Задание на курсовую работу и методические указания к её выполнению

Блок контроля освоения дисциплины

 

Цель курсовой работы - закрепление знаний полученных студентами при изучении курса "Лазерный дистанционный контроль".

По последней и предпоследней цифре индивидуального шифра студент должен выбрать исходные данные для выполнения курсовой работы.

При выполнении курсовой работы необходимо произвести расчет основных параметров лидара для обнаружения атмосферного загрязнения методом ДПР (дифференциального поглощения с рассеянием). В качестве объекта лазерного зондирования предлагается область атмосферы с характерным размером L_p, содержащая повышенную концентрацию озона О₃.

По спектральному распределению сечения поглощения озона в полосе Шаппюи (Приложение 2) и характеристикам лазерных излучателей, приведенным в табл. 1, необходимо выбрать схему построения лидара, на основании которой выбрать две длины волны зондирующего излучения.

Одна из длин волн зондирующего излучения l₁ должна находиться вблизи максимума спектра поглощения озона, вторая длина волны выбирается так, чтобы сечение поглощения излучения на l₂ было в 2- 3 раза меньше.

Исходя из параметров выбранного лазерного излучателя (табл.1) и требуемых характеристик передающей системы лидара (определяются по табл. 2), произвести габаритный расчет телескопической системы передатчика. По результатам расчета выполнить габаритный эскиз передающего телескопа согласно требованиям ЕСКД на формате А4.

Рассчитать коэффициент пропускания передающей оптической системы для двух выбранных длин волн. Определить дистанцию "мертвой зоны" лидара L _мз.

Составить лидарное уравнение для метода ДПР и решить его для нахождения отношения мощностей сигналов на l₁ и l₂ после прохождения излучением заданной зоны атмосферного загрязнения в случае расположения загрязнения непосредственно за "мертвой зоной" лидара.

Найти максимальную дальность обнаружения лидаром заданной области атмосферного загрязнения. Для этого необходимо определить мощность фонового излучения по заданному значению спектральной яркости фона и параметрам приемной системы лидара (см. табл. 2).

Вычислить минимальную регистрируемую мощность полезного сигнала по заданному отношению сигнал-шум, при котором возможна идентификация полезного сигнала. Для вычислений использовать параметры сигнала, испытывающего большее поглощение.

По полученному значению минимальной мощности сигнала определить максимальную дальность зондирования.

В пояснительной записке к курсовой работе должны быть отражены:

- принцип построения лидара, работающего по методу ДПР;

- функциональная схема лидара;

- габаритный расчет передающего телескопа лидара;

- расчет "мертвой зоны" лидара;

- составление лидарного уравнения и его решение для случая прохождения зондирующим излучением "мертвой зоны" и области атмосферного загрязнения;

- расчет максимальной дальности обнаружения лидаром атмосферного загрязнения.

 

Таблица 1

Тип лазера	Длина волны l, нм	Энергия импульса E, мДж	Расходи-мость 2q, мрад	Длитель-ность импульса t, нс	Диаметр пучка d, мм	Частота следования. f, Гц	КПД h, %	Примечания
ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
ArF			2´5		10´30		0,5
XeCl			1,5´2		20´30
XeF			2´3		10´15		0,8
N2		0,5			Æ3		0,002
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ
Nd:YAG ИЛТИ403			2,5		Æ6,3	12-50	0,6
Nd:YAG ЛТИ-404			2,5		Æ4	1-50	0,1	Воздушное охлаждение
Nd:YAG ЛТИПЧ-7					Æ5	12-100	0,5
Nd:YAG ИЗ-25			2,5 2,5		Æ6,3		0,6
Nd:YAG ЛИО-21			0,9 0,8		2´Æ8		0.9
Nd:YAG Continuum HY -104					Æ6,3		1.2 0.6
Nd:YAG Lambda Physics L 300			0.8 0.8		Æ8		0.8
РУБИН ОГМ-21			2,5		Æ10		0,02
ЛАЗЕРЫНА КРАСИТЕЛЯХ
Глория	370-	15-100	1,5		£15	0,2	10-15
ЛКИ403 родамин 6 G 4 C оксазин	575±15 590±15   620±20	12-20 12-17   4-10	2,0	10-50	Æ5	£50	£15 £10   £8	Накачка лазером на Nd:YAG с l= 532 нм

Таблица 2

 

