Метрологическое обеспечение исследований отражательных характеристик объектов в лазерной локации Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.396.96

А. В. Степанов, А. Л. Титов

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ В ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ

Изложены основы экспериментально-расчетного метода определения отражательных характеристик объектов в оптическом диапазоне. Дано описание разработанного экспериментального стенда для исследований отражательных характеристик материалов и покрытий с возможностью перестройки рабочей длины волны. Представлена методика и некоторые из результатов измерений.

E-mail: tital1952@mail.ru

Ключевые слова: экспериментально-расчетный метод, отражательные характеристики объектов, оптический диапазон.

Совсем недавно для определения сигнальных характеристик объектов в лазерной локации применялись в основном измерения на уменьшенных моделях. Этот способ достаточно трудоемкий и дорогой. Также использовался расчетный способ определения сигнальных характеристик, в частности, эффективной площади рассеяния (ЭПР) объекта, при котором в качестве модели покрытия выбиралась модель идеального диффузного отражателя с коэффициентом отражения, близким коэффициенту отражения реального покрытия. Коэффициент отражения материалов и покрытий обычно измерялся на специальных приборах — спектрофотометрах. Для идеально-диффузной модели покрытия существуют законченные выражения для определения ЭПР объектов, представляющих собой совокупность тел вращения с поверхностями второго рода типа конус, цилиндр, сфера и плоскость, при заданном ракурсе наблюдения. Недостатки указанного расчетного способа — низкая точность оценки ЭПР объекта вследствие несоответствия характеристики покрытия и ее диффузной модели, а также невозможность оценки ЭПР объекта с более сложной поверхностью.

С развитием вычислительной техники окончательно сформировался экспериментально-расчетный метод определения характеристик объектов. В основе этого метода лежит фацетная модель поверхности объекта, т. е. модель, при которой поверхность объекта представляется в виде совокупности квазиплоских площадок. Подобная модель используется и в радиолокации . Отражательные свойства

Справочник по радиолокации: в 4 т. / под ред. М. Сколника; пер. с англ. под общей ред. К.Н. Трофимова. Т. 1. Основы радиолокации / под ред. Я. С. Ицхоки. - М.: Сов. Радио, 1976. - 456 с.

каждой такой площадки определяются внешним покрытием, а характеристики самого внешнего покрытия измеряются на специальном стенде. В качестве измеряемой характеристики материала или покрытия в расчетно-экспериментальном методе удобнее всего использовать удельную ЭПР студ [1] — единицы площади образца покрытия

или материала. Диаграмма удельной ЭПР студ (а) — зависимость

удельной ЭПР от угла а между нормалью к поверхности образца и направлением облучения и приема (для однопозиционной схемы стенда) или биссектрисой позиционного угла /30 (для двухпозицион-ной схемы).

Математические модели объектов формируются в 3D-среде. Эта среда позволяет по геометрическим параметрам объекта сформировать его трехмерную модель, состоящую из совокупности поверхностей типа конус, цилиндр, сфера, плоскость и тор, наложить на поверхность полученной модели сетку из треугольников с выбранным заранее их количеством, а затем экспортировать координаты вершин этой сетки в виде текстового файла в моделирующую программу. Параметрами математической модели объекта в 3D-среде являются: список вершин треугольников сетки на его поверхности и координаты этих вершин в системе координат, связанной с объектом. Таким образом, поверхность объекта представляется совокупностью квазиплоских треугольных площадок, образованных тремя векторами каждая (рис. 1).

ЭПР Oj каждой такой площадки определяется выражением

= Sj (aj),

где Sj — площадь элемента, Sj = 2|AB х AC|; ON — направление

нормали, ON = AB х AC. Площадь элемента и направление нормали определяются векторным произведением двух из трех векторов, образующих элемент поверхности цели.

При энергетическом методе приема, в основном, применяемом в лазерной локации, ЭПР всего объекта <го рассчитывается как сумма ЭПР отдельных его элементов, при условии их освещенности (cos aj > 0). Если цель представлена в виде некоторой совокупности простых тел типа конус, цилиндр, часть сферы, плоско-Рис 1 К расчету сти, то суммирование проводится сначала по ЭПР элемента по- поверхности одного тела с учетом его внешнего верхности объекта покрытия, а затем по всей цели. Тогда

N Ni

СТудг (aj )'

г=1 J=1

где N — количество простых тел, из которых состоит объект; Ni — количество освещаемых треугольников на поверхности г-го тела; о"удг (aj) — удельная ЭПР внешнего покрытия г-го тела при угле

наблюдения aj.

Как показали исследования, использование неких обобщенных моделей внешнего покрытия при минимальном количестве измерений не позволяет с приемлемой точностью оценить отражательные свойства реальных покрытий на различных длинах волн. Поэтому для измерения диаграмм удельной ЭПР материалов и покрытий был разработан и введен в эксплуатацию экспериментальный стенд, функциональная схема которого представлена на рис. 2.

Стенд состоит из четырех основных узлов: передающего лазерного комплекса I, фотоприемного устройства (ФПУ) II, поворотного устройства III и устройства управления и отображения информации IV.

В состав лазерного комплекса входят задающий лазерный генератор 1, система сменных блоков 2 и источник питания 3. Лазерный комплекс представляет собой систему из двух подсистем: подсистемы 1, состоящей из УЛО:Кё-лазера и генераторов 2-й, 3-й и 4-й гармоник, а также подсистемы 2, включающей в себя перестраиваемый Ti:Sapphire-лазер, с генераторами 2-й, 3-й и 4-й гармоник. Генераторы вторых гармоник встроены внутрь корпусов самих лазеров, причем в УЛО:Кё-лазере генератор второй гармоники постоянно подключен, а в Ti: Sapphire-лазере он подключается механически с помощью переключателя режимов. Сменные блоки окончательно формируют выходное излучение. Они могут содержать соответствующие генераторы гармоник (3-й или 4-й), аттенюаторы и сепараторы излучения. Таким образом, при работе подсистемы 1 генерируется, в зависимости от выбранного сменного блока, излучение на длинах волн 1 064, 532, 355 и 266 нм. Сепараторы сменных блоков обеспечивают спектральную чистоту излучения относительно побочного излучения не хуже 30 дБ. Выходное излучение является импульсным с длительностью импульса около 7.. .10 нс и частотой повторения 1.. .10 Гц. Максимальная энергия в импульсе при работе на 1-й гармонике — не менее 520 мДж, на 2-й — не менее 420 мДж, на 3-й — не менее 170 мДж, на 4-й — не менее 90 мДж. Аттенюаторы позволяют управлять импульсной энергией излучения в диапазоне 0.26 дБ.

При работе подсистемы 2 основным генератором излучения является Ti:Sapphire-лазер, перестраиваемый в диапазоне 700.960 нм. УЛО:Кё-лазер, работающий в режиме генерации 2-й гармоники, является генератором излучения накачки Ti:Sapphire-лазера. Выходное

Рис. 2. Функциональная схема стенда

излучение с генератором 2-й гармоники перестраивается в диапазоне 350.. .480 нм, с генератором 3-й — в диапазоне 235.. .320 нм, 4-й — в диапазоне 210.240 нм. Выходная энергия зависит от длины волны излучения и определяется перестроечными кривыми. Длительность импульсов на выходе подсистемы 2 составляет 7.30 нс.

Управление режимом работы УАО:Ш-лазера и перестройкой TLSapphire-лазера осуществляется как с отдельного пульта, так и с компьютера системы управления и отображения информации стенда IV.

Блоки 4 и 5 системы идентификации обеспечивают контроль текущей конфигурации лазерного комплекса и не допускает ошибочного сочетания, блокируя генерацию излучения.

Фотоприемное устройство II состоит из трех (12, 13 и 14) измерительных фотоприемников (ФП) фирмы Ophir, двух плоско-выпуклых длиннофокусных линз 15 и 16, объектива Кассегрена 28 и перемещающейся платформы с приводом 23 и пультом управления 24. ФП 12 типа PD 25 и 13 типа PE 9, установленные на неподвижной платформе, служат для измерения импульсной энергии излучения непосредственно лазерного генератора. Линзы используются в качестве аттенюаторов излучения при измерениях энергии лазерного генератора. ФП 14 типа PD 10pj является основным измерительным приемником отраженного исследуемым образцом покрытия или материала. Перемещающаяся платформа с линзами и основным измерительным ФП 14 позволяет изменить режим работы ФПУ с измерения энергии лазера на измерение отраженного сигнала. При измерении отраженного образцом излучения ФП занимает положение в фокальной плоскости объектива 28. Положение платформы или, что то же самое, режим работы ФПУ, контролируется системой идентификации 8. Все ФП связаны с устройством отображения информации через USB-адаптеры 9, 10 и 11. В режиме измерения индикатрис рассеяния основной измерительный приемник 14 вместе с адаптером 11, но без объектива, перемещается на вращающуюся измерительную штангу 29.

