Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Беспроводная связь с подводным аппаратом. Учебное пособие
.pdf
61
рые могут возникать в результате кратковременного воздействия на атмосферу
мощного электромагнитного излучения. На рисунке 3.14 а) средняя проводи-
мость лазерного канала составляла 97 (Ом×м)
-1
, что в разы выше средней про-
водимости тлеющего разряда 10
-2
– 30 (Ом×м)
-1
, что связано с интенсивностью
лазерного пучка, превышающего порог пробоя искусственно запыленной (для
«визуализации» пучка) атмосферы (≥ 103 МВт/см
2
). В случае вертикального
проводящего канала измерить параметры пучка не представилось возможным,
но его интенсивность превышала пороговое значение пробоя запыленной атмо-
сферы, его высота ориентировочно сотни и более метров.
а) б)
Рисунок 3.14 – Проводящий лазерный канал в искусственно-запыленной
атмосфере: а) наклонный; б) вертикальный
Таким образом, показано, что лазерный проводящий канал при воздей-
ствии лазерного излучения на атмосферу может служить в качестве проводяще-
го канала.
3.5 Лазерный канал передачи для СНЧ-НЧ-передатчика
Для увеличения глубины проникновения радиосигнала в толщу моря уве-
личивается длина волны радиопередатчика, а значит, и необходимая длина эле-
ментов антенны, так как они находятся в прямой зависимости. Поэтому для передачи на глубоководные объекты сигналов управления применяются сверх-
низкочастотные передатчики.
Увеличения эффективности функционирования антенн СНЧ-диапазона на
мобильной установке можно добиться увеличением емкостного компонента антенны за счет создания проводящего электричество достаточной протяженно-
сти столба посредством ионизации атмосферы. Основная рабочая частота СНЧ-
62
радиостанции, например, «Зевс», – 82 Гц. Длина электромагнитной волны на
этой частоте равна 3658537 м, что больше половины радиуса Земли. Если
учесть, что антенны с магнитопроводом работают эффективно при габаритах,
которые составляют 0,0003 от длины волны, то для работы на частоте 82 Гц
требуется антенна длиной 1098 м.
Кроме того, увеличение длины проводящего канала ионизации с использованием лазерной установки, упрощения конструкции устройства и снижения
его энергоемкости, и придание мобильности СНЧ-НЧ-антенны целесообразно
использовать неодимовый лазер, работающий на длине волны 1,06 мкм, с требуемой необходимой плотностью энергии на 1 – 2 порядка ниже, чем у СО2лазера, а вдоль трассы ионизации предварительно вводить частицы аэрозоля
Al2O3 размером 0,5 – 1 мкм такой концентрации, чтобы ослабление на частицах
вдоль трассы не превышало 10 % от полного ослабления пучка на трассе.
Оценки для наиболее часто встречающихся в природе частиц Al выполнены в
[150], обеспечивающих поддержание ионизованного канала на всем протяжении вертикальной трассы, а дополнительное использование излучения УФлазера, излучение которого совмещается с излучением Nd-лазера и выводится в
атмосферу на трассу высотой в 1 км, большая энергия квантов которого спо-
собна зарождать свободные электроны в процессе ступенчатой двухквантовой
ионизации молекул кислорода О2, не нагревая газ до высокой температуры, делает вышеуказанный эффект к тому же стабильным и менее энергозатратным,
т.к. фотоионизация атмосферы на длинных лазерных трассах может возникать
только в области ближнего ультрафиолета (λ ~ 2000 – 3800 А). Таким образом,
Nd-лазер используется для испарения частиц в канале пучка, а УФ-лазер – для
ионизации паров испаренного вещества. Поглощение УФ-излучения в этой об-
ласти компонентами воздуха происходит без ионизации и приводит лишь к
слабой фотодиссоциации молекул кислорода (О2). Величины сечений поглоще-
ния УФ-излучения основными компонентами воздуха при этом составляют
σ(О
2
) ~ 5∙10
-20
м2, σ(N2) ~ 0. В области дальнего УФ (λ = 1000 А) сечение по-
глощения кислорода достигает весьма больших значений σ(О
2
) ~ (1,5 – 54) ∙ 10
-
14 м2
, что ограничивает распространение лазерного пучка уже на коротком про-
межутке трассы (10
-2
– 1м) [138].
С целью устранения указанных недостатков, увеличения длины проводя-
щего канала ионизации, упрощения конструкции устройства и снижения его
энергоемкости, предварительно вводятся легко ионизируемые частицы аэрозо-
ля размером 0,1 – 2 мкм вдоль трассы ионизации такой концентрации, чтобы
ослабление на частицах вдоль трассы не превышало 10 % от полного ослабле-
ния пучка на трассе. Оценки для наиболее часто встречающихся в природе ча-
стиц Al выполнены в [150]: пусть длительность лазерного импульса составляет
τ
и
= 10-9 С, фактор эффективности поглощения материалом частицей Kа = 0,8,
интенсивность излучения лазерного импульса I, радиус облучаемых частиц R
ч
3
,
концентрация частиц Nч, плотность вещества частиц ρ
ч
, удельная теплота испа-
рения γ
исп
, длина трассы Sтр., тогда полная энергия испарения частиц в лазерном
луче сечением 1 см2 составит:
63
3
43
исп ч ч тр исп
ч
E R N S
=
. (3.18)
Для Rч = 10-5 см, ρч = 3 г/cм-3, Nч = 102 част/см2, Sтр = 1000 м
γ
исп
=9200 Дж/г, получим:
E
исп
= 1,16∙10-3 Дж. (3.19)
Энергия ионизации паров аэрозоля, при полном испарении частиц (радиус атомов Ra = 10-8 см, потенциал ионизации Fi = 5 эВ):
3
3
4 3 4 3
iaч тр i
ч
E R R N S F
=
. (3.20)
Для указанных выше условий Ei = 8∙10-3 Дж. Таким образом, суммарная
энергия, идущая на испарение и ионизацию, составит:
2
10
исп i
E E E
−
=+
Дж.
Оценка интенсивности, необходимой для испарения частиц:
3
2
43
а ч и ч исп
ч
I К R R
, (3.21)
43
a и ч исп
ч
IRК
.
Для указанных выше параметров I ≥ 4,6∙108 Вт/см2.
Учитывая, что энергия ионизации примерно в 7 раз превышает энергию
испарения, полная интенсивность в пучке будет:
I∑ = 3,7∙109 Вт/см2. (3.22)
Учитывая реальную расходимость лазерного луча ~ 10
-4
рад, интенсив-
ность излучения в конце трассы уменьшится ~ в 100 раз.
Для полного испарения и ионизации всех атомов испаренного вещества
на всей трассе требуется интенсивность:
I∑ = 3,7∙1011 Вт/см2. (3.23)
Время жизни канала ионизации при однократном воздействии УФ- и Ndимпульса составляет не более 20 мкс. Поэтому с целью увеличения времени
жизни канала ионизации и избежания блокирования сигнала при образовании
очагов оптического пробоя производится сканирование обоих пучков по вертикальной цилиндрической поверхности с частотой 50 Гц. Поскольку частота импульсов УФ-лазера составляет 10 Гц, то за 1 сек. возникает 10 каналов иониза-
64
ции и общее время существования ионизованного канала возрастает до 200 мкс
за один оборот сканирования.
При этом необходимо, чтобы частицы Al2O3 находились в пределах зоны
пучка. При скорости ветра 5 – 10 м/с радиус зоны распыления частиц должен
быть 2,5 – 5 м. Т.к. частота сканирования Nd-лазера больше, чем УФ, то образовавшиеся пары сносятся ветром в зону ионизации УФ-лазера и это способствует возрастанию степени ионизации в канале пучка.
Для создания проводящего канала ионизации атмосферы с помощью лазерных установок с использованием частиц аэрозоля вовсе не обязательно полное испарение и ионизация всех испаренных частиц, достаточно частичного
испарения и ионизации, чтобы вызвать каскадную ионизацию.
Пробой возникает, когда концентрация электронов превышает 1017 см
-3
. В
частице Rч = 0,1 мкм содержится Na ~ 109 атомов. В режиме изохорной иониза-
ции все пары сосредоточены в объеме частицы. Таким образом, достаточно 10
7
испаренных атомов с коэффициентом ионизации α = 0,01. Интенсивность в
пучке при этом будет 3,7∙109 Вт см-2. Плотность энергии для 1 нс импульса будет 3,7 Дж см-2. Таким образом, для среднего размера пучка 10×10 см полная
энергия лазерного импульса будет 370 Дж, что более чем на порядок величины
меньше, чем в прототипе, и ниже порогового значения пробоя, которое препят-
ствует распространению сигнала. Для реализации предлагаемого способа до-
статочно распыления 10 г частиц размером 1 мкм на трассе в 1 км.
На рисунке 3.15 показана принципиальная схема способа для создания
антенны лазерным комплексом, состоящим из мощных Nd и УФ-лазеров, для
создания проводящего канала ионизации в атмосфере с приборами контроля
параметров излучения, для осуществления СНЧ-НЧ-передачи:
1 – мощный импульсный Nd-лазер Nd:YaG лазер марки NL120 с высокой
мощностью, (одна продольная мода, с модуляцией добротности: 10000 мДж
при 1064 нм 50 Гц с диодной накачкой, твердотельный с длительностью в импульсе 2 ± 0,5 нс);
2 – полупрозрачное 50 % зеркало (кварцевое стекло с покрытием с 50 %
отражающим покрытием. D = 20 мм, h = 5 мм, 0,3 – 1,5 мкм, SiO2 / (HfO2ZrO2)
2999,950 Дж/см2; 10 нс, 10 Гц);
3 – отрицательная линза (из кварцевого стекла. D = 50 мм, h = 7 мм,
f = 100 мм);
4, 12, 14 – положительные линзы (из кварцевого стекла. D = 50 мм,
h = 7 мм, f = 100 мм);
5, 6, 9 – 100 % отражающие зеркала (стекло K8, D = 55 мм, h = 5 мм, со
100 % отражающим покрытием SiO2 / (HfO2ZrO2) до 50 Дж/см2);
7 – УФ-лазер (высокоэффективный УФ-лазер SNV-20F-100, длина волны
355 нм, пиковая мощность 0,7 кВт, длительность 0,6 нс, частота повторения
19 кГц);
8 – источник питания (~ 220 В, =1000 – 2500 В пост. тока, = 12 В пост. тока);
65
Рисунок 3.15 – Принципиальная схема способа для создания лазерным
комплексом антенны для СНЧ-НЧ-передатчика
10 – электродвигатель с приводом (электродвигатель АИР56В2);
11 – непрерывный Ar-лазер (газовый непрерывный аргоновый лазер
LEXEL 85/95, мощностью более 1 Вт, 0,44 – 055 мкм);
13, 15 – фотоэлектронные умножители (ФЭУ H 7827, 300 – 800 нм);
66
16 – 10-кратный ослабитель лазерного излучения;
17 – компьютер;
18 – измеритель энергии лазерных импульсов (измеритель энергии лазеров FPE80BF-C P/N7Z02950.0.19-2.2 mkm, 1 мДж – 40Дж);
19 – распыляемый порошок;
20 – квадрокоптер с распылителем порошка (генератор аэрозоля Solid
Aerosol Generator SAG 410);
21 – измеритель скорости ветра (ветровой лидар).
Функционально устройство включает следующие узлы и приборы: 1
мощный импульсный Nd-лазер Nd:YaG лазер марки NL120 с высокой мощностью, через полупрозрачное зеркало 2, отрицательную линзу 3; положительную
линзу 4, 100 % отражающие зеркала 5, 6, оптически связаны с УФ-импульсным
лазером 7, таким образом, что оптические оси обоих лазеров совмещены во
внешней атмосфере. Источник 8 обеспечивает необходимым питанием лазеры
1, 7, электродвигатель 10, 11 Ar-лазер, ФЭУ 13, 15, компьютер 17, измеритель
энергии лазерных импульсов 18; 21 измеритель скорости ветра; 18 измеритель
энергии лазерных импульсов оптически, через зеркало 2 связан с мощным Ndлазером 1 и УФ-лазером 7 посредством 100 % отражающего зеркала 9. Излучение непрерывного Ar-лазера 11, мощностью 1 Вт выходит в атмосферу параллельно оптическим осям импульсных мощных лазеров 1, 7.
Рассеянное в атмосфере излучение Ar-лазера 11 регистрируется ФЭУ 13,
15, посредством положительных линз 12, 14 из ближней (~10 м) и дальней
(~1000 м) зоны трассы. Измеритель скорости ветра 21 обеспечивает измерение
скорости ветра вдоль трассы. Квадрокоптер 20, несущий распылитель твердого
аэрозоля, обеспечивает распыление частиц аэрозоля 19 вдоль трассы заданной
заранее концентрации частиц. Электродвигатель 10 приводит во вращение зер-
кала 5, 6, в результате чего мощное излучение выходит в атмосферу в виде слабо расходящегося конуса (слабо расходящийся конус означает, что лазерный
луч имеет дифракционную расходимость равную: = 1,22 ×/D, где
– длина
волны лазерного излучения, D – начальный диаметр лазерного пучка. Для
=1,06 мкм диаметр конуса 10 см в начале трассы и 18,5 см в конце, для
=0,35 мкм диаметр конуса 10 см в начале трассы и 12,1 см в конце). Электродвигатель 10 приводит во вращение зеркала 5, 6 с частотой 50 Гц. Диаметр поверхности сканирования при диаметре лазерного пучка после линз 2 см равен
10 см в начале трассы и 18,5 см в конце. Диаметр двигателя 5 см. Диаметр проводящего канала 9 см в начале и 17,5 см в конце трассы. Компьютер 17 обеспе-
чивает последовательность операций устройства с помощью заранее заданной
специализированной программы.
Устройство работает следующим образом. Вначале включается измери-
тель скорости ветра 21 и находится средняя скорость ветра на трассе. Измере-
ния производятся дистанционно через 100 м. Вычисляется среднее значение
скорости ветра. Затем включается Ar-лазер 11, ФЭУ 13, 15 и излучение лазера
11, трасса которого проходит параллельно трассе мощного пучка на расстоянии
от нее 0,5 – 1 м. После этого запускается квадрокоптер с распылителем аэрозо-
67
ля 19 под углом
α
к трассе и включается распылитель аэрозоля (обосновано,
что использование аэрозоля Al2O3 энергетически оправдано для использования
при создании длинных каналов ионизации в атмосфере, которые можно исполь-
зовать в качестве антенны).
Угол
α
рассчитывается, исходя из скорости ветра и скорости движения
квадрокоптера 20 (угол наклона квадрокоптера к оси лазерного пучка
= arctg(Vв×tкв/Sпк), где Vв – скорость ветра, tкв – время пролета квадрокоптером
трассы 1 км, Sпк – 1 км – высота проводящего ионизационного канала). При вет-
ровом сносе распыленного аэрозоля в область луча лазера 11 на ФЭУ 13, 15
возникают сигналы рассеяния, поступающие в компьютер 17, который вырабатывает соответствующий сигнал для запуска излучения лазеров 1, 7 и электро-
мотора 10, приводящего во вращение зеркала 5, 6. Излучение мощных лазеров
1, 7 выводится в атмосферу и возникает проводящий канал ионизации со средней концентрацией электронов 10
12
– 1014 см
-3
, который может использоваться в
качестве антенны.
На рисунке 3.16 изображена структурная схема СНЧ мобильного сухо-
путного передатчика с антенной, которая имеет емкостной компонент с лазер-
ным комплексом, состоящего из мощных Nd и УФ-лазеров для создания проводящего канала ионизации в атмосфере.
Где: 1 – ионизованный проводящий канал в атмосфере;
2 – индуктивность с магнитопроводом;
3 – емкостной компонент антенны с элементом согласования с про-
водящим каналом ионизации;
4 – заземление радиостанции;
5 – Земля;
6 – СНЧ-радиопередатчик;
7 – лазерный комплекс, состоящий из мощного Nd и УФ-лазеров с
приборами контроля излучения (см рисунок 3.15);
8 – лазерный пучок;
9 – блок формирования вертикального ионизованного канала, состо-
ящий из электропривода с двигателем и вращающихся зеркал (см рисунок
3.15);
11 – непрерывный Ar-лазер;
12 и 14 – положительные линзы;
13 и 15 – фотоумножители;
19 – распыляемый порошок;
20 – квадрокоптер с распылителем порошка;
21 – измеритель скорости ветра.
68
Рисунок 3.16 – Структурная схема СНЧ мобильного сухопутного передатчика с
антенной, которая имеет емкостной компонент с лазерным комплексом
На рисунке 3.17 изображена схема расположения НЧ-СНЧ-
радиопередатчиков и глубоководных объектов на Земле.
69
Рисунок 3.17 – Схема расположения НЧ-СНЧ радиопередатчиков и
глубоководных объектов на Земле
На рисунке обозначено:
1 – НЧ передатчики;
5 – Земля;
6 – СНЧ-радиопередатчики;
12 – глубоководные управляемые объекты;
13 – ионосфера.
3.6 Заключение по третьей главе
При использовании частиц аэрозоля в виде Al2O3 для веществ с потенци-
алом ионизации 2 – 5 эВ, в канале пучка ультрафиолетового лазера при интен-
сивности 10
8
Вт/см2 достигается электронная концентрация 1012 см-3.
Для достижения средней проводимости, соответствующей проводимости,
например, тлеющего разряда, которая может быть использована в качестве сре-
ды, способной проводить и излучать электромагнитные волны, необходима ин-
тенсивность ультрафиолетового излучения 10
8
– 1010 Вт/см2.
С помощью искусственной фотоионизации с использованием излучения
неодимового и ультрафиолетового лазеров в атмосфере создается высоко ионизированный проводящий канал, а использование соединения твердотельного
аэрозоля Al2O
3
, обладающего инертными свойствами и низким значением по-
70
тенциала ионизации, увеличивает электрическую проводимость ионизационного канала в воздухе, который является удлинителем вибраторной передающей
антенны, формируя совместно с ней мобильную передающую антенну для
сверхнизкочастотного-низкочастотного радиопередатчика.
Доказана техническая реализация малогабаритных СНЧ-НЧ-антенн, что
указывает на возможность и целесообразность создания мобильных радиопере-
датчиков СНЧ-НЧ-диапазона, которые могут быть рассредоточены по территории Земли с целью повышения живучести СНЧ-НЧ-сети радиосвязи для передачи сигналов управления на глубоководные объекты.
3.7 Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки
1. Каким уравнением описывается движение возмущенной силы?
2. Каким уравнением описывается вертикальный профиль ионизации
в канале лазерного пучка при наличии паров легкоионизируемых примесей?
3. Как определить полную энергию испарения частиц в лазерном луче
сечением 1 см2?
4. Какой метод является основным для измерения проводимости воз-
духа?
5. Изобразите и объясните схему датчика для измерения проводимо-
сти воздуха.
6. Изобразите и объясните схему датчика для измерения напряженно-
сти электрического поля атмосферы.
7. Изобразите и объясните схему экспериментальной установки.
8. Изобразите и объясните схему экспериментального стенда.
9. Изобразите и объясните структурную схему натуральных исследо-
ваний на наклонных трассах.
10. В чем особенность лазерного канала передачи для СНЧ-НЧ-
передатчика?
11. Изобразите и объясните принципиальную схему способа для созда-
ния лазерным комплексом антенны для СНЧ-НЧ-передатчика.
12. Изобразите и объясните структурную схему СНЧ мобильного сухо-
путного передатчика с антенной, которая имеет емкостной комплект с лазер-
ным комплексом.
13. Изобразите и объясните схему расположения НЧ-СНЧ-
радиопередатчиков и глубоководных объектов на Земле.
14. Какая электронная концентрация достигается при использовании
частиц аэрозоля в виде Al2O3 для веществ с потенциалом ионизации 2 – 5 эВ, в
канале пучка ультрафиолетового лазера при интенсивности 10
8
Вт/см2?
15. Какая необходима интенсивность ультрафиолетового излучения для
достижения средней проводимости?
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]