ и обработка результатов дальнометрирования облачных полей, а также океанической поверхности лидаром "Балкан" выполнены в основном соискателем. Баллистическое обеспечение лидарных экспериментов проведено сотрудниками Группы математического моделирования ЦУПа.

Разработка, проектирование и испытания лидарных систем и контрольно-поверочной аппаратуры выполнялись коллективами, руководителем которых являлся соискатель.

Автор благодарен чл.-корр. РАН М.В. Кабанову и д.ф.-м.н. И.В. Самохвалову за полезные замечания по структуре и содержанию излагаемого материала диссертации.

Апробпиия работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3-г9 Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1974, 1976, 1978, 1980, 1982, 1984; Туапсе, 1986); 3, 5 и б Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1975, 1979, 1981); Всесоюзном симпозиуме "Радиофизические исследования атмосферы" (Ленинград, 1975); 3 и 4 Всесоюзных научно-технических конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1979, 1982); Болгаро-советском семинаре "Лазерные методы и средства измерения и контроля параметров окружающей среды" (София, Болгария, 1985); Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии (Москва, 1986); 13 Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фототехника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1987); на Республиканской научно-практической конференции "Охрана окружающей среды в РСФСР на основе достижений научно-технического прогресса" (Ленинград, 1990); на III Всесоюзной конференции "Аналитическая аппаратура и средства вычислительной техники для охраны окружающей среды в теплоэнергетике" (Батуми, 1990); па Международном симпозиуме "Инженерная экология - 91" (Звенигород, 1991); 1, 3, 4, 5, 6 Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994, 1996, 1997, 1998, 1999); Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" - "ПООС-95" (Томск, 1995); 1, 2 и 3 Сибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу (Томск, 1995, 1997, 1999); Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики" (Томск, 1996); 3 Международной практической конференции по проблемам информационного обеспечения подготовки и профессиональной деятельности операторов аэрокосмических систем (Звездный, 1997); Международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля" (Москва, 1999); V Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 1999); 9 (Munich, FRG, 1979), 12 (Aix-on-Provance, France, 1984), 15 (Tomsk, USSR, 1990) International Laser Radar Conference; 9 International Symposium of the Technical Committee IMEKO on Photon-Detector (Visegrad, Hungary, 1980); I (Rome, Italy, 1994), II (Paris, France, 1995), III (Taormina, Italy, 1996) the European Symposium on Satellite Remote Sensing; the European Symposium on Aerospace Remote Sensing: Conference on Laser Radar Techniques (Ranging and Atmospheric Lidar) (London, UK, 1997); 13 International Symposium on AeroSense'99: Conference on Laser Radar Technology and Applications IV (Orlando, US, 1999); EOS/SPIE Symposium on Remote Sensing (Florence, Italy, 1999).

Разработанные приборы экспонировались на ВДНХ СССР в 1980 и 1982 гг., и автор награжден бронзовой медалью ВДНХ СССР (постановление № 984-н от 09.12.82).

Публикации. По теме диссертации опубликовано лично и в соавторстве более 110 работ, включая 44 статьи в научных журналах и сборниках, 52 публикации в виде тезисов и кратких докладов, 15 авторских свидетельств на изобретения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследования динамики формирования изображения удаляющегося рассеивающего объема, полученные в приближении геометрической оптики для биаксиальных и коаксиальных лидаров, позволяют определить функцию геометрического фактора лидара, как коэффициента передачи приемной системы, зависящего от расстояния, и решить задачу оптимальной пространственной фильтрации лидарного сигнала с помощью полевых диафрагм, обеспечивающих увеличение отношения сигнал/фон более чем в 4 раза.

2. Предложенные система классификации и совокупность критериев оценки методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов позволяют разработать эффективные способы и технические решения по регулированию этого диапазона: в оптической части приемной системы - с помощью многообъективных приемных систем, сменных полевых диафрагм и пространственных фильтров, использование которых повышает отношение сигнал/фон; в фотодетекторе - путем временной регулировки коэффициента умножения ди-нодной системы ФЭУ, обеспечивающей за счет сжатия динамического диапазона увеличение дальности зондирования в слабозамутненных средах до 7 раз.

3. Предложенные критерии оценки приемных объективов по двум показателям: 1) коэффициенту относительной энергетической эффективности (нормированное произведение коэффициента пропускания объектива на его эффективную площадь) и 2) минимальному относительному габариту (отношение минимальной длины объектива к его световому диаметру) - являются достаточными для выбора необходимого типа объектива при проектировании лидара по заданным требованиям.

4. Разработанные алгоритмы самолетного лазерного зондирования со сканированием направления оптической оси лидара с помощью двух вращающихся оптических клиньев применимы к сканерам на основе вращающихся и качающихся зеркал или на основе вращающейся дифракционной решетки, а также экстраполируются на космическое зондирование со сканированием направления оптической оси лидара.

5. Оптимизация технологии поляризационного лазерного зондирования достигается путем задания необходимого и достаточного числа состояний поляризации излучения передатчика, а также за счет рационального соотношения между числом приемных каналов, анализаторов состояния поляризации и минимальным числом актов зондирования.

6. Пространственно-временная привязка результатов дальнометрирования океанической поверхности космическим лидаром "Балкан" показывает, что основная причина расхождения измеренных и расчетных значений наклонной дальности обусловлена: 1) систематической погрешностью в расчетных баллистических данных; 2) погрешностью расчетного значения углов между оптической осью лидара и осями связанной системы координат орбитальной станции.

7. Разработанный имитатор оптического сигнала со ступенчатой аппроксимацией функциональной зависимости излучаемой мощности позволяет проводить метрологическую аттестацию лидара путем сквозной проверки его приеморегистрирующего тракта, от входной апертуры до получения конечного результата на ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложения. В ней содержится 250 страниц основного текста, 114 рисунков, 23 таблицы и список литературы из 321 наименования. Каждый раздел завершается выводами, в которых резюмируются основные результаты.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко проанализировано состояние научно-технической проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследований, отмечены научная новизна, практическая значимость и реализация результатов работы, обоснованы достоверность результатов и личный вклад автора, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, указаны структура, объем и содержание работы, количество публикаций по теме диссертации.

В первом разделе рассматриваются общие основы методов и средств лазерного дистанционного зондирования аэрозольной атмосферы и подстилающей- поверхности, принципы построения лидарных систем прямого детектирования. В подразделе 1.1 на основе обобщенной структурной схемы лидара рассмотрена работа его составных частей: 1) оптического передатчика в составе: лазера, поляризатора, передающей антенны (коллиматора), светоделительного блока, фотодетектора; 2) приемной системы, включающей объектив, пространственный и спектральные фильтры, анализатор состояния поляризации, фотодетектор, усилитель и АЦП и 3) управляющего процессора (ЭВМ). Представлены параметры, определяющие лидар как средство измерения, и параметры его составных частей, которые используются при ипженерных расчетах. Отмечены общие и отличительные характеристики стационарных и мобильных (наземных, самолетных и космических) лидаров.

Особенности приема и регистрации лидарных сигналов анализируются в подразделе 1.2. Термин "лидарный" сигнал относится как к потоку обратпорассеянного излучения Р(г)

на входе приемной системы или потоку Ф(г) на входе фотодетектора, так и к функционально связанному с этим потоком электрическому сигналу Щг) на выходе фотодетектора или в электронном канале лидара. Поскольку атмосфера является распределенной средой, поток Р(г) представляет собой непрерывно уменьшающийся во времени сигнал, в форме которого содержится информация о параметрах атмосферы. Для наземных лидаров приведена оценка динамического диапазона лидарных сигналов - Ц1С, величина которого в общем случае

превышает входные динамические диапазоны фотодетектора и АЦП - и

приводит к потере информации за счет насыщения большим уровнем входного сигнала. Для определения величины Д,с = Р(г„) / Р(гк) = г:В (г )

* 71. н'ехр2 |а(г)сй предложен графоаналити-

чсский метод решения лидарного уравнения в приближении однократного рассеяния. Здесь Р„(г) и а(г) - коэффициенты обратного и объемного рассеяния среды, находящейся на расстоянии г от лидара. Такое представление позволяет наглядно оценить величину 1>ж в интервале дальностей г„ гк, которые соответствуют началу и концу его регистрации.

На рис. 1 для конкретного лидара при зондировании ряда однородных атмосферных образований представлены значения потока Ф(г) = КпК^(г)Р(г), где Кп и ЯТС - коэффициенты передачи приемного объектива и спектрального фильтра; %{£) - функция геометрического фактора лидара, которая рассматривается в подразделе 1.3. Сверху величину Д1С в первую очередь ограничивают потери, обусловленные произведением коэффициентов К„К^(£); снизу - . фоновые помехи атмосферы и внешних источников, шумы приемной системы и дробовые шумы сигнала, которые представляются эквивалентными пороговыми мощностями Р„.э = Рпф+ Рпл + -Рп.с- Кривые 7 и 8 для двух типов ФЭУ на рис. 1 представляют мощности шума Рп.т темнового тока фотокатода и шума Рп ф составляющей тока, обусловленного спектральной яркостью внешнего фона Бх, шкала которой приведена в верхней части рисунка.

В1, Вт м-' ср-'

2, кл/

Рис. 1. Лидарные сигналы на входе ФЭУ. Параметры лидара % = 0,3 Дж; - 0,05 м2; X = 694,3 им; т0 - 3-Ю"8 с; К„ К„ = 0,2; = 1; 9„ = 2,5 мрад; ДХ = 1 нм; Д/= 10 МГц.

Характеристики метеообразований: объект а, км"1 р„, км~'-ср~'

1- водное облако 16 0,8

2- густой туман 4 0,2

3- плотная дымка 1,1 0,056

4- умеренная дымка 0,48 0,023

5- слабая дымка 0,16 0,008

6- чистый воздух 0,032 0,0016

При учете дробовых шумов тока сигнала значения эквивалентных пороговых мощностей увеличиваются на величину Р„ с (кривые 7' и 8').

Наличие фонов и шумов, ограничивающих снизу величину Д1С, уменьшает дальность действия лидара. Поскольку при увеличении z = et/2 величина лидарного сигнала уменьшается, а уровень шумов практически не меняется, введено понятие "динамическое отношение сигнал/шум", которое отражает характер этого изменения. В подразделе 1.2.3. представлена оценка значений Д1= при самолетном и космическом зондировании атмосферы образований и подстилающей поверхности.

Особенности работы приемной системы при пространственной фильтрации лидарных сигналов рассмотрены в подразделе 1.3. В приближении геометрической оптики для коаксиальных и биаксиальных лидаров решена задача построения изображения перемещающегося рассеивающего объема при зондировании распределенной среды (атмосферы). Поскольку этот объем удаляется от лидара со скоростью распространения оптического излучения в исследуемой среде, меняются углы прихода излучения на входную апертуру, а само изображение рассеивающего объема претерпевает пространственно-временное перемещение в зафокальной области приемного объектива.

В плоскости установки пространственного фильтра (полевой диафрагмы), который может быть смещен относительно фокальной плоскости объектива на расстояние zo (см. рис. 2), диаметр дефокусированного изображения равен D' (z) = [üp(z) + v] f„/z, а его центр смещен от оптической оси на величину B'{z) = C,B(z)/„/z, где v = С, -zo z/f„, £ = 1 + zo/f„, f n и D„ - фокусное расстояние и диаметр приемного объектива, D(z) - диаметр сечения рассеивающего объема, B2(z) = (Во - уц z) 1 + (у±г) 2, So - база между оптическими осями приемной и передающей систем в месте их установки, уц и yi - углы наклона этих осей в плоскости базы и в перпендикулярной плоскости. По мере удаления рассеивающего объема его изображение уменьшается, а центр изображения перемещается в направлении к оптической оси приемного объектива (для биаксиальной системы) и приближается к фокальной плоскости. Траектория перемещения этого центра наклонена к оптической оси приемного объектива под углом а = arctg5(r)/^"„.

Рис. 2 показывает, что в общем случае через отверстие в полевой диафрагме проходит только часть лучей, поступающих на входную апертуру приемного объектива из площадки dS в точке М(г, 0, г). Таким образом, полевая диафрагма осуществляет виньетирование потока обратнорассеянного излучения. В подразделе 1.3.2. получено выражение для функции геометрического фактора лидара, которая определяет коэффициент передачи приемной системы лидара в зависимости от расстояния

¡У (г)/2 2тс

¿(г)=1б71-2[0'(2)]^ ¡г'с!г' ^эф^Мле'}«'. О О

где интегрирование проводится по координатам в плоскости диафрагмы (см. рис. 2), 5'Эф(г) -взаимная площадь пересечения полевой диафрагмы и дефокусированного изображения рассеивающего объема (рис. 3), а функция к(г',0') характеризует распределение освещенности по пятну изображения рассеивающего объема.

Рис. 2. Построение изображения рассеивающего объема в приемной системе лидара: а - общий вид; б - сечение рассеивающего объема в плоскости А,

Рис. 3 показывает ситуации, возникающие при виньетировании потока излучения из рассеивающего объема полевой диафрагмой круглой формы. Для биаксиалыюго лидара получены соотношения, определяющие границы теневой г = Ь\, переходной 2 = ¿2, второй переходной г = ¿з и второй теневой зон г = £д, которые учитывают смещение диафрагмы круглых размеров от фокальной плоскости и углы разъюстировки оптических осей приемопередатчика в плоскости их базы уц и в перпендикулярной плоскости ух.

Рис. 3. Прохождение потока излучения через полевую диафрагму приемной системы: а) полное виньетирование на границе теневой и переходной зон; б) частичное виньетирование в переходной зоне; в) полное пропускание потока на границе переходной и рабочей зон; г) полное пропускание потока на границе рабочей и второй переходной зоны; д) полное виньетирование на границе второй переходной и теневой зоны.

а)

Проведена оценка влияния параметров приемопередатчика на относительную протяженность переходной зоны при установке полевой диафрагмы круглой формы в фокальной плоскости объектива (го = 0): ¿2,0/11,0 = (1 + х)0 + Ц)/(1 ~ Х)0 _ Ц)> гДе X = (А1 + Д))/2Во, ц =/„ 8о/2я. Учтено влияние углов разъюстировки уя и ух на величину лидарного сигнала в переходной зоне (рис. 4) и на длительность переходной зоны (рис. 5). Для каждого значения угла разъюстировки уц имеется критическое значение угла у!Кр, при достижении

которого интсрвхт рабочей зоны стягивается в точку. Это соответствует тому, что

пятно изображения, войдя в отверстие полевой диафрагмы, сразу же начинает выходить из нее, т.е. первая переходная зона сразу же преобразуется во вторую переходную зону (Лг ю). Этому случаю соответствуют вертикальные прямые на рис. 5. Получены также соотношения для определения границ переходной и теневой зон коаксиального лидара (при Во = 0). Функция геометрического фактора в переходной зоне определяется, как и для биаксиального лидара, необходимо только учитывать затенение центральной части приемной апертуры диаметром 2Ъ, которое создается передатчиком (см. рис. 2).

На основе развитого подхода к построению изображения рассеивающего объема, в подразделе 1.3.3 рассмотрены вопросы оптимизации параметров пространственных фильтров лидара, обеспечивающих решение следующих задач: 1) выделение потока обратнорассеянного излучения, имеющего конечные угловые размеры, на фоне пространственно распределенного излучения источников помех и повышение за счет этого отношения сигнал/фон; 2) задание границ невиньетируемого приема лидарных сигналов по дальности за счет размеров и места установки фильтра; 3) определение функции геометрического фактора лидара g{z) за счет виньетирования потока излучения в заданном интервале дальностей; 4) выделение фрагментов из принимаемого потока излучения, которые обусловлены кратным рассеянием, за счет формы фильтра и места его размещения.

Пространственные фильтры, применяемые в лидарах, основаны на использовании критерия оптимальности, связанного с достижением максимума отношения сигнал/фон. В качестве критериев эффективности предложены: 1) коэффициент передачи фильтра и

14-' X = 0,44; д= 0,48; ' __.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 у ,мр«д

О ОД 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 г, км

Рис. 4. Влияние разъюстировки оптических осей по углам уц и ух на величину лидарного сигнала (при а = 10~3 м"1). Влияние угла показано только на максимальную величину сигнала.

Рис. 5. Зависимость величины переходной зоны ¿,2 от относительных параметров приемопередатчика лидара (£20 - величина

переходной зоны при уц =у± = 0).

пространственные границы интервала его действия по угловому полю или дальности; 2) достигаемое значение отношения сигнал/фон. Для фильтра, осуществляющего регулируемое виньетирование потока излучения, дополнительным критерием является погрешность реализуемого закона регулирования. По применяемым пространственным фильтрам, лидарные системы разделены на две основные группы: 1) для определения профилей атмосферных параметров (с учетом кратности рассеяния) и 2) для определения дальности до объектов, имеющих большой оптико-локационный контраст. Для лидаров первой группы информационный параметр сигнала заключен в его форме, поэтому необходимо минимизировать влияние коэффициента передачи приемной системы и, соответственно, пространственного фильтра на форму лидарного сигнала в заданном интервале дальностей. Для лидаров второй группы точность передачи формы эхосигнала менее существенна.

Для увеличения информативности лидаров первой группы пространственный фильтр должен иметь коэффициент передачи, равный 1 в максимально возможном интервале дальностей. Для лидаров второй группы он должен обеспечивать задаваемый закон регулирования потока излучения с минимальной погрешностью также в наибольшем интервале дальностей. С точки зрения повышения отношения сигнал/фон, требования к пространственному фильтру для лидаров обеих групп одинаковы. Применительно к лидарам, предназначенным для зондирования оптически плотных сред, пространственная фильтрация позволяет выделять в принимаемом потоке излучения фрагменты с различной кратностью рассеяния, которые имеют различное угловое распределение в поле приемной системы.

Предложен ряд новых форм полевых диафрагм, защищенных авторскими свидетельствами. Размеры обычного круглого отверстия можно уменьшить до границ, определяющих невиньетируемое пропускание лидарного сигнала, снизив при этом величину фонового потока. Такую диафрагму, имеющую форму, совпадающую с размерами следа перемещающегося пятна изображения, будем называть согласованной. В интервале дальностей ¿2 £ г ^ 1т ее размеры определяются из следующих соотношений: /■[ = 0'(Ьг)/2\ гг = О' (1ш)/ 2 и й = С,/п [В' (1г)/¿2 - В' (1т)/1т] (см. рис. б). Эта диафрагма повышает отношение сигнал/фон более чем в четыре раза. Предложена также круглая децентрированная диафрагма (профиль 2 на рис. 6). Дополнительно уменьшить размеры согласованной диафрагмы и сделать ее оптимальной можно, установив ее в зафокальном пространстве приемного объектива под утлом а = гаа^Вф /% к его оптической оси. При этом поперечный размер каждого участка диафрагмы вдоль оси Ох более точно сопряжен с диаметром изображения рассеивающего объема и, соответственно, имеет минимальную величину,1 равную О „¡„ (г) = й(г)/„ /г, а проекция оптимальной диафрагмы на фокальную плоскость имеет меньшую площадь, чем у согласованной.

ПГм I

Рис. 6. Диафрагмы уменьшенных размеров: 1 - согласованная, 2 - децентриро-ванная круглая, 3 - обычная центрированная.

1 I \ л

/ )

Рис. 8. Полевая диафрагма для Рис. 7. Круглая полевая диафрагма лидара "ЛОЗА-З". Пунктиром уменьшенного размера, устанавли- показана суперпозиция согла-ваемая центрировано относительно сованных диафрагм. 1- контур оптической оси объектива. обычной круглом диафрагмы.

