Статья опубликована в №105 (май) 2022
Разделы: Оптика, Техника
Размещена 29.05.2022. Последняя правка: 24.06.2022.
Просмотров - 751

Исследование накопления оптического сигнала в силитометрии

Жирков Евгений Андреевич

Бакалавр

Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина

Магистрант

Научный руководитель: Андреев Владимир Григорьевич, доктор технических наук, профессор, доцент, Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина

УДК 621.37 

Введение. Устройства и системы лазерной дальнометрии находят своё применение во многих прикладных областях науки. В частности, они используются для измерения нижней границы облачности (силитометрии) [1-3]. Информация о том, на какой высоте находится гидрометеор, позволяет пилоту, попавшему в облачную завесу, получить априорные сведения о том, когда его летательный аппарат (ЛА) покинет зону плохой видимости, что актуально во время посадки.

Научная новизна. Выработаны рекомендации по выбору числа накоплений для борьбы с шумами при заданной точности измерений высоты нижней границы облачности (НГО).

Цели, задачи, материалы и методы. Цель данной работы заключается в разработке методики повышения точности измерения дальности до объекта наблюдения. В частности, исследование эффекта накопления сигнала для повышения отношения сигнал-шум.
Известно [4], что прохождение света через поглощающую среду сопровождается уменьшением его интенсивности. Данное свойство необходимо учитывать при лазерной локации. По закону Бугера – Ламберта – Бера ослабление оптического излучения с увеличением расстояния от источника света описывается выражением [5]:

I(λ) = I₀(λ) exp(−kx),

где I(λ) — интенсивность света [Вт/кв.м], λ — длина волны [м], I₀ — начальная интенсивность света [Вт/кв.м], k — коэффициент ослабления [1/м], x — расстояние [м].

Принцип определения расстояния в силитометрах (приборах для измерения нижней границы облачности) такой же, как и в радиодальномерах — по задержке отражённого от цели зондирующего импульса относительно момента его излучения [1]. В проведённых экспериментах по измерению высоты гидрометеора в качестве источника излучения использовался инфракрасный (ИК) лазер, работающий в импульсном режиме с частотой повторения зондирующих импульсов 100 Гц на длине волны λ=1020 нм. Данный лазерный луч не слепит пилотов ЛА, если мощность излучения не слишком велика (не более 0,5 Вт для лазеров класса опасности 3B [6]).

Лазерный импульс бьёт вертикально вверх в гидрометеор. Попадая на границу разделения двух оптических сред, часть излучения рассеивается, а часть — отражается обратно вниз и попадает на вход фотоприёмника, чувствительного в данном ИК-диапазоне длин электромагнитных волн. Прошедшее сквозь облако излучение может отражаться многократно, если гидрометеор имеет сложную неоднородную структуру. Подобные устройства, предназначенные для измерения нижней границы облачности, называют силитометрами [1]. Общая структурная схема их приёмной части изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Структурная схема оптического приёмника

 

На рисунке 1 введены следующие условные обозначения: ФД – фотодиод, БУ – буферный усилитель (с большим входным сопротивлением), основной усилительный каскад, с выхода которого на измеритель поступает напряжение U_вых.

Отражённое от гидрометеора и попавшее на фотоприёмник  лазерное излучение преобразуется в электрический сигнал U_вых. Поскольку существует зависимость напряжения U_вых на выходе фотоприёмника от интенсивности отражённого лазерного излучения, то по характеру этой зависимости можно судить о высоте гидрометеора и его структуре. Полученные дискретные отсчёты значения напряжения U_вых оцифровываются и подвергаются обработке. Пример зависимости U_вых(t) мгновенной амплитуды U_вых сигнала с выхода фотоприёмника от времени t приведён на рисунке 2.

Рисунок 2 — Зависимость выходного сигнала от времени

 

На рисунке 2 обозначены: областью 1 — временной строб, отсекающий отражения от близко расположенных объектов (местников); сплошной линией 2 — осцилограмма незашумлённого сигнала; штриховой линией 3 — реализация смеси сигнала и шума; сплошной линией 4 — выход накопителя; штриховая вертикальная черта 5 — измеренный фронт сигнала (отражения от нижней кромки облачности); штриховая вертикальная черта 6 — истинный фронт сигнала; штриховая горизонтальная черта 7 — порог для выявления фронта смеси сигнала и шума; штриховая горизонтальная черта 8 — порог для выявления фронта незушумлённого сигнала.

При обработке сигнала U_вых(t) удаляется сигнал отражений от местников — объектов, расположенных близ лазерного локатора (рисунок 2, сигналы, находящиеся внутри области 1 при t=0…42 ). Далее следует пороговая обработка для выявления временно́го положения фронта отражённого импульса. По числу насчитанных дискретов времени [7] определяется дальность до границ облака. Однако в реальности имеют место флуктуации сигнала, порождённые множеством различных факторов, которые являются причиной ложного обнаружения фронта сигнала и, как следствие, неточного определения расстояния до цели (величина одного дискрета дальности ΔR = 0,83 м). Поэтому для уменьшения погрешности определения фронта импульса в экспериментальной установке в качестве зондирующего сигнала использован не одиночный импульс, а пачка импульсов.

