Конструкция ветрового лидара
Введение
В настоящее время происходит быстрое развитие лазерных
технологий и областей применения оптических приборов с использованием лазерных
излучателей, таких как лазерное зондирование атмосферы, геодезия, картография,
системы обеспечения вихревой безопасности полетов и т.д.
За последние 20 лет в международной практике
авиаметеорологического обеспечения авиации были достигнуты значительные успехи
в разработке, как наземного, так и бортового оборудования, предназначенного для
обнаружения сдвига ветра и предупреждения о нем. В частности, большой прогресс
в разработке наземных доплеровских РЛС и доплеровской технологии обработки
сигналов способствовал появлению высокоэффективных наземных систем обнаружения
и предупреждения о сдвиге ветра.
Опыт западных стран свидетельствует об успешном использовании
этой не так давно сугубо военной технологии в задачах метеорологического
мониторинга и управления воздушным движением. Установленные в районах
аэропортов, лидары измеряют ветровые сдвиги на летном поле, завихренность следа
самолета и другие атмосферные параметры, знать которые необходимо для
обеспечения безопасности в метеорологическом отношении взлета и посадки
воздушных судов. В мировой практике авиаметеорологического обеспечения
использование лидаров в этих целях осуществляется с 90-х годов. Это
оборудование установлено в крупных авиапортах Англии, Германии, Франции и
Гонконга.
Приблизительный эффект от использования лидара уже просчитан
и для аэропорта Хитроу он составляет увеличение пропускной способности около
26000 рейсов в год, а для аэропорта Франкфурт-на-Майне около 11500 рейсов
соответственно.
В Российской Федерации в настоящее время отрабатывается
процедура внедрения интегрированной системы вихревой безопасности полетов в
оперативную практику наблюдений за турбулентностью. Эта система включает в себя
«Подсистему метеорологического обеспечения» состоящую из наземного модуля,
основой которого является лидарный комплекс для метеорологического обеспечения
полетов авиации и мониторинга вихревой обстановки (разработка НПО «Лазерные
системы» и ЗАО «Спецтехника»), а также разрабатываемый ОАО «Концерн ПВО
«Алмаз-Антей» доплеровский метеорологический радиолокатор.
Методы лазерного зондирования, и только они, обеспечивают
получение профилей или полей различных параметров атмосферы с исключительно
высоким временным и пространственным разрешением, обладая при этом рекордными
концентрационными чувствительностями.
Рис. 1. Зондирование атмосферы с помощью лидара
доплеровский лидар вихревый
сигнал
Лазерное зондирование основывается на принципе световой
локации атмосферного аэрозоля при помощи лидара. В обобщенном смысле лазер в
лидаре используется как импульсный источник направленного светового излучения.
В отличие от радиодиапазона, в световом диапазоне частот из-за малости длин
волн особенно видимого и ультрафиолетового излучения отражателями локационного
сигнала являются все молекулярные и аэрозольные составляющие атмосферы, т.е. по
сути дела сама атмосфера формирует лидарный эхо-сигнал со всей трассы
зондирования. Это позволяет осуществлять лазерное зондирование по любым
направлениям в атмосфере.
Использование для зондирования атмосферной среды оптического
излучения видимого и ближнего ИК-диапазона позволяет существенно расширить
возможности дистанционного мониторинга среды и проводить измерения при
существенно меньших концентрациях аэрозоля, чем метеорадары. Это особенно
актуально для решения задач вихревой безопасности в авиации, поскольку в
благоприятных для полетов условиях видимость хорошая и концентрация фонового
аэрозоля мала.
Преимущества лазерного зондирования атмосферы:
Дистанционность лазерных измерений. Это значит, что
наблюдение за выбросами предприятия может проводиться дистанционно, оперативно,
без вмешательства в работу предприятия.
Возможность определить выбранную характеристику воздушной
среды на любом направлении лазерного луча и на различных высотах, что позволяет
определить источники выбросов вредных веществ.
Хорошее пространственно-временное разрешение (детальное исследование
облака загрязняющей примеси, слоя атмосферы и т.д. за короткое время). Это
связано с малой длительностью импульса и высокой частотой повторения импульсов
лазера. Лазерное зондирование практически сразу дает сведения по всей трассе
измерений во много раз быстрее, чем изменяется состояние самой атмосферы.
Возможность проведения длительных непрерывных измерений
(мониторинг атмосферных загрязнений).
1. Конструкторский раздел
.1
Конфигурации Доплеровских лидаров для обеспечения вихревой безопасности
Для сохранения вихревой безопасности в воздухе внедрение
лидаров началось довольно давно. Существуют как наземные, так и бортовые
системы. Ниже вашему вниманию будут предложены следующие установки: мобильные
ZETHIR,
HARLIE, GLOW и стационарная WindTracer.
Wind
Tracer
Доплеровский лидар Wind Tracer производства компании Lockheed
Martin (США) использует импульсы с длиной волны 2.0225 мкм и энергией около 2
мДж, повторяющиеся с частотой 500 Гц. Заявленная дальность составляет 10 км.
Эти параметры в соответствии с принятыми нормами являются безопасными. Активные
оптико-локационные системы для детектирования опасных метеоявлений - сдвига
ветра, областей больших градиентов скорости ветра, зон с интенсивными
восходящими и нисходящими потоками и т.п. - должны использовать лазерное
излучение, безопасное для глаз.
Рис. 2 Лидарная система WindTracer
Система WindTracer была впервые испытана в 1999 г., а
лазерный излучатель для нее был создан годом ранее. Это уникальный
твердотельный лазер, одночастотная генерация в котором обеспечивается инжекцией
одночастотного излучения в резонатор. В настоящее время, с развитием
оптико-волоконных систем связи, появляется возможность использования серийных
одночастотных волоконных систем типа генератор+усилитель, работающих на длине
волны около 1.5 мкм.
Внедрение подобных лидарных систем позволит успешно решать
задачи мониторинга поля ветра в воздушном пространстве аэродромов, что в
современных условиях необходимо для обеспечения высокого уровня безопасности и
эффективности авиации.
HARLIE
Рис. 3 Лидарный комплекс HARLIE
Уникальная сканирующая способность лидара HARLIE достигается
при помощи использования вращающегося голографического телескопа для измерения
атмосферного профиля аэрозоля, пограничного слоя, верхней и нижней границ высот
облаков и профиля ветра с высоким временным разрешением.использовался в
нескольких исследовательских компаниях, включая IHOP, ARMIOP 2000 и HARGLO. 2
метода применения: наземный и воздушный.
Для исследования на поверхности Земли HARLIE устанавливается
на открытый автомобильный прицеп. В самолетах трансивер установлен на раме,
расположенной в нескольких см от смотрового окна, что обеспечивает поле зрения
200 мкрад. и сканирующий конус в 45 градусов.используется для измерения состава
облаков, структуры аэрозоля, с помощью обратного рассеивания в 3х измерениях.
Используя коническое сканирование, голографический телескоп, твердотельный
инфракрасный лазер с диодной накачкой, этим компактным высокотехнологичным
устройством можно снабжать самолеты для полетов как на низких так и средних
высотах.
Широкая область мониторинга тропосферы и нижней стратосферы
на воздушных и наземных операционных системах предоставляет ценные данные об
обратном рассеянии в атмосфере, ветре и турбулентности.
Параметры HARLIE:
Длина волны: 1064 нм.
Мощность лазера 200 мкДж.
Лазерная частота импульса 5 кГц.
Непрерывный режим сканирования до 30 оборотов в минуту.
Максимальный диапазон действия 6 км
GLOW
Рис. 4 Лидарный комплекс GLOW
Основные моменты GLOW:
GLOW мобильная система для определения вертикального профиля
ветра с помощью доплеровского сдвига частоты, лазерный сигнал рассеивается
обратно в направлении лидара. Измеряются профили скоростей и направления ветра.
- GLOW участник международных экспериментов таких как H2O Project
(IHOP), the Groundwinds, NH Validation Experiment and HARGLO.
- Glow находится в настоящее время в Howard University.
Т.к. лидар - мобильная система, платформой для него выбрана
автомобильная база, которая предназначена для дневного и ночного режима работы.
Сканирование по азимуту от 0 до 360 с фиксированным углом возвращения от 0 до
90 градусов.
Описание:
Измерение тропосферного ветра признано самым важным
измерением для улучшения прогнозирования погоды. Ветровые параметры также
необходимы для различных исследовательских целей, требуются знания процессов
динамики атмосферы и транспортных исследований. The Goddard Lidar Observatory
for(GLOW) является мобильной ветровой лидарной системой которая использует
прямое обнаружение профилей ветра на расстоянии 35 км.GLOW мобильная лидарная
система преследующая двойную цель: во-первых обеспечить измерение профиля ветра
с поверхности в тропосфере для изучения в научных измерительных программах, а
во-вторых как стенд для проверки производительности новых технологий и
измерительной техники предлагаемых для будущих космических применений. В
будущем ожидается наблюдение за космическими глобальными ветрами, бортовые и наземные
исследования для изучения мезомасштабной динамики и атмосферных процессов.
Результаты работы GLOW:
Разрешающий диапазон сканирования (PPI и RHI) радиальной
скорости ветра.
Вертикальные профили ветров, скорость и направление ветра.
Зона распространения: от 0,1 до 30 км
Минимальная разрешающая способность по дальности: 40 м.
Погрешность измерения - от 0.5 до 3 м\с.
Параметры GLOW:
Длины волн: 1064 и 355 нм.
Энергия лазера: 50 мДж.
Частота повторения импульсов: 50 Гц.
Диаметр телескопа 45 см.
Поле зрения 0.2 мрад.
Максимальный диапазон действия: 5 км
ZETHIR
Лазерная анемометрия была впервые разработана в 1970-е годы с
использованием газовых лазеров, и до недавнего времени использовался как
основной инструмент исследования. Тем не менее, системы на базе твердотельных
источников на длине волны 1.55 мк, теперь доступны для автономного
дистанционного измерения скорости ветра., названный в честь греческого бога
ветра, определяет качество ветра с точки зрения скорости, турбулентности,
направления. Результаты исследования могут быть быстро представлены, настроены
и перераспределены, сохраняться на жесткий диск либо быть переданными.
Требования к размещению отсутствуют, это устраняет любой риск при работе на
высоте и позволяет разработчикам ветряных ферм и производителям турбин
выполнять операции при любой погоде. Благодаря двойной стенке из стекла и
армированного пластика ZETHIR можно использовать при больших перепадах температур как при
-25 так и при +40 градусов.
Параметры:
Минимальный диапазон-10 метров.
Максимальный диапазон-200 метров.
Расширенный диапазон-300 метров.
Сканирование под углом 30 градусов.
Диапазон скоростей от 1 м\с до 70 м\с.
Точность направления менее 0.5 градусов.
Потребляемая мощность 69 Вт.
Рис. 5 Лидарный комплекс ZETHIR
1.2
Анализ методов детектирования и выбор метода
Прямое
детектирование
В устройствах прямого детектирования на фотокатод приёмника
поступают только полезный оптич. сигнал и фоновое излучение. Для повышения
уровня сигнала относительно уровня фона перед приёмником иногда помещают
полосовой оптич. фильтр и усилитель. В результате прямого детектирования
изменения интенсивности принимаемого излучения, усреднённые по времени за время
(периода оптич. колебаний) и по площади
фотокатода приёмника, преобразуются в изменения мощности выходного электрич.
сигнала. В силу статистич. характера фотоэмиссии при детектировании возникает
шум, характеризуемый неопределённостью числа фотоэлектронов, эмитируемых
фотокатодом («фотонный шум»). Этот шум складывается с шумом фонового излучения
и темнового тока, генерируемого внутри приёмника, а также с тепловыми шумами
нагрузки. Эти шумы ограничивают чувствительность устройств Д. с. для выделения
информативного параметра из дробовых и тепловых шумов выходной электрич. ток
приёмника подаётся на обрабатывающее устройство радиочастотного диапазона,
напр. НЧ-фильтр. Устройства прямого детектирования не чувствительны ни к
частоте, ни к фазе, ни к углу падения на фотокатод несущей оптич. волны.
Информативным параметром при прямом детектировании является только амплитудная
модуляция несущей принимаемой волны.
Гетеродинное
детектирование
Большое распространение метод гетеродинирования получил после
создания лазеров. Высокая степень когерентности, монохроматичность и
направленность лазерного излучения позволяют получать высокую эффективность
гетеродинирования со сверхвысоким частотным разрешением выходного сигнала
(R~1014), что особенно важно в лазерной спектроскопии светорассеяния. В
гетеродинных спектрометрах рассеянное на исследуемом образце лазерное излучение
смешивается с опорным излучением, в качестве которого обычно используется либо
часть излучения зондирующего лазера, либо излучение другого - гетеродинного
лазера, привязанного по частоте к зондирующему.
Проведя сравнительный анализ двух заданных систем, для нашей
установки, работающей на длине волны 355 нм, наиболее выгодным является метод
прямого детектирования. Также, лидары с прямым приемом сигнала наиболее просты
в реализации, и соответственно, являются более доступными в материальном
аспекте. Гетеродинное детектирование в техническом отношении намного сложнее,
для него характерна большая чувствительность, дискриминация фоновых помех.
Серьёзным недостатком этого метода является существенная зависимость величины
сигнала на выходе фотоприёмника от характеристик трассы.
1.3
Особенности разрабатываемой конструкции
Проведя анализ существующих лидарных систем, которые
используются для зондирования атмосферы, было определено, что наиболее
распространены мобильные системы зондирования. Максимальный диапазон их
действия не велик. Следовательно, хотелось бы получить результаты исследований
на более максимальном расстоянии, что могло бы внести большую ясность в вопросе
о воздушной безопасности. Для достижения поставленной цели, нами были выбраны
следующие особенности конструкции:
Вид системы - стационарный.
Диапазон распространения - 15 км.
Метод прямого детектирования.
Рабочая длина волны - 355 нм.
Диаметр телескопа - 0,5 м.
Нами был сделан выбор в пользу стационарного базирования
нашей системы так как мы сразу можем пренебречь некоторыми габаритным размерами
для нашей конструкции. Мы можем не заострять внимание на разработке каких либо
механизмов для перевозки нашей системы, как например если бы перед нами стояла
задачи разработки мобильного комплекса. 15 километров и более это те высоты где
тоже очень важна воздушная безопасность. Нами был сделан выбор в пользу прямого
детектирования, его преимущества перед гетеродинным детектированием выглядят
следующим образом:
Простота конструкция, отсюда финансовый аспект
На коротких длинах волн большие значения частот и применение
гетеродинного детектирования просто нецелесообразно.
Нами выбрана длина волны 355 нм т.к. для нас важно получить
как можно большее значение эффективности обратного рассеяния, которое
пропорционально л^-4.
Диаметр телескопа выбран 0,5 м это минимальный диаметр
которого достаточно для трассы в 15 км. Возможен выбор и большего диаметра, но
финансово это будет не оправдано затратно.
1.4
Схема установки
Рис. 6.
Обозначения на схеме:
СД (beam splitter) - светоделитель.
M1, M2 и M3 - зеркала.
ИФ (interference filter) - интерференционный
фильтр.
ДКВМ (Energy monitor detector) - Детектор контроля
выходной мощности.
ПР - приемник.
Ветровые доплеровские лидары прямого детектирования были
построены в Марте 2004 г. в Анхуйском институте оптики и точной механики в
Китае. Лидарная система состоит из трех частей: передатчика, приемника и
конролирующей подсистемы, как показано на рисунке 1. Лазерный пучок из
стационарного Nd:YAG импульсного лазера, расширяется 8x экспандером, чтобы
сократить расходимость пучка до 0,1 мрад, отражается от зеркала M2 и направляется в
атмосферу через двухизмерительный сканер. Полученный обратно рассеянный свет
поступает обратно на приемник через телескоп диаметром 500 мм, а затем через
мультимодовое оптоволокно толщиной 100 мкм, проходит через интерференционный
фильтр (ИФ) с пропускной способностью 0,5 нм. Свет разделяется на 2 пучка 80/20
светоделителем (СД), 80% направляется на двойной эталон Фабри - Перо (на каждый
эталон приходится одинаковая интенсивность) и затем направляется на приемники.
А остальные 20% света поступают на приемник контроля входной мощности, для
контроля за величиной вернувшегося рассеянного света. Операции связанные с
работой лазера, XY сканера и согласованием эталонов контролируются персональным
компьютером через интерфейс RS232.
Параметры частотного детектора (двойного эталона)
выставляются с учетом динамического диапазона, оптимизируется чувствительность
и интенсивность обратно рассеянного света. 2 ой эталон выполнен в форме буквы D, в форме полуокружности
для каждого канала, как показано на рисунке 2. Спектральное разрешение в 30 м и
максимальный радиус обнаружения 10 км это параметры задаваемые пультом
управления.
Фотоэлектронные
умножители
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) электровакуумный прибор, в
котором поток электронов, эмитируемый фотокатодом под действием оптического
излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате вторичной
электронной эмиссии; ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов)
значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 105 раз и выше). Впервые
был предложен и разработан Л.А. Кубецким в 1930-34.
Для счёта сцинтилляций обычно используются два типа
фотоумножителей: с круговой электростатической фокусировкой и линейные
электростатические без фокусировки. В умножителях первого типа диноды
расположены по кругу; они представляют собой пластины, выгнутые в форме корыт.
Другой тип ФЭУ имеет ряд параллельных динодов, состоящих из узких твёрдых
активированных полос, расположенных в форме жалюзи.
Рис. 7 Упрощенное устройство ФЭУ
Рис. 8 Внешний вид ФЭУ
Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной
частицы, по светопроводу достигают ФЭУ и через его стеклянную стенку попадают
на фотокатод. ФЭУ представляет собой баллон, внутри которого в вакууме
располагается фотокатод и система последовательных динодов, находящихся под
положительным увеличивающимся от динода к диноду электрическим потенциалом.
Рис. 9. Схема, иллюстрирующая принцип действия
сцинтилляционного счётчика с фотоумножителем
Для целей спектрометрии ядерных излучений фотокатод обычно
располагается на внутренней поверхности плоской торцевой части баллона ФЭУ. В
качестве материала фотокатода выбирается вещество достаточно чувствительное к
свету, испускаемому сцинтилляторами. Наибольшее распространение получили
сурьмяно-цезиевые фотокатоды, максимум спектральной чувствительности которых
лежит при л= 3900-4200 А, что соответствует максимумам спектров люминесценции
многих сцинтилляторов. Одной из характеристик фотокатода является его квантовый
выход в, т.е. вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на
фотокатод. Величина e может достигать 10-20%. Свойства фотокатода
характеризуются также интегральной чувствительностью, представляющей собой
отношение фототока (мка) к падающему на фотокатод световому потоку (лм).
Рис. 10 Устройство ФЭУ
Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрачного
слоя. Существенна толщина этого слоя. С одной стороны, для большого поглощения
света она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие
фотоэлектроны, обладая очень малой энергией не смогут выходить из толстого слоя
и эффективный квантовый выход может оказаться малым. Поэтому подбирается
оптимальная толщина фотокатода. Существенно также обеспечить равномерную
толщину фотокатода, чтобы его чувствительность была одинакова на всей площади.
В сцинтилляционной г-спектрометрии часто необходимо использовать твердые сцинтилляторы
больших размеров, как по толщине, так и по диаметру. Поэтому возникает
необходимость изготавливать ФЭУ с большими диаметрами фотокатодов. В
отечественных ФЭУ фотокатоды делаются с диаметром от нескольких сантиметров до
15ё20 см. фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на
первый умножительный электрод. Для этой цели используется система
электростатических линз, которые представляют собой ряд фокусирующих диафрагм.
Для получения хороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую
фокусирующую систему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным
временным разбросом. На Рис. 3 приведено схематическое устройство
фотоэлектронного умножителя. Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным
полюсом присоединяется к катоду и распределяется между всеми электродами.
Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспечивает фокусировку
фотоэлектронов на первый умножающий электрод. Умножающие электроды носят
название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной
эмиссии которых больше единицы (s>1). В отечественных ФЭУ диноды
изготовляются либо в виде корытообразной формы (Рис. 10), либо в виде жалюзи. В
обоих случаях диноды располагаются в линию. Возможно также и кольцеобразное
расположение динодов. ФЭУ с кольцеобразной системой динодов обладают лучшими
временными характеристиками. Эмитирующим слоем динодов является слой из сурьмы
и цезия или слой из специальных сплавов. Максимальное значение s для
сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энергии электронов 350-400 эВ, а
для сплавных эмиттеров - при 500-550 эВ. В первом случае s= 12ё14, во втором
s=7ё10. В рабочих режимах ФЭУ значение s несколько меньше. Достаточно хорошим
коэффициентом вторичной эмиссии является s= 5. Фотоэлектроны, сфокусированные
на первый динод, выбивают из него вторичные электроны. Число электронов,
покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они
направляются на второй динод, где также выбивают вторичные электроны и т.д., от
динода к диноду, число электронов увеличивается в s раз.
Рис. 11. Схема умножения потоков электронов в ФЭУ: 1 -
источник ядерного излучения; 2 - фосфор; 3 - фотокатод ФЭУ; 4 - диноды; 5 -
анод
При прохождении всей системы динодов поток электронов
возрастает на 5-7 порядков и попадает на анод - собирающий электрод ФЭУ. Если
ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие
и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять
число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также
амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление,
на котором и возникает импульс напряжения.
В результате фотоэффекта из фотокатода вылетают электроны,
которые затем, ускоряясь в электрическом полем, направляются на систему
динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют
нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Обычно
коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из
фотокатода одного электрона) составляет 105-106, но может достигать и 109, что
позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс.
Временнoе разрешение ФЭУ составляет 10^-8 -10^-9 с. ФЭУ, предназначенные для
сцинтилляционного счётчика, должны обладать высокой эффективностью фотокатода
(до 2,5%), высоким коэффициентом усиления (10^8), малым временем собирания
электронов (~ 10^-8) сек) при высокой стабильности этого времени. Последнее
позволяет достичь разрешающей способности по времени порядка 10^-9 сек. Высокий
коэффициент усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собственных шумов делает
возможной регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Сигнал на
аноде ФЭУ может достигать 100 В.
Рис. 12. Принципиальная схема ФЭУ
Рис. 13. Схема сцинтилляционного счётчика: канты света
(фотоны) «выбивают» электроны с фотокатода; двигаясь от динода к диноду,
электронная лавина размножается
Рис. 14. Электрическая схема ФЭУ
1.5
Режимы приема сигнала
Аналоговый
режим и цифровой режим (режим счета фотонов)
В обычных приложениях выходные импульсы, передаваемые
фотоэлектронами на приемник, не фиксируются как отдельные, но воспринимаются
как единый аналоговый сигнал созданный множеством импульсов (так называемый
аналоговый режим).
Рис. 15. Изображение общего числа падающих фотонов,
образовавшихся фотоэлектронов, принятых импульсов и результирующего сигнала в
аналоговом режиме и режиме счета фотонов
В этом случае общее число фотонов падающих на ФЭУ в единицу
времени это (1) на рисунке 15, а результирующее число фотоэлектронов излученных
из фотокатода это цифра (2). Фотоэлектроны умножаются динодами и затем
выводятся на анод в качестве выходных импульсов(3).В этот момент когда интервал
между импульсами Уже, чем ширина каждого импульса или процесс обработки сигнала
не достаточно быстр, отдельные выходные импульсы перекрывают друг друга и в
конце концов могут быть восприняты как электрический сигнал с шумовыми
флуктуациями (4).
В противоположность этому когда интенсивность света
становится настолько мала что отдельные фотоны могут быть выделены как на (5),
выходные импульсы собираемые на аноде становятся так же дискретными (7). Это
состояние называется «одиночное фотоэлектронное состояние». Число выходных
импульсов прямо пропорционально количеству падающего света и режим счета
фотонов имеет преимущество в отношении сигнал-шум и стабильности, по отношению
к аналоговому режиму, в котором все импульсы усредняются.
Этот режим называется «режим счета фотонов». Когда
распознанные импульсы преобразуются в двоичный сигнал, режим счета фотонов
можно называть цифровым режимом.
Принцип
счета фотонов
Одним из важных факторов в счете фотонов является квантовая
эффективность (QE). Это вероятность производства фотоэлектрона когда один фотон
падает на фотокатод. Так как один падающий фотон может породить только один
фотоэлектрон, то квантовая эффективность можно так же описать как доля среднего
числа излученных электронов в единицу времени к среднему числу падающих
фотонов.
Рис. 16. Процесс размножения фотоэлектронов в ФЭУ
Фотоэлектроны излученные с фотокатода собираются и на первом
диноде для производства вторичных электронов, в то же время некоторые из этих
электронов могут не попасть на первый динод или отклониться от их нормальной
траектории, таким образом они не будут размножены. Эффективность сбора фотоэлектронов
называют «эффективностью сбора» (CE). В дополнение, доля полученного полезного
сигнала (число выходных импульсов) по отношению к числу падающих фотонов,
называется «эффективность обнаружения» или «эффективность счета» (DE) и описывается следующим
выражением:
DE = Nd / Np = з 
б (1)
здесь, - число выходных импульсов,
Np - число падающих фотонов,
з - квантовая эффективность фотокатода (QE),
б - эффективность сбора (CE).
Эффективность обнаружения так же зависит от порогового уровня
достаточного для перевода выходных импульсов в двоичный сигнал. Так как число
вторичных электронов испущенных из первого динода варьируется от нескольких до
около 20 по отношению к одному электрону в фотокатоде. Они могут быть описаны
распределением Пуассона, тогда число вторичных электронов примет значение доли
вторичной электронной эмиссии д. Это подтверждает истинность умножительных
процессов в каждом последовательном диноде. В частности для ФЭУ имеющего n уровней динодов единственный фотоэлектрон из фотокатода
умножается на 
, создавая группу электронов, которые доставляются на анод в
качестве выходного импульса. В этом процессе высота каждого выходного импульса,
принятого анодом зависит от колебаний в процессе вторичной электронной эмиссии,
таким образом она отличается от импульса к импульсу (рисунок 17).
Рис. 17. Зависимость высоты принятых импульсов от эффективности
размножения фотоэлектронов и числа фотоэлектронов участвующих в процессе
Другие причины, почему высоты отдельных импульсов отличаются друг
от друга это различие усилений на каждом диноде, а так же некоторые отклоненные
электроны которые не участвуют в нормальном умножительном процессе. Рисунок 17
показывает гистограмму высот импульсов на аноде. Этот график известен как
распределение высот импульсов (PHD).
Как показано на рисунке 17, колебания в процессе вторичной
электронной эмиссии и число фотоэлектронов, участвующих в процессе,
проинтегрированы по времени и представлены как единая картина распределения
высот импульсов. Абсцисса этого графика обозначает высоту импульса зависящую от
заряда (числа электронов собранных в электронной группе) или напряжения
импульса произведенного группой электронов. Это главным образом выражено числом
каналов используемых для распознавания импульса в мульти канальном анализаторе.
Рисунок 18 (а) показывает распределение высот импульсов, когда оно
зависит только от интенсивности падающего света и процессов происходящих с
фотоэлектронами. А рисунок 18 (б), когда меняется прикладываемое к ФЭУ
напряжение.
Ординаты это частота выходных импульсов от которых зависит
определенная высота в отведенное время. Поэтому распределение зависит от
времени или числа падающих за это время фотонов.
Рис. 18 (а). Распределение высот импульсов при отсутствии
прикладываемого дополнительного напряжения
Рис. 18 (б). Распределение высот импульсов при приложенном
дополнительном напряжении
Как замечено выше абсцисса показывает высоту импульса, которая
пропорциональна производительности ФЭУ и также является функцией напряжения
прикладываемого к ФЭУ. Это значит, когда прикладываемое напряжение меняется, то
распределение высот импульса сдвигается по ординате, но общее число импульсов
остается постоянным.
Операции
и характеристики режима счета фотонов
Этот раздел описывает последовательные схемы используемые в
режиме счета фотонов и базовые характеристики измерений производимых в этом
режиме.
Фотонный
счетчик и мультиканальный анализатор высот импульсов
Существует 2 метода получения сигнала в режиме счета фотонов:
первый использует фотонный счетчик, а второй мультиканальный анализатор
импульсов(MCA). Рисунок 19 показывает последовательные схемы каждого метода и
значения импульсов получаемых в результате обработки сигнала.
В системе использующей фотонный счетчик (Рисунок 19 (а))
выходные импульсы из ФЭУ усиливаются первичным усилителем. Затем эти усиленные
импульсы направляются на частотный детектор, он сравнивает полученные импульсы
с заданным значением напряжения, чтобы разделить их на 2 группы. Первая группа
ниже, а вторая группа выше, чем заданное напряжение. Первая группа направляется
на частотный детектор нижнего уровня (ДНУ), а вторая группа направляется на
частотный детектор высшего уровня (ДВУ). Сигналы преобразуются в квадратные
импульсы постоянной длительности (TTL либо CMOS преобразования). Это преобразование осуществляется
при помощи компаратора (устройство для сравнения величин с эталоном). Эти
квадратные импульсы поступают на счетчики, где происходит их распознавание.
В противоположность этому в системе с MCA, показанной на рисунке
19 (б), выходные импульсы из ФЭУ, как правило, суммируются с помощью
зарядочувствительного усилителя, усиливаются и формируются с помощью линейного
усилителя. Эти импульсы распределяются по своим высотам частотным детектором и
затем преобразуются из аналоговых в цифровые. Они окончательно закрепляются в
памяти и отображаются на экране. Эта система необходима для получения
информации о высоте импульса и частоте (числе импульсов) одновременно, что мы
можем видеть на рисунке.
Система со счетчиком фотонов используется для вычисления числа
выходных импульсов из ФЭУ соответствующих числу падающих фотонов,
В то время как система MCA используется для
вычисления высоты каждого импульса и числа выходных импульсов одновременно.
Первая система со счетчиком более эффективна в скорости
счета, поэтому она используется для операций общего назначения. Вторая работает
медленнее, но может быть использована для операций когда необходимо
проанализировать высоту импульса.
Рис. 19 (а) Схема работы приемника с фотонным счетчиком
Рис. 19 (б) Схема работы приемника с мультиканальным
анализатором высот
1.6 Эталон Фабри - Перо
доплеровский лидар
вихревый сигнал
Эталон Фабри - Перо является ключевым элементом
интерферометра Фабри - Перо - прибора высокого спектрального разрешения. Его
важным отличием от обычных дифракционных спектрографов является отсутствие
элементов, разлагающих свет в спектр, и отсутствие щели. Интерферометр широко
применяется для исследования источников самой различной яркости с эмиссионным
(реже - с абсорбционным) спектром. Особенно эффективно использование
интерферометра для одновременного получения спектров и измерения доплеровских
скоростей большого количества областей протяженного источника (солнечная
корона, газовая эмиссионная туманность, галактика).
Для получения спектра с высокой разрешающей силой в
«классических» дифракционных спектрографах требуется использование как можно
более узкой щели, минимальная ширина которой (нормальная ширина щели)
соответствует дифракционному пределу как коллиматора, так и объектива
телескопа. Однако на практике при наблюдении астрономических объектов (за
исключением деталей на диске Солнца) щель приходится расширять, поскольку
размер отдельных элементов изображения источников существенно превышает
дифракционный, и элемент изображения в фокальной плоскости телескопа превышает
нормальную ширину щели. А расширение щели снижает спектральное разрешение
спектрографа, так что оно оказывается значительно ниже предельно возможного.
При этом, чем больше размер объектива телескопа, тем (при данном качестве
изображения) больше проигрыш, поскольку с ростом диаметра объектива возрастает
и отношение углового размера изображения точечного источника к дифракционному
пределу объектива.
В отличие от «классического» спектрографа, эталон Фабри-Перо
не требует узкой щели, что позволяет более полно использовать световой поток от
исследуемых источников. Этот прибор не разлагает свет на спектр; он только
пропускает (или не пропускает) свет определённых длин волн, значения которых
зависят от угла падения света на его пластины. Эталон работает на принципе
многолучевой интерференции, которая происходит в воздушном промежутке между
двумя зеркальными полупрозрачными пластинками.
Рис. 20.
Устройство эталона предельно просто. Воздушный промежуток
толщиной h (см. рис. 20) ограничен стеклянными пластинами, несущими зеркала 
и 
. Зеркала полупрозрачны,
так что часть света отражается от них, а часть проходит без отражения. При
использовании для астрономических наблюдений эталон обычно ставится за
фокальной плоскостью объектива, в выходном зрачке линзы, преобразующей
расходящийся пучок от бесконечно удаленного точечного источника, в
параллельный. Поэтому от каждой точки наблюдаемого протяженного источника на
эталон падает параллельный пучек лучей, интерферирующих между собой в
результате отражения от зеркальных поверхностей. Большое число интерферирующих
лучей с медленно спадающей интенсивностью получается за счёт высокого
коэффициента отражения зеркальных слоев.
В интерферометре Фабри - Перо за эталоном располагается
линза, которая строит изображение источника на поверхности детектора. В роли
последнего обычно используется ПЗС - матрица (ранее использовался ЭОП). Если на
пластину эталона падает монохроматический свет под всевозможными углами к ее
плоскости (случай протяженного источника света), то на выходе создаются кольца
равного наклона, каждое из которых соответствует своему порядку интерференции.
Для света с непрерывным спектром все интерференционные полосы будут,
естественно, замыты. Каждой длине волны соответствует своя система
интерференционных колец. Поэтому для избежания наложения колец от разных
эмиссионных линий свет пропускают через узкий интерференционный фильтр,
выделяющий излучение только в выбранной спектральной линии.
Обозначим фазу световых колебаний через 
. При интерференции
разность фаз каждой пары интерферирующих лучей ДФ = 2рд/л, где д - разность
хода между соседними лучами, равная 2hcosц.
Обычно принимается, что показатель преломления n вне пластин
и между ними равен единице. В общем случае, здесь и ниже можно заменить h на n∙h.
Из условия д = mл, где m - целое число (порядок
интерференции), получаем основное уравнение интерферометра (условие
максимумов):
; (2)
В проходящем или отраженном монохроматическом рассеянном
свете (то есть свете, падающим под различными углами к плоскости
пластин), эталон создает систему тонких колец равного наклона, локализованных в
бесконечности, которые можно наблюдать, построив их изображение на экране с
помощью линзы., свет перед ЭОПом проходит через интерференционный фильтр,
пропускающий излучение только в выбранной спектральной линии.
Важнейшими характеристиками эталона и создаваемой им
интерференционной картины являются:
расстояние между пластинами,
Коэффициент отражения зеркал,
угловая дисперсия,
спектральное разрешение на данной длине волны,
величина спектрального интервала, свободного от перекрытия
порядков (область свободной дисперсии),
размер центрального пятна.
Эти параметры предстоит оценить в настоящей задаче.
Рассмотрим их подробнее.
Для получения угловой дисперсии эталона продифференцируем основное
уравнение интерферометра:
;
откуда для угловой дисперсии получаем:
; (3)
Из этой формулы следует важный практический вывод: по мере
удаления от центра интерференционной картины угловая дисперсия быстро
уменьшается.
Угловое расстояние между кольцами (то есть между соседними
порядками) получается дифференцированием уравнения (2) по m. При изменении
порядка интерференции на единицу, т.е. при m=1
; (4)
Линейный радиус кольца, образуемого объективом камеры,
определяется из формулы 
, где F - фокусное расстояние объектива камеры, ц
- угол наклона лучей к оптической оси (пластины эталона предполагаются
расположенными перпендикулярно оптической оси). Линейное расстояние между
кольцами получается дифференцированием этой формулы по ц: 
. Подставив Дц из
уравнения (4), получим:
.
Так как в реальных условиях использования эталона 
и cosц = 1, то для связи
h радиусом и расстоянием между кольцами получаем следующее простое уравнение:
(5)
Это уравнение можно использовать для оценки расстояния между
пластинами эталона.
Однако более удобно для этой цели измерить последовательное
изменение радиусов колец с изменением порядка интерференции.
Для этого воспользуемся приближением малых углов: cos ц =
(1-ц2/2). Тогда условие максимумов интерференционной картины запишется
следующим образом:
h-hц2 = mл,
откуда модуль производной
|d(ц2)/dm| = л/h,
или(r2) = (F2л/h)∙|dm|. (6)
Если на графике
последовательно откладывать по одной оси квадрат радиуса колец (начиная от
центра картины), а по другой - порядковый номер кольца, отсчитываемый от
центрального кольца (пятна), то наклон зависимости будет равен отношению F2л/h,
что дает возможность оценить расстояние между пластинами.
Коэффициент
отражения пластин и спектральное разрешение интерферометра. Спектральное
разрешение будет тем выше, чем более узкими будут интерференционные кольца.
Введём
обозначения: 
- интенсивность падающего на эталон
света, при отсутствии щели, которая необходима в обычных спектрографах, Iц, л-
интенсивность падающего света в зависимости от угла наклона к оптической оси 
и длины волны л; R, T, A - коэффициенты
отражения, пропускания и поглощения зеркального слоя. Они связаны очевидным
соотношением:
+ T + A = 1;
Интенсивность
прошедшего через эталон света описывается выражением:
; (7)
Максимумам
пропускания соответствует условие 
.
Интенсивность в
максимуме получается из формулы (7):
; (8)
Если A<<T,
то интенсивность в максимуме может быть велика при любом коэффициенте отражения
R. В случае если отражающий слой изготовлен из многослойных диэлектрических
покрытий A очень мало, тогда 
.
Из уравнений
(7,8) следует соотношение для фотометрического профиля кольца:
; (9)
При увеличении R
от 0.6 до 0.95 ширина инструментального контура интерференции уменьшается в 8
раз. Следовательно, во столько же раз увеличивается спектральная разрешающая
сила. Величина коэффициента пропускания не влияет на разрешающую силу. Зеркала
с многослойными диэлектрическими покрытиями позволили с большой эффективностью
применять эталоны Фабри-Перо в различных задачах экспериментальной астрофизики.
Это обусловлено малыми световыми потерями в таких эталонах, что очень важно в
астрономии.
Угловая ширина
колец в монохроматическом свете, или разрешаемый спектральный интервал,
получается из выражения (9), если считать, что ширина максимума 
измеряется по уровню, где 
. Тогда для угловой ширины максимума
получаем:
; (10)
или, используя
(4)
. (11)
Таким образом,
отношение ширины кольца к расстоянию между соседними кольцами определяется
коэффициентом отражения зеркального покрытия.
Число 
, равное:
; (12)
называется
эффективным числом интерферирующих лучей. Чем оно выше, тем лучше спектральное
разрешение эталона.
Выразим ширину
кольца дц в единицах длин волн. Используя уравнения для угловой дисперсии (3) и
r=F∙tgц, получаем:
|дл| = дц∙лtgц
= л∙дr∙r∙cos2ц/F2 (13)
Разрешающая сила
эталона Фабри-Перо равна:
(14)
Ширина области
дисперсии определяется расстоянием между соседними максимумами (кольцами),
выраженным в длинах волн. Эту величину можно найти из условия одинакового угла
ц, соответствующего максимумам m и m+1 порядка для длин волн л и л+∆л
соответственно (уравнение (2)):
(15а)
Наибольший
порядок интерференции достигается при л = л+∆л, т.е. в центре
интерференционной картины: 
, чему соответствует минимальное значение
.
В общем случае,
. (15b)
Это же выражение
может быть получено из уравнений для угловой дисперсии и для углового
расстояния между кольцами (уравнения (3) и (4)).
Область дисперсии
определяет ширину спектрального диапазона, который может быть исследован в
данном порядке интерференции. В реальной ситуации в этот интервал могут попасть
и такие спектральные линии, которые отличаются от выбранной линии на величину,
превышающую 
, но они будут относиться уже к другому
порядку интерференции. Величина называется также областью свободной дисперсии.
Как уже
говорилось, достаточно узкий интерференционный фильтр на пути лучей позволяет
«вырезать» выбранную спектральную линию и избежать наложения колец, связанных с
различными линиями в разных порядках. Однако, иногда желательно получить
одновременно информацию в нескольких близких линиях (например, Hб и [NII]). Для
этого можно подобрать расстояние между пластинами такими, что в интересующем
нас участке поля будут раздельно видны максимально разнесенные кольца,
относящиеся к двум разным линиям, но наблюдаемым в разных порядках
интерференции. Оптимальным образом этому соответствует условие
л1 = (m+1/2+k)л2,
где k - целое число.
При таком подходе
оказывается возможным, например, получить поле скоростей объекта сразу в двух
различных линиях.
Если в центре
интерференционной картины, образуемой при освещении эталона рассеянным светом в
узкой спектральной полосе, выполняется условие максимума, то там будет
наблюдаться светлое пятно конечного размера. Его угловой размер называют
размером центрального пятна. «Вырезая» его диафрагмой в фокальной плоскости
объектива и перебрасывая свет линзой на приемник излучения, мы можем наблюдать
через эталон объект малого (не больше чем размер диафрагмы) углового размера. В
этом случае эталон можно рассматривать как очень узкий интерференционный
фильтр, пропускающий свет только тех длин волн, которым соответствует условие
максимума.
Найдем
спектральную ширину такого фильтра. Пусть нам надо разделить две близкие линии
с предельно малой разностью длин волн дл. В этом случае, когда для одной линии
выполняется условия максимума в центре, излучение в другой линии образует
кольцо, которое должно находиться за пределами диафрагмы. Если А <<1 -
угловой радиус диафрагмы, то для первой и второй линии имеем:
mл = 2h(л-дл) = 2hcosц = 2h (1-A2/2),
откуда А2 = 2m∙дл/h,
или, поскольку m = 2h/л,= (2дл/л) 1/2 (16)
Даже при
диафрагме диаметром в несколько угловых минут (в сотни раз больше размера щели,
обычно устанавливаемого на звездных спектрографах) может быть реализовано очень
высокое спектральное разрешение Rл ≈106. Это делает эталон особенно
ценным прибором при исследовании эмиссионного излучения как звезд, так и
протяженных источников, позволяя использовать больший поток света.
1.7
Выбор компонентов оптической системы
Выбор
источника излучения
В качестве источника излучения необходимо выбрать мощный
твердотельный Nd:YAG лазер с полупроводниковой накачкой.
Требования предъявляемые к лазеру:
длина волны 355 нм
энергия лазера ≈ 100 мДж/импульс
частота лазера 50 ГЦ
расходимость пучка ≤ 0,1 мрад
Выбираем лазер Powerlite DLS 8050 фирмы Continuum.
Рис. 21 внешний вид лазера
Основные параметры лазера приведены в таблице 1
Таблица 1. «Свойства лазера»
|
Длина волны
(нм)
|
355
|
|
Энергия лазера
(мДж/импульс)
|
95
|
|
Частота лазера
(Гц)
|
50
|
|
Спектральная
ширина линии лазера (МГЦ)
|
<90
|
|
Расходимость
пучка (мрад)
|
0.1
|
|
Длительность
импульса(нс)
|
6-8
|
|
Диаметр
пучка(мм)
|
7
|
|
Поляризация
|
Горизонтальная
|
|
Размеры
излучателя
|
1189.2 x 457.2
x 298.4 мм
|
|
|
|
Рис. 22 Блок питания лазера
Таблица 2. Параметры блока питания
|
Размеры
|
714.5 x 621 x
679.4 мм
|
|
охлаждение
|
Водное,
температура воды менее 22○С
|
|
Параметры
электропитания
|
208-240 В,
стандартная сеть.
|
|
Температура
эксплуатации
|
18-30○С
|
Выбор
приемника излучения
Необходимо выбрать два приемника излучения на основе ФЭУ:
один для работы в аналоговом режиме, второй для работы в режиме счета фотонов.
Для работы в режиме счета фотонов, необходим модуль ФЭУ с установленным предусилителем.
Приемники должны обеспечивать высокую оптическую (~60%) и квантовую (~18%)
эффективность приёма сигнала и работать на длине волны 355 нм.
Для работы в аналоговом режиме выберем ФЭУ Hamamatsu R7446.
Рис. 23 Внешний вид ФЭУ R7446
Основные параметры приведены в таблице 3:
|
Диапазон длин
волн160-680 нм
|
|
|
Чувствительность
катода
|
60 мА / Вт
|
|
Чувствительность
анода (при 1000 В)
|
4 х 10^5 А / Вт
|
|
Минимальный
темновой ток
|
0,1 нА
|
|
Длина волны
макс чувствительности
|
400 нм
|
|
Материал
фотокатода
|
Низко-шумовой bialkali
|
|
Эффективная
площадь фотокатода
|
8 х 24 мм
|
|
Материал
входного окна
|
SiO2
|
|
Материал динода
|
Низко-шумовой bialkali
|
|
Структура
динодов
|
Круговая
|
|
Число уровней
динодов
|
9
|
|
Вес
|
45 г.
|
|
Оптическая
эффективность (на 400 нм)
|
60%
|
|
Время
формирования одного импульса на аноде
|
2.2 нс
|
|
Время пробега
электрона от катода к аноду
|
22 нс
|
|
Вероятность
ошибки
|
0,1%
|
Для работы в режиме счета фотонов выберем приемник Hamamatsu H5696-01. Это модуль ФЭУ
со встроенным предусилителем, который позволит обрабатывать сигнал в режиме
счета фотонов при небольшой интенсивности падающего света.
Рис. 24 Внешний вид модуля ФЭУ
Основные
параметры приведены в таблице
Таблица 4 Основные параметры Hamamatsu H9656-01
|
Диапазон длин
волн300-850 нм
|
|
|
Чувствительность
катода
|
60 мА / Вт
|
|
Чувствительность
анода (при 1000 В)
|
3 х 10^9 В /
Вт
|
|
Напряжение
темнового тока
|
0,3 мВ
|
|
Длина волны
макс чувствительности
|
400 нм
|
|
Материал
фотокатода
|
Низко-шумовой multialkali
|
|
Эффективная
площадь фотокатода
|
8 мм диамтером
|
|
Материал
входного окна
|
SiO2
|
|
Материал динода
|
Низко-шумовой multialkali
|
|
Вес
|
90 г.
|
|
Квантовая
эффективность (на 400 нм)
|
20%
|
|
Время
формирования одного импульса на аноде
|
2.2 нс
|
|
Время пробега
электрона от катода к аноду
|
22 нс
|
|
Вероятность
ошибки
|
0,1%
|
Выводы по конструкторскому разделу:
1. Были рассмотрены существующие аналоги доплеровских
лидаров.
2. Были выбраны источник и приемник излучения.
. Были рассмотрены основные принципы работы
компонентов нашей системы.
2.
Технологический раздел
В технологическом разделе стоит задача описать метод
изготовления и юстировки главного зеркала телескопа. Данное зеркало является
ключевым оптическим элементом в схеме ветрового лидара, т.к. служит для
передачи луча в атмосферу и транспортировки вернувшегося сигнала на приемники.
2.1
Методы сборки зеркал
Методы сборки зеркал располагаются по убывающей
производительности труда сборочных работ в следующем порядке:
с полной взаимозаменяемостью;
с неполной взаимозаменяемостью;
с групповой взаимозаменяемостью;
с результативной обработкой или механизированной пригонкой;
с пригонкой индивидуальной, выполняемой вручную.
Сборка
неподвижных зеркал
При сборке неподвижных зеркал необходимо обеспечить: 1) угол 
излома визирной оси (рис. 1 и 2); 2)
отсутствие натяжении в больших призмах и пирамидальности в них; 3) заданные
размеры свободных отверстий деталей;
Рис. 1.
4) симметричность свободных отверстий деталей относительно оси
системы; 5) наклон изображения в пределах допуска; 6) при установке деталей
между объективом и сеткой центрировку системы в допуске; 7) разрешающую силу
(при сборке призм).
Наиболее просто собираются неподвижные зеркала и призмы
наблюдательных труб (рис. 2 а и б), установленные перед объективом в
параллельных пучках лучей.
Зеркала кладутся на опорные плоскости R корпуса и прижимаются к
ним крышкой 3 - посредством четырех или трех винтов4 либо плоской пружиной А
(рис 3, б).
Рис. 2.
Иногда между зеркалом и крышкой помещают картонную или
пресс-шпановую прокладку 5 (рис 1, а). Аналогично собираются призмы, например
при помощи прижимной планки 1, пружины 2 и крышки 3 (рис 1, б).
Перёмещение зеркал по стрелкам в, б, г для узлов, представленных
на рис. 1, не вызывает какой-либо деюстировки прибора. Поворот зеркала по
стрелке а вызывает постоянную ошибку 
угла , которая для наблюдательных труб не имеет
значения, а для прицельных может быть учтена при установке нуля шкалы углов,
прицеливания при пристрелке оружия. В-этом же случае перемещения деталей могут
привести к срезанию наклонных пучков лучей.
Поворот зеркала вокруг оси Z вызывает наклон изображения. Все
юстировочные повороты и смещения зеркала могут быть осуществлены только
припиловкой опорных поверхностей оправы или установкой прокладок (например, 6,
рис. 1, разрез АВ) между этими поверхностями и оптическими деталями. Это
нежелательно, так как в условиях эксплуатации прибора, например при тряске,
прокладка может сместиться, а прибор разъюстироваться.
Рис. 3.
При установке деталей после объектива (рис. 2) поворот деталей по
стрелке а и смещения по стрелкам в и г приводят к децентрировке системы и
параллаксу. Поворот деталей относительно оси Z (по стрелке е) приводит к наклону изображения.
На рис. 2 а, б, в показаны соответственно узлы крепления простой -
прямоугольной призмы, плоского зеркала и прямоугольной крышеобразной призмы.
Узлы позволяют центрировать призмы путем изменения положений втулок 1 и 2 в
корпусе 3 в направлении стрелок в и г (рис. 2, а). Поворот вокруг оси Z может
быть осуществлен только при помощи введения прокладок между деталью и корпусом
и обычно в данных узлах не производится.
Юстировку наклона изображения в приборах с большим числом зеркал
или призм, используемых в лабораторных условиях, удобно производить зеркалом 1
или призмой 2 (рис. 3), которые могут менять наклон отражающей грани. Это
достигается поворотом оправы 3 призмы при помощи трех винтов 4, наклоняющих
винт 5 с шаровой головкой па нужный угол е относительно неподвижной крышки б
корпуса призмы. Величина наклона ограничивается величиной зазора между винтом 5
и отверстием в крышке 6.
Центрировка зеркала или призмы в оправе может быть осуществлена
различными методами. Простейший способ центрировки выполняется при помощи двух
трубок I и II (рис. 4, a) без объективов и окуляров, ввинчиваемых в базовые
резьбы 5 и 4 корпусов 3 и 5 призмы (рис. 2, а и в). Трубки имеют сетки А, В и
С, находящиеся на конечных расстояниях от юстируемой призмы (или зеркала).
Сетка 1 имеет черный кружок; па сетке 2 нанесено черное кольцо; сетка 3 имеет,
также черное кольцо диаметром, промежуточным между диаметром чёрного кружка и
кольцом сетки 2.
Рис. 4.
Центры колец сеток и черного кружка должны быть точно
центрированы. На расстоянии 250 мм наилучшего зрения от сетки 3 в трубке II имеется диафрагма К, в плоскости которой
помещается зрачок глаза наблюдателя. Если призма (пли зеркало) установлена
правильно, то при наблюдении в трубку II кружок сетки С и кольца сеток А и В
будут концентричны друг другу. При смещении детали по стрелкам в и г и наклоне
по стрелке а концентричность колец нарушается.
Описанный метод центрировки не очень точен и не позволяет
оценивать количественно величину децентрировки детали. Оптические
приспособления позволяют избежать указанных недостатков.
Удобно комбинированное оптическое устройство, позволяющее
определять и наклон и параллельное смещение зеркала или призмы (рис. 5). Вместо
сетки 1 трубки II (рис. 4, в) в трубке I (рис. 5, а) устанавливается зеркало 2 с маркой Е в центре
Микроскоп I (рис. 4, в) заменяется автоколлимационной
трубкой II с объективной насадкой М, имеющей круглое
отверстие (рис. 3, а). При освещении сетки трубки II в торец лучи выйдут из объектива параллельными пучками и, пройдя
отверстие в насадке отразятся от юстируемого зеркала А В и зеркала 2 (рис. 5,
а).
При правильной установке зеркала (положение АВ) отраженные лучи
(две стрелки) соберутся в фокусе окуляра трубки и марка С сетки совместится с
ее автоколлимационным изображением 
.
При наклоне зеркала (положение А'В') на угол лучи (три стрелки) будут направлены на
зеркало 2 не под углом 
и, отразившись от него, дадут в плоскости
сетки 3 трубки автоколлимационное изображение С», смещенное относительно
марки С на величину Д. При юстировке призмы автоколлимационное изображение С’
марки С можно получить и непосредственно от ее передней грани без использования
зеркала 2. Однако яркость блика бывает обычно недостаточна.
Рис. 5
При параллельном смещении зеркала (положение А'В' па рис. 25, б)
параллельные лучи, идущие через отверстие в насадке М, не дадут смещения
изображения С’ относительно марки С, но лучи, проходящие насадку М, выйдут из
нес сходящимся пучком, повторяя схему рис. 4, в. Передний фокус F насадки М
должен быть совмещен с маркой Е сетки 2. При правильном положении зеркала
(положение АВ) лучи после отражения от зеркала дадут изображение Е' марки Е в
центре С.
Юстировка
зеркал
Под юстировкой понимают определённую последовательность
операций установки, ориентации и закрепления элементов оптических систем
лазеров, в результате чего ось активного элемента выставляется перпендикулярно
поверхности зеркал и совпадает с оптической осью резонатора. Такое взаимное
расположение оптических элементов обеспечивает обратную оптическую связь с
минимальными потерями для генерируемого излучения.
Пространственные, энергетические и электрические
характеристики лазерного излучения весьма чувствительны к разъюстировке. В
результате разъюстировки оптических элементов лазеров на углы, превышающие
пороговый уровень (оптический угол разъюстировки), происходит срыв лазерной
генерации. Поэтому для поддержания параметров лазерного излучения в заданных пределах
возникает необходимость в систематическом контроле, юстировке и настройке
оптических систем.
Настройка сама по себе не может с высокой точностью
обеспечить получение требуемых параметров лазерного излучения. Поэтому по
окончании юстировки дальнейшая корректировка положения зеркал резонатора
осуществляется в работающем лазере по максимуму мощности излучения при заданной
картине поля в дальней зоне или по наблюдению распределения излучения в
поперечном сечении.
Наиболее распространёнными методами юстировки лазеров
являются автоколлимационный и интерференционный, а так же метод оптического
рычага.
Метод оптического рычага
Упрощённая схема юстировки методом оптического рычага:
Рис. 6
(юстировка оптической системы по бликам на экране с
отверстием) представлена на рис. 6, где введены следующие обозначения: 1 -
вспомогательный гелий-неоновый лазер; 2 - экран с отверстием; 3, 5 - зеркала
резонатора; 4 - активный элемент.
Излучение вспомогательного лазера через небольшое отверстие в
экране направляется в резонатор юстируемого лазера. После отражения от
разъюстированных зеркал и торца активного элемента лазерный луч возвращается к
экрану под углом к оси резонатора, и на экране наблюдается ряд световых пятен
(бликов); напротив, если ось луча совмещена с осью активного элемента, световое
пятно образуется вокруг отверстия в экране, когда все блики совмещены с
отверстием. Таким образом, критерием правильности юстировки является
исчезновение лазерных бликов с экрана.
Точность установки элементов оптической системы зависит от
параметров излучения вспомогательного лазера и от расстояния между юстируемыми
поверхностями.
Автоколлимационный
метод
Автоколлимационный метод заключается в последовательном
совмещении отражения изображения перекрестья автоколлимационной сетки с
отражённым изображением перекрестья окуляра. Оптическая схема автоколлиматора
представлена на рис. 7, где приняты следующие обозначения: 1 - поверхность
юстируемого элемента; 2 - объектив; 3 - электрическая лампочка; 4 - конденсор;
5 - автоколлимационная сетка; 6 - призма-куб, склеенная из двух прямоугольных
призм; 7 - стеклянная пластина с нанесённым перекрестием окуляра; 8 - окуляр.
Как следует из рисунка, свет от лампочки 3 попадает на
конденсор 4, обеспечивающий равномерное освещение сетки 5. Автоколлимационная
сетка представляет собой двухкоординатную шкалу с делениями, выполняемую обычно
в виде пересекающихся прозрачных линий в непрозрачном экране. Через прорези
сетки лучи света проходят объектив 2 и освещают отражающую поверхность 1,
отражаясь от которой они через призму 6 и пластину 7 направляются к окуляру 8.
при совмещении фокальных областей объектива и окуляра с плоскостью перекрестия
окуляра можно наблюдать отчётливое изображение сетки 5 и перекрестья окуляра 7.
Если юстируемая поверхность перпендикулярна оптической оси объектива, то
перекрестья сетки и окуляра совпадут. Высокая точность юстировки с помощью
автоколлиматора обеспечивается тем, что совмещение направлений прямого и
отражённого лучей визируется по совмещению тонких линий метки оси коллиматора и
изображения шкалы, которые наблюдаются через окуляр с увеличением. При повороте
юстируемого элемента на угол Ь отражённые от его поверхности лучи
отклоняются на угол 2Ь.
Минимальная погрешность измерения ориентации юстируемой
поверхности определяется значением предельного угла разрешения 
, где Ьгл=60’’ -
разрешающая сила глаза; fок - фокусное расстояние окуляра; fоб - фокусное расстояние объектива.
С помощью автоколлиматора юстировку оптической системы лазера
можно осуществить методом трёх меток и методом «на просвет».
Первый метод заключается в том, что выходное зеркало снимается, а
оптическая ось автоколлиматора выставляется перпендикулярно плоскости торца
активного элемента. Затем снимается активный элемент и перпендикулярно
оптической оси автоколлиматора ставится (помещается) непрозрачное зеркало
резонатора. После этого устанавливается активный элемент и проверяется его
ориентация. Если она не изменилась, то на выходное зеркало ставиться на место и
юстируется. В процессе реализации рассматриваемого метода наблюдатель
последовательно совмещает отражённые от трёх поверхностей изображения
автоколлимационной сетки с перекрестием окуляра.
При юстировке по методу «на просвет» все оптические элементы
остаются на своих местах, что способствует повышению её оперативности.
Излучение автоколлиматора, частично отражаясь, проходит выходное зеркало и
активный элемент к непрозрачному зеркалу. Оптическая система считается
съюстированной, если изображения автоколлимационной сетки, отражённые от
зеркала и торца активного элемента, совпадают. Этим методом можно юстировать
лазеры только с достаточно прозрачными и однородными активными элементами,
например, неодимовый стеклянный лазер. При юстировке рубинового лазера
изображение автоколлимационной сетки, отражённое от непрозрачного зеркала,
из-за неоднородности рубина сильно размывается и совместить его с остальными
изображениями достаточно сложно.
Интерференционный
метод
Интерференционный метод юстировки, как и метод оптического
рычага, основан на использовании вспомогательного лазера с малой угловой
расходимостью излучения.
Самый точный - автоколлимационный метод, потом по точности
идут: интерференционный метод и метод оптического рычага соответственно.
Процесс
юстировки главного зеркала телескопа
1) Включить лазер видимого спектрального диапазона,
совмещённый соосно с источником на производстве.
) С помощью поворотных механизмов на подвижном столике
отъюстировать зеркало таким образом, чтобы излучение падало точно на приёмник
прибора.
) Выключить юстировочный лазер.
) Включить источник излучения.
) Проверить, приходят ли данные с прибора на пульт
управления.
) В случае необходимости провести дополнительную юстировку
зеркал.
) Выключить прибор.
Для юстировки зеркал и призм на трассе используется подвижные
столики.
Рисунок 9 - Подвижный столик: Thorlabs MBT402
Таблица. Распределение подвижек системы
|
Подвижной
столик
|
Узел
|
Дейcтвие
|
|
MBT402
|
Зеркально-призменная
схема
|
Смещение по оси
X Смещение по оси Y Поворот вокруг оси X Поворот вокруг оси Z
|
Выводы по технологическому разделу:
1. Разработан технологический процесс сборки неподвижных
зеркал.
2. Рассмотрены методы юстировки зеркал.
. Разработан технический процесс юстировки главного
зеркала телескопа.
3.
Технико-экономический раздел.
3.1
Экономическая сущность затрат на производство и реализацию продукции
Главной задачей любой фирмы является максимизация прибыли и
повышение эффективности производства. Для достижения желаемых результатов
необходимо эффективное управление затратами на производстве. Для того, чтобы
оперативно принимать решения, связанные с деятельностью фирмы необходим
грамотный управленческий учет. Одной из важнейших задач управленческого учёта является
калькулирование себестоимости продукции. Себестоимость продукции - это
выраженные в денежной форме затраты на её производство и реализацию.
Себестоимость продукции (работ, услуг) предприятия складывается из затрат,
связанных с использованием в процессе производства продукции (работ, услуг)
природных ресурсов, сырья, материалов, топлива, энергии, основных фондов,
трудовых ресурсов, а также других затрат на её производство и реализацию.
Себестоимость продукции является качественным показателем, в
котором концентрированно отражаются результаты хозяйственной деятельности
организации, её достижения и имеющиеся резервы. Чем ниже себестоимость
продукции, тем больше экономится труд, лучше используются основные фонды,
материалы, топливо, тем дешевле производство продукции обходится как
предприятию, так и всему обществу.
В себестоимость продукции, в частности, включаются: затраты
труда, средств и предметов труда на производство продукции на предприятии. К
ним относятся: затраты на подготовку и освоение производства; затраты,
непосредственно связанные с производством продукции (работ, услуг),
обусловленные технологией и организацией производства, включая расходы по
контролю производственных процессов и качества выпускаемой продукции; расходы,
связанные с изобретательством и рационализацией; расходы по обслуживанию
производственного процесса, обеспечению нормальных условий труда