Для уменьшения влияния аберраций приемного объектива, которые возрастают с удалением от его оптической оси, угол наклона оптических осей передатчика и приемника следует выбирать из условия уц = а//„ - 9о /2. При этом изображения с расстояний Ьг и Ьт будут располагаться ближе к оптической оси, а центр диафрагмы совмещается с оптической осью (рис. 7). Для лидара "ЛОЗА-З" с двумя передатчиками, расположенными симметрично относительно приемного объектива, создана специальная полевая диафрагма (рис. 8).

Предложен способ невиньетируемого приема, когда, непрерывно изменяя угол между направлением визирования приемной системы и оптической осью передатчика по закону у(г) = 25о / с1, принимают излучение из объема атмосферы, подсвечиваемого в данный момент. Предложен также ряд диафрагм и растров для анализа многократного рассеяния, которые позволяют выделять отдельные фрагменты в потоке приходящего излучения, и пространственная матричная маска для лидара, измеряющего скорость ветра по корреляционной методике (рис 9). В заключении подраздела приведен сравнительный анализ различных типов пространственных фильтров лидара (диафрагм, растров, световодов).

Во втором разделе рассмотрены методы и технические средства для сжатия динамического диапазона лидарных сигналов - £>лс. Изложены основные принципы многопараметрической классификации методов (см. табл. 1). Основной акцент сделан на оптических и фотоэлектронных методах. На рис. 10 представлен процесс преобразования входного воздействия Д/) на регулирующем элементе приемной системы в выходной эффект ¥(1), в результате которого происходит сжатие Олс. Предложена совокупность оценочных критериев, среди которых: 1) достигаемая величина коэффициента сжатия динамического

Рис. 9. Матричный пространственный фильтр: 1 - матричная диафрагма; 2 - фокон; 3 — фотодетектор.

Таблица 1. Обобщенная система классификации методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов

Вид Пассивные Активные

регулирования Оптические Фотоэлектронные Электронные

Виньетирующие диафрагмы простой формы Управление по модулятору

0> Функциональное линейное компенсирующие 1 - ВРУ ФЭУ по закону ? Управление по динодам Усилитель с ВРУ по закону I2

о Элементы, компенсирующие оптические клинья Электрооптический Управление напряжением питания

зеркала затвор

О Функциональное нелинейное '' - Логарифмический ФЭУ Логарифмический усилитель

X Несколько приемных систем ВРУ ФЭУ по ступенчатому закону

о Несколько зондирующих пучков Усилитель с ВРУ

Ступенчатое Приемная система с несколькими фотодетекторами Съем сигналов с динодных нагрузочных сопротивлений по ступенчатому закону

<и 3 Сменные нейтральные светофильтры ФЭУ с переключением Усилитель со ступенчатым переключением коэффициента усиления

Й & о о 2 Сменные полевые диафрагмы коэффициента усиления

Стробирование Механический затвор Электрооптический затвор Стробируемый ФЭУ Стробируемый усилитель

диапазона (? = £>Вх/Д>ых; 2) интервал дальностей, на котором реализуется сжатие г„ + зависящий от свойств регулирующего элемента; 3) относительное увеличение дальности зондирования 8г = ¿„.о/Гц,, при одинаковой начальной дальности, где гк_г, и гк л - соответственно, конечные дальности зондирова-

т Входное Регулирующий по Выходной

воздействие у-гт эффект '

Р(г); Ф(1); М) ФП); Щй

Рис. 10.

ния при использовании метода и без него; 4) погрешность преобразования лидарной информации, определяемая величиной отклонения реализованной регулировочной характеристики от заданного закона преобразования; 5) помехоустойчивость, которая характеризует способность метода увеличивать или сохранять в прежних пределах динамическое отношение сигнал/шум - [Д^МЬ/СДстИ].-!.; б) оперативность; 7) надежность; 8) конструктивные, массогабаритные и стоимостные факторы.

С. гп Ссг Сккр <7ют 1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

О

т.-0,2 3п1 ,1 Т. = 0,02 '7

К- \\ ч 1 '! 1 а- 1 /'! /

ч / / ! 1

1/ Л

111X1

1' 1 1 М1П 1 1

15

10

5 10

50 100 2к/1к Рис. 11. 1,5-ЛП; 2,6-СР (прил = 2); 3, 7 - СР (при п = 3); 4, 8 - СР (при п = 4).

0 0,0050,01 0,02 0,05 0,1 0,2 Т„ Рис. 12. 1-ЛП; 2+4 - ККР (2 - в = 104; 3 - С = 2500; 4 - С = 103); 5, 6 - СР (5 - п = 2; 6 - п = 3).

В подразделе 2.1.3 по этим критериям проведен сравнительный анализ методов функционального преобразования (компенсация обратноквадратичной зависимости расстояния - ККР и логарифмическое преобразование - ЛП) и ступенчатого регулирования СР. Для метода ККР Оккр = (гк / 2Н)2 и зависит только от интервата дальностей г„ + гк, на котором реализуется регулировочная характеристика. Для метода ЛП блп = £>Вх /(1п Овх + 1). Поскольку у реальных логарифмических преобразователей Д™ = 105 +106, ТО ОлПтгх ~ 8-103+б,7-104. Для метода СР бер = [•£>ех](""1>А, где п - число ступеней регулирования. На рис. 11 показана относительная эффективность достигаемых коэффициентов сжатия для методов ЛП и СР, по сравнению с методом ККР, при условии, что методы реализуются на одном интервале ги + гк. Параметром является оптическая толша атмосферы тн = осг„. Штрих-пунктирная кривая справа ограничивает область Д^шах > Ю5. На рис. 12 показано

относительное увеличение дальности зондирования при 128. Точки перегиба для

5

З^ккр определяются предельным значением достигаемой величины для этого метода.

Сравнение по критерию помехоустойчивости показывает, что оптические методы ККР н СР в несколько раз улучшают динамическое отношение сигнал/фон и за счет этого увеличивают дальность зондирования. Фотоэлектронные и электронные методы сжатия не улучшают отношение сигнал/шум. По погрешности преобразования наиболее эффективен метод СР. Метод ЛП предпочтителен,, когда не требуются точные измерения амплитуд сигнала. Проведено качественное сравнение методов по другим предложенным критериям.

В подразделе 2.2 рассмотрено регулирование .пиарного сигнала в оптическом канале лидара. Пространственное разделение потока обратнорассеянного излучения на несколько приемных систем позволяет уменьшить динамический диапазон лидарных сигналов в каждой системе. Для одноимпульсных систем оптимальным является использование двух приемных систем. Одна из них, имеющая малую входную апертуру и большое поле зрения, располагается на минимальной базе В0\ от передатчика и обеспечивает прием лидарных сигналов с близких расстояний. Вторая, с большей апертурой, но меньшим полем зрения, располагается на большей базе £02 н принимает сигналы с дальних участков трассы. Используя одну приемную систему с набором сменных полевых диафрагм и ослабителей потока излучения, можно при многоимпульсном зондировании получать сигналы с разных участков трассы, при этом с полевыми диафрагмами больших размеров устанавливаются более плотные ослабители.

Анализ предложенных пространственных фильл-ров, функционально регулирующих лидарный сигнал, представлен в подразделе 2.2.2. Для биакснального лидара, с учетом пространственных зависимостей О'(г) и В'(г), получено трансцендентное уравнение для определения профиля полевой диафрагмы, компенсирующей обратноквадратичную зависимость в лидарном сигнале (рис. 13). При (Д + ДО / 6о :„ « 1 уравнение имеет аналитическое решение ;-5(л-) = [ро2 - л-2]"2 -/„ ВоЦрцА)1"+ у./Во], Г-Зе Ро= /п 6о/2. Эта диафрагма имеет закругленный конец с радиусом га = р(,[2Фч/Р{2„)} 'а. где Фц - минимальный уровень мощности, пропускаемой диафрагмой, Р(г„) - поток излучения, падающий на диафрагму в начале регулирования. Интервал дальностей гк / г„ = {Р(:„) /2 Фа }''6 не превышает 10. Предложена также регулирующая диафрагма (рис. 14), которая и максимальной степени виньетирует лидарный сигнал с близких расстояний, когда его интенсивность велика, и увеличивает пропускание по мере возрастания г таким образом, чтобы на максимальной дальности гк лидарный сигнал полностью проходил через нее. В качестве регулирующего элемента предложено также зеркало с переменным коэффициентом отражения, которое устанавливается в зафокалыюй области таким образом, чтобы ось симметрии зеркала была наклонена под углом а = тс1£В{2)//„ к оптической оси объектива. В

■завершение выполнен сравнительный анализ оптических методов сжатия Д]С (рис. 15). У

* ^ 4 Пнр.'пцтрм лидара:

Д, = 0,05 ч;Л„=0,1 м: В0= ОД м; /„ - 0,5 ч; :н"30м; Ои3! мр;1Л;

/ Iе®

Л

Уг

(

Рис. 13. Компенсирующая диафрагма.

Рис. 14. Регулирующая диафрагма

0,05 0,1 0,5 1,0 5 10 ;,км Рис. 15. Мощность сигнала на фотодетекторе при использовании: 1 - невиньетн-руечьш прием; 2 - круглой, 3 - компенсирующей; 4 - регулирующей диафрагм.

В подразделе 2.3 представлены результаты исследования активных методов сжатия йж

в фотоэлектронном и усилительных каналах. ФЭУ с временной регулировкой коэффициента

иг,г; с

умножения (ВРУ ФЭУ) рассмотрен в подразделе 2.3.1. Предложена схема делителя напряжения и управления коэффициентом умножения :\/(/)путсм изменения напряжения на группе из п дпподов с нестационарным потенциалом. Рассчитана форма управляющего напряжения №) = [(кг/М,а) 1 "- 01] /а, где '/о - коэффициент умножения диподоз со стационарным потенциалом, ст; - эффективное значение коэффициента умножения, обусловленное

С , Г".—~ Т

10

10

1 10 100 Г, мке

Рис 16. Семейство регулировочных характеристик ФЭУ-84: 1 - минимачьная мощность засветки Рц\ 2 - Р = ЗРс\ 3 -10Ро: 4 - 30Ро; 5 - 100Л).

■г.: . { '

ЖЖ'ЧМК'^*

».„Лс,--Ли

•.и - - - - .

Рис. 17. Лидарные сигналы на выходе ВРУ ФЭУ н линейного ФЭУ в отсутствие фонового излучения. Развертка 5 мке/дел, А/ = 25 МГц.

пролетом электронов через динодньш промежуток в отсутствие ускоряющего напряжения, а - константа. Проведено измерение семейства регулировочных характеристик серийных ФЭУ (рис. 16). Экспериментально определено, что для лакючийиого ФЭУ-84 О < 2500 (68

дБ), для коробчатого ФЭУ-79 G > 5000. Разработаны схемы делителей напряжения и генераторов управляющего напряжения. Применение ВРУ ФЭУ в лидаре позволило увеличить дальность зондирования в слабозамутнекных средах в 5-7 раз (рис. 17), что близко к расчетному значению 6zkkp-

Исследовано влияние шумов и фонового излучения на работу ВРУ ФЭУ. Последнее вызывает средний анодный ток /ф(0 = Аф( 2В\ (<), где Лф - константа, Вх - спектральная яркость внешнего фона, который усложняет режим работы. Поэтому в дневных условиях дальность зондирования увеличивается в 2-2,5 раза по сравнению с обычным лидаром. Проведены исследования ВРУ ФЭУ при различных уровнях засветок, которые показали, что до величины анодного тока в 25 мА изменение закона регулирования не превышает 2%. Представлены также результаты использования усилителей с временной регулировкой усиления в одной из разработанных лидарных систем.

В подразделе 2.3.3 выполнен анализ особенностей активных методов компенсации зависимости z~2 в присутствии шумов. Для стабилизации рабочей точки ФЭУ при меняющихся фоновых засветках предложены защищенные авторскими свидетельствами технические решения, использующие цепи обратной связи с регулируемым ослабителем, стоящим перед фотодетектором. Оценено влияние фонов на погрешность определения среднего по трассе коэффициента рассеяния по способу В.А. Ковалева (при накоплении усиленного по квадрату текущего времени лидарного сигнала). Показано, что накопление фоновых шумов занижает получаемое из лидарных измерений значение ä(z) в зависимости от величины В\ (г) и оптической толщи атмосферы. Для повышения точности измерений предложено автоматически определять максимальную глубину зондирования при соответствующих оптико-метеорологических состояниях атмосферы.

В третьем разделе рассматриваются мобильные наземные лидары для зондирования аэрозольной атмосферы. Приведены предъявляемые к ним требования и уточнены показатели назначения мобильных лидаров. Дан анализ пространственно-временных масштабов и оперативности лидарных измерений при сканировании направлением оптической оси в секторах по углу места от 0 до zm градусов и по азимуту от 0 до ап градусов. Предложен ряд алгоритмов, ускоряющих проведение мониторингового режима наблюдений в телесном угле Cim = sm-am СР при невысоких угловых скоростях сканирования ие и ша и позволяющих, используя результаты зондирования, создавать двухмерные 2D (в горизонтальной иди вертикальной плоскостях) и трехмерные 3D (вертикальные разрезы при разных азимутальных углах) картины распределения загрязнений.

Оценка эффективности приемных объективов мобильных лидаров представлена в

подразделе 3.2. Рассмотрены их основные характеристики и отмечены главные отличия от объективов телескопов. Представлена классификация линзовых (сферических, асферических и Френеля), зеркальных (Ньютона и, Кассегрена) и зеркально-линзовых - (Максутова, Манжена и Шмидта) объективов, а также .многоэлементных составных линзовых и зеркальных объективов. Рассмотрены их сравнительные характеристики, среди которых: габаритно-массовые (диаметр £>п, фокусное расстояние/, и относительное отверстие А = Д, / /„, которые определяют продольный габарит, и масса т„); энергетические (коэффициент пропускания Ки и светосила); аберрационные (наиболее существенна сферическая аберрация, определяющая минимальный кружок рассеяния); спектральные (рабочий диапазон длин волн); технико-экономические (стоимость, пропорциональная £)2П или даже Dl'1)', эксплуатационные (сложность юстировки, проверка качества и технического обслуживания). Представлены предельно достижимые характеристики каждого типа объективов.

В качестве основных критериев выбраны: 1) коэффициент относительной энергетической эффективности Кл ■ Аэф , который представляет произведение максимально достижимого коэффициента пропускания объектива Кп max на его эффективную площадь Агф,. нормированное на площадь идеального объектива такого же диаметра с Кп ты = 1 и при отсутствии затенений; 2) минимальный относительный габарит (отношение минимально возможной длины объектива Lmi„ к его световому диаметру А). Такой подход позволил составить диаграмму энергетических и габаритных характеристик лидарных объективов (рис. 18). Прямые на ней ограничивают сверху и слева предельные характеристики каждого типа объективов и позволяют проводить их обоснованный выбор в зависимости от задач, решаемых лидаром. Объективы распределены по трем группам: 1) особо компактные (Манжена, Френеля, составной объектив); 2) компактные (Кассегрена и Максутова и асферическая линза); 3) габаритные (Ньютона, сферическая линза, камера Шмидта).

В подразделе 3.3. представлены технические характеристики и схемы разработанных лидаров серии "ЛОЗА", в которых применены некоторые рассмотренные выше технические решения. За период 1972-1983 гг. был создан ряд специализированных автоматизированных лидарных комплексов, каждый из которых являлся составной частью системы для оперативного измерения оптико-метеорологических параметров атмосферы. Изготовленные

1,0

1 -

>>

'а 1 I < " в "is л <5 в * 2 * С « (состшгшгй яиизосый - л ?! <« ^ 1 < Б о S С £ I < 1 с 3 а 3 * 8 Е г s & Й ■S. « ! ! 1 £ 4 «5 - Яинш сферическая Камера Шмидта

14 I 41 ......

о 1 1 3 4 ТШ/Ъ,

Рис. 18.

системы предназначались для обеспечения полигонных испытаний оптико-электронных средств специального назначения. В подразделе 3.4 представлены краткие описания и технические характеристики созданных лидарных комплексов Х-94, СОИПА, ХМ-А1, лидара НП, а также приемной системы метеорологического лидара МЕЛ-01, в которых были использованы технические решения, защищенные авторскими свидетельствами, и ряд технических средств по сжатию Д1С.

В четвертом разделе рассмотрены самолетные поляризационные лидары. Технология самолетного зондирования и требования к таким лидарам представлены в подразделе 4.1. Отличие самолетного лидарного зондирования от наземного состоит в том, что за счет движения платформы-носителя непрерывно изменяются координаты оптической оси лидара в базовой системе координат (рис. 19, а). Это приводит к тому, что каждый акт

зондирования приходится на новое место и набор статистической информации о конкретном объекте путем многократного зондирования затруднен. Кроме того, область зондирования ограничивается в пространстве и на плоскости детерминированной траекторией движения самолета. Возможности расширяются за счет сканирования направлением оптической оси лидара. Это позволяет увеличить площадь исследуемой территории и при определенных условиях проводить неоднократные акты зондирования одного объекта.

а б в г

Рис. 19. Системы координат и параметры сканирования при самолетном зондировании.

При равномерном1 и прямолинейном полете самолета можно считать, что направления осей его связанной 0АГГ2 и базовой ОйХ^^ систем координат параллельны (рис. 19), центр системы координат ОХП смещен от центра Оц по оси ОцУъ на высоту полета Я, а вдоль оси ОаХ,5 во времени - на расстояние VI. Введен коэффициент распределения лазерных пятен вдоль траектории зондирования 9 = 1„ /£>з, где 1„ = У//к - пространственный период зондирования в базовой системе координат, определяемый скоростью полета V и частотой зондирования/,; £>3 = #90 - диаметр лазерного пятна, определяемый углом расходимости

Оо. Перекрытие пятен достигается при высокой частоте посылок /„ (?<1).

Рассмотрены возможности сканера на основе двух оптических клиньев. Такой сканер, охватывая апертуру приемопередатчика лидара, может обеспечить угол отклонения его

оптической оси до бт =17° от первоначального направления. В связанной системе координат самолета при синфазном вращении клиньев оптическая ось лидара сканирует по образующей конуса (рис. 19, б), а при ортофазном вращении (в противоположных направлениях) - в плоскости, которая может составлять любой угол с направлением полета (рис. 19, в, г). В подразделе 4.1.2. приведен анализ возможных траекторий движения оптической оси лидара в базовой системе координат ОоХ/У^. При синфазном вращении клиньев в базовой системе координат оптическая ось на плоскости описывает циклоиду:

Лгг(0=^±Лс5тсос<; г?(г) = Лссо5шс/ , где Лс = - максимальное отклонение оптической оси лидара от надира, сос - угловая частота сканирования, а знак плюс в первом уравнении соответствует вращению оптической оси по часовой стрелке. В связанной системе координат коэффициент распределения лазерных импульсов д,. = шсзт6//и0о. Для получения непрерывной полосы лазерных пятен на поверхности при 9о = 1,5 мрад и 6 = 17° частота /„ должна на три порядка превышать частоту сос. Пространственный период циклоиды Ьа=2жУ/тс не зависит от высоты полета Я, а параметр циклоиды равен к = Ус/У. Когда X > 1, циклоида является

удлиненной, т.е. при большой угловой частоте ис петли сканирования являются возвратными. Поскольку линейная скорость вращения Кс зависит от высоты Я, то на облаке и на поверхности Земли параметр X будет различным.