Использование целой серии зондирований необходимо для борьбы с шумами путём накопления сигнала [1, 4, 7], заключающемся в суммировании мгновенных значений амплитуд напряжений на выходе фотодетектора. Это позволяет повысить отношение сигнал-шум (ОСШ), представляющее собой отношение мощности сигнала к дисперсии шума на выходе фотоприёмника. Таким образом, ОСШ на выходе накопителя равно отношению мощности сигнала к мощности шума на выходе фотоприёмника [7, 8]:

q_вых = K_нак P_s / P_n,

где q_вых — ОСШ на выходе накопителя; K_нак — коэффициент накопления, зависящий от количества N импульсов в пачке (число накоплений сигнала); P_s — пропорциональная квадрату выходного напряжения U_вых мощность сигнала на входе накопителя; U_вых — напряжение на выходе фотоприёмника. Если разме; P_n — мощность (дисперсия) шума.

Представление меняющегося во времени напряжения U_вых(t) в цифровом виде позволяет моделировать различные ситуации. В данном эксперименте исследовалось влияние дисперсии шума D и числа накоплений сигнала N на точность измерения дальности до гидрометеора. На рисунке 3 приведены зависимости ОСШ q_вых на выходе накопителя от дисперсии шума D, изменяющейся в пределах от 100 до 1000. При этом в качестве зондирующего сигнала использовалась пачка из N=10, 100 и 1000 импульсов соответственно.

Рисунок 3 — Зависимости ОСШ от дисперсии шума

 

На рисунке 3 обозначены: пунктирными линиями — эмпирические зависимости, сплошными линиями — зависимости, рассчитанные аналитически. Характер экспериментальных кривых полностью удовлетворяет теоретическому прогнозу, что подтверждает тот факт, что накопление сигнала способствует увеличению ОСШ на выходе устройства обработки [7], и как следствие повышает точность определения дальности до цели (нижней границы облачности).

Заключение. Результаты, выводы. Показанный метод борьбы с шумами, основанный на накоплении сигнала, позволяет увеличить точность измерения дальности, не прибегая к сложным математическим расчетам и вычислительным затратам.

Использование устройств и систем лазерной дальномерии возможно не только для решения задач силитометрии, но и для экологического контроля состояния атмосферы. Различные газовые смеси изменяют молекулярный состав воздуха, что непременно сказывается на его оптических свойствах. Комбинационное рассеяние света на мельчайших частичках среды сопровождается заметным изменением частоты излучения. Этот эффект лёг в основу такого перспективного направления науки, как Рамановская спектроскопия.

1. Лазерные измерительные системы / А.С. Батраков, М.М. Бутусов, Г.П. Гречко и др. М.: Радио и связь, 1981. 456 с.
2. Мусьяков М.П, Миценко И.Д., Ванеев Г.Г. Проблемы ближней лазерной локации: Уч. пособие. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 295 с.
3. Волохатюк В.А. Вопросы оптической локации. Под ред. Р.Р. Красовского. М.: Сов. Радио, 1971. 256 c.
4. Сигналы и помехи в лазерной локации / В.М. Орлов, И.В. Самохвалов, Г.М. Креков и др.; Под ред. В.Е. Зуева. М.: Радио и связь, 1985. 256 с.
5. Ландсберг Г.С. Оптика: учебное пособие для вузов: 6-е изд. стереот. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 848 с.
6. Судебные и нормативные акты РФ : [сайт] URL: https://sudact.ru/law/postanovlenie-glavnogo-gosudarstvennogo-sanitarnogo-vracha-rf-ot_1138/prilozhenie/viii/8.4/
7. Лазерные приборы и методы измерения дальности: учеб. пособие / В.Б. Бокшанский, Д.А. Бондаренко, М.В. Вязовых, И.В. Животовский, А.А. Сахаров, В.П. Семенков; под ред. В.Е. Карасика. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — 92 с.
8. Статистическая теория радиотехнических систем: учеб. пособие / Д.И. Попов; Рязан. гос. радиотехн. ун-т. – Рязань, 2014. – 56 с.

Рецензии:

21.06.2022, 13:26 Федорова Айталина Федоровна
Рецензия: Название и аннотация работы соответствует их содержанию. Приведенные литературные ссылки отражают содержание рукописи. Вместе с тем, имеется одно замечание. В разделе Цели, задачи, материалы и методы, к сожалению, не представлена цель работы. После исправления данного замечания, статья может быть рекомендована к опубликованию.

24.06.2022, 0:41 Голубев Владимир Константинович
Рецензия: В работе проведены исследования влияния накопления отражённых световых сигналов на точность измерений высоты облачности. Рассматривается ситуация, когда лазерный импульс бьёт вертикально вверх в гидрометеор, а отраженная часть фиксируется расположенным внизу фотоприемником. Рассмотрение всех материалов статьи указывает на то, что ее название может быть ориентировочно сформулировано как "исследования влияния накопления отражённых световых сигналов на точность измерений высоты облачности". В то же время используемое название, связанное с системами, устройствами и летательными аппаратами, имеет к содержанию статьи весьма косвенное отношение. Из технических погрешностей можно отметить ссылку на формулу (1), тогда как формулы в статье, хотя их только две, не пронумерованы. В целом же используемый в работе метод борьбы с шумами интересен в научном и практическом плане. Представленная научно-техническая работа является актуальной, но требует уточнения ее названия и цели. После этого, по мнению рецензента, она может быть рекомендована для опубликования в журнале Sci-article.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий