М М Асанов - Дистанційне визначення стоксових параметрів випромінювання з поляриметром на прозорих феримагнітних кристалах - страница 1

Страницы:
1  2  3 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АСАНОВ МАРЛЕН МУСТАФАЙОВИЧ

УДК 528.8: 53.083 (043.3)

ДИСТАНЦІЙНЕ ВИЗНАЧЕННЯ СТОКСОВИХ ПАРАМЕТРІВ ВИПРОМІНЮВАННЯ З ПОЛЯРИМЕТРОМ НА ПРОЗОРИХ ФЕРИМАГНІТНИХ КРИСТАЛАХ

05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ 2013

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Тронько Володимир Дмитрович, Національний авіаційний університет, професор кафедри авіоніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Кисельов Микола Миколайович, Головна астрономічна обсерваторія НАН України, головний науковий співробітник

кандидат фізико-математичних наук, доцент

Савенков Сергій Миколайович,

Київський національний університет імені Тараса

Шевченка,

завідувач кафедри електрофізики радіофізичного факультету

Захист відбудеться «24» квітня 2013 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради - К26.062.13 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, ауд. 3.506, кафедра аерокосмічної геодезії.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий «_» березня 2013 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради

Л. С. Чубко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Поляризація є фундаментальною фізичною характеристикою випромінювання, обумовленою електромагнітною природою світла, а її вимірювання з наступним теоретичним аналізом є потужним інструментом діагностики. Стан поляризації випромінювання несе в собі інформацію про характеристики (альбедо, склад, структуру, форму, орієнтацію та ін.) як окремих частинок, так і поверхонь досліджуваних об'єктів [1].

На теперішній час існує велика кількість різних приладів для визначення параметрів поляризованого випромінювання - Стокс-поляриметрів, що вимірюють всі чотири компоненти вектора Стокса /, M, C, S [2]. Недоліками деяких типів цих приладів є необхідність проведення декількох послідовних вимірювань, встановлюючи при цьому складові елементи поляриметра на заздалегідь розраховані оптимальні азимути [3]. Неодночасність вимірювань параметрів поляризації вимагає високої стабільності прозорості та якості середовища розповсюдження досліджуваного випромінювання.

Фотополяриметричні методи мають високу чутливість, завдяки чому знайшли широке застосування, зокрема, для: вимірювання взаємного розвороту об'єктів; визначення концентрації оптично-активних речовин; дистанційного аерокосмічного зондування та ін. [4]. Використовувані у фотополяриметрах фарадеївські модулятори з парамагнітними матеріалами мають кутову амплітуду коливань площини поляризації до одного градуса при керуючих магнітних полях близько 80 103 А/м, для створення яких застосовуються потужні підмагнічувальні соленоїди, що мають велику сталу часу. Такі фотополяриметри, хоча і мають високу чутливість, є інерційними, енергоємними і мають великі розміри, тому можуть бути використані переважно в лабораторних умовах. Крім того, через невелику кутову амплітуду коливань площини поляризації парамагнетиками чутливість таких фотополяриметрів при великому значенні деполяризації оптичного променя різко знижується.

Усунути ці недоліки можна шляхом використання замість фарадеївського модулятора на парамагнетику фарадеївського модулятора на феримагнітному кристалі (фериті-гранаті ітрію), прозорому в інфрачервоному (ІЧ) діапазоні (1,1 - 4,5 мкм). Питомий поворот площини поляризації світла такими кристалами досягає 103 град/см при магнітних полях до 80 А/м і споживаних потужностях ~0,05 Вт [5]. За допомогою фарадеївського модулятора на феримагнетику можна здійснювати модуляцію на високих частотах (близько 10 кГц), що дозволяє різко знизити вплив струмових шумів.

Слід зазначити, що на відміну від парамагнетика, який оптично однорідний, ферит має доменну структуру і навіть в стані насичення йогонамагніченість неоднорідна. Під час підсумовування світлового потоку по всьому поперечному перетину на виході феримагнетика промінь буде частково деполяризованим. Із зростанням зовнішнього магнітного поля збільшується розмір доменів, намагніченість яких спрямована вздовж цього поля. Досягнувши полів насичення, доменна структура зникає, однак намагніченість кристала залишається неоднорідною. Незважаючи на те, що феримагнетик частково деполяризує світловий промінь, що проходить крізь нього, завдяки великому питомому повороту площини поляризації фарадеївським модулятором вдається максимально наблизитися до чутливості системи з ідеальним недеполяризуючим оптичним каналом, що важливо при його використанні у дистанційному аерокосмічному зондуванні.

Швидкі темпи розвитку дистанційного аерокосмічного зондування, необхідність створення малогабаритного, малопотужного пристрою, здатного вимірювати компоненти вектора Стокса з високою точністю, зумовили вибір теми дисертаційного дослідження «Дистанційне визначення стоксових параметрів випромінювання з поляриметром на прозорих феримагнітних кристалах».

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові результати отримано в рамках наступних науково-дослідних робіт:

1. Методологія побудови та застосування систем і технологій неінвазивного вимірювання глюкози в крові людини. Шифр Ф25/682-2007 (номер державної реєстрації № 0107U009152).

2. Дослідження, обґрунтування та створення науково-методичного забезпечення підготовки фахівців з авіоніки в умовах реформування вищої

школи. Номер 32/08.01.04.

3. Дослідження, обґрунтування та створення науково-методичного забезпечення підготовки магістрів з комплексів пілотажно-навігаційного обладнання та удосконалення підготовки бакалаврів з авіоніки. Номер

93/22.01.05.

Метою дослідження є визначення оптимальних характеристик способу реєстрації кута повороту площини поляризації з використанням прозорих в інфрачервоному діапазоні феримагнетиків та розроблення на його основі методу розрахунку параметрів поляризованого випромінювання.

Для досягнення наведеної мети в рамках цієї роботи розглянуті наступні задачі:

1. Аналіз особливостей оптичних методів реєстрації кута повороту площини поляризації із застосуванням прозорих в ІЧ діапазоні феримагнітних кристалів, порівняння їх з існуючими методами та обґрунтування доцільності їх використання у дистанційному аерокосмічному зондуванні.

2. Дослідження залежності ступеня поляризації світла від керуючого магнітного поля у феримагнітному кристалі модулятора і оцінка впливу йогодоменної структури на точність реєстрації кута повороту площини поляризації під час визначення параметрів поляризованого випромінювання.

3. Проведення аналізу особливостей існуючих методів визначення стокс-параметрів поляризованого випромінювання.

4. Обґрунтування доцільності методу вимірювання, запропонованого в дисертаційній роботі, і визначення можливості його застосування для проведення досліджень об'єктів Сонячної системи, дистанційному зондуванні атмосфери Землі та в інших галузях.

Об'єкт дослідження - процес визначення стану поляризації світлового випромінювання.

Предмет дослідження - метод дистанційного визначення стоксових параметрів поляризованого випромінювання з використанням прозорих в ІЧ діапазоні феримагнетиків.

Методи дослідження. У роботі використовувалися метод Мюллера для матричного опису світлового пучка і оптичного пристрою, через який проходить світло; числові методи розрахунку і аналізу; методи комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

1. Результати роботи сприяли подальшому використанню методу реєстрації кута повороту площини поляризації з оптично прозорими в ІЧ діапазоні феримагнітними кристалами у дистанційних аерокосмічних дослідженнях.

2. Вперше запропоновано визначення стоксових параметрів поляризованого випромінювання шляхом вимірювання його кута еліптичності і азимута еліпса поляризації з використанням фотополяриметра на прозорих в ІЧ діапазоні феримагнетиках.

3. Враховані і мінімізовані впливи недосконалості оптичних елементів фотополяриметра (поляризаційних призм, модулятора) і стороннього засвічення (туман, хмари, пил тощо) на точність і чутливість визначення параметрів поляризованого випромінювання шляхом збільшення відношення сигналу до шуму завдяки вибору оптимальної кутової амплітуди коливань площини поляризації.

4. Вперше показано, що запропонований метод реєстрації кута повороту площини поляризації може застосовуватися для вимірювання концентрації оптично активних речовин в мутних середовищах, фіксації зміни температури атмосфери небесних тіл.

Практичне значення одержаних результатів

1. Завдяки невеликим розмірам, вазі і споживаній енергії, а також великому питомому повороту площини поляризації світлового променя є можливість використовувати запропонований поляриметр як на наземних (аеродромі, телескопі) так і на літаючих об'єктах (літак, вертоліт, супутник)при проведенні аерокосмічних досліджень Землі і небесних тіл.

2. Внаслідок урахування впливу всіх елементів оптичного тракту на деполяризацію променя продемонстрована можливість використання запропонованого поляриметра у дистанційних аерокосмічних дослідженнях без істотної втрати чутливості і точності вимірювань.

3. Запропонований метод дозволяє з високою точністю визначати величини відносних компонент вектора Стокса падаючого випромінювання, що дозволить використовувати його для дистанційного зондування аерозольних і хмарних частинок в атмосфері Землі з літаків і орбітальних супутників; різних об'єктів Сонячної системи; проводити аналіз властивостей теплового випромінювання пилу комет, астероїдів.

4. Запропоновані методи реєстрації кута повороту площини поляризації можуть бути використані під час дослідження каламутних рідин, таких як бензин, гас, кров тощо, а описаний метод і пристрій фіксації зміни температури можуть бути використані для високоточних вимірювань зміни температури.

Особистий внесок здобувача Основні результати дисертації, висновки, які викладені в дисертаційній роботі й виносяться на захист, одержані та розроблені автором самостійно. Вони представлені в наукових виданнях, на міжнародних і національних конференціях і семінарах. Роботи [11, 22, 23] виконані самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному: у [7-10, 12-21] прийнято участь у розробці методу дослідження, побудовані та проаналізовані графіки отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати, отримані автором, доповідались на V Всеукраїнській науковій конференції «Проблеми та перспективи наук в умовах глобалізації» (Тернопіль, 2009); X та XI Міжнародних науково-практичних конференціях молодих учених та студентів «ПОЛІТ - 2010. Сучасні проблеми науки» (Київ, 2010) та «ПОЛІТ - 2011. Сучасні проблеми науки» (Київ, 2011); The Fourth and Fifth World Congresses «Aviation in the XXI-st Century. Safety in Aviation and Space Technologies)) (Kyiv, 2010) and (Kyiv, 2012); Всеукраїнській науково-практичній конференції молодих учених та студентів «Проблеми навігації і управління рухом» (Київ, 2010); X Міжнародній науково-технічній конференції «АВІА-2011» (Київ, 2011).

Публікації. За матеріалами дослідження опубліковано 17 робіт, з них -8 статей у наукових фахових виданнях, 3 патенти України на винахід та 6 у матеріалах наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, трьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел, що містить 196 посилань. Загальний обсяг роботи становить 145 сторінок, у тому числі 42 рисунки та 1 таблиця.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми дисертаційного дослідження, сформульовані мета і завдання роботи, визначені об'єкт і предмет дослідження, охарактеризовані методи проведення дослідження, розкрита новизна і практичне значення отриманих результатів, викладені дані про їх апробацію.

У розділі 1 - «Огляд існуючих методів та пристроїв реєстрації кута повороту площини поляризації» - міститься загальна інформація про існуючі методи і пристрої реєстрації кута повороту площини поляризації, зокрема із застосуванням феримагнітних кристалів.

В основі оптичних методів реєстрації кута повороту площини поляризації лежить залежність інтенсивності світла, що пройшло крізь аналізатор, від його кутового відхилення відносно виділеного напряму. Широкого поширення набув спосіб вимірювання кута повороту площини поляризації з використанням модуляції її положення, заснований на магнітооптичному ефекті Фарадея. У цьому способі площину поляризації під час вимірювання безперервно приводять в обертання або коливання з переходом через максимум або мінімум світла. У якості активного елемента модулятора доречніше використовувати феримагнітні матеріали, які є прозорими в ІЧ діапазоні випромінювання. Фотополяриметри з модуляторами на феримагнітних кристалах малогабаритні і малопотужні, мають високу точність і чутливість до 0,0002° [4].

Проведений аналіз літературних джерел показав, що більшість з оптичних методів та пристроїв реєстрації кута повороту площини поляризації можуть бути використані виключно при дослідженні недеполяризуючих об' єктів та систем. Тому виникає необхідність розробки методів, які б дозволили без зниження чутливості вимірювання працювати з реальними системами, що деполяризують і розсіюють світловий промінь. Тим самим ці методи знайдуть ширше практичне використання, зокрема, у дистанційному аерокосмічному зондуванні.

У розділі 2 - «Аналіз методу реєстрації кута повороту площини поляризації випромінювання із застосуванням прозорих феримагнітних кристалів» - описаний та проаналізований метод реєстрації кута повороту площини поляризації із застосуванням фотополяриметра на феримагнітних кристалах для подальшого його застосування під час вимірювання параметрів поляризованого випромінювання.

Класична блок-схема оптичного каналу зображена на рис. 1 [4]. Елементи 1, 2 та 3 знаходяться у передавальному, а 5 та 6 - приймальному об' єктах. Розрахунок такого каналу виконувався методом матриць Мюллера і вектора Стокса [6]. Для світлового променя, що пройшов крізь канал, був розрахований вектор Стокса:

 (КО, = Ра ]Рс Pm ]Рп №), (i) де (Vi) - вектор Стокса падаючого променя; [РП], [РМ], [Pc], [PA] - відповідно матриці, що описують властивості поляризатора, модулятора, середовища розповсюдження оптичного променя і аналізатора.

1        2 3 4 5 6

Рис. 1. Блок-схема оптичного каналу: 1 - джерело природного світла; 2 - поляризатор; 3 - модулятор; 4 - середовище розповсюдження оптичного променя; 5 - аналізатор; 6 - фотоприймач [4]

Проаналізована зміна вектора Стокса променя світла, що послідовно проходить оптичний канал для двох випадків - ідеальної і неідеальної систем, тобто систем із застосуванням оптичних елементів і середовища розповсюдження оптичного променя, що не деполяризують і деполяризують світловий промінь.

Інтенсивність (перша компонента вектора Стокса) світла на виході аналізатора для неідеального каналу дорівнюватиме:

І = (1 - R)2 e-110 (к1 + k2 )2 [і + - 2Gd )2 pp' cos2(cp-p + 8 + 8=)) (2)

де R, у - відповідно коефіцієнти відбиття і поглинання світла середовищем; І0 - інтенсивність світлового променя на вході системи; k1, k2 - головні

значення    пропускання    поляризаційних    призм;     Gd =  + k ) -

поляризаційний дефект призми; р - ступінь поляризації світла в середовищі; p- ступінь поляризації світла в модуляторі; ф - азимут площини

найбільшого пропускання аналізатора; в - азимут площини найбільшого пропускання поляризатора; 9= - додатковий кут повороту площини поляризації світла, пов'язаний з геометричними дефектами, залишковою намагніченістю фериту; 9 - кут повороту площини поляризації під впливом модулятора, який змінюється за періодичним законом: 8 = 80ф(/), де 90 -

кутова амплітуда коливань площини поляризації; Ф(ґ) - довільна періодична функція, що змінюється в часі з частотою £1

В разі ідеальної системи в (2) слід підставити наступні значення параметрів: k1 = 1, k2 = 0, p = 1, p' = 1,6= = 0.

У цьому дослідженні враховується вплив на якість оптичного каналу не лише  поляризаційних призм і середовища розповсюдження оптичногопроменя, але і фарадеївського модулятора з прозорим в ІЧ діапазоні феримагнетиком у якості активного елемента.

Ступінь поляризації світла для неідеального каналу матиме вигляд [6]:

P = = (1 - 2Gd)2 pp', (3)

де Iii і І1 - відповідно інтенсивності світла, яке пройшло крізь пару поляризаторів при взаємно паралельному і взаємно перпендикулярному їх поляризуючих напрямах.

У цій роботі був узагальнений вираз для ступеня поляризації світла в оптичному каналі Р і розрахований параметр Р променя, що пройшов крізь оптичну систему. Застосування параметра Р в розрахунках дозволяє проводити повний аналіз роботи системи і отриманих результатів, оскільки він залежить як від властивостей оптичних елементів, так і середовища розповсюдження, тобто від властивостей оптичного каналу в цілому.

Інтенсивність світла на виході аналізатора для неідеального каналу з урахуванням отриманих виразів перетвориться до вигляду:

І = (1 - R)2 e-"110 (k1 + k2 )2[l + P cos2(cp-p + 6 + e=)]. (4)

Похибка визначається точністю описаної оптичної системи, яка у свою чергу пов'язана з відношенням сигналу до шуму за потужністю. Тому для аналізу описаного оптичного каналу було розраховано відношення сигналу до шуму за потужністю:

S, (5)

N    U2 + U2

w T ДР

де UC, иТ, Up> - відповідно напруга, що створюється сигналом, тепловими і дробовими шумами.

В процесі дисертаційного дослідження було розглянуто два варіанти модуляції комірки Фарадея: модуляція прямокутними сигналами або меандром і модуляція меандром з виділенням першої гармоніки. Вони були порівняні з варіантом модуляції комірки Фарадея синусоїдальними сигналами.

У разі модуляції прямокутними сигналами:

Ті

1,   0 <t <; 1,   — < t <-.

Відношення сигналу до шуму для неідеальної системи за потужністю в цьому випадку має вигляд:

= —A2 (( + к2 )2_4Р 2sm2 29°_, (7)

N    Af    V 1     22 U'2

--^ +1 - Pcos29°

AA2 (ki + k2 )2

де  A = AA^A ; А, Аj, А2 - постійні, що залежать від властивостей

фотоприймача; U'T = UyAf' Af - Діапазон частот; А - кут розбалансування

оптичної системи (чутливість системи).

Відношення сигналу до шуму для неідеальної системи за потужністю у випадку модуляції синусоїдальними сигналами (Ф = sin Qt) матиме вигляд:

= a2 (ki + k2 )2_28P 2 J1 (29°)_, (8)

N    Af    V1     2! U'2

де Jk(x) - функція Бесселя к -того порядку.

В разі модуляції меандром з подальшим виділенням першої гармоніки відношення сигналу до шуму для неідеальної системи за потужністю на виході фотоприймача має вигляд:

8P 2

    A A2 (ki + k2 )2

N    Af    v i     2/ UT2

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

М М Асанов - Дистанційне визначення стоксових параметрів випромінювання з поляриметром на прозорих феримагнітних кристалах