При ортофазном вращении клиньев линейное отклонение Я0 (рис. 19, в, г) оптической оси лидара от надира на плоскости происходит по закону К0(:)= Htg(5mcosal(.t), а

линейная скорость К„(г) ее перемещения изменяется по зависимости, близкой к синусоидальной. В этом случае коэффициент распределения лазерных пятен в связанной системе координат самолета равен 90(') = 5тсос81писг/9о/и , т.е. в окрестностях надирного направления плотность пятен минимальна. В параметрической форме движение оптической оси лидара на поверхности Х^О^ записывается как

(г) = Кг + /Л£(бтсозсос/)созр; 2^)= /Лд(5тсо8сос/)япр. Здесь р - угол между плоскостью сканирования и направлением полета. При р = 90° траектория движения представляет косинусоиду. Для р = 45° возможно подобрать такое соотношение между частотой ис и скоростью полета V, что на отдельных участках перемещение конца оптической оси будет проходить по направлению, перпендикулярному движению полета. При р = 0° (рис. 19, г) движение оптической оси является возвратным вдоль траектории полета, что позволяет проводить неоднократное зондирование объектов, находящихся в плоскости сканирования. С помощью программы МаЛсас! получены

распределения лазерных пятен на поверхности для различных параметров

зондирования (0о и/,), сканирования (5 и сос) и полета (Ни Н).

В подразделе 4.1.3 рассмотрены специфические требования, предъявляемые к самолетным лидарам. Полученные результаты по технологии сканирования применимы для сканеров на основе вращающихся и качающихся зеркал или на основе голографической дифракционной решетки, с соответствующими поправками на угловые частоты. Они также экстраполируются на космическое зондирование со сканированием. При этом за счет увеличения высоты полета (более чем на два порядка) возрастают линейные скорости сканирования Ус или И0(/), но в такой же степени увеличивается скорость полета космического аппарата (до 7,8 км/с). Возрастает в таких же пределах и полоса 2#1§5т, охватываемая сканирующей оптической осью лидара, а плотность распределения лазерных импульсов по площади территории сохраняется.

Основы поляризационных лидарных измерений представлены в подразделе 4.2. Дано матричное описание процедуры измерения параметров Стокса при зондировании атмосферных объектов и, в соответствии с известными процедурами М. Борна, приведены значения шести необходимых приборных векторов G¡ для анализаторов состояния поляризации при этих измерениях. Выявлены условия, при которых должны определяться параметры Стокса при лидарных измерениях. Во-первых, либо все операции выполняются одновременно, либо сам вектор Стокса 5(г) и условия атмосферного пропускания Т(г) для излучения должны оставаться во время измерений неизменными. Во-вторых, либо все операции выполняются посредством одноканальной приемной системы путем последовательной реализации в ней векторов (5,, и тогда на время измерений обязательны условия "замороженное™" исследуемого объекта и Т(г), либо в приемной системе используется несколько приемных каналов, и тогда необходимо знать соотношение эффективностей (коэффициентов передачи) этих каналов.

Основные характеристики, критерии эффективности и сравнительный анализ лидарных поляризационных элементов приведен в подразделах 4.2.2 и 4.2.3. Наиболее эффективными для лидаров являются: призма Волластона, которая позволяет измерять сразу две ортогональные компоненты вектора напряженности электрического поля при достаточно большом угле разведения этих компонентов, и тонкопленочный отражательный кубик. Дихроичные поляроиды обеспечивают измерение только одной компоненты.

В подразделе 4.2.4 рассмотрены условия формирования различных состояний поляризации зондирующего излучения за счет внешних поляризационных элементов для случая, когда излучение лазера является линейно поляризованным. Показаны необходимые и

Г

достаточные комбинации положений поляризационных азимутов призмы Глана и четвертьволновой пластинки или двух четвертьволновых пластинок, позволяющих трансформировать исходную линейную поляризацию в ли- „ .. .

Рис. 20. Светоделительныи блок: 1 - лазер; 2

нейную с другим азимутом либо в циркуляр- - четвертьволновая пластинка; 3 - призма

Глана; 4, 5- входная и выходная линзы кол-ную. Отмечено, что установка дополнительных лиштора; б _ сферическая светорассеиваю-

элементов вызывает потерю мощности излуче- щая ПОЛОС1Ъ; 7 - фотодетектор, ния. В фазовых пластинках она определяется френелевским отражением на границах раздела сред и поглощением в материале пластинки. При использовании призмы Глана добавляются потери половины мощности потока, связанные с подавлением одной из ортогональных компонент. На рис. 20 показана защищенная авторским свидетельством схема построения передающего канала лидара. Сочетание передней линзы коллиматора со светорассеивающей полостью позволяет отводить из лазерного пучка часть мощности излучения независимо от состояния его поляризации, практически не изменяя этого состояния.

Синтез приемной системы поляризационного лидара рассмотрен в подразделе 4.2.5. Он заключается в поиске оптимального (наилучшего) соотношения между: 1) условиями работы лидара, когда определяющими являются параметры, описывающие состояние зондируемого объекта; 2) структурой лидара и его параметрами; 3) стоимостью лидара. Проектирование поляризационного лидара требует оптимизации приемной системы по числу используемых поляризационных устройств и их ориентации в приемных каналах. Показано, что для определения четырех параметров вектора Стокса достаточно четырех приборных векторов: J = (ö,+G2)s; Q = {öi-G1]s; U = {2G3-G,-G2)f; V = -[2Gs-Gt-G2)s. При этом векторы <3, и G2 одновременно реализуются с помощью призмы Волластона, вектор G3 -поляроидом с азимутом, повернутым на угол 45° относительно плоскости референции, вектор Gj - поляроидом и стоящей перед ним фазовой пластинкой, быстрая ось которой повернута на 45°. Эти векторы можно реализовать путем последовательной смены в одном канале приемной системы либо использовать трехкан&льную приемную систему. Последняя, реализованная в лидаре "Светозар-3", использует в каждом канале призму Волластона с соответствующей ориентацией ее азимута и, соответственно, шесть детекторов и является избыточной в измерении параметра I. Однако эта избыточность обеспечивает проведение взаимной калибровки каналов.

В подразделе 4.3 представлены краткие описания и технические характеристики созданных в 1980-1989 гг. самолетных поляризационных лидаров "Светозар-3", "Макрель-2",

"Макрель-2М", в которых использованы описанные выше схемные и конструктивные решения. Ввиду достаточной универсальности, лидар "Макрель-2" нашел широкое применение в научных исследованиях ИОА СО РАН и на поисковых самолетах-рыборазведчиках Минрыбхоза СССР. Лидары "Макрель-2" и "Макрель-2М" до настоящего времени используются в составе самолета-лаборатории ИОА СО РАН "Оптик-Э".

В пятом разделе рассматриваются лидары космического базирования. Существенным отличием космического лидара от наземного или самолетного являются диапазон его действия по дальности и уровень принимаемых сигналов. Из-за большого удаления зондируемых объектов принимаемый эхосигнал от облаков или подстилающей поверхности Земли поступает с задержкой в 1,3+2,7 мс и в 104 раз ослабленным, по сравнению с сигналом от самолетного или наземного лядара с таким же энергетическим потенциалом. Приведены модельные оценки динамического диапазона лидарных сигналов, принимаемых от разных типов подстилающих поверхностей и облачных образований лидаром с параметрами, аналогичными лидару "Балкан", с высоты 300 км. Если лидар должен регистрировать сигналы, как от атмосферных объектов, так и от различных типов подстилающей поверхности, динамический диапазон эхосигналов может изменяться в пределах более трех порядков, что требует применения быстродействующих регистрирующих АЦП с соответствующей разрядностью.

На примере лидара "Балкан" рассмотрены системы координат космического аппарата и возможные ориентации оптической оси лидара в сеансах космического зондирования. При полете станции используются две базовые системы координат: орбитальная -ОСК и инерциалыш - ИСК. В зависимости от того, как в этих системах координат ориентирована связанная система координат станции О5А^Гб^е, различают различные режимы полета (рис.21). Ориентация оптической оси лидара в связанной системе координат станции задается, исходя из конструктивных расчетов, и затем определяется в базовой системе координат. Долговременная ориентация оптической оси лидара в направлении, близком к надиру, реализовывалась только в режиме ОСК. Поскольку в режиме ИСК ось +О1Х5 станции все время направлена в одну точку инерциального пространства, при полете в этой ориентации угол у между направлением оптической оси лидара и надиром все время изменяется. В связи с этим осуществляется

Рис. 21. Ориентация орбитальной станции и оптической оси лидара: 1 - станция; 2 - траектория орбиты; 3 - направление оптической оси лидара; 0„ - центр ИСК (Земли); Дз - радиус-вектор Земли; а - режим ориентации ИСК; б -режим ориентации ОСК.

сканирование лазерным лучом относительно траектории орбиты (непрерывное изменение углов курса и тангажа оптической оси лидара) и, соответственно, постоянное изменение наклонной дальности зондирования. При этом в режиме ИСК наиболее близко к надирному направлению оптическая ось лидара оказывалась только в "середине света" на витке, когда фоновая ситуация была самая неблагоприятная (наибольшая высота Солнца над горизонтом).

Методологические основы лидарных измерений из космоса рассмотрены в подразделе 5.2. Описаны проблемы, связанные с планированием и расчетным баллистическим обеспечением экспериментов. Наземное обеспечение сеансов лазерного зондирования включает: 1) перспективное, долгосрочное и краткосрочное планирование в ЦУПе; 2) планирование сопутствующих подспутниковых измерений; 3) подготовку сопутствующих фотометрических измерений или видеосъемки с борга станции. Проведение сопутствующих измерений атмосферы и подстилающей поверхности при выполнении первых космических экспериментов требуется для адекватной расшифровки регистрируемых эхосигиалов.

