Реферат: Влияние среды распространения на точностные характеристики оптических измерительных систем - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Влияние среды распространения на точностные характеристики оптических измерительных систем

Банк рефератов / Технологии

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Microsoft Word, 2040 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

Московский Государственный Авиационный Институт кафедра 407 Реферат на тему " Влияние среды распространения на точностные характеристики оптических измерительных систем ” Написал : студент гр . 04-501 Лебедев А. Г. Проверил : Петрухин Г. Д. Москва 1996 9 Рисунок A Схема облучения слоя атмосферы Дальность лазерной локации. Дальность действия лазерного локатора в условиях земной атмосферы ограни чивается особенностями распространения оптических сигналов ( зондирующих и отраженных ) на трассе локации . Обычно атмосфера ( особенно тропосфера ) имеет локально неоднородную структуру ( пыль , тепловые флуктуации ее параметров , загрязнения воздуха и т. п .), что привод ит к поглощению и рассеянию , т. е. к ослаблению лазерного излучения при его распространении . В отлич и е от РЛС Радиолокационная станция при работе ЛЛС Лазерная локационная система в атмосфере поле на оси пучка первичного лазерного излучения при достаточно большом удалении от передатчика лазерного локатора почти полностью определяется рассеянной компонентой излучения . Кроме того , наличие неоднородностей среды вызывает значительную пространственную диффузию энергии лазерного излучения в направлении от оси излучения : лазерный пучок по мере удаления от источника излучения расплывается в пространстве . Это приводит к дополни тельному ослаблению лазерного излучения на оси пучка , что , в свою очередь , обусловливает дополнительное уменьшение дальности действия , а также угловой точности и разрешающей способности лазерного локатор а. Д ля приближенных расчетов оптические среды , в которых распространяется поток монохроматического ( лазерного ) излучения , считают однородными ( изотропными ). При этом зависимость ослабления от длины волны излучения в среде может иметь как селективный , так и не селективный характер . Рассмотрим о с новные закономерности ослабления лазерного излучения в оптической среде . Пусть пучок параллельных лучей монохроматического потока излучения на длине волны входит в слой однородной среды толщиной ( протяженностью ) l ( рисунок a ) . Предполагая , что частицы среды ослабляют поток излучения независимо друг от друга , можно представ и ть изменение ( уменьшение ) его величины при прохождении слоя среды толщиной dl соотношением Формула A где — коэффициент ослабления потока монохроматического излучения , зависящий в обще м случае от свойств среды и дл и ны волны , км -1 ; dl — толщина элементарного слоя среды , км. При интегрировании формула a по l для случая однородной оптической среды получим известное выражение закона Бугера : Формула B где l — поток монохроматического излучения на выходе слоя среды. На основании формула b можно записать выражение закона Бугера через интенсивность излучени я : Формула C где J 0 , J l — интенсивности монохроматического излучения до и после прохож дения слоя среды , Вт / стерад. Рисунок B Зависимость спектрального коэффициента пропускания чист ой атмосферы от длины волны Спектральный коэффициент прозрачности среды протяженностью 1 км ( удельное пропускание ) Произведение называют оптической толщиной слоя среды , а экспоненциальный множитель в выражении формула c — спектральным коэффициентом пропускания ( прозрачности ) оптической среды . Зависимость T a = f ( ) для атмосферы имеет селективный характер ( рисунок b ). Таким образом , выражение формула c принимает следующий вид : Рассмотрим основные факторы , определяющие величину ослабления ( затухания ) лазерного излучения в атмосфере Земли . Такими факторами являются селективное молекулярное поглощение и рассеяние , а также селек тивное рассеяние на частицах ( аэрозолях ). Как известно , атмосфера Земли представляет собой оптическую среду , состоящую из смеси газов и водяного пара со взвешенными в ней посторонними твердыми и жидкими частицами — аэрозолями ( капельки воды , появляющиеся п ри конденсации водяного пара , пылинки , частицы дыма и т . п .), размер которых колеблется от 5- 10 -6 до 5 -10 -3 см . Азот (78%) и кислород (21 %) являются основными постоянными компонентам и приземного слоя атмосферы . На долю других газов ( углекислый газ , водород , озон , аргон , ксенон и др .) приходится менее одного процента объема . На опти ческие свойства ( прозрачность ) атмосферы в основном влияют вода в газовой и жидкой фазах , углекислый газ , озон , а также аэрозоли . Содержание их в атмосфере Земли различно на разных высотах , в разных географических районах и зависит от