В зв'язку зі зростаючим впливом антропогенних факторів на навколишнє середовище до першочергових загальнолюдських проблем відноситься задача підтримання в допустимих межах рівнів полютантів. Розвязання цієї задачі як в окремих регіонах, так і в масштабах всієї планети базується на створенні мережі контрольних станцій. Найперспективнішими засобами контролю за станом природного середовища є засоби, які використовують дистанційні методи та апаратуру із застосуванням лазерів, бо забезпечують можливість отримання оперативної інформації з високою просторово-часовою роздільністю. Зокрема, використання лазерних засобів дозволяє визначати параметри атмосферних складових, які дистанційно в принципі не можуть бути виміряні іншими методами [1, 2].

Лідарні системи забезпечуть достатню точність вимірювання концентрацій полютантів (на рівні ГДК), дозволяють здійснювати оперативне зондування біосфери без внесення потужних деструктивних впливів на неї, а в автоматичному режимі роботи можуть вирішувати задачі збирання, обробки, накопичення, систематизації та документації величезних масивів інформації. В той же час лідарні комплекси вимагають розробки і створення високочастотних вимірювальних перетворювачів оптичної інформації з мінімальними похибками, сучасного апаратурного і програмного забезпечення, оптимального узгодження складових частин.

Одним з найактуальніших питань проведення КР-лідарної діагностики є оптимізація довжини хвилі зондуючого лазера. Це питання було розглянуте в роботі [3]

Наступною актуальною задачою є вибір методу обробки і реєстрації оптичних відеосигналів фотоелектронною системою (ФЕС). Тут серйозні труднощі реєстрації обумовлені особливостями вимірювань в оптичній локації, пов?язаних зі складністю структури оптично прозорих систем і величезним діапазоном вимірюваних інтенсивностей сигналу зворотного розсіювання (до 160 дБ). При наявності значних світлових завад засоби вимірювання оптичних сигналів зворотного розсіювання повинні забезпечувати реєстрацію форми однократних аналогових сигналів у струмовому режимі фотодетектування, амплітудно-часові параметри стохастичних імпульсних потоків в багатофотонному режимі та лічильно-часові характеристики в однофотонному режимі. Це обумовлює необхідність роботи фотоприймального блока в режимі адаптивного підсилення корисного сигналу.

Прийняття рішення про наявність чи відсутність сигналу, виділення корисного сигналу на фоні зовнішних і внутрішніх шумів і вимірювання його параметрів є основною задачою. Всебічний аналіз різноманітних методів електронної обробки гранично слабких світлових сигналів (з сильними сигналами особливих проблем не виникає) показав, що при імпульсному збудженні спектрів КР найефективнішими є системи, які дозволяють здійснювати підрахунок фотонів в режимі стробування сигналу (ПФС) і синхронного накопичення заряду (СНЗ) фотоелектронних імпульсів ФЕП. При цьому критерієм їх якості є статистичне співвідношення сигнал/шум (q), яке однозначно визначає ймовірність виявлення сигналу (F_виявл) і точність вимірювання його величини ( %). Для кожного з вказаних методів мають місце такі співвідношення:

(1)

    (2)

    (3)

             (4)

де - середня інтенсивність шумових () і сигнальних () імпульсів на виході ФЕП; - часове розділення фотоелектронної системи реєстрації приймального каналу, обумовлене скінченністю її смуги пропускання ,  - час накопиченя сигналу, де  - тривалість строб-імпульсу, - частота повторення зондуючих лазерних імпульсів, t- час відліку;  -відносна середньоквадратична флуктуація амплітуд одноелектронних імпульсів ФЕП;  = 0,68; 0,95; 0,999 при  = 1; 1,96; 3,29, відповідно.

Із співвідношення  і  видно, що при  чутливість і точність ПФС на фактор 1,5?2 краще, ніж СНЗ. Однак, при збільшенні іинтенсивності сигналів  в методі ПФС погіршується із-за втрати частини імпульсів і при  СНЗ забезпечує більш високу точність вимірювання сигналів. Оскільки при роботі КР-лідара приходиться мати діло з суттєвим концентраційним розкидом полютантів (~10⁸), доцільне використання обох схем (ПФС і СНЗ), оскільки це дозволяє працювати в оптимальному режимі в широкому діапазоні інтенсивностей смуг КР в реальній атмосфері.

