НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o034.pdf (1309.07Кб)

УДК 551.501

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

На сегодняшний день в разрабатываемых и новых созданных лазерных систем (локации, дальнометрии, высотометрии и т.п.) используют (для обеспечения безопасности зрения) инфракрасный (>1,4 мкм) диапазон. В тоже время интерес представляет и ультрафиолетовый диапазон. При этом наиболее перспективной здесь является длина волны 0,355 мкм (третья гармоника лазера на ИАГ:Nd ), так как поглощение атмосферным озоном еще невелико (в спектральном диапазоне 0,25 – 0,38 мкм поглощение озоном увеличивается с уменьшением длины волны).
В данной работе проводится анализ эффективности использования безопасных для зрения лазерных длин волн 0,355 и 1,54 мкм в УФ и ближней ИК спектральных областей для задачи дистанционного зондирования атмосферы с точки зрения отношения сигнал-шум.
Оценка отношения сигнал-шум для задачи дистанционного зондирования приземного слоя атмосферы на безопасных для зрения лазерных длин волн 0,355 и 1,54 мкм в УФ и ближней ИК спектральных областей проводится при регистрации излучения как фотоэлектронными умножителями, так и лавинными фотодиодами (с наилучшими для соответствующих длин волн 0,355 и 1,54 мкм характеристиками чувствительности).
Представлены результаты расчетов отношения сигнал-шум в зависимости от расстояния «лидар - рассеивающий объем атмосферы» в нескольких случаях: при учете всех шумов; при учете всех шумов, но без дробового шума, вызванного самим сигналом; при учете всех шумов, но без дробового шума, вызванного фоновым (из-за рассеяния солнечного света на атмосферном аэрозоле) излучением; при учете всех шумов, но без учета темнового тока фотодетектора; при учете всех шумов, но без учета теплового шума (шума Джонсона), связанного с эквивалентным сопротивлением нагрузки выходной цепи.
Показано, что на небольших расстояниях «лидар - рассеивающий объем атмосферы» основной составляющей шума является дробовой шум, вызванный самим сигналом.
На длине волны 0,355 мкм для лавинного фотодиода отношение сигнал-шум несколько лучше, чем для фотоэлектронного умножителя (из-за несколько лучшей спектральной чувствительности на длине волны 0,355 мкм).
На длине волны 1,54 мкм результаты расчетов показывают уже существенное (почти на порядок) преимущество лавинного фотодиода в значении сигнал-шум.
В целом видно заметное преимущество в значении сигнал-шум для длины волны зондирования 0,355 мкм. Причем, это преимущество увеличивается с увеличения расстояния «лидар - рассеивающий объем атмосферы» и при расстоянии 4 км значение сигнал-шум на длине волны зондирования 0,355 мкм в два раза больше значения сигнал-шум на длине волны 1,54 мкм.

1. Pal S., Behrendt A., Radlach M., Schaberl T., Wulfmeyer V. Eye-safe scanning aerosol lidar at 355 nm. Режим доступа:https://www.researchgate.net/publication/271842779_Conference_Pal_et_al_ILRC_2006 (дата обращения 20.06.2016).
2. Разенков И.А. Аэрозольный лидар для непрерывных атмосферных наблюдений // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26, № 1. С. 52-63.
3. Козинцев В.И., Белов М.Л., Орлов В.М., Городничев В.А., Стрелков Б.В. Основы импульсной лазерной локации. М.: Изд-во МГТУ, 2010. 572 с.
4. ГОСТ 31581-2012. Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий. Введен 01.01.2015. М.: Стандартинформ, 2013. 20 с.
5. Иванов С.Е., Филимонов П.А., Белов М.Л., Федотов Ю.В., Городничев В.А. Сравнительный анализ дальности зондирования для различных вариантов аэрозольного лидара // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 1. С. 114-128. DOI: 10.7463/0115.0754084
6. Иванов С.Е., Филимонов П.А., Белов М.Л., Городничев В.А., Михайловская М.Б.Сравнительный анализ дальности зондирования ветрового корреляционного лидара в УФ, видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 2. С. 220-232. DOI: 10.7463/0214.0696580
7. Белов М.Л., Городничев В.А., Кравцов Д.А., Черпакова А.А. Выбор безопасных для зрения длин волн излучения в УФ и ближнем ИК спектральных диапазонах для задач дистанционного зондирования // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 2. С. 105-122. DOI: 10.7463/0216.0832497
8. Measures R.M. Laser remote sensing. Fundamentals and applications. Krieger Publishing Company. Malabar. Florida. 1992. 510 р.
9. Photosensor modules H10720/H10721 series. Hamamatsu: веб-сайт. Режим доступа:http://www.hamamatsu.com/eu/en/product/alpha/C/3044/H10721-210/index.html (дата обращения 20.06.2016).
10. Si APD S8664 series. Hamamatsu: веб-сайт. Режим доступа:http://www.hamamatsu.com/eu/en/product/category/3100/4003/4110/S8664-02K/index.html (дата обращения 20.06.2016).
11. Nir-photomultiplier tubes and their applications. Hamamatsu: веб-сайт. Режим доступа:http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/etd/NIR-PMT_APPLI_TPMO1040E.pdf (дата обращения 20.06.2016).
12. InGaAs APD G8931-20. Hamamatsu: веб-сайт. Режим доступа:http://www.hamamatsu.com/us/en/product/category/3100/4003/4111/G8931-20/index.html (дата обращения 20.06.2016).
13. Козинцев В.И., Белов М.Л., Городничев В.А., Стрелков Б.В. Расчет яркости фона и ослабления лазерного излучения в ультрафиолетовой области спектра. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 66 с.