Влияние среды распространения на точностные характеристики оптических измерительных систем

| Категория реферата: Рефераты по технологии
| Теги реферата: особенности реферата, отзыв на дипломную работу
| Добавил(а) на сайт: Кира.

Таблица 1

|Состояние |Балл по |Удельное |Метеорологиче|
|атмосферы |коду |пропускание |ская |
|(видимость) | |(y(, км-1 |дальность |
| | | |видимости RМ,|
| | | |км |
|Туман: | | | |
|очень сильный |0 |Менее 10-34 |Менее 0,05 |
|сильный |1 |10-34—10-8,5 |0,05—0,2 |
|заметный |2 |10-8,5—10-3,4 |0,2—0,5 |
|слабый |3 |10-3,4—2·10-2 |0,5—1 |
|Дымка: | | | |
|очень сильная |4 |0,02—0,14 |1—2 |
|сильная |5 |0,14—0,38 |2—4 |
|заметная |6 |0,38—0,68 |4—10 |
|слабая |7 |0,68—0,82 |10—20 |
|Хорошая | | | |
|видимость |8 |0,82—0,92 |20—50 |
|Отличная | | | |
|видимость |9 |0,92 и более |50 и более |

[pic]

Рисунок 3

где lp — толщина рассеивающего слоя атмосферы; ((=(p(/(p(0 (Для видимого диапазона волн (((1); (0=0,5 мкм.

Метеорологическая дальность видимости (м. д. в.)

[pic]

где Vmin=0,02 — пороговая контрастная чувствительность глаза наблюдателя; (о=0,5 мкм.

Под м. д. в. Rм принято понимать предельную дальность видимости темных предметов с угловым размером 0,5° стандартным наблюдателем (Vmin=0,02) в дневное время на фоне неба. Для определения RM можно использовать Таблица
1.

Графики зависимости коэффициента полного ослабления лазерного излучения в атмосфере от метеорологической дальности видимости при различных значениях длины волны излучения ((=f(RM) для различных ( приведены на Рисунок 3.

Лазерные измерительные системы. Высокие потенциальные возможности ЛИС[3], обусловленные прежде всего высокими точностными характеристиками, в значительной степени ограничиваются условиями распространения световых волн в реальных материальных средах, в частности в атмосфере (Рисунок 4).

[pic]

Рисунок 4

Классификация возмущающих полей атмосферы, эффекты их взаимодействия с когерентными оптическими полями и характер возникающих при этом помех.

Наибольшее влияние на оптический измерительный канал оказывает экранирующее действие облачных неоднородностей, которые характеризуются коэффициентами ослабления в десятки и сотни децибел на километр и значительными пространственными и временными масштабами. Внутренний пространственный масштаб — размер облаков и облачных образований колеблется от 10 м до 10 км, а внешний, характеризующий размер поля, достигает сотен и даже тысяч километров. Время жизни полей облачных неоднородностей составляет от нескольких часов до нескольких суток, а отдельных облачных образований — от десятков до сотен минут. Значительно меньшими величинами ослабления, а также пространственных и временных масштабов характеризуются аэрозольные поля.

В условиях прозрачной атмосферы, когда облачные и аэрозольные поля отсутствуют, определяющим становится влияние мультипликативных помех, обусловленных рассеянием оптического сигнала на турбулентных неоднородностях различного масштаба. Внутренний lо и внешний Lо масштабы турбулентных неоднородностей составляют примерно 1 мм и 1 ...100 м, а время жизни неоднородностей, соизмеримых с lо, достигает единиц миллисекунд.

Наиболее сильно влияние атмосферы проявляется в протяженных оптических каналах, например, космос — Земля и Земля — космос, которые используются для траекторных и астрономических измерений, локации Луны, решения калибровочных и юстировочных задач. Использование ЛИС в этих каналах требует учета особенностей распространения световых волн, которые обеспечивают оптический контакт с ИСЗ[4] в пределах пространства над горизонтом наблюдателя. Если к этому добавить малую продолжительность сеанса измерений из-за высокой скорости перемещения ИСЗ и низкую точность измерений из одного пункта, то вполне естественным окажется использование совокупности ЛИС, рассредоточенных на обширной территории и образующих измерительный комплекс.

Таким образом, в отличие от радиотехнических космических измерительных комплексов, в которых выбором диапазона длин волн удается существенно снизить мешающее действие атмосферных образований, эффективность применения
ЛИС в значительной степени определяется как геометрией их расположения и динамикой движения ИСЗ (что сближает их с радиотехническими измерителями), так и статистическими характеристиками полей атмосферы. Эти характеристики играют основную роль при синтезе структуры измерительных комплексов, используемых при локации медленно перемещающихся объектов (Луна, стационарные ИЗО).

В зависимости от масштабов атмосферных неоднородностей и пространственно- временных характеристик их полей проблема повышения эффективности ЛИС должна решаться на разных иерархических уровнях.

Первый уровень предусматривает адаптацию структуры ЛИС к возмущениям атмосферы или целенаправленное изменение возмущений, выбор оптимальных параметров измерительной системы, комплексирование оптических и радиотехнических измерителей. Этот уровень несет в значительной степени отпечаток индивидуальных свойств ЛИС.

Второй уровень, являющийся определяющим, связан с синтезом, пространственно-временной структуры комплекса ЛИС, оптимально согласованной со стохастической структурой облачных полей и динамикой движения ИСЗ.
Комплекс ЛИС обладает всеми признаками больших систем: целенаправленностью и вероятностным характером функционирования, иерархичностью структуры, сложными переплетающимися связями и возможностью адаптации к внешним условиям.

Эффективность применения ЛИС в реальных условиях в значительной степени определяется свойствами тех случайно-неоднородных сред, которые, как правило, разделяют измерительную систему и исследуемый материальный объект.
Примером случайно-неоднородной, или турбулентной, среды является прозрачная атмосфера Земли, диэлектрическая проницаемость которой случайным образом изменяется в пространстве и во времени.

Турбулентные флуктуации показателя преломления существенно ухудшают тактико-технические характеристики ЛИС (дальность действия, точность измерений и др.) как из-за искажения непосредственно измеряемых параметров световой волны (например, угла прихода), так и за счет действия значительной мультипликативной помехи.

Одним из эффективных путей уменьшения возмущающего действия полей турбулентных неоднородностей на качество функционирования ЛИС является применение быстро развивающихся в последние годы адаптивных методов компенсации искажений оптического сигнала. Сущность адаптивных методов заключается в автоматической коррекции амплитуды и фазы поля волны в плоскости передающей (приемной) апертуры лазерной системы на основании данных о турбулентных искажениях оптической волны с целью получения максимальной интенсивности излучения в плоскости исследуемого материального объекта (получения наилучшего изображения объекта).

Технические трудности реализации амплитудно-фазовой коррекции, а также то, что в ряде случаев основные ограничения на работу лазерных систем накладывают фазовые флуктуации, привели к преимущественному развитию методов фазовой компенсации. Впервые возможность преддетекторной компенсации атмосферных искажений волнового фронта в астрономических телескопах рассмотрел в 1953 г. Бэбкок. В начале 70-х годов с созданием широкополосных устройств управления волновым фронтом оптических полей
(активной оптики) были созданы когерентные оптические системы с адаптацией к атмосферным искажениям сигнала. В ЛИС эти методы целесообразно использовать в системах с гетеродинными приемниками или с дифракционно- ограниченными приемниками прямого фотодетектирования.