Имеющиеся в ЦУПе программы позволяют рассчитывать текущие значения: высоты траектории орбиты над уровнем океана Яр(/) с учетом формы геоида; географических координат - долготы Ьс(1) и широты Вс(г) подспутниковой точки А\ наклонной дальности •Ор(0 для расчетного значения угла ур между оптической осью лидара и надиром; географических координат - Хл(г) и 3„(г) точки пересечения оси лидара с поверхностью Земли; углов между осью лидара и направлением на Солнце срр(0 и на Луну ер(0. Последнее позволяет оценивать фоновую ситуацию в районе проведения эксперимента и ее влияние на результаты лидарных измерений. Баллистические расчеты выполняются на основе данных по радиолокационному контролю параметров орбиты с наземных пунктов. Расчетные параметры были использованы для оценки полученных результатов зондирования. Описаны особенности пространственно-временной привязки результатов измерений в режимах ориентации ИСК и ОСК. В приближении сферической формы Земли влияние малых колебаний с^ направления оптической оси лидара на изменение наклонной дальности при вертикальном и наклонном зондировании оценивалось из следующего соотношения:

dD{=

sin у

[(Д3+Я)/Дэ]со»т ^

cosp - —- Lfy; р(у) = arcsm tgY

-siny -у,

где Ri - радиус Земли, Я - высота орбиты.

В подразделе 5.3 приведено описание и технические характеристики первого отечественного космического лидара "Балкан" и его сравнение с лидарами LITE и ALISSA. Представлены результаты выполненных космических экспериментов по зондированию облачных полей и подстилающей поверхности в двух режимах полетной ориентации

станции "Мир" - на теневой и освещенной стороне Земли. Отмечены особенности полученных результатов. В течение четырех суток подряд в марте-апреле 1996 г. над пустынной территорией Австралии (на ночной стороне Земли) фиксировались облачные поля с верхней границей облачности 6-12 км. Такие же облака наблюдались в середине марта над акваторией южной части Тихого океана.

200 100 о

-100 -200 ■ -300 • -400 ■ -500

Д0,м

1« /

' 1 ' ^ ' й 1 6 ' 10' !г' 14' >' й' аЬл1

ДДм

400

300

100

Д, град

1.50

1.М-1,2005.03.96 ,;10.

1,00-

-31.03.96 -30.03.96

0' -100-200-

10 20 30 40 50 60 N

Рис. 22. Разность измеренных и расчетных значений дальности при дальнометрировании океанической поверхности: а) в режиме ориентации ИСК; б) - в ОСК.

При зондировании океанической поверхности в обоих режимах ориентации станции наблюдалось систематическое расхождение между измеренными и расчетными значениями наклонной дальности, имеющее различный знак, градиент и величину (рис. 22). Проанализированы возможные причины расхождения измеренных и расчетных данных. Главные из них - систематическая погрешность в расчетных баллистических данных и погрешность в привязке направления оптической оси лидара к связанной системе координат орбитальной станции. По данным телеметрической информации от угловых датчиков станции "Мир", проведена оценка колебаний осей ее связанной системы координат и, соответственно, оптической оси лидара во время проведения экспериментов при стабилизации ориентации станции в режиме ОСК. В общем случае в шести сеансах измерений эти колебания не превышали 3-4 угловых минут, хотя наблюдался один резкий "качок" осей станции на угол 0,3°.

В шестом разделе рассмотрены проблемы метрологического обеспечения лидарной техники. В подразделе 6.1. изложена методология юстировки, калибровки и испытания лидаров. Рассмотрены способы юстировки оптических осей приемопередатчика моностатического лидара: с помощью экрана-мишени на дальней трассе, обеспечивающей рассогласование оптичесхих осей приемной и передающей систем не более ±0,1 мрад, и с помощью плоскопараллельной стеклянной пластины в лабораторных условиях, с

б

а

погрешностью не более ±0,025 мрад. Энергетическая калибровка лидара по эталонным сеткам, в сравнении с калибровкой по эталонной мишени, обеспечивает более высокую оперативность и меньшую погрешность за счет одновременного измерения коэффициента ослабления лазерного излучения. Приведена методика для оценки погрешности измерения прозрачности атмосферы наземным лидаром, при сравнительных испытаниях с базовым фотометром па горизонтальных трассах и звездным электрофотометром на наклонных трассах. Для лидарного комплекса Х-94 погрешность измерения прозрачности атмосферы по наклонным и горизонтальным трассам не превышала 30 % в диапазоне 0,5 <Т< 1,0.

В подразделе 6.2 рассмотрены имитаторы оптических сигналов, разработанные для калибровки и поверки оптико-электронных трактов лидаров. Созданный имитатор оптического сигнала со ступенчатой аппроксимацией лидарного сигнала прошел метрологическую аттестацию в Госстандарте СССР и обеспечивает нестабильность закона ступенчатого изменения оптического сигнала ±2,5 % при изменении температуры окружающей среды от минус 10 до + 40 °С. Прибор позволяет программируемо задавать требуемые временные функциональные зависимости изменения выходной мощности, имитируя лидарные сигналы для различных значений коэффициента ослабления а. Разработана методика калибровки ФЭУ с временной регулировкой усиления по квадратичному временному закону в различных условиях работы с помощью имитатора оптических сигналов. Суммарная погрешность определения поправочных коэффициентов на отклонение от квадратичного закона не превышает 10 %. Приведено описание и технические характеристики имитатора оптических сигналов созданного для настройки и проверки лидара "Балкан". Имитатор также обеспечил проведение сквозной проверки лидара на всех этапах испытаний, включая испытания в составе орбитального модуля "Спектр".

В подразделе 6.3 представлена контрольно-поверочная аппаратура лидаров. Дано описание поверочного устройства, созданного для лидара "Светозар-3". Разработанный комплект поверочной аппаратуры поляризационных лидаров обеспечивает проведение выравнивания чувствительности ФЭУ, регистрирующих излучение с ортогональными компонентами поляризации.

Созданный комплект контрольно-поверочной аппаратуры обеспечил выполнение всей программы наземной экспериментальной отработки лидара "Балкан", включая предстартовые испытания лидара. Комплект ЮТА, состоящий из различных пультов и стендов, позволял проверять:

1) параллельность оптических осей приемника и передатчика, угол поля зрения приемного объектива и угол расходимости излучения передатчика с погрешностью ±05";

2) выходную энергию лазерного передатчика и пороговую мощность фотоприемника,

пороговую чувствительность далыюмерного канала лидара;

3) электрические параметры блока регистрации лидарного сигнала, позволяющие метрологически аттестовать АЦП в составе этого блока;

4) команды пульта управления, задающие алгоритм работы блоков лидара, сигналы телеметрического контроля, выдаваемых пультом управления в телеметрическую систему станции, реакцию пульта управления на команды управления от систем станции;

5) реакцию лидара на имитируемые оптические сигналы, позволяющие тестировать весь лидар, контролируя работу дальномерного и лидарного каналов по сигналам, выдаваемым в телеметрическую систему.

Комплексный наземный стенд, созданный на основе части комплекта контрольно-поверочной аппаратуры и технологического макета лидара, позволил экспериментально моделировать работу космического лидара "Балкан" в условиях различных уровней сигналов и помех (оптических и электрических), а также по цепям внешних команд управления и каналам телеметрической информации. Данный стенд также обеспечил отработку технических решений по модернизации блока регистрации лидарных сигналов, для замены в штатном образце космического лидара, с учетом опыта его эксплуатации на борту орбитальной станции "Мир".

В заключении представлены основные результаты и выводы.

1. Предложен графоаналитический метод оценки динамического диапазона лидарных сигналов при. зондировании атмосферы и оценено влияние внешних фоновых излучений, дробовых шумов сигнала и внутренних шумов лидара, ограничивающих его динамический диапазон снизу. Ограничение лидарного сигнала сверху обусловлено: 1) в приемной системе - виньетированием потока излучения простраиствениым фильтром, 2) в ФЭУ и усилителе -насыщением большим уровнем входного сигнала.

2. Для моностатических лидаров в приближении геометрической оптики проведен анализ временного процесса формирования в зафокальном пространстве приемного объектива изображения, создаваемого удаляющимся лазерным импульсом в рассеивающей среде. Получены соотношения, определяющие траекторию перемещения и размеры пятна изображения. Показано, что теневая зона лидара образуется за счет полного виньетирования полевой диафрагмой потока однократнорассеянного излучения из ближних слоев атмосферы. Передний фронт лидарного сигнала формируется в переходной зоне при уменьшении степени виньетирования.

3. Коэффициент передачи приемной системы, обусловленный виньетированием потока обратнорассеянного излучения, в зависимости от дальности до рассеивающего объема, характеризуется функцией геометрического фактора лидара. Разработана

инженерная методика расчета этой функции, и получены соотношения для определения границ интервала ее действия для всего класса моностатических лидаров. Оценено влияние разъюстировок оптических осей приемопередатчика лидара на эту функцию и определены предельно допустимые значения углов разъюстировок.

4. Предложены критерии оценки и проведен сравнительный анализ пространственных фильтров лидарной системы, которые определяют величину потока излучения, проходящего через него. Впервые предложен и использован в лидарах ряд новых полевых диафрагм с согласованным и оптимальным профилем, который обеспечивает невиньетируемый прием излучения из заданного интервала дальностей и позволяет повысить отношение сигнал/фон в 4-5 раз. Определены предпочтительные места установки таких диафрагм с целью уменьшения влияния аберраций приемного объектива и увеличения дальности зондирования. Предложены, проанализированы и использованы диафрагмы и растры специальной формы для анализа многократного рассеяния, а также маски, обеспечивающие узкие мгновенные поля зрения при общем широком поле зрения.

5. Предложены и обоснованы принципы классификации методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов, позволившие систематизировать их основные аппаратурные' реализации. Выбрана совокупность количественных критериев оценки эффективности методов, по которым проведен сравнительный анализ, позволивший дать обоснованные рекомендации по применению технических средств,- регулирующих динамику лидарных сигналов.

6. Предложены, исследованы и использованы в лидарах оптические методы ступенчатого регулирования динамического диапазона лидарных сигналов: одноимпульсный - с двумя приеморегистрирующими системами и многоимпульсный - путем смены полевой диафрагмы в одной приемной системе с одновременной сменой ослабляющего светофильтра соответствующей плотности. Применение двухступенчатого регулирования потока обратного рассеяния в приемной системе позволяет увеличить диапазон дальностей зондирования более чем в три раза.

7. Для биаксиального лидара предложены новые пространственные фильтры, компенсирующие обратноквадратичнуто зависимость лидарного сигнала от расстояния: диафрагма со специальным профилем и зеркало с переменным коэффициентом отражения. Предложена новая регулирующая диафрагма, профиль которой на полтора порядка уменьшает динамический диапазон потока излучения, поступающего на фотодетектор, при сохранении интервала зондируемых дальностей. Получены расчетные соотношения для определения параметров этих пространственных фильтров.

8. Предложена схема временной регулировки серийных ФЭУ путем изменения

напряжения на нескольких динодных промежутках и проведен цикл экспериментальных исследований характеристик ФЭУ-84, для которого получено изменение коэффициента умножения на 68 дБ. Применение такого ФЭУ п лидаре позволило увеличить дальность зондирования в слабозамутненных средах до 7 раз. Определены границы применимости ВРУ ФЭУ в условиях сильных фоновых засветок.

9. Предложены критерии оценки лидарных приемных объективов и проведен их сравнительный анализ. В качестве основных критериев выбраны: относительный коэффициент эффективности, определяемый нормированным произведением коэффициента пропускания объектива на его эффективную площадь, и относительный продольный габарит (отношение минимальной длины объектива к его диаметру). По габаритным размерам объективы разбиты на три группы: особо компактные (объектив Манжена, линза Френеля, составной объектив); компактные (объективы Кассегрена и Максутова, асферическая линза) габаритные (объектив Ньютона, сферическая линза, камера Шмидта).

10. Рассмотрена технология сканирования направлением оптической оси самолетного лидара с помощью сканера на основе двух оптических клиньев, вращающихся синфазно или ортофазно. Такой сканер, обеспечивая максимальное отклонение оптической оси лидара до 17°, позволяет осуществлять управляемое движение оптической оси лидара как по образующей конуса, так и в плоскости, расположенной под любым углом к направлению полета. Получены соотношения, определяющие форму траектории и плотность распределения лазерных пятен на поверхности в зависимости от параметров зондирования, сканирования и полета. Полученные результаты применимы для сканеров на основе вращающихся и качающихся зеркал или на основе вращающейся голографической дифракционной решетки и легко экстраполируются на космическое зондирование со сканированием.

11. Рассмотрены основы синтеза передающей и приемной систем поляризационных лидаров, обеспечивающие одновременное (параллельно в нескольких каналах) и последовательное (в одном приемном канале) измерения параметров вектора Стокса для определения элементов матрицы рассеяния зондируемой среды.

12. Предложены и с помощью лидара "Балкан" экспериментально отработаны методологические основы лидарных измерений из космоса, связанные с планированием и расчетным баллистическим обеспечением экспериментов, пространственно-временной привязкой результатов измерений, проведением сопутствующих подспутниковых измерений атмосферы и подстилающей поверхности. Проведен анализ полученных результатов первых экспериментов по космическому лазерному зондированию облачных полей и подстилающей поверхности Земли. Дано объяснение возможных причин расхождения измеренных и

расчетных значений наклонной дальности, а также колебательного характера этой разности.

13. Созданные имитаторы оптического сигнала обеспечивают калибровку ФЭУ с временной регулировкой усиления, а также сквозную калибровку приеморегистрирующего тракта лидара от входной апертуры до процессора. Разработанная контрольно-поверочная аппаратура для самолетных поляризационных ллдаров и космических лидаров позволила провести их ведомственную аттестацию.

14. На базе проведенных экспериментальных и теоретических исследований, при определяющем участии автора, разработан, изготовлен и испытан ряд опытных образцов мобильных лидаров наземного, самолетного и космического базирования, в которых применены технические решения, позволяющие повысить эффективность действия лидаров и увеличить дальность зондирования. Созданные лидары в течение длительного времени применяются для исследования оптико-метеорологических параметров атмосферы, гидросферы и подстилающей поверхности в различных регионах страны.

Список основных работ по теме диссертации

1. Лбрамочкин А.И., Тихомиров A.A. К расчету оптимальных параметров лазерного локатора (лидара) для зондирования атмосферы / Проблемы дистанционного зондирования атмосферы. Томск: ИОА СО АН СССР. 1976. С. 21-32.

2. Тихомиров A.A. К оценке геометрического фактора лидара. / Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы. Томск: ИОА СО АН СССР. 1976. С. 301-304.

3. А. с. СССР № 555720. Регистратор прозрачности атмосферы / Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, A.A. Тихомиров. - Заявл. 21.01.76. № 2316714/10. МКИ G01 W1/00. Без публикации.

4. А. с. СССР № 596069. Устройство для оптического зондирования атмосферы / Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, СЛ. Даничкин, A.A. Тихомиров. Заявл. 07.06.76. № 2369900/1810. МКИ G01 W1/00. Без публикации.

5. А. с. СССР № 607478. Устройство для оптического зондирования атмосферы / Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, С.А. Даничкин, A.A. Тихомиров. Заявл. 28.06.76. № 2376007/1810. МКИ G01 W1/00. Без публикации.

6. Абрамочкин А.И., Бачин Ю.С., Вау.тн П.П., Куте.чев А.Ф., Самохвалов ИВ., Тихомиров A.A. Лазерный локатор для определения прозрачности атмосферы / Измерительные приборы для исследования параметров приземных слоев атмосферы. Томск: ИОА СО АН СССР. 1977. С. 5-16.

7. Ваудин ПЛ., Kymen.ee А.Ф., Тихомиров A.A., Шапиро И.Я. Комплексы аппаратуры для исследования параметров атмосферы/Тезисы докладов V Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. IV. Томск: ИОА СО АН СССР. 1978. С. 8-15.

8. Абрамочкин А.И, Даничкин С.А., Тихомиров A.A. О выборе угла поля зрения и взаимной ориентации осей передатчика и приемника лидара / Тезисы докладов V Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. IV. Томск: ИОА СО АН СССР. 1978. С. 60-62.

9. A.c. СССР № 610037. Способ определения прозрачности атмосферы/Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, Г.О. Задде, A.A. Тихомиров. - Заявл. 22.03.76. № 2335970/18-10. МКИ G01 W1/00. Опубликовано в Б.И. 1978, № 21.

10. А. с. СССР № 676961. Способ оптического зондирования атмосферы/"Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, JIM .Ноте, A.A. Тихомиров. Заявл. 09.11.77. № 2540251/18-10. МКИ G01 W1/00. Опубликовано в Б.И. 1979, № 28.

11. Л. с. СССР Ms 676962. Полевая диафрагма для светолокатора / Авт. изобрет. С.А. Даничкин, A.A. Тихомиров. Заявл. 09.11.77. № 2541515/18-10. МКИ G01 W1/00. Опубликовано в Б.И. 1979, № 28.

12. А. с. СССР N9 687905. Светолокационный дальномер/Авт. изобрет. С.А. Даничкин, A.A. Тихомиров. Заявл. 09.11.77. № 2520776/40-23. МКИ G01 С 3/08. Без публикации.

13. А. с. СССР Ms 689521. Устройство для оптического зондирования атмосферы / Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, A.A. Тихомиров. Заявл. 12.07.77. № 2506493/18-10. МКИ G01 W1/00. Без публикации.

14. Zuev V.E., Kaul B.V., Kutelev A.F., Burkov V.V., Samokhvalov I.V., Tikhomirov A.A., Ushakov G.V. A double frequency polarization lidar LOZA-3/Abstracts 9-th International Laser Radar Conference, Munich, FRG. 1979. P. 46-48.

15. Абрамочкин А.И., Тихомиров A.A. Методы сокращения динамического диапазона лидарных сигналов (обзор)/Аппаратура и методики дистанционного зондирования параметров атмосферы. Новосибирск: Наука. 1980. С. 19-29.

16.Абрамочкин А.И., Кавкянов С.И., Тихомиров A.A. К оценке влияния внешнего фона на регистрацию лидарных данных / Аппаратура и методики дистанционного зондирования параметров атмосферы. Новосибирск: Наука. 1980. С. 29-35.

П. Абрамочкин А.И., Номе П.М., Тихомиров A.A. Некоторые результаты использования регулируемого ФЭУ в приемнике лидара / Аппаратура и методики дистанционного зондирования параметров атмосферы. Новосибирск: Наука. 1980. С. 35-40.

18.Abramochkin А.1., Nolle P.M., Tikhomirov A.A. Photomultiplier with time control of gain/ Proceedings of 9th International. Symposium of the TC-2 on Photon-Dctectors. IMEKO. Hungary. 1980. P. 92-99.

19. Тихомиров A.A. Полевые диафрагмы для сужения динамического диапазона лидарных сигналов / Измерение оптико-метеорологических параметров атмосферы с использованием лазерного излучения. Томск: ИОА СО АН СССР. 1980. С.106-114.

20. Тихомиров A.A. Анализ некоторых полевых диафрагм, сужающих динамический диапазон лидарных сигналов / Тезисы докладов VI Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. II. Томск: ИОА СО АН СССР. 1980. С. 5357.

21. Тихомиров A.A. К оценке дальности зондирования при компенсации квадрата расстояния /Тезисы докладов VI Всесоюзного симпозиума по лазерному зондированию атмосферы. Ч. П. Томск: ИОА СО АН СССР. 1980. С. 58-61.

22. А. с. СССР № 720961. Двухволновой лидар для зондирования атмосферы/Авт.' изобрет. А.И. Абрамочкин, Ю.С. Балин, Б.В. Kay ль, ИВ. Самохвалов, A.A. Тихомиров, Г.В. Ушаков. Заявл. 10.04.78. № 2605078/18-23. МКИ G01 W1/00. Без публикации.

23. А. с. СССР j\b 758310. Фотоприемник с временной регулировкой усиления/Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, П.М. Нолле, A.A. Тихомиров. Заявл. 05.10.77. № 2532146/18-28. МКИ Н01 J40/12. Опубликовано в Б.И. 1980, № 31.

24. А., с. СССР Ms 758891. Регистратор прозрачности атмосферы / Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, A.A. Тихомиров. - Заявл. 04.07.78. № 2640757/18-10; МКИ G01 W1/00. Без публикации.

25. Тихомиров A.A. Классификация и оценочные критерии аппаратурных методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов / Прогноз и контроль оптико-метеорологического состояния атмосферы. Томск: ИОА СО АН СССР. 1982. С. 47-53.

26. Тихомиров A.A. Анализ функциональных методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов / Тезисы докладов VII Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. II. Томск: ИОА СО АН СССР. 1982. С. 169-

27. Тихомиров A.A. Классификация аппаратурных методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов и их оценочные критерии / Тезисы докладов VII Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. II. Томск: ИОА СО АН СССР. 1982. С. 173-176.

28. Илъичевский B.C., Нолле П.М., Тихомиров A.A. Двухканальный фотоприемник с временным регулированием коэффициента усиления / ПТЭ. 1982. № 6. С. 207.

29. Л. с. СССР N° 778531. Устройство для оптического зондирования рассеивающих сред/ Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, A.A. Тихомиров. - Заявл. 26.12.78. № 2702495/18-10. МКИ G01 W1/00. Без публикации.

30. А. с. СССР Ns ¡039351. Лидар для зондирования атмосферы / Авт. изобрет. А.И. Абрамочкин, A.A. Тихомиров, B.C. Шаманаев. Заявл. 17.07.80 №2957609. МКИ G01 W1/00. Без публикации.

31. Тихомиров A.A. Сравнительный анализ методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов / Тезисы докладов VIII Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. II. Томск: ИОА СО АН СССР. 1984. С. 283286.

32. Тихомиров A.A. О динамическом отношении сигнал/шум при регулировании лидарного сигнала /Тезисы докладов VIII Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. II. Томск: ИОА СО АН СССР. 1984. С. 287-290.

33. Zuev V.E., Samokhvalov I.V., Tikhomirov A.A. Methods for reduction of lidar dynamic ranger./ Abstracts of papers 12th International Laser Radar Conference. Aix-en Provence. France. 1984. P. 75-77.

34. А. с. СССР N° 1065743. Устройство для оптического зондирования / Авт. изобрет. С.А. Даничкин, В.Н. Маричев, A.A. Тихомиров. Заявл. 24.11.78. № 2689116/18-25. МКИ G01 N21/01. Опубликовано в Б.И. 1984. № 1.

35. с. СССР Ns 1191866. Полностью закрывающаяся лепестковая диафрагма / Авт. изобрет. В.А. Кошелев, A.A. Тихомиров. Заявл. 13.01.83. № 3540193/24-10. МКИ G03 В9/06. Опубликовано в Б.И. 1985. № 42.

36.Аршинов Ю.Ф., Балин Ю.С., Даничкин С.А., Зуев В.Е., Кутелев А.Ф., Самохвалов КВ., Тихомиров A.A. Наземные стационарные и мобильные комплексы аппаратуры дистанционного зондирования атмосферы / Доклады Болгарско-советского семинара "Лазерные методы и средства измерения и контроля параметров окружающей среды". София: Институт электроники БАН. 1985. С. 83-88.

37. Абрамочкин А.И., Балин Ю.С., Зуев В.Е., Креков Г.М., Кутелев А.Ф., Самохваюв И.В., Тихомиров A.A., Шаманаев B.C. Бортовая аппаратура дистанционного зондирования атмосферы с самолетов/Доклады Болгарско-советского семинара "Лазерные методы и средства измерения и контроля параметров окружающей среды". София: Институт электроники БАН. 1985. С. 88-94.

38. Береснев В.А., Гончаров А.Н., Номикос О.Н., Тихомиров A.A. Программируемый генератор оптического сигнала / ПТЭ. 1987. № 5, С. 249.

39. Тихомиров A.A. Оптические методы сжатия динамического диапазона лидарных сигналов / Труды 9-го Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Часть II. Исследование метеопараметров атмосферы. Томск: ТФ СО АН СССР. 1987. С. 248-253.

40. Абрамочкин А.И., Занин В.В., Пеннер И.Э., Тихомиров A.A., Шаманаев B.C. Самолетные поляризационные лидары для исследования атмосферы и гидросферы / Оптика атмосферы. 1988. Т. 1 N 2. С. 92-96.

41. Baiin Yu.S., Burkov V.V., Znamenskii I.V., Zuev VE., Eflmkin V.l., Il'íchevskii V.S., Mel'nikov V.E., Samokhvalov I. V„ Sobolev KA'., Tikhomirov A.A.. Spaceborne aerosol lidar "BALKAN-1" /Abstracts of papers 15th International Laser Radar Conference. Tomsk. 1990. Part I. P. 12-14.

42. Знаменский И.В., Тихомиров A.A. Оптимизация и расчет параметров лазерного высотомера при некогерентном приеме /Оптика атмосферы. 1990. Т. 3. N 5. С. 552-557.

43. Барышников В.Ф., Земляновский Л.Д., Ивакип Ю.А., Перовский В.Л., Телеганов A.A., Тихомиров A.A., Черепанов Л.П., Шапиро И.Я. Автоматизированная мобильная станция диагностики промышленного загрязнения атмосферы "Эколид" / Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. N2. С. 177-181.

A4. Baiin Yu.S., Mel'nikov V.E., Tikhomirov A.A., Znamensky I.V., Samoilova S.V., Zuev V.E. Spaceborne aerosol lidar "BALKAN-1" / Proceedings of SPIE, Europto series "Lidar Techniques for Remote Sensing " 1994. V.2310. P. 144-151.

45. Matvienko G.G., Zuev V.E., Shamanaev V.S., Kokhanenko G.P., Sutormin A.M., Buranskii J.I., Belousov S.E., Tikhomirov A.A. Lidar "BALKAN-2" for space platform "ALMAZ-1B" / Proceedings of SPIE, Europto series "Lidar Techniques for Remote Sensing" 1994. V. 2310. P. 161-163.

46. Балин Ю.С., Знаменский КВ., Зуев В.Е., Мельников В.Е, Тихомиров A.A., Самойлова СВ. Российский космический лидар "Балкан-1 "/Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. N 9. С. 1332-1343.

47. Зуев В.Е., Балин Ю.С., Зуев В.В., Матвиенко Г.Г., Тихомиров A.A. Состояние и перспективы развития космических лидаров серии "Балкан" / Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. N 12. С. 1718-1726.

48. Baiin Yu.S., Znamenskii I.V., Mel'nikov V.E., Tikhomirov A.A. Ground Support and Testing Instrumentation Complex for the Russian Spaceborne Lidar/Proceedings of SPIE, Europto series "Lidar Techniques for Remote Sensing II" 1995. V. 2581. P. 121-127.

49. Балин Ю.С., Знаменский КВ., Мельников В.Е., Тихомиров A.A. Комплекс наземной контрольно-поверочной аппаратуры для российского космического лидара "Балкан-1"/ Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. N 3. С. 359-366.

50.Baiin Yu.S., Samoilova S.V. Tikhomirov A.A. Preliminary Results of Sounding Clouds and Underlying Surface Obtained with a Spaceborne Lidar "Balkan"/Proceedings of SPIE, Europto series "Lidar Techniques for Remote Sensing III" 1996. V. 2956. P. 8-18.

51 .Балин Ю.С., Тихомиров A.A. Аэрозольные мобильные лидары серии "ЛОЗА" / Региональный мониторинг атмосферы. Ч. 2. Новые приборы и методики измерений. Томск: Изд-во СО РАН. 1997. С. 16-34.

52. Тихомиров A.A., Шаманаев B.C. Самолетные поляризационные лидары / Региональный мониторинг атмосферы. Ч. 2. Новые приборы и методики измерений. Томск: Изд-во СО РАН. 1997. С. 58-78.

53. Балин Ю.С., Тихомиров A.A. Лидар космического базирования "Балкан" /Региональный мониторинг атмосферы. Ч. 2. Новые приборы и методики измерений. Томск: Изд-во СО РАН. 1997. С. 78-111.

54. Балин Ю. С., Тихомиров A.A., Самойлова С.В. Предварительные результаты зондирования облаков и подстилающей поверхности Земли лидаром "Балкан" / Оптика атмосферы и океана 1997. Т. 10. N3. С. 333-352.

55. Кабанов М.В., Тихомиров A.A. Конструкторско-технологическое обеспечение фундаментальных исследований по атмосферной оптике: Итоги деятельности КТИ "Оптика" СО РАН за 25 лет /Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. N 4-5. С. 382-402.

56. Зуев В.Е., Балин Ю.С., Матвиенко Г.Г., Тихомиров A.A., Шаманаев B.C. Лидарные исследования облачных полей и подстилающей поверхности из космоса / Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. N 4-5. С. 485-499.

51.Зуев В.Е., Балин Ю.С., Тихомиров A.A., Знаменский КВ., Мельников В.Е. Лазерное зондирование Земли из космоса. I. Российский лидар космического базирования БАЛКАН /KocMÍ4Ha наука i технологи. 1997. Т. 3. N 1-2. С. 16-25.

51. Балин Ю.С., Тихомиров A.A. Лазерное зондирование Земли из космоса. II. Методологические основы лидарных измерений с борта орбитальной станции/Косм1чна