Поворотное устройство III включает в себя две вращающиеся платформы: платформу для поворота образца (образцовой меры) 25 и платформу со штангой 29 для вращения измерительного ФП в режиме измерения индикатрис. Шаговые двигатели 18 и 19 обеспечивают нужное положение платформ, контролируемое устройством управления IV через конвертеры CAN-USB (21 и 22).

В состав системы управления и отображения информации IV, кроме упомянутых конвертеров CAN-USB и USB-адаптеров связи с ФП входят компьютер 7 и плата ввода-вывода 6 типа PCI7248, обеспечивающая работу системы идентификации (блоки 4, 5 и 8).

Стенд управляется программой, написанной в среде LabView. Управляющий интерфейс программы — многооконный интерфейс

с возможностями внесения изменении в каждом активном окне. Программа позволяет включать и выключать источник питания лазерного генератора, изменять его параметры: частоту следования импульсов от 0,01 до 10 Гц, количество импульсов в пачке, уровень накачки генератора и усилителя и др. Кроме того, программа обеспечивает контроль конфигурации лазерного генератора, дает оператору необходимые подсказки по установке разрешенной конфигурации, блокирует излучение в случае неправильных действий. Контролируется также активный ФП, его текущая шкала на заданной длине волны, положение платформы с измеряемым образцом и образцовой мерой и многое другое. В процессе измерений строится диаграмма удельной ЭПР и отображается уровень энергии отраженных образцом импульсов. В каждой точке вычисляется среднее значение удельной ЭПР и границы ее изменения по 3<г в каждую сторону.

В рассматриваемом стенде применяется относительный метод измерения, при котором энергия, отраженная образцом покрытия, сравнивается с энергией, полученной от эталонного диффузного отражателя с известной характеристикой отражения (правильное название такого отражателя — образцовая мера спектрального коэффициента диффузного отражения). При таком методе удельная ЭПР образца покрытия определяется по формуле

-Уд(а)=(а)

где аэ — ЭПР образцовой меры, £ — площадь облучаемой поверхности плоского образца; Еэ и Е (а) — показания регистрирующего прибора при измерении энергии отраженных сигналов соответственно от образцовой меры и исследуемого образца.

ЭПР образцовой меры можно найти, исходя из общей формулы для определения ЭПР объекта:

ст= 4жк2 п*.,

П1

где Я — расстояние до объекта; П1 — плотность падающего потока мощности (энергии) в точке расположения объекта, П2 — плотность потока мощности в точке приема (энергии).

Плотность потока мощности П1 при равномерном облучении потоком мощности Ф1 плоской поверхности эталона площадью £э рассчитывается по формуле

П =

Полный отраженный поток мощностью Ф можно выразить с одной стороны через падающий поток Ф1 и коэффициент отражения эталона р0 :

ф = Ф1 Ро = П1 Ро ,

а с другой стороны — через индикатрису силы излучения эталона I (/) = 1о I (3) как

Ф = 10

/ 2

2ж J i(ß)sinßdß

/ 2

где I(/)вт/й/ = йэ — эквивалентный телесный угол рассе-

о

яния эталона, т. е. Ф = 10 йэ.

Эквивалентным телесным углом называют такой телесный угол, в котором распространялся бы весь отраженный поток, если бы сила излучения была равна 10 по всем направлениям внутри этого угла.

Для идеального диффузного рассеивателя (ламбертовского) эквивалентный телесный угол

/ 2

Оэ = 2 ж J cos ß sin ßdß = ж.

Поток мощности Ф 2, перехватываемый приемной системой в телесном угле ^, рассчитывается по формуле

Ф2 =J I (ß) d fi .

fi

Для малых значений Q, в пределах которого силу излучения можно считать постоянной, т. е. I (fi) = I0 = const, получаем

Ф2 = 10 Q-Io R-, R

где £а — площадь апертуры приемной системы.