	ВЫБИРАЕТСЯ ПО ПОСЛЕДНЕЙ ЦИФРЕ ШИФРА
Исходные данные
Размер зоны атмосферного загрязнения L p, м
Концентрация озона, выраженная в ПДК, n максимальная разовая   среднесуточная
Параметры передающей системы
Угловая расходимость излучения 2q L, мрад	0.1	0.15	0.2	0.1	0.15	0.2	0.1	0.15	0.2	0.1
Конструкция телескопа:
Галилея	+		+		+		+		+
Кассегрена		+		+		+		+		+
Параметры приемной системы
Диаметр приемного зеркала D s, мм
Угол поля зрения приемного телескопа 2qs, мрад
Ширина спектра пропускания Dl, нм		0.7	0.5	0.9	0.8	0.5	0.6	1.1	0.7
ВЫБИРАЕТСЯ ПО ПРЕДПОСЛЕДНЕЙ ЦИФРЕ ШИФРА
Условия приема сигнала
Метеорологическая дальность видности RV, км
Спектральная яркость фона M F, Вт*м-2*ср-1*нм-1	8*10-2	6*10-2	8*10-2	1.2*10-2	5*10-2	8*10-2	5*10-2	1.2*10-2	7*10-2	7*10-2
Отношение сигнал/шум ξ	1.1	1.5	1.1	1.2	1.3	1.1	1.4	1.5	1.3	1.2

 

 

Методические указания к выполнению и оформлению курсовой работы

 

Перед началом выполнения курсовой работы необходимо изучить основную и дополнительную литературу, а также воспользоваться конспектом лекций по темам: «Метод дифференциального поглощения с рассеянием», «Излучатели лидаров», «Лидарное уравнение и методы его решения».

Убедитесь, что выбранные вами исходные данные действительно соответствуют вашему варианту.

Для решения курсовой работы может быть рекомендован следующий порядок действий.

I. Выбор схемы излучателя.

Реализация метода дифференциального поглощения предполагает использование лазерного источника (или лазерных источников), обеспечивающих генерацию излучения на двух длинах волн λ₁ и λ₂, одна из которых λ₁ совпадает с одной из линий поглощения детектируемого вещества, в то время, как другая λ₂ не испытывает значительного поглощения. Для повышения помехозащищенности метода и для упрощения обработки и интерпретации полученной при зондировании информации спектральный интервал Δλ=|λ₁-λ₂| должен быть по возможности минимален. Конкретные значения длин волн и величины спектрального интервала определяются конкретным видом спектра поглощения детектируемого вещества. Спектр сечения поглощения озона О₃ представлен в Приложении 2. Спектральные линии зондирующего излучения выбираются из условия, чтобы отношение сечений поглощения отличалось как минимум в 2-3 раза.
Для реализации излучателя ДПР - лидара могут быть предложены две наиболее распространенные схемы. Первая из них представлена на рис. 1 (см. Приложение 1) и представляет собой два лазера. Первый лазер генерирует излучение, часть которого непосредственно используется в качестве зондирующего, другая часть служит для когерентной накачки лазера на красителе. При этом должно выполняться условие попадания этой длины волны в спектр возбуждения выбранного красителя. Следует также учесть правило Стокса: возбуждающее излучение должно иметь меньшую длину волны, чем вызываемая им генерация.
Современная технология получения интерференционных диэлектрических покрытий позволяет обеспечить как деление одного пучка с практически любым соотношением мощностей, так и эффективное сведение двух пучков с разными длинами волн при условии Δλ≥10 нм.
Другим подходом является схема, представленная на рис.2 (Приложение1). В этой схеме один лазер используется для накачки сразу двух перестраиваемых лазеров, обеспечивающих возможность настраивать длины волн зондирующего излучения наиболее оптимальным образом, решая при этом более широкий круг задач.

Каждая из предложенных схем имеет свои преимущества, но не свободна от недостатков.

Первая схема обладает большей простотой, использует только два лазера, что позволяет существенно снизить массу и габариты лидарной системы, а также делает систему более надежной и дешевой. Кроме этого, использование в качестве зондирующего излучение лазера накачки существенно (почти в 2 раза) снижает требования к энергии импульса. Что, в свою очередь, позволяет выбрать излучатель более легкий, компактный, не требующий дополнительных квантовых усилителей (в случае твердотельных лазеров) и дополнительно снизить стоимость системы. С другой стороны, более жесткие требования предъявляются к угловой расходимости излучения, что предполагает применение более сложных конструктивных решений, а также дорогостоящих элементов и материалов. В таких случаях применяются дорогостоящие материалы для изготовления резонаторов (инвар, специальные углепластики, кварц), используются зеркала с переменным по радиусу коэффициентом отражения (гауссовы зеркала), внутрирезонаторные телескопы и т.д.
К недостаткам этой схемы излучателя могут быть отнесены невозможность перестройки одной из длин волн зондирующего излучения и необходимость согласования расходимости излучения и диаметра пучка лазера накачки и перестраиваемого лазера.

