Направления модернизации лидарной установки
В предыдущем посте (см. энергетический расчет аэрозольного лидара) было получено, что максимальная дальность работы существующего лидара, при МДВ равной 6 км, составило около 8 км. Данный лидар пригоден для зондирования самого нижнего слоя атмосферы – тропосферы, но граница этого слоя проходит на расстоянии 10 километров. Попробуем, изменив ряд характеристик лидара, добиться того, чтобы дальность работы увеличилась до 10 км.

В дальнейшем расчете пронаблюдаем, как будет изменяться дальность работы:
• при варьировании мощности импульса лазера;
• при изменении размеров полевой диафрагмы принимающей оптической системы;
• при уменьшении полосы пропускания светофильтра и выберем оптимальный вариант модернизации.

Также, так как для многоволнового зондирования необходимо использовать две длины волны, модернизируем существующую систему под вторую длину волны (1064 нм), на которой может работать уже установленный лазер.

Зависимость дальности работы лидара от мощности зондирующего излучения

Воспользуемся лидарным уравнением (1) и построим зависимости принимаемого сигнала от расстояния при различных мощностях импульса зондирующего излучения (рисунок 1)

Красная линия – 100 мДж, синий пунктир – 200 мДж, зеленый пунктир – 300 мДж, фиолетовый пунктир – 500 мДж, лиловая линия – 700 мДж, коричневый пунктир – 1700 мДж, черный пунктир – пороговая мощность принимаемого сигнала.
Рисунок 1 – Зависимость принимаемой мощности от расстояния при различной энергии импульса.

Как видно из графиков при увеличении энергии импульса, мы можем изменить дальность работы лидарной системы. Но для нашей цели, то есть для максимальной дальности равной 10 километров, нам понадобится лазер с энергией импульса 1700 мДж, что эквивалентно 170 МВт. Уже установленный лазер, на иттрий алюминиевом гранате, может достигать пиковой мощности в 300 мДж (30 МВт). На этой мощности наш сигнал увеличится почти на 700 метров. Из всего вышесказанного, следует, что повышение энергии импульса до возможного максимума уже установленного лазера, имеет смысл, однако предлагать замену лазера на более мощный нецелесообразно, так как выигрышное расстояние несравнимо с затратами на установку нового лазера.

Зависимость дальности работы лидара от размеров полевой диафрагмы принимающей оптической системы
В данный момент, в существующем лидаре, установлен размер полевой диафрагмы – 0.012 м. Посмотрим на сколько сильно будет варьироваться мощность фонового шума, при варьировании этого параметра (рисунок 2)

Рисунок 2 – График зависимости принимаемого фонового излучения от размера полевой диафрагмы

Из графика видно, что изменение размера диафрагмы существенно влияет на принимаемое фоновое излучение. Проведем расчет максимальной дальности при размере диафрагмы равной 0.003 м. Максимальная дальность при таком размере изменилась практически на 200 метров и стала равна около 8150 метров.

Зависимость дальности работы лидара при установке светофильтра с меньшей полосой пропускания длин волн

В данный момент диапазон пропускания волн равен 10 нм (532±5 нм). Рассчитаем изменение дальности при установке фильтра с полосой пропускания 6 нм (532±3 нм).

При расчете получаем, что дальность работы равна 8,019⋅10³ метров. Это на 70 метров больше расстояния, рассчитанного для существующей системы.

Модернизация лидарной установки для длины волны 1064 нм

Постановка задачи
Как уже известно, в рассматриваемом лидаре используется лазер на иттрий алюминиевом гранате. Данный лазер может работать на двух длинах волн: 532 нм и 1064 нм. Рассчитаем максимальную дальность работы лидара, при переходе на длину волны 1064 нм, а также проведем модернизацию приемной оптической системы для данной длины волны.

Выбор приемного оптического устройства
Как видно из характеристик ФЭУ-84, его работа ограничивается длинами волн в диапазоне от 420 нм до 550 нм. Соответственно, для работы лидара на длине волны 1064 нм, необходимо выбрать другой приемник оптического излучения. Оптимальным вариантом для этой задачи будет лавинный фотодиод фирмы HAMAMATSU модель S8890-10.

Основные характеристики лавинного фотодиода S8890-10:
• диапазон принимаемого излучения – от 400 нм до 1100 нм;
• значение темнового тока – А;
• коэффициент превышения шума – 0,3;
• коэффициент умножения – 100.

Также необходимо представить график зависимости фоточувствительности лавинного фотодиода от длины волны излучения (рисунок 3)

Рисунок 3 – график зависимости фоточувствительности лавинного фотодиода от длины волны излучения

Из него можно найти, что чувствительность фотодиода, на длине волны 1064 нм, равна S = 20 А/Вт .

Энергетический расчет лидара на длине волны 1064 нм
Все исходные параметры, кроме рабочей длины волны остаются такими же, как описано в предыдущем посте. В качестве приемника выбираем ЛФД , описанный ранее.

Рассчитаем фоновое излучение, для этого воспользуемся формулами «перечислить номера», при учете, что спектральная освещенность поверхности на уровне моря для длины волны 1064 нм равна E = 600 Вт/(м²⋅мкм).

Мощность фонового излучения равно

P_фон = 5,21⋅10^-7 Вт

Дробовый ток для лавинного фотодиода будет рассчитывать по формуле

l_др = √[2e(I_темн + P_фонS)M²M^xB₁Δf], (1)

где I_темн – темновой ток ЛФД;
S – чувствительность ЛФД;
M – коэффициент умножения;
x – коэффициент превышения шума;
Δf – полоса пропускания частот;
B₁ – коэффициент, связанный с типом проводимости (в нашем случае B₁ = 1).

Используя исходные данные, получаем что I_др = 5,77 ⋅10^-7 А. А пороговый поток Ф_пор = 2,885⋅10^-8 Вт.

Для диаметра полевой диафрагмы равной 0,012 м и длины волны 1064 нм, используя уравнение и значения α и β полученные в разделе 2.6 получаем, что максимальная дальность работы лидара составляет R = 7237 м ≈ 7,2 м.

Комментарии запрещены.