При проведенні КР-лідарної дігностики атмосфери необхідно враховувати спектральну яскравість фонових засвіток ; селективне ослаблення випромінювання атмосферою  ( - коефіцієнт спектральної екстинкції, Z - довжина траси); спектральний квантовий вихід фотокатоду ФЕП ; рівень потужності лазера на робочій довжині хвилі. На сьогодні накопичені досить надійні дані про спектральні залежності величин , ,  в області довжин хвиль, більших 250 нм. Із загальних міркувань область довжин хвиль 250?320 нм є найперспективнішою для роботи КР-лідара в приземному шарі атмосфери, оскільки на довжинах хвиль збудуючого випромінювання , менших 250 нм, помітно збільшується екстинкція атмосфери із-за поглиння киснем, а при  нм рівень фонових засвіток різко збільшує шуми в приймальній системі в денний час. Тому застосування в лідарі зондуючого випромінювання  лазерів ультрафіолетового діапазону є найперспективнішим, оскільки крім фонового виграшу в цьому діапазоні суттєво підвищується чувстливість КР-лідара в результаті передрезонансного підсилення сигналу КР, зокрема для основних забруднювачів атмосфери (SO₂, NO₂, NO, H₂S, NH₃ і ароматичних вуглеводнів), електронні смуги поглинання яких лежать в ближній УФ області спектру.

При конструюванні ФЕС методами ФПС і СНЗ з синхронним стробуванням за далекістю і глибиною зондуючого об?єму, енергетично більш ефективні лазери з максимальним значенням величини

,

де  - енергія лазера в імпульсі, - частота повторення імпульсів,  - коефіцієнт передавання антени.

Вибір фотоприиймачів, призначених для роботи в одноелектронному режимі: слід відбирати ФЕП з високим ; великим середнім значенням пуассонівського амплітудного розподілу (великий коефіцієнт підсилення і мала стала часу); високим амплітудним розділенням (мале ) і низьким рівнем термоемісії (). Таким чином, параметром, що визначає якість ФЕП, є величина

.

В наших експериментах встановлено, що зниження живлення на ділянці останній динод-анод до 12,5 В сприяє покращенню динамічного діапазону ФЕП-71, а оптимальна смуга пропускання його анодного кола дорівнювала 200 МГц і коефіцієнт підсилення більше 700.

Оптимізація ФЕC базується на її вхідних парамертах: тривалість, амплітуда і частота надходження імпульсів з ФЕП-приймального і ФЕП-синхронізації і вихідних - чутливість, швидкодія, смуга пропускання, пороги дискримінації імпульсів, сталі часу зарядно-розрядних кіл накопичувальних пристроїв і т.п., згідно традиційним в статистичній радіотехніці методикам і пуассонівському характеру розподілу амплітуд і часу надходження однолектронних імпульсів з ФЕП. Специфікою розрахунку ФЕС КР-лідара є визначення тривалості строб-імпульсу (Т_c), який визначає оптимальну глибину зондуючого об?єму атмосфери - . Збільшення тривалості строб-імпульсу призводить до одночасного збільшення сигналу і шуму, однак, внаслідок ослаблення випромінювання атмосферою сигнал зростає нелінійно. Тому, для кожної віддалі (Z₀), що зондується, і конкретної прозорості атмосфери глибина зондуючого об?єму повинна бути оптимізована на максимум параметра . При прийманні сигналів  і рівняння (1) набуває вигляду

 

,               (5)

де                s (6)

Таким чином, знаючи далекість і параметри атмосфери, за екстинкцією можна визначити оптимальне значення Т_с. Зокрема, при дистанції 5 км, середній видимості для міських умов DZ~20 м. В нашому лідарі частота повторення синхроімпульсів 50 с^-1, при часі накопичення 5 хвилин. Підкреслимо, що оскільки виміри за допомогою КР-лідара ведуться шляхом усереднення сигналів за великою кількістю лазерних спалахів, то, в силу центральної граничної теореми, для випромінювання багатомодових твердотільних лазерів слід задаватися гауссівським кутовим розподілом сили світла. Це дозволяє розрахувати потужність світлового потоку, що надходить до приймальної антени лідара, і оптимізувати узгодження всіх оптичних блоків лідара.

