РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 10, с. 1010-1014
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 528.8.044.6
УВЕЛИЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ЛИДАРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕТАНА НА ОСНОВЕ КВАЗИНЕПРЕРЫВНОГО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2015 г. Г. А. Акимова, В. И. Григорьевский, В. В. Матайбаев, В. П. Садовников, Ю. П. Сырых, Я. А. Тезадов, А. В. Феденев, В. В. Хабаров
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 141190 Фрязино Московской обл., пл. Введенского, 1 E-mail: vig248@ire216.msk.su Поступила в редакцию 27.04.2015 г.
Разработаны способы увеличения потенциала квазинепрерывных лидарных систем контроля метана в атмосфере Земли. Теоретически рассчитано и экспериментально показано, что при использовании оптимизированной обработки сигналов, параллельной работе лазера и рамановских усилителей в квазинепрерывном режиме можно регистрировать концентрации метана, близкие к фоновым на протяженных трассах, вплоть до низких спутниковых орбит.
DOI: 10.7868/S0033849415100022
ВВЕДЕНИЕ
Для зондирования парниковых газов в атмосфере Земли из космоса в настоящее время применяются в основном лидары с импульсными лазерными передатчиками на основе оптических параметрических генераторов света (ПГС) или мощных импульсных лазеров. Для контроля углекислого газа на длине волны ~1.57 мкм существует возможность использования квазинепрерывных мощных коммерческих эрбиевых лазеров и усилителей (со средней мощностью -15...30 Вт). На длине волны ~1.65 мкм (линия поглощения метана) таких усилителей и генераторов нет, кроме источников ПГС. Существуют эрбиевые усилители на длине волны 1.618 мкм, со средней мощностью около 5 Вт, но линия поглощения метана для этой длины волны в ~100 раз слабее, чем для длины волны 1.65 мкм. То есть чувствительность к метану также в ~100 раз ниже. Импульсные передатчики, как правило, обладают пиковой мощностью свыше 50 кВт и длительностью импульсов ~100 нс с частотой повторения импульсов ~25 Гц. Такой режим передатчика, в частности, запланирован для Европейской космической миссии "Merlin" на линии 1.645 мкм [1]. Параметрические
генераторы света имеются на коммерческом рынке, но к недостаткам их следует отнести слишком широкую линию излучения (более 0.1 нм), а также тщательную термостабилизацию как лазера накачки, так и кристалла-преобразователя излучения, что ведет к дополнительным трудностям особенно при исследовании всей линии поглощения газа, которая составляет величину ~0.1 нм.
Цель работы — изучение возможности создания лидара на основе квазинепрерывного маломощного лазера и рамановского оптического усилителя, работающих на низкоорбитальном космическом аппарате.
1. ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА КВАЗИНЕПРЕРЫВНОЙ ЛИДАРНОЙ СИСТЕМЫ
Метод прямого фотодетектирования как основной метод фотоприема заключается в измерении фототока на выходе фотодетектора, вызываемого попаданием на него регистрируемого потока фотонов. Соотношение сигнал/шум в токовом режиме рассчитывается по формуле [2]
S =_pcenkil (М__(1)
N [2e 2A/Fkf (РсЦ/(Йю) + РфП/(Йю) + IJ e) + 4къТ ДГ/R f'
где Рс — мощность принимаемого сигнала, й — по- вая эффективность фотоприемника, Рф — мощ-стоянная Планка, ю — частота света, п — кванто- ность фонового излучения на фотоприемнике,
УВЕЛИЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ЛИДАРА
1т — темновой ток фотоприемника, — полоса частот фотоприемника, ¥ ~ 2 — дополнительный шум-фактор, обусловленный внутренним усилением фотоприемника, кБ — постоянная Больцма-на, Яэ — эквивалентное сопротивление входного усилителя, е — заряд электрона, к1 — внутренний коэффициент усилителя фотоприемника.
В свою очередь:
р — р (2)
с — 1 изл „7 '
Я
Здесь Ризл — излучаемая мощность, попадаемая на Землю, d — диаметр приемного объектива, Я — расстояние от спутника до Земли. Интерпретация формулы (1) проста: стоящая в числителе величина пропорциональна току полезного сигнала, первый, второй и третий члены в знаменателе пропорциональны току дробового шума полезного сигнала, фона и темнового тока, а четвертый член — току теплового сопротивления входного каскада усилителя.
В последнее время значительный прогресс наметился в области производства эффективных лавинных фотодиодов (ЛФД): уменьшаются их тем-новые токи, увеличиваются площади фоточувствительных площадок. Например, у ЛФД серии IAG с размером чувствительной площадки 200 мкм типичные темновые токи 8 наноампер, коэффициент внутреннего усиления к1 ~ 20, а квантовая
1011
эффективность ~ 0.75. Оценим для такого фотодиода величину шумовых составляющих, стоящих в знаменателе формулы (1), величину сигнала и величину отношения сигнал/шум (S/N) для низких спутниковых орбит ~450 км в полосе частот 0.1 Гц, d ~ 1 м2, Ри ~ 30 Вт (все величины, рассчитываемые далее для шумовых и сигнальных составляющих, выражены в амперах).
(2e2ДfFkj (РсЦ/(йю)))1/2 = 6.2 х 10-14, (3) (2efk^/e)) = 4.5 х 10-13, (4)
(4кБТ Af/Вэ )2 = 4 х 10-15. (5)
Сигнал равен:
Pcen kj (М = 3.2 х 10-9. (6)
Пренебрегая всеми шумами, кроме дробового шума темнового тока, получаем соотношение S/N = 3.2 х 10-9/(4.5 х 10-13) = 7 х 103. Если учесть потери сигнала в оптике, атмосфере и на отражение от Земли для светлой поверхности (в сумме около ~65%), S/N составит 7 х 103 х 0.35 = 2450.
Рассчитаем шумы от фона для ЛФД на реальной спутниковой трассе с реальными параметрами лидара. Пусть размер пятна передатчика на Земле будет 450 х 450 м, тогда мощность засветки, дошедшая до приемного телескопа, составит величину:
Рф = 1.3 (кВт/м2) х 0.1(450/(4.5 х 105))2 х 1 м2 = 1.3 х 10-4 Вт. (7)
Здесь, первый сомножитель — солнечная постоянная, второй — альбедо Земли, третий — поле зрения приемного телескопа, четвертый — площадь приемного объектива. Эта фоновая засветка сосредоточена в спектральном интервале 0.1...4 мкм и при фотоприеме будет отсекаться интерференционным фильтром, выделяющим полосу частот ~10 нм из всего спектрального интервала. Поэтому доля солнечной засветки, попадающая на фотоприемник, ориентировочно будет равна
Рф = 1.3 х 10-4 Вт х 10/4000 = 0.325 х 10-6 Вт. (8)
Мощность дробовых шумов фона определяется по формуле
(2e2AfFk2 (Рфп/(Яш))) = 3 х 10-12. (9)
Отношение сигнал/шум с учетом фоновой засветки равно
S/N ~ 3.2 х 10-9/(3 х 10-12) = 1065. (10)
Если учесть потери сигнала в оптике, атмосфере и на отражение от Земли (в сумме около ~65%), отношение сигнал/шум составит 1065 х 0.35 = 372. Эта величина удовлетворительно согласуется с экспериментом, проведенным с лавинным фото-
диодом, передатчиком небольшой мощности в наземных условиях методом экстраполяции.
Таким образом, дробовые шумы фоновой засветки являются самыми большими из всех рассматриваемых шумов для конкретной конфигурации лида-ра с высотой орбиты ~450 км. Отношение сигнал/шум >300 реально может быть получено со спутника на ночной стороне Земли при средней мощности передатчика 10...30 Вт. Однако на солнечной стороне, соотношение сигнал/шум уменьшается во много раз. Поскольку фоновая засветка вносит самый значительный вклад в шумовую составляющую, то этот факт должен учитываться при проектировании лидара. В частности, необходим выбор узкополосного интерференционного фильтра, сужение поля зрения приемного объектива и уменьшение расходимости передающего объектива.
2. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА КВАЗИНЕПРЕРЫВНОЙ ЛИДАРНОЙ СИСТЕМЫ
На основе полученных данных, были проверены положения, увеличивающие энергетический
Волоконный делитель
Волоконный усилитель
Волоконный усилитель
Передающий объектив
Фотоприемник
Приемный объектив
Топографическая мишень
Рис. 1. Блок-схема параллельной работы волоконных усилителей.
Рис. 2. Блок из 11 волоконных усилителей с общей выходной мощностью 10 Вт.
потенциал лидарной системы. Как известно, в настоящее время на коммерческом рынке имеются рамановские усилители со средней выходной мощностью порядка 1 Вт (при мощности входного сигнала ~10 мВт), поэтому чтобы получить среднюю мощность -10...30 Вт, необходимо параллельное суммирование мощностей 10—30 усилителей. Можно суммировать мощности непосредственным совмещением и полировкой торцов выходных волокон как единого выходного жгута, подсоединяемого к одному передающему объективу, а можно использовать и отдельные выходные волокна со своими разъемами, нагруженные каждый на свой передающий объектив и располагаемые в виде матрицы. Такая схема суммирования мощностей была проверена экспериментально на двух усилителях (рис. 1).
Световой сигнал после прохода через лазерный передатчик разделялся волоконным делителем на два канала, и свет поступал на два волоконных усилителя, каждый из которых обеспечивал на выходе мощность ~200 мВт. Далее каждый выход волоконного усилителя с коллиматором, был съюстирован в одну точку на расстоянии
~1 км на топографической мишени. После фотоприемника сигнал составил ~20 мВ. При отключении каждого из усилителей от питания, сигнал после фотоприемника падал до ~ 10 мВ, ровно в два раза. Таким образом, параллельное суммирование мощностей при использовании отдельных коллиматоров может обеспечить заданную выходную мощность передатчика лидара. Общий вид такого волоконного усилителя показан на рис. 2. Выходной сигнал задающего лазера поступает на мощный волоконный усилитель, который с помощью волоконных делителей распределяет свою мощность на 10—30 одинаковых каналов.
В каждом канале стоит свой волоконный усилитель, усиливающий входной сигнал до мощности ~1 Вт. Эти мощности складываются на общем выходном жгуте, торец которого склеивается и полируется как единое целое. Возможен вариант сложения мощностей и с помощью отдельных передающих объективов, которые съюстированы по одной оптической оси.
Существуют возможности и для увеличения средней мощности рамановских усилителей. Сю-
УВЕЛИЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ЛИДАРА
1013
Рис. 3. Фотография лидара в рабочем состоянии.
да относится возможность увеличения накачки усилителя и возможность оптимизации длин кварцевого и эрбиевого волокон, используемых в усилителе, расширение спектра усиливаемого сигнала
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.