Анализ сигналов фотоэдс, полученных регистрацией эрозионного факела в момент воздействия лазерного излучения на металлическую поверхность Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

АНАЛИЗ СИГНАЛОВ ФОТОЭДС, ПОЛУЧЕННЫХ РЕГИСТРАЦИЕЙ ЭРОЗИОННОГО ФАКЕЛА В МОМЕНТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ПОВЕРХНОСТЬ

© П.М. Кузнецов, В.А. Федоров

Ключевые слова: лазерное излучение; вейвлет-разложение; эрозионный факел; глобальный вейвлет-спектр; дисперсия.

Получены и исследованы вейвлет-спектры сигналов фотоэдс. Показано, что глобальный вейвлет-спектр смещается в область высоких частот при облучении мишени низкими интенсивностями излучения (<2,64-105 Вт-см-2).

Одним из методов исследования спектрального состава сложных колебаний является вейвлет-разложение (например, осциллограмм [1]). Разложение в вейвлет-спектры несет информацию не только о характерных частотах колебаний в различные моменты времени, но также позволяет определить вклад каждой частоты в энергетический спектр.

Цель работы: исследовать структурно-временные характеристики колебаний фотоэдс, вызванных свечением эрозионного факела методом вейвлет-преобразования.

В работе [2] получены частотные характеристики колебаний фотоэдс разложением в фурье-спектры. Вместе с тем определить частотно-временные характеристики сигналов невозможно разложением только в спектр Фурье. В связи с этим для определения частотно-временных характеристик колебаний фотоэдс в течение импульса проводили разложение относительного фотоэдс-сигнала в вейвлет разложение алгоритмом быстрого фурье преобразования [3, 4]. Разложение полученных сигналов в вейвлет-спектр проводили в программе Matlab R2010b по алгоритму, предложенному в [3, 4]. Преимущество такого алгоритма состоит в малой затрате вычислительных ресурсов для достижения высоких значений временного масштабного коэффициента.

При разложении каждого временного ряда использовали семейство вейвлетов DOG (derivative of a Gaussian) [3]:

fR *1

где п - безразмерный параметр времени; Г(т + 1/2) -гамма-функция; m - порядок производной. В нашем случае порядок производной равен 2. DOG-вейвлет достаточно широкий в пространстве Фурье, что не позволяет выявить тонкой структуры глобального спектра вейвлет-преобразования (дисперсии). Тем не менее, полученные вейвлет-спектры пригодны для анализа пикового состава временных рядов.

На рис. 1а-1г представлены относительные фото-эдс-сигналы (нормированные на максимальное значение), инициированные свечением эрозионного факела, для различных плотностей мощности лазерного излучения. Соответствующие фотоэдс-сигналам энергетические вейвлет спектры и глобальный вейвлет-спектр приведены там же. На вейвлет спектрах в средней части диаграммы на рис. 1а, 1б хорошо видны квазипе-риодические крупномасштабные колебания (вспышки) относительной интенсивности. Длительность квазипе-риодических вспышек составляет порядка ~300-400 мкс. Этим вспышкам соответствуют высокие уровни временного масштаба 128-512 мкс. Уменьшение интенсивности приводит к исчезновению в вейвлет спектрах квазипериодичности (рис. 1в, 1г, 1д).

Глобальный вейвлет-спектр (дисперсия) позволяет качественно проследить эволюцию вклада низкочастотной составляющей в фотоэдс-сигнала при изменении интенсивности. Положение максимумов дисперсии представлены в табл. 1. Видно, что при уменьшении интенсивности происходит смещение максимумов в сторону уменьшения временного масштаба. Следовательно, вклад в сигнал высокочастотной составляющей увеличивается. Этому соответствует увеличение яркости в верхней части вейвлет-спектров. При низких значениях плотности мощности лазерного (рис. 1г, 1д) наиболее яркий участок в вейвлет-спектре находится в области высоких частот (верхняя часть рис. 1). Следовательно, в спектре колебаний интенсивности эрозионного факела преобладают высокие частоты, что подтверждает выводы, сделанные в [2].

Таблица 1

Положение максимумов глобального вейвлет-спектра, представленного на рис. 1а-1д

а) (мкс) б) (мкс) в) (мкс) г) (мкс) д) (мкс)

3420 2876 2225 1871 2418

Таким образом, при уменьшении интенсивности лазерного излучения увеличивается вклад высокочастотной составляющей в вейвлет-спектр фотоэдс-сигналов.

1778

Рис. 1. Вид относительного сигнала фотоэдс, энергетический вейвлет спектр, глобальный вейвлет спектр для интенсивностей: а) 3,28-105 Вт-см-2; б) 3,09 105 Втхм-2; в) 2,64405 Вт^см-2; г) 2,2Ы05 Врсм-2; д) 1,53-105 Вт-см-2

ЛИТЕРАТУРА

1. Дьяконов В.П. Математический и спектральный анализ в MATLAB реальных осциллограмм // КИПиС. 2010. № 1. С. 1925.

2. Кузнецов П.М., Федоров В.А. Особенности колебаний интенсивности эрозионного факела при воздействии лазерного излучения на металлическую поверхность // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 1. С. 144-147.

3. Torrence C. and Compo G.P. A Practical Guide to Wavelet Analysis // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1998. V. 79. P. 61-78.

4. URL: http://paos.colorado.edu/research/wavelets/ (дата обращения 12.03.2013).

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 12-01-00638-а и № 12-01-97519) и госзадния № 1.691.2011.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Kuznetsov P.M., Feodorov V.A. SIGNAL ANALYSIS OF PHOTOVOLTAGE BY REGISTRATION OF EROSIVE TORCH WITH LASER RADIATION EXPOSURE TO METAL SURFACE

The wavelet spectra of signals photovoltage are studied. It is shown that the global wavelet spectrum (variance) shifts to higher frequencies with low threshold intensity (<2.64-105 W-cm-2) by irradiation of a target.

Key words: laser irradiation; wavelet decomposition; erosion torch; global wavelet spectrum; variance.

1779