метеорологических усл овий . Кроме того , состав атмосферы непрерывно меняется из- за турбулентности , т . е . хаотических вихревых движений слоев атмосферы . Концентрация водяного пара в атмосфере зависит от географ и ческого положения района , времени года , высоты слоя атмосферы , местных метеоусловий и колеблется по объему от 0,001 до 4%. Основное количество водяного пара сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое и резко уменьшается с дальнейшим увеличением высоты. Концентра ция СО 2 при увеличении высоты от 0 до 25 км меняется незначительно : от 0,03 до 0,05% по объему . Концентрация же озона по высотам неравномерна . Основная его часть находится в слоях атмосферы на высоте 15 — 40 км с максимумом конц ентрации на высоте до 25 — 30 км ( более 0,001%); в нижних слоях атмосферы ( высота до 20 — 25 км ) концентрация озона не превосходит 10 -5 %. Оксид углерода имеет полосу поглощения на длине волны 47 мкм ; озон — слабую полосу поглощения при 4 мкм и сильную на длинах волн 4,5 и 7,8 мкм. Ослабление излучения в атмосфере обусловлено не только его поглощением , но и рассеянием . Вследствие оптической неоднородности атмосферы возникают преломление , отражение и диф ракция электромагнитных колебаний на этих неоднородностях . Если размеры частиц , взвешенных в атмосфере , малы по сравнению с длиной волны колебаний , то происходит молекулярное рассеяние , которое подчиняется закону Релея. Соглас но этому закону интенсивность рассеяния излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени . Молекулярное рассеяние значительно в видимой и инфракрасной областях спектра . Ослабление излучения в результате релеевского рассеяния может быть во много раз больше , чем молекулярное поглощение . При размерах частиц , соизмеримых с длиной волны излучения , наблюдается дифракционное рассеяние . Этот в и д рассеяния являе тся несимметричным : вперед рассеивается больше энергии излучения , чем назад . Если размеры частиц много больше длины волны , то происходит геометрическое рассеяние , которое проявляется главным образом в инфракрасно й области спек тра оптических излучений . В реальной атмосфере имеют место все три вида рассеяния , поскольку в ней присутствуют частицы почти всех указанных размеров . Наибольшее рассеяние лучистых потоков наблюдается на небольших высотах ( до 1000 м ) в городах , где дым промышленных предприятий и пыль сильно замутняют атмосферу. Селективный характер поглощения и рассеяния лазерного излучения атмосферой обусловливает наличие в ней “ окон прозрачности ” , которые наиболе е выражены в диапазонах волн 0,38 — 0,9 и 9 — 13 мкм. С увеличением высоты слоя атмосферы ширина этих “ окон ” увеличивается . Излучению рубинового лазера ( = 0,6943 мкм ) соо тветствует “ окно прозрачности ” 0,6932 — 0,6945 мкм при п = 0,0023 — 0,0069 км -1 ; p = 1,19 — 0,29 км -1 , где п и p — коэффициенты ослабления потока монохроматического излучения атмосферо й за счет поглощения и рассеяния , км -1 . Следовательно , ослабление лазерного излучения за счет рассеяния примерно на два порядка больше , чем за счет поглощения , что в основном справедливо и для других “ окон прозрачности ” атмосф еры в оптическом диапазоне волн . Поэтому для “ окон прозрачности ” атмосферы справедливы приближенные равенства : p и Т а e - p . Заметим , что закон Бугера ( формула c ) справедлив при 15 — 20 км -1 . Например , при = 25 км -1 отклонение от этого закона составляет примерно 30 %. Очевидно , что в случае активной локации имеет место двукратное прохождение трассы , т . е . общая длина пути , половину которого проходит прямое лазерное излучение ЛЛС, а вторую половину — отраженное от цели лазерное излучение , определяется как L = 2 1 = 2R. При этом мощность оптического сигнала на входе приемника ЛЛС прямо пропорциональна квадрату спектрального коэффициента одностороннего пропускания атмосферы : где Р 20 — мощность отраженного оптического сигнала на входе приемника ЛЛС при ее работе в свобод ном пространстве. Следовательно , в интервале малых дальностей ( R R г ), т . е . при работе по точечной цели , дальность действия ЛЛС в атмосфере Формула F -7 формула d -7 свидетельствуют о том , что ослабление мощности лазерного зонди рующего и отраженного оптических с и гналов атмосферой привод и т к уменьшению отношения сигнал / шум на входе приемника ЛЛС ; это , в свою очередь , снижает дальность лазерно го обнаружения цели. На практике для определения коэффициента Т а при работе в “ окнах прозрачности ” атмосферы пользуются эмпирической формулой Таблица A Состояние атмосферы ( видимость ) Балл по коду Удельное пропускание y , км -1 Метеороло гическая дальность видимости R М , км Туман : очень сильный сильный заметный слабый 0 1 2 3 Менее 10 -34 10 -34 — 10 -8,5 10 -8,5 — 10 -3,4 10 -3,4 — 2· 10 -2 Менее 0,05 0,05 — 0,2 0,2 — 0,5 0,5 — 1 Дымка : очень сильная