Тогда плотность потока мощности в точке приема

Ф 2 _ /о

П 2 =

^ £а "Я2'

Подставляя П1 и П 2 в формулу для ЭПР эталона, получим

^э _ 4 £э Ро Ь

Здесь Ь — коэффициент диффузности эталона, равный отношению эквивалентного угла рассеяния эталона Оэ к эквивалентному углу ж

О

рассеяния идеального диффузного отражателя, т. е. Ь _—-. Данные

ж

на образцовую меру, приведенные в ее паспорте, обычно содержат сведения о коэффициенте отражения и коэффициенте диффузности на нескольких рабочих длинах волн. Так как при измерениях лазерный луч полностью перехватывается образцом покрытия и эталонным отражателем, то облучаемые площади £ (а) и £э можно выразить через площадь поперечного сечения лазерного луча £л :

£(а)_£л/со8(а); £э _ £л/С08(анЗЧ),

где анач — начальный угол установки эталонного отражателя, исключающий зеркальный блик (3.5 град). Таким образом, окончательная формула для расчета удельной ЭПР образца покрытия имеет вид

(а)_4 КР-^М..Е(0),

уд Ь С08(0н3ч) Еэ

где К — коэффициент, учитывающий изменение энергии лазерного генератора, а также пропускание оптических элементов стенда при измерениях энергии излучения от эталонного отражателя и образца покрытия.

В качестве эталонного отражателя или образцовой меры спектрального коэффициента диффузного отражения в стенде используется плоская пластина из спеченных нитей фторопласта ФТ-4, изготовленная в ВНИИОФИ Госстандарта РФ. Основные параметры образцовой меры приведены ниже:

Длина волны.................... 1 2 3 4 5

Коэффициент

отражения......................... 0,985 0,965 0,943 0,918 0,891

Коэффициент

диффузности.................... 0,6 0,672 0,696 0,708 0,715

На образцовую меру имеется сертификат калибровки, выданный ВНИИОФИ.

В настоящее время с помощью описанного выше стенда создан банк данных по отражательным характеристикам некоторых материалов и покрытий. В качестве примера на рис. 3 и 4 представлены диаграммы удельной ЭПР эмали светло- и темно-зеленого оттенков, соответственно, на трех длинах волн: 1 064, 532 и 355 нм. Сравнение соответствующих диаграмм между собой показывает, что светло-зеленая эмаль на всех рассматриваемых длинах волн отражает значительно лучше, чем темно-зеленая. Так как у эмалей одинакового цвета различными могут быть не только оттенки, но и состав, характер поверхности (матовый, зеркальный, полуматовый и т. д.), спектральные характеристики пропускания связующего лака и др., очевидно, что использование каких-либо обобщенных моделей покрытий в данном случае является бесперспективным. Измерение на стенде требует сравнительно небольшого времени и средств и позволяет выявить некоторые особенности в отражательных характеристиках материалов и покрытий, изменения их по спектру и другим параметрам, что в конечном счете обеспечивает более точную оценку отражательных характеристик объектов, использующих эти покрытия.

Рис. 3. Диаграммы удельной ЭПР светло-зеленой эмали на разных длинах волн:

1 — 1 064 нм; 2 — 532 нм; 3 — 355 нм

\l

\\

\2 { \

\

30 Ж, град

Рис. 4. Диаграммы удельной ЭПР темно-зеленой эмали на разных длинах волн:

1 — 1064 нм; 2 — 532 нм; 3 — 355 нм

Таким образом, в настоящей работе:

• даны основы экспериментально-расчетного метода определения отражательных характеристик объектов в лазерной локации, базирующегося на фацетной модели представления их поверхности и полученных экспериментально характеристик отражения внешних покрытий;

• описан разработанный уникальный многоспектральный лазерный стенд, предназначенный для исследования отражательных характеристик материалов и покрытий;

• представлена методика измерений на стенде, основанная на замещении исследуемого материала сертифицированной образцовой мерой спектрального коэффициента диффузного отражения;

• показаны преимущества измерения характеристик на стенде по сравнению с использованием обобщенных моделей отражения покрытий.

Статья поступила в редакцию 07.09.2012