При выборе второй схемы требования к расходимости излучения лазера в значительной степени снижены. При этом предъявляются повышенные требования к энергии импульса и пиковой мощности. Наиболее типичные значения эффективности преобразования излучения накачки в генерацию для жидкостных перестраиваемых лазеров на органических красителях приведены в табл.1. Для красителей, внедренных в твердую полимерную матрицу, эффективность генерации снижается в 1,3-1,5 раза.
Особенностью генерационных свойств лазеров на органических красителях является повторение временной формы импульса накачки импульсом генерации. При выборе исходных данных необходимо и для схемы 1 и для схемы 2 принять длительность импульса зондирующего излучения τ равной длительности импульса лазера накачки τ_нак.
Энергия импульса генерации перестраиваемого лазера должна находиться в диапазоне значений, указанном в табл. 1 для соответствующих типов красителей.
Диаметр пучка перестраиваемого лазера и его угловая расходимость в случае выбора схемы 1 приравниваются соответствующим значениям выбранного лазера накачки.
Для схемы 2 значения диаметров пучков обоих лазеров и их угловые расходимости выбираются равными и находятся по табл. 1.
Деление энергии импульса накачки производится таким образом, чтобы импульсные мощности зондирующих пучков были примерно равными (допускается разница в пределах 30%).
После выбора схемы и лазера накачки заполните таблицу с исходными данными:

Параметр	Лазер 1	Лазер 2
Марка лазера
Длина волны, нм
Энергия импульса, Дж
Длительность импульса, нс
Диаметр пучка d п, мм
Полная расходимость 2θ, мрад

II. Габаритный расчет согласующего телескопа.
1. Первоначально необходимо найти кратность согласующего телескопа.
Увеличение диаметра пучка после телескопа в Г^х раз приводит к уменьшению угловой расходимости в то же число раз. Величина Г^х называется кратностью телескопа и равна Г^х= f₂/f₁.
Следовательно, для того чтобы обеспечить требуемую по условиям задания расходимость зондирующего излучения 2θ_L, необходим согласующий телескоп с кратностью Г^х=2θ/2θ _L.
2. Найдем световой диаметр первого оптического элемента телескопа (для телескопа Галилея – линзы, для телескопа Кассегрена – зеркала):
d _1св=(1,2…1,5) d _п
3. Габаритный диаметр первого элемента:
d_{г 1}= d _1св+(1…2) мм
Габаритный диаметр всегда больше светового из-за фасок и необходимости крепления оптических деталей.
Окончательное значение габаритного диаметра первого элемента выбирается ближайшее большее из значений стандартного ряда.
4. Фокусные расстояния.
Для того чтобы оптические поверхности не были слишком крутыми, фокусные расстояния выбирают из соотношения:
f ₁≥2÷2,5 d_{г 1};
f ₂= f ₁ Г^х
5. Нахождение габаритного размера второго элемента
Световой диаметр второго элемента телескопа:
d _св2= Г^х d _1св;
Габаритный диаметр второго элемента телескопа:
d_{г 2}= d _св2+(1÷2) мм
Окончательно за значение габаритного диаметра выбирается ближайшее равное или большее значение из стандартного ряда.
6. Нахождение К _λ – спектрального коэффициента пропускания передающей оптической системы.
Для телескопа Галилея пропускание рассчитывается в предположении отсутствия поглощения материалом линз. В этом случае потери обусловлены остаточным отражением от просветленных поверхностей r _λ.
К _λ= Т ⁴, где Т = 1- r _λ;
Для длин волн видимого диапазона значение остаточного отражения
можно принять равным: r _λ=0,005.
Для телескопа Кассегрена спектральный коэффициент пропускания передающей оптической системы определяется потерями при отражении от зеркал и потерями за счет затенения части апертуры малым зеркалом:
К _λ= r ²(d_{г 2}²- d_{г 1}²)/ d_{г 2}², где r - коэффициент отражения от одной зеркальной поверхности. Для видимого диапазона коэффициент отражения можно принять равным: r = 0,995.

 

III. Расчет мертвой зоны лидара.
Для расчета мертвой зоны лидара необходимо первоначально найти расстояние между главными оптическими осями приемного и передающего телескопов:
h ≥ D_s /2+ d_{г 2}/2+Δ, где Δ – промежуток между телескопами, необходимый для размещения элементов корпусов телескопов и их крепления. Можно принять:
Δ=(20÷50) мм.
Из достаточно простых геометрических построений для случая параллельности главных оптических осей телескопов и считая угол расходимости и апертурный угол приемного телескопа малыми (углы, меньшие 10⁰ для приближенных расчетов считают малыми и для них принимают sin(α)≈ tg(α)≈ α), длина мертвой зоны может быть найдена:
L _мз=2 h /(2θ_s+2θ _L).

 

IV. Лидарное уравнение и его решение.

Для метода ДПР составляются лидарные уравнения для каждой длины волны:
;
;
где:
- - спектральное пропускание оптической системы;
- - начальная импульсная мощность зондирующего сигнала на i-й длине волны;
- - ширина зоны атмосферного загрязнения;
- - площадь приемного телескопа;
- - лидарное отношение;
- - показатель ослабления сигнала за счет аэрозольного рассеяния на i-й длине волны;
- - сечение поглощения озоном излучения на i-й длине волны;
- - концентрация озона;
- - текущее значение дистанции.

V. Нахождение отношения мощности сигналов на дистанции :
.
Подставляя выражения для мощностей принимаемых сигналов получаем:
.
Для нахождения начальной импульсной мощности необходимо энергию зондирующего импульса на соответствующей длине волны разделить на длительность импульса:
;
показатель ослабления аэрозольного рассеяния:

,
где q =0.585R_V^1/3 для метеорологической дальности видности R_V <6 км, и q =1.31 для R_V ≥6 км.
Значения сечения поглощения определяются по графику спектра поглощения озона.

Концентрация озона определяется из соотношения:
N = N _ПДК* n; где n – число превышений предельно допустимой концентрации, определяемое по табл.2.
[м^-3],
где: - число Авогадро; = 6,02×10²³;

- предельно допустимая концентрация озона (0,16 мг/м³ - максимальная разовая и 0,03 мг/м³ - среднесуточная);
M - молярная масса озона.
Дистанция, при которой производится расчет отношения сигналов равна сумме дистанции мертвой зоны и ширины зоны загрязнения:

R = L _мз+ L_P

 

VI. Расчет максимальной дальности зондирования.

 

Для расчета максимальной дальности зондирования выбранным лидаром атмосферного загрязнения необходимо воспользоваться методом последовательных приближений (методом половинного деления):

Минимальная регистрируемая лидаром мощность полезного сигнала определяется чувствительностью приемной аппаратуры, мощностью фонового излучения и отношением сигнал/шум, при котором возможно распознавание полезного сигнала на фоне помех. В настоящей курсовой работе расчет производится в предположении, что чувствительность системы достаточно высока и прием полезного сигнала ограничен исключительно мощностью фонового излучения.

Мощность фонового излучения:

P_F = M_F ×2θ_s×Δλ× А_s;

где M_F - спектральная яркость фона;

2θ_s- угловая апертура приемного телескопа;

Δλ- ширина спектра пропускания приемного канала лидара;

А_s - площадь приемного телескопа А_s =π D_s ²/4.

Минимальная мощность принимаемого излучения может быть найдена через отношение сигнал/шум:

P_min =ξ P_F.

Для определения максимальной дальности зондирования необходимо решить нелинейное уравнение:

,

где - мощность принимаемого полезного сигнала, которую можно представить в более простом виде:

.

В последнем уравнении все величины, не меняющие своего значения в данном расчете, учтены в виде константы

.

В том случае, если аналитическое решение уравнения вызывает трудности, можно применить метод приближенного вычисления.

Для этого необходимо найти такое значение R, для которого будет выполняться условие:

. (1)

Это значение дистанции R и принимается за максимальную дальность зондирования R_max. Для приближенного расчета выберем

В качестве первого приближения дистанции R ₁ можно выбрать значение:

R ₁= (5…10) L _мз.

Для этого значения дистанции производится расчет принимаемой мощности и проверяется условие (1).

Если условие выполняется, расчет прекращается и принимается R_max=R ₁.

В случае, если условие не выполняется, возможны два варианта:

; (2)

или . (3)

При выполнении условия (2) выбирается новое значение дистанции R ₂= R ₁ и повторяется процедура вычислений и сравнения с граничным условием (1).

В том случае, если вновь выпонится условие (2), дистанция на каждом шаге вычислений удваивается до тех пор, пока не выполнится условие (3).

Если на i-м шаге вычисления выполнилось условие (3), то следующее значение дистанции выбирают из условия R_{i +1}= (R_i+R_{i- 1})/2.

При дальнейших вычислениях производят последовательное деление пополам интервалов дистанции, внутри которых находится решение. При выполнении условия (1) вычисления прекращают и в качестве решения используют последнее значение дистанции.

;

По окончании всех вычислений производят оформление пояснительной записки к курсовой работе, в которой представляют все полученные результаты.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1