Наступний важливий параметр - це роздільна здатність лідара за далекістю. Досягнення максимальної роздільної здатності лідара за далекістю в першу чергу залежить від часу адаптації приймального пристрою t_ад=t_а+t_к, де t_а - час аналізу амплітуди вхідного сигналу системою керування для вибору канала підсилення (струмовий, багатофотонний, однофотонний); t_к - час перемикання схеми комутації. Величини t_а і t_к визначаються швидкодією системи керування і комутації. Звичайно t_а значно більше t_к, тому можна вважати, що t_ад»t_а.Таким чином, величина t_ад визначає нижню межу просторової роздільної здатності як фотоприймального пристрою, так і всього лідара, при цьому відносна похибка вимірювань d»t_ад/t_д, де t_д - час дискретизації вимірювань. Отже, d»t_а/t_д, тобто підвищення роздільної здатності по далекості фотоприймального пристрою можливе, головним чином, за рахунок зменшення t_а.

Один із варіантів скорочення t_а., розроблений нами, зводиться до наступного. Аналіз вхідного сигналу і розробка алгоритму вимірювань здійснюється під час пробного вимірювання (від перших 2?5 зондуючих оптичних імпульсів лазера) і фіксується часовими мітками в оперативний запам?ятовуючий пристрій (ОЗП), дані з якого поступають в ЕОМ для визначення експозиції вимірювань лідарного комплекса.

Під час пробного вимірювання здійснюється лише аналіз величини вхідного сигналу системою керування і виробляється керуючий код, який записується в визначену даним моментом часу комірку ОЗП. Завдяки записаному в ОЗП алгоритму вимірювання, вдається вилучити процес анализу вхідного сигналу, використовуючи готові керуючі коди, в результаті цього зменшується значення часу адаптації t_ад, так як t_а.»0 і t_ад=t_к. Для такої схеми ФЕС можна отримати значно більше значення просторової роздільної здатності при фіксованому значенні d. Так, для ЕСЛ-елементів (К500РУ470, К500ТМ131), які використовуються, типові величини часу t_к »10 нс., що забезпечує значення d порядку 5-6% при просторовій роздільній здатності лідарного комплекса ~50 м.

Для отримання інформації про стан траси від кожного зондуючого імпульсу лазера використовують аналого-динамічні запам?ятовуючі пристрої рециркулярного типу з фазоімпульсним поданням інформації [4, 5], які зберігають взаємні координати (положення в часі) стохастичних імпульсів. Такі системи дозволяють реалізувати наносекундне розділення з динамічною буферизацією отримуваної інформації. Визначальним параметром якості аналого-динамічного запам?товуючого пристрою, який характеризує ступінь руйнування інформації на кожному періоді Т рециркуляції і, отже, допустимий час її збереження з заданою похибкою, є нестабільність Т. Звичайно, існують методи в тій чи іншій мірі стабілізуючі період Т [6], але принципово цей недолік усунути неможливо. Тому ми пішли шляхом оперативного запам?ятовування інформації вздовж траси зондування з наступним опитуванням відповідних комірок пам?яті, що заповнюються до заданого рівня (заздалегідь заданою експозицією, яка визначається кількістю лазерних посилок зондування).

Блок-схема розробленого нами лідарного комплекса зображена на рис.

Рис. Блок-схема електронної частини лідарного комплекса.

1 - фотоприймальний блок, 2- компаратор, 3 і 4 - швидкодіючі лічильники, 5 і 6 - швидкодіюча буферна пам?ять, 7 - мультиплексор, 8 - блок формування початкової затримки сигналу, що стробується, 9 - блок формування часових воріт керування лічльниками, 10 - ЕОМ, 11 - дисплей, 12 - принтер.

 

Вимірювальний блок з адаптивною чутливістю має вхід, що стробується, тобто є можливість подавати запираючу напругу на відповідні диноди ФЕП. Мінімальний час стробування t_стр=50 нс, а максимальний - 500 нс. На час t_стр  ФЕП відкритий, а решту часу знаходиться в запертому стані. Таким чином здійснюється запобігання перевантаження приймального тракту від засвіток ближньої зони, а також, при необхідності, фіксування області зондування на заданій відстані по трасі, що підвищує співвідношення сигнал/шум при багаторазових посилках зондування.

Схема работи системи така: сигнали з фотоприймального блока поступають на підсилювач зі смугою пропускання не гірше 200 МГц, з якого сигнали поступають на компаратор, що дозволяє позбавитись імпульсних завад, і далі на входи лічильників, робота яких розділена в часі за принципом - якщо лічильник 3 рахує, то з лічильника 4 дані зчитуються і, навпаки, якщо лічильник 4 рахує, то дані зчитуються з лічильника 3. Застосування такого режиму роботи лічильників дозволяє здійснювати отримання інформації за один зондуючий імпульс вздовж всієї досліджуваної траси. З лічильників кодований сигнал записується в проміжний швидкодіючий запам?ятовуючий пристрій, що дозволяє для обробки інформації використовувати ЕОМ навіть з невисокою швидкодією.

При випромінюванні зондуючого імпульсу лазера лідара частина оптичного сигналу надходить до блоку формування строб-імпульсу 8 і запускає формувач початкової затримки 9, який визначає за допомогою кодового перемикача початкову дистанцію роботи лідара вздовж траси. Заднім фронтом імпульсу початкової затримки запускається генератор блока формування часових воріт лічильників 3, 4. Таким чином, вихідний сигнал являє собою послідовність імпульсів, яка дає дозвіл на рахування (роботу) кожному з лічильників, причому кожний з них працює навперемінно (потактно). Кількість тактів керування лічильниками визначається ємністю пам?яті проміжнього ОЗП і експозицією приймального сигналу.

Потактовий режим дозволяє зчитувати інформацію послідовно без втрат зразу по всій трасі. Після закінчення накопичення інформації з буферного ОЗП лідара вона пересилається в ОЗП ЕОМ, де проводиться її обробка у відповідності з програмою. Якщо експозиція виявиться недостатньою, то після закінчення перезапису даних з ОЗП лічильників в пам?ять ЕОМ проводиться повторний запуск вимірювань. Експозиція вимірювання визначається аналізом даних, записаних в ОЗП адаптивного приймального пристрою під час пробних вимірювань.

Таким чином, розвинута методика дозволила провести оптимізацію лідара практично за всіма параметрами.

 

Література.

1. Бобович Я.С. Новое в дистанционной спектроскопии комбинационного рассеяния. Квантовая электроника, 1979, №11. С.2293-2317.

2. Коротков П.А. Состояние и перспективы КР-лидарной диагностики Квантовая электроника, 1992, вып.43. С.99-111.

3. Коротков П.А., Марчевський Ф.Н. Оптимізація частоти збуджуючого випромінювання для КР-лідарної діагностики. //Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки, 1998, вип. 3. -С322-326.

4. Малевич И.А. Методы и электронные системы анализа оптических процессов. -Минск: Изд-во Белорусского ун-та, 1981. -384с.

5. Малевич И.А., Дьяков В.А., Иванов К.К. Многофункциональный анализатор кратковременных флуктуаций интервалов времени периодических, квазипериодических и случайных потоков сигналов. //Приборы и техника эксперимента, 1981, №4. -С.283.

6. Мелешко Е.А. Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике. -М.: Атомиздат, 1977. -191с.

П.А.Коротков, А.И. Писанский
Киевский университет имени Тараса Шевченко,
Украина252601, г.Киев - 33, ГСП, ул. Владимирская 64,
тел.(380)-44-266-05-70,
e-mail - spr@boy.rpd.univ.kiev.ua
fax - (380)-44-266-10-7

OPTIMIZATION OF PARAMETERS OF RAMAN-LIDARS FOR MONITORING THE ENVIRONMENT