Статья "Измерительные комплексы на потоке"
Опубликована в издании "Лазер-Информ", Выпуск №4(355), февраль 2007
М.В.Рузин , президент ООО «ЛАМЕТ», Москва.
ЛАМЕТ был создан в 1992 году сотрудниками НПО «Астрофизика» , накопившими большой опыт в создании контрольно-измерительной аппаратуры для проведения измерений параметров лазерного излучения. Название «ЛАМЕТ» было образовано из двух слов «ЛАзеры и МЕТрология». В соответствии с названием мы считали основной целью предприятия выход на рынок измерительных средств для высокоэнергетических лазеров на основе новых технических решений, которые нам не удавалось реализовать в рамках плановой экономики.
Жизнь, однако, практически сразу откорректировала наши планы. Платежеспособный спрос на научно-техническую продукцию, которую предприятие могло предложить, в те годы быстро стянулся к нулю, и мы были вынуждены диверсифицировать деятельность вплоть до осуществления чисто коммерческих проектов. Среди них, пожалуй, самым ярким и, потому, достойным упоминания является создание комплекса для лазерного шоу при праздничном оформлении гостиничного комплекса «Измайлово» к 850-летию Москвы.
Были и совсем не лазерные проекты. Например, нами был разработан, изготовлен и запущен в Национальной Лаборатории Возобновляемой Энергии NREL (США) 64-канальный болометрический анализатор пучка солнечного излучения в фокусе зеркального концентратора. Единственное, что, в какой-то степени, роднило данный концентратор со знакомыми нам лазерными установками так это мощность пучка -10 КВт (если вместо нашего анализатора проходного типа устанавливалась сплошная стальная плита толщиной в 10 мм, то в течение минуты в ней прожигалось отверстие диаметром 60 мм).
Однако потихоньку жизнь налаживалась. В первую очередь благодаря ОКБ высокоэнергетических лазеров «Гранат», мы стали ощущать нарастание интереса (экономически обеспеченного) к современной измерительной аппаратуре и постепенно стали возвращаться к тому, что умели делать лучше всего.
Первой ласточкой стал компьютерный измерительный комплекс для проведения трассового (2+2 км) эксперимента с лазерной установкой, использующей обращение волнового фронта. Этот эксперимент проводился в Германии на полигоне фирмы Rheinmetal W&M GmbH. В данном случае наш комплекс обеспечивал одновременное измерение энергии в семи точках сложной схемы, совместную обработку и отображение результатов. Сразу после прохождения импульса излучения на цветном принтере отпечатывался протокол с изображением мнемосхемы всего эксперимента, указанием значений энергии во всех контролируемых точках и приведением энергетических соотношений на всех участках схемы. На протоколе, естественно, автоматически регистрировалась дата и время проведения измерений. Эксперимент проводился в присутствии трех десятков членов Германской Академии наук. Разумеется, главным объектом для них была уникальная лазерная установка, позволяющая проводить такие исследования. Однако, судя по их многочисленным вопросам, было очевидно, что столь передовое контрольно-измерительное сопровождение эксперимента также произвело на них большое впечатление.
В течение последующих нескольких лет ЛАМЕТ создал семь гораздо более сложных компьютерных измерительных комплексов, различающихся как составом измерительной аппаратуры, ее размещением, так и программным обеспечением. Это позволило обеспечить эффективную отработку и испытания ряда сложных лазерных систем, в том числе и в натурных, трассовых условиях. Выполненные работы дали возможность накопить большой опыт регистрации, совместной обработки и отображения разнообразной информации, получаемой от различных первичных преобразователей энергетических, временных и пространственных параметров лазерного излучения. Центральным элементом всех этих комплексов был компьютер, а основную потребительскую стоимость им придавало совершенное программное обеспечение, создаваемое нашими лучшими математиками-программистами на основе новейших сред разработки.
Благодаря большому опыту проведения разработок с комплексным использованием оптики, электроники и собственных программных продуктов наше предприятие, кроме выполнения измерительных проектов, участвовало в многочисленных работах, связанных с оптической локацией, обнаружением, наведением и прочими аспектами практической оптоэлектроники специального назначения. Высокие характеристики разработанных нами составных частей неизменно обеспечивалась применением новейших и, поэтому, наиболее эффективных комплектующих, к сожалению, как правило, иностранного производства (бывали случаи, когда наши электронщики высшей квалификации применяли в создаваемом блоке ту или иную зарубежную микросхему, промышленный выпуск которой был начат месяц-другой назад).
Иногда одна, узко практическая поставленная задача тянула за собой другую, явно более «фундаментальную». Так, например, при оценке работоспособности одного из обнаружительных приборов, в разработке которого наше предприятие принимало участие, стала очевидной актуальность отработки методов и средств оперативной и эффективной оценки так называемого показателя световозвращения (ПСВ) типичных оптико-электронных средств на требуемой длине волны. Применив один из наших измерительных комплексов мы в течение двух недель экспериментально определили индикатрисы ПСВ 25-ти различных оптико-механических и оптико-электронных приборов и, более того, зависимость этих индикатрис от изменения угла пеленга (разумеется, на интересующей нас длине волны).
Так, практически мгновенно, был накоплен большой экспериментальный материал, весьма поучительный как для разработчиков оптических приборов, так и для разработчиков поисковых систем. Позднее ЛАМЕТ наладил выпуск «Образцов ПСВ» т.е. простых оптических устройств с нормированной характеристикой светоотражения. Подобные приборы находят применение при проверке чувствительности поисковых обнаружительных систем. Кроме того, они дают возможность экспериментальной сравнительной оценки ПСВ оптико-электронных средств с неизвестным светоотражением.
Другая практическая проблема, возникшая при отработке приемных каналов оптических локационных систем, была обусловлена отсутствием простых и удобных излучателей с требуемыми длинами волн. Разработав и изготовив несколько макетов на основе выпускаемых лазерных диодов, мы затем наладили изготовление полупроводниковых лазеров серии ПЛ. Отличительной особенностью этих лазеров является специальный блок управления, позволяющий менять режимы работы (непрерывный, импульсный и импульсно-периодический), а также устанавливать, пользуясь табло, длительность импульса и период следования импульсов. Таким образом, данные излучатели не требуют использования каких-либо модуляторов и обтюраторов, а также средств контроля параметров импульсов – осциллографов, частотомеров и пр.
И все-таки, критически анализируя проведенные в эти годы разработки, мы с сожалением отмечали, что трудоемкость и, соответственно, себестоимость выполненных работ слишком высоки. В значительной степени повышенная трудоемкость объяснялась тем обстоятельством, что все эти разработки, как правило, были по-своему уникальны; каждый раз приходилось начинать с поиска и нахождения совокупности наиболее эффективных технических решений, а из-за разнообразия задач, как правило, не удавалось воспользоваться ранее найденными решениями, как базовыми или типовыми.
Первым исключением из этого печального правила, похоже, должна стать наша новая разработка - Цифровой Регистратор Информации РИЦ822, позволяющий, как нам кажется, поставить создание измерительных комплексов на поток. Этот прибор появился в результате наших целенаправленных усилий по учету и удовлетворению потребностей в получении информации о лазерном излучении в процессе создания и, особенно, на этапе испытаний той или иной лазерной установки. Регистратор имеет возможность накопить в своей памяти 10 временных последовательностей и 2 видеопоследовательности меняющихся изображений, причем сделать это в многостраничном режиме (например, для серии импульсов). Вся эта информация по USB- интерфейсу автоматически передается в компьютер, обрабатывается и отображается на его экране. В качестве компьютера обычно используется ноутбук.
Таким образом, весьма компактная система, состоящая из регистратора РИЦ822 и компьютера, объединяет возможности 10-ти канального цифрового осциллографа и 2-х канального цифрового фоторегистратора. Но благодаря применению постоянно совершенствующегося программного обеспечения этим потенциал системы не исчерпывается. Сквозная калибровка канала вместе с первичным преобразователем мощности дает возможность отчитывать соответствующие показания непосредственно в Вт; программное задание алгоритма обработки выходного сигнала калориметра позволяет определять энергию непосредственно в Дж; учет в программе фокусного расстояния собирающей оптической системы позволяет определять расходимость пучка в мкрад (в настоящее время по 11 критериям), осевую силу излучения в Дж/ср или Вт/ср и т.д.
Стараясь обеспечить универсальность регистратора, мы сознательно пошли на определенную избыточность его возможностей. Но именно эта избыточность дает возможность маневра при проведении исследований, уточнении их объема и совершенствовании методики проведения. В этом небольшом изделии в максимальной степени «спрессован» наш многолетний опыт разработки измерительных комплексов для лазерных установок. Именно теперь мы и наши смежники получили возможность проведения исследований, о целесообразности которых до сих пор, как правило, велись только малопродуктивные дискуссии. К числу таких исследований можно отнести: - одновременное измерение распределений интенсивности излучения по сечению лазерного пучка в ближней и дальней зонах и оценка корреляции между этими распределениями; - одновременное измерение расходимости по различным критериям, оценка зависимости каждого из этих параметров от энергии накачки, длительности импульса, энергии излучения и пр.; - измерение расходимости излучения во времени (в течение импульса и серии импульсов); - измерение кривизны волнового фронта во времени (в течение импульса и серии импульсов); - измерение угловых координат оси пучка во времени (в течение импульса и серии импульсов); - измерение степени и азимута поляризации излучения во времени (в течение импульса и серии импульсов); - измерение распределения мощности по спектральным линиям во времени (в течение импульса и серии импульсов); - одновременное измерение параметров пучка и регистрация сопровождающих нелинейных эффектов (плазмы, пробоя и пр.); - раздельную фоторегистрацию накрытия мишени двумя импульсами излучения, разнесенными на несколько мкс; - измерение коэффициента пропускания оптического узла во времени в процессе его разрушения излучением; - статистическую обработку и фильтрацию полученных временных сигналов, определение их спектров и т.д.; - статистическую обработку, фильтрацию двумерных распределений интенсивности, раздельную обработку их отдельных фрагментов и пр.
Хотя программное обеспечение в настоящее время в основном рассчитано на обработку параметров именно лазерного излучения, сам по себе регистратор РИЦ822 может применяться и при проведении других физических исследований (особенно когда требуются многоканальный контроль различных параметров и параллельная регистрация видеоинформации). Так, например, осенью 2006г один из регистраторов РИЦ822 успешно использовался при оценке эффективности мощной импульсной СВЧ-установки.
Программное обеспечение, прилагаемое к регистратору, постоянно совершенствуется и дополняется новыми блоками. В качестве иллюстрации можно привести новые возможности по определению параметров направленности лазерных диодов. Известно, что лазерные диоды обладают весьма широкой диаграммой направленности, измеряемой (по крайней мере, по одному направлению) десятками градусов. Оперативные измерения этого параметра в настоящее время затруднены, поскольку требуют применения какого-либо поворотного устройства для того, чтобы приемник, контролирующий интенсивность излучения, мог последовательно охватить лазерный диод с разных сторон. Наше ПО позволяет все измерения свести к однократной операции - регистрации распределения интенсивности излучения диода на специальном экране. Дальнейшая обработка, включающая поочередное (по осям X иY) преобразование распределения интенсивности к цилиндрическим координатам, и отображение информации производится компьютером мгновенно и автоматически.
На наш взгляд открывающиеся возможности совместной обработки и отображения полученной информации для всестороннего анализа экспериментальных результатов делают целесообразным наличие Регистратора РИЦ822 в каждой исследовательской лаборатории. И не только в лаборатории. Портативность и малое энергопотребление, характерные для измерительного комплекса на основе РИЦ822, позволяют оперативно развернуть его для проведения конкретного эксперимента практически в любом требуемом месте, например, в цехе, на трассе в чистом поле (лишь бы не было мороза и дождя) и, даже, на вертолете.
Мы открыты для сотрудничества.