сильная заметная слабая 4 5 6 7 0,02 — 0,14 0,14 — 0,38 0,38 — 0,68 0,68 — 0,82 1 — 2 2 — 4 4 — 10 10 — 20 Хорошая видимость Отличная видимость 8 9 0,82 — 0,92 0,92 и более 20 — 50 50 и более Рисунок C где lp — толщина рассеивающего слоя атмосферы ; = p / p 0 ( Для видимого диапазона волн 1); 0 = 0,5 мкм. Метеорологическая дальность видимости ( м. д. в .) где V min = 0,02 — пороговая контрастная чувст вительность глаза наблюдателя ; о = 0,5 мкм. Под м . д . в . R м принято понимать предельную дальность видимости темных предметов с угловым размером 0,5° стандартным наб людателем (V min = 0,02) в дневное время на фоне неба . Для определения R M можно использовать таблица a . Графики зависимости коэффициента п олного ослабления лазерного излучения в атмосфере от метеорологической дальности в идимости пр и разл и чных значениях длины волны излучен и я = f ( R M ) для различных приведены на рисунок c . Лазерные измерительные с истемы . Высокие потенциальные возможности ЛИС лазерная измерительная система , обусловленные прежде всего высокими точностными характеристиками , в значительной степени ограничиваются условиями распространения световых волн в реальных материальных средах, в частности в атмосфере ( рисунок d ) . Рисунок D Классификация возмущающих полей атмосферы , эффекты и х 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 де сятки 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 врем енных 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 неодноро дностях различного масштаба . Внутренний l о и внешний L о масштабы турбулентных неоднородностей составляют примерно 1 мм и 1 ...100 м , а время жизни неоднородностей , соизмеримых с l о , достигает единиц миллисекунд . Наиболее сильно влияние атмосферы проявляетс я 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 особен ностей распространения световых волн , которые обеспечивают оптический контакт с ИСЗ Искусственный спутник Земли в пределах пространства над горизонтом наблюдателя . Если к этому добавить малую продолжительность сеанса измерений из- за высокой скорости пер емещения 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 адаптаци ю 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 индивидуа льных 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 при знаками 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 значительно й 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 , диэлектр ическая 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 иска жения 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 фу нкционирования 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 ). Техническ ие 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 предде текторной 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 коге рентные 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. Наибольшее распространение в измерительных системах получили методы адаптации , которые предполагают управление фазовым фронтом излучаемой волны с целью максимизации мощности лазерного излучения , распространяющегося через турбулентную среду , в плоскости исследуемого объекта . Когерен тные адаптивные оптические системы с управлением волновым фронтом излучаемого поля получили название систем СОАТ ( от английских слов Coherent Optical Adaptive Techniques) . Рисунок E Фазовый фронт оп тической волны до и после прохождения турбулентной среды Адаптивные методы компенсации с управляющим воздействием на волновой фронт излучаемого поля о сновываются на свойствах линейности , взаимности и квазистационарности атмосферы . Для выполнения условия квазистационарности необходимо , чтобы временной отклик адаптивной системы и время распространения сигнала не превышали времени “ замороженности ” турбулен тной среды , которое составляет 10 -3 ...10 -2 с . Принципы адаптивной компенсации фазовых искажений волнового фронта можно проиллюстрировать с помощью рисунок e , где в плоскости а- а изображен фронт зондирующей волны до входа в слу чайно- неоднородную среду , а в плоскости б- б — искаженный фазовый фронт после прохождения турбулентного участка среды . Если теперь измерить распределение фаз в плоскости б- б, сформировать фазосопряженный принятому фронт волны и излучить его с помощью аперту ры , расположенной в плоскости б - б, то в плоскости а- а благодаря взаимности атмосферы будет принята плоская волна . Информацию о турбулентных искажениях волнового фронта в плоскости б- б можно получить и с помощью косвенных измерений , например , путем анализа интенсивности излученного сигнала в плоскости а- а Существенное влияние на точность измерения дальности оказывают условия распространения излучения , связанные с влиянием регулярных неоднородностей тропосферы . Групповой показатель преломления в атмосфере мож ет быть рассчитан с относительной погрешностью порядка 10 -8 , если известны длина волны , давление , температура и влажность . Для учета условий распространения используют модель слоистой атмосферы с постоянным групповым показателем n в каждом слое . Первое при ближение получают , используя параметры стандартной атмосферы . В этом случае ошибка измерения дальности вследствие отличия реальной атмосферы от стандартной не превышает 2... 3 м . Анализ погрешностей измерения дальности показывает , что при одиночном измерен ии среднеквадратическая погрешность 5 ... 10 м может быть обеспечена типовой структурной схемой лазерного дальномера , если лазерный источник излучения позволяет получить на заданном расстоянии отношение сигнал- помеха около 10. Такую типовую структурную схе му имеют дальномеры тактического назначения. Для прецизионных лазерных дальномерных систем среднеквадратическая погрешность может быть снижена до единиц сантиметров . Это достигается повышением точности прогноза условий распространения излучения , применение м методов статистической обработки серии измерений , совершенствованием аппаратуры. Для формирования модели атмосферы , более близкой к реальной , используют данные наземных и радиозондовых измерений давления , температуры и влажности . Еще более точная модель может быть получена по данным нескольких метеостанций , образующих сетку в районе размещения ОЛС Оптическая локационная система . Эти меры позволяют довести атмосферную среднеквадратическую погрешность до единиц сантиметров при малых зенитных углах . Погре шность снижается до 0,5 см при работе в зенит. Повышение временн у го разрешения счетчика дальности до 0,1 нс , достигнутое в настоящее время , обеспечивает погрешность цифрового измерителя дальности менее 1 см. Технически наиболее сложной является проблема ум еньшения погрешностей , обусловленных неопределенностью структуры поля на выходе лазера и флуктуациями интенсивности при отражении . Рассмотрим детальнее погрешности измерения , обусловленные этими причинами , и пути их уменьшения. В типовой структуре дальноме ра моментом прихода отраженного импульса считается момент срабатывания порогового устройства , когда отношение правдоподобия достигнет порогового значения . Измеренный таким образом временной интервал не является оценкой максимального правдоподобия . Имеет ме сто некоторая систематическая погрешность , значение которой зависит от уровня отраженного сигнала . Флуктуации интенсивности в импульсе вызывают появление случайной ошибки , которая ограничивает точность всей системы. Первой причиной возникновения флуктуаций являет ся неупорядоченное изменение модового состава излуче ния лазера в течение импульса и от импульса к импуль су . Фактически поле на выходе лазера и у объекта явля ется неопределенным . Вторая причина — интерференция излучения отраженного различными уча стками объекта ( в частности , несколькими уголковыми отражателями по ИСЗ ). В результате поле в раскрыве приемной антенны имеет зернистую структуру (specle). Третья причина флуктуаций - статистический характер потока фотоэлектронов . Расчеты показывают , что п ри большом количестве фотоэлектронов флуктуации сигнала на выходе фотоприемника невелики . С уменьшением числа фотоэлектронов флуктуации сильно возрастают. Кардинальным методом повышения точности является уменьшение длительности импульса . В частности , при д лительности импульса менее 1 нс ошибка , обусловленная наличием помех и флуктуациями отраженного импульса , при одиночном измерении не будет превышать 10 см. Использование статистических методов обработки серии измерений позволяет обеспечить дальнейшее повыш ение точности измерения. В качестве итога проведенного анализа отметим , что такие меры , как применение центрированного приема , укорочение длительности зондирующего импульса непосредственно отражаются на структуре приемной и передающей частей ОЛС . Повышение точности считывания временного интервала связано со структурными изменениями в блоке дальности . Более точный учет условий распространения излучения в импульсных системах обычно не отражается на структуре системы , а влияет лишь на процесс вторичной обработ ки данных. Рассмотренные методы повышения точности не исключают , конечно , такого фактора , как увеличение энергетического потенциала ОЛС , который обеспечивается рациональным выбором типа и режима лазерного источника излучения. Список литературы : 1. “ Лазе рные измерительные системы ” Батраков А. С ., Бутусов М. М . и др . под ред . Лукьянова Д. П . - Радио и связь , 1981 2. “ Основы проектирования лазерных локационных систем ” Малашин М. С ., Каминский Р. П ., Борисов Ю. Б . - Высшая школа , 1983
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
В рейтинге самых продажных профессий проститутки остаются лишь на четвертом месте.
Уверенно лидируют журналисты, политики и адвокаты.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru