ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ-ПЕРО В КАЧЕСТВЕ ЧАСТОТНОГОДИСКРИМИНАТОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА НЕКОГЕРЕНТНЫМ ДОПЛЕРОВСКИМ ЛИДАРОМ
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И
НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА 7
1.1 Методы, зондирования не использующие лидар 8
1.2 Лидарные методы зондирования атмосферы 10
1.2.1 Корреляционный метод для дистанционного зондирования 11
1.2.2 Когерентный доплеровский лидар для дистанционного зондирования 11
1.2.3 Некогерентный доплеровский лидар для дистанционного зондирования 13
2 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И ВЕКТОРА НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА ПРИ
ПОМОЩИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ЛИДАРА 14
2.1 Метод измерения ветра при помощи йодного фильтра 15
2.2 Метод измерения ветра при помощи интерферометра Фабри-Перо 19
2.2.1 Интерферометр Фабри-Перо (ИФП) 20
2.2.2 Влияние параметров ИФП на функцию пропускания 22
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИИ ПРОПУСКАНИЯ ИФП 24
3.1 Анализ влияния базы ИФП на его функцию пропускания, чувствительность и
относительное время измерения 25
3.2 Анализ влияния коэффициента отражения зеркал ИФП на его функцию пропускания,
чувствительность и относительное время измерения 30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 35
ПРИЛОЖЕНИЕ А 37
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 38
ПРИЛОЖЕНИЕ В 39
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 40
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 41
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 42
Актуальность темы исследования. Необходимость улучшения методов изучения атмосферных параметров связана с недостаточной точностью и скоростью существующих методов. Прогнозирование погоды, контроль загрязнения воздуха, предупреждение катастроф - всё это требует оперативного мониторинга изменений в атмосфере. Измерение скорости и направления ветра на различных высотах является важным параметром атмосферы.
На данный момент существует множество методов измерения скорости и направления ветра. Контактные методы включают в себя прямой контакт измерительной аппаратуры с объектом исследования, в то время как другие методы являются дистанционными. В этом контексте рассмотрим перспективы использования некогерентного доплеровского лидара для измерения профиля скорости и направления ветра.
Лазерные методы измерения можно разделить на доплеровские и корреляционные: каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Доплеровские методы позволяют измерять только продольную составляющую скорости ветра, и для восстановления полного вектора скорости требуется угловое сканирование или многолучевая схема зондирования, что часто сопровождается значительными погрешностями.
Корреляционные методы имеют меньшую дальность зондирования, однако позволяют оперативно измерять профиль полного вектора скорости ветра вдоль трассы зондирования, обладают менее сложной аппаратурой и могут зондировать вблизи земной поверхности и объектов в местности. [1]
Цель: разработать аппаратуру и метод дистанционного определения скорости и направления ветра на основе эффекта Доплера при использовании интерферометра Фабри - Перо в качестве частотного дискриминатора.
Задачи:
а) изучение литературы по методам лазерного зондирования атмосферы;
б) изучение теоретических основ и техники дистанционного определения скорости и направления ветра с помощью некогерентного доплеровского лидара;
в) моделирование функции пропускания интерферометра фабри-перо для некогерентного доплеровского ветрового лидара;
г) анализ потенциальных возможностей дистанционного метода определения скорости и направления ветра с помощью некогерентного доплеровского лидара.
Подводя итоги, использование интерферометра Фабри-Перо (ИФП) в качестве частотного дискриминатора для измерения скорости и направления ветра некогерентным доплеровским лидаром не уступает использованию йодного фильтра в качестве частотного дискриминатора. Приемущества данного метода измерения скорости ветра представлены ниже.
1) Настройка крутизны линии пропускания ИФП может осуществляться изменением расстояния между зеркалами на расстояния пропорциональные длине волны источника, что дает возможность использования такого прибора в большом диапазоне изменения скорости ветра, в отличие от настройки крутизны линии поглощения йода, которая осуществляется изменением температуры кюветы. Поддержание абсолютно постоянной температуры при длительном времени измерения невозможно, особенно если поставлена цель круглосуточный мониторинг скорости и направления ветра в атмосфере. При отсутствие вибраций и стабилизации температуры ширина базы будет неизменна.
2) Доступность ИФП, обусловленная тем, что его можно преобрести, в отличие от кюветы с йодом, которою можно изготовить только на заказ.
Из недостатков ИФП можно выделить сложную методику юстировки.
В целом использование дистанционных методов потенциально может позволить узнавать значение параметров атмосферы оперативно, что невозможно осуществить при использовании контактных методов, вследствие того, что для каждого измерения требуется новый прибор. Из анализа литературы известно, что метод измерения ветра некогерентным доплеровским лидаром имеет преимущество работы в отсутствие аэрозоля, хотя и с длительным накоплением сигнала. Будет присутствовать и сильное уширение спектра приемного излучения, что так же увеличит погрешность такого измерения. В дальнейшем будет рассмотрена такая возможность
Модель для анализа влияния параметров ИФП на его функцию пропускания может быть полезна для быстрого расчета базы ИФП, влияния базы и коэффициента отражения на функцию пропускания. В ней можно оценить возможности прибора в верхних слоях атмосферы, и подобрать для этого оптимальные параметры. Так же можно оценить зависимость функции пропускания от угла падения пучка на ИФП. В будущем доработав эту модель, потенциально можно будет учесть уширение спектра приемного излучения вследствие молекулярного рассеяния.
Для работы в приземном слое атмосферы реализованным методом была подобрана оптимальная база интерферометра d2 = 13,300025 мм при коэффициенте отражения зеркал 80% . Таким же образом для базы ds = 9,310018 мм был подобран коэффициент отражения зеркал 90%.
