Цифровой накопитель информации для исследования флуктуаций оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Исследованию распространения электромагнитных и звуковых волн в турбулентной атмосфере уделяется значительное внимание в связи с широким использованием оптических, радиотехнических и звуковых систем в земной атмосфере. Атмосфера, и особенно ее приземной слой, оказывает существенное, часто решающее влияние на распространение оптических и звуковых волн. Вне линий поглощения излучения свободной от аэрозольного замутнения атмосферы турбулентность становится основным фактором определяющим функционирование лазерных комплексов различного назначения и определяет информационную емкость и надежность оптических линий связи, пространственное и временное разрешение лазерных локаторов различного назначения и т. д. Вопросы теории флуктуаций характеристик лазерного излучения и акустических волн при распространении в турбулентной атмосфере является предметом интенсивных исследований на протяжении многих лет. Они изложены в основополагающих монографиях Татарского [1,2] и Осташова [18] и других авторов [10,12,39,41], подводящих определенные итоги проведенных исследований. Однако развитие теоретических исследований невозможно без проведения соответствующих экспериментов. Часто именно эксперимент, как это было в случае сильных флуктуаций интенсивности, вызывает необходимость развития более совершенных теоретических методов, позволяет уточнить границы применимости имеющихся теоретических результатов, дать совершенно новые знания.

Для этого разрабатываются и создаются сложные комплексы аппаратуры [4,16,25,36,40,42], методики, программы сбора и обработки экспериментальных данных [14,34].

Атмосферно-оптические эксперименты проводятся преимущественно на больших открытых площадках. Такое требование возникает по многим обстоятельствам. Поля многих метеопараметров, характеризующих состояние атмосферы могут искажаться строениями и другими объектами, расположенными в месте измерения, и поэтому измерительный полигоны располагаются на значительном (более 3 км) удалении от всевозможных строений. Другими словами — измерения проводятся в полевых условиях и для этого требуется специальная аппаратура, удовлетворяющая целому ряду эксплуатационных требований: ¦рабочий диапазон температур не уже (-10 +40 гр. С) — устойчивая работа в условиях запыленности и слабых осадковмобильностьнадежность.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. В конце семидесятых годов при проведении экспериментальных исследований распространения оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере для регистрации и обработки сигналов использовалась преимущественно аналоговые приборы. Их точность и эксплуатационные характеристики не устраивали ученых экспериментаторов, работающих в этом направлении. Нужна была аппаратура и методы, которые имели большой динамический (до 7 0дБ) и частотный (до 10 КГц) диапазоны [37], а также обеспечивали регистрацию большого объёма информации (520 Мбайт.), с нескольких источников.

Этим условиям удовлетворяли цифровые методы, которые в то время в основном использовались для решения вычислительных задач, но уже делались первые попытки применить их для регистрации, анализа и обработки экспериментальных данных. Поскольку такая аппаратура нашей промышленностью не выпускалась то практически все ученые-экспериментаторы, которые занимались распространением волн, уделяли много внимания разработке и созданию специальной аппаратуры для своих экспериментальных исследований.

Электронно — вычислительные машины (ЭВМ) в начале 80-х годов были в основном стационарными, поэтому для регистрации экспериментальных данных использовались различные накопители информации с последующим вводом её в ЭВМ.

Для регистрации больших объёмов и потоков информации использовались в основном многоканальные магнитографы (аналоговые магнитофоны, использующие частотную модуляцию), скоростные перфораторы типа ПЛ-150. Использовались также цифровые накопители на магнитной ленте на основе лентопротяжных механизмов от бытовых магнитофонов или ЭВМ. Далее эта записанная на тот или иной носитель информация доставлялась на вычислительный центр (ВЦ), вводилась в ЭВМ и обрабатывалась. По такой схеме работали многие ученыеэкспериментаторы Института физики атмосферы АН СССР и Института оптики атмосферы СО РАН, занимающиеся проблемой распространения оптических и звуковых волн в атмосфере.

Однако использовавшиеся накопители информации по своим техническим характеристикам не позволяли зарегистрировать экспериментальные данные для достаточно большого круга задач распространения волн в атмосфере.

Магнитографы типа Н-03 6, Н-04 9 имели узкий динамический диапазон до 4 7 ДБ, а перфораторы и цифровые накопители — низкий частотный диапазон до 0150гц и 0−5 Кгц соответственно. Однако цифровая запись информации привлекала неограниченностью динамического диапазона регистрируемых параметров и надежностью хранения информации. Нужно было только увеличить частотный диапазон или, по-другому, поток регистрируемой информации при неизменной достоверности.

Цифровой называется запись, при которой сигнальное описание записываемой информации преобразуется в канале записи в цифровую форму или перекодируется из одной цифровой формы в другую. Техника цифровой магнитной записи насчитывает немногим более трех десятилетий. Ее возникновение и развитие на первых этапах было связано с потребностями электронно-вычислительной техники во внешних запоминающих устройствах.

ВЗУ), обладающих достаточно большим объемом памяти и низкой стоимостью хранения информации.

Внешние запоминающие устройства ЭВМ в виде накопителей на магнитных лентах (НМЛ) и дисках (НМД) и сейчас являются наиболее распространенными устройствами цифровой записи, причем существует большое число различных типов НМЛ и НМД.

Достижения микроэлектроники конце 7 0-х начале 80-х гг. обеспечили почти повсеместный переход к цифровым методам записи информации на магнитные носители.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка и создание цифрового накопителя на магнитной ленте для обеспечения достоверной цифровой регистрации больших объёмов и протоков информации от оптических датчиков при экспериментальных исследованиях оптики турбулентной атмосферы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов работы определяется тем, что впервые: разработан и создан цифровой накопитель на магнитной ленте с повышенной плотностью записи (2 00 пер/мм), с широким частотным диапазоном (до 12 0 кГц) и большим объёмом (до 300Мб) регистрации информации в реальном времени, обеспечивающий получение достоверных экспериментальных данных (коэффициент искажения не хуже 10−7) о распространении оптических и акустических волн в атмосфере.

Использование в экспериментальных исследованиях разработанного накопителя позволило:

— установить применимость К-распределения для описания плотностей вероятностей насыщенных флуктуаций интенсивностиполучить экспериментальное подтверждение предсказанного теоретически низкочастотного сдвига временного спектра флуктуаций интенсивности оптических и звуковых волн в зависимости от эффективной скорости ветра дляэкспериментальным путем подтвердить существование эффекта усиления обратного рассеяния и усиления флуктуации интенсивности оптического излучения, отраженного в турбулентной атмосфере от плоского зеркала.

ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных результатов работы подтверждается:

— Результатами независимых испытаний цифрового накопителя на предприятии п/я В2431 на соответствие техническим условиям.

— Достаточным динамическим, частотным диапазонами и достоверностью регистрируемых экспериментальных данных.

— Статистической устойчивостью и неоднократной воспроизводимостью экспериментальных данных.

— Совпадением результатов экспериментов с корректными теоретическими данными и результатами независимых измерений.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ, СВЯЗЬ С ПЛАНОВЫМИ ИССЛЕДОВАНИЯМИ. В диссертации изложены материалы, которые использовались в ИОА СО РАН при выполнении бюджетных НИР, а также хоздоговорных НИР ФК101, ФК104, ЗОЖб, TIA, КД, ОКР № 416, отнесенных директивными органами Академии наук к важнейшей тематике.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ:

1. Способ выделения синхронизации из информации при многоскоростной цифровой магнитной записи сигналов в диапазоне температур -50 +50 Гр. Цельсия, основанный на цифровой «привязке» фазы генератора, стабилизированного кварцевым резонатором, к фазе воспроизводимого сигнала.

2. Способ организации оперативной диагностики и ремонта цифрового накопителя на магнитной ленте без останова режима записи или воспроизведения, основанный на использовании самокорректирующегося кода и построении накопителя с учетом канальности и модульности.

И СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

3. Для достижения коэффициента выпадения информации не хуже 10Е-7 в аппаратах магнитной записи необходимо использовать самокорректирующиеся коды.

4. Достигнутые технические характеристики цифрового накопителя позволяют осуществлять эффективные исследования распространения оптических и звуковых волн в турбулентной атмосфере. В частности использование цифрового накопителя позволило доказать существование ряда физических закономерностей, не имевших до этого экспериментального подтверждения:

— при отражении от плоского зеркала оптического излучения в направлении строго назад происходит как увеличение его среднего значения, так и флуктуаций интенсивности;

— при любых отношениях дисперсии флуктуаций поперечной скорости ветра а±к её среднему значению Ч±вариации временных характеристик флуктуаций интенсивности оптических и звуковых волн лежат в границах, соответствующих значениям а±-=0 и У±-=0;

— закон распределения плотности вероятности насыщенных флуктуаций интенсивности оптических волн близок к К-распределению.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на III Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Томск, 1983), VIII Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1981), на III национальной конференции Laser — 88 (Bulgaria, Plovdiv, 1988), на II, III, IV — Межреспубликанских симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск 1995,1996,1997) а также на специализированных семинарах ИОА.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 8 статей в рецензируемых журналах, сделано 7 докладов на Всесоюзных и международных конференциях, получены два авторских свидетельства. Общий перечень их включен в список литературы диссертации.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и приложения.

Объем диссертации 119, страниц включая 37 рисунков, 9 таблиц.

ВО ВВЕДЕНИИ показана актуальность темы диссертации, проанализированы история и состояние вопроса, сформулированы основные задачи, обоснованы достоверность полученных результатов, научная и практическая значимость работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проводится аналитический обзор работ по методам и способам записи цифровой информации на магнитный носитель при повышенной плотности и делается выбор функциональной схемы накопителя.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена описанию накопителя на магнитной ленте и его отдельных устройств, а также алгоритмов их работы.

В ГЛАВЕ 3 рассматриваются результаты экспериментальных работ по изучению распространения лазерного излучения и акустических волн в атмосфере с использованием разработанного цифрового накопителя информации.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ даны основные выводы по результатам работы.

Список литературы

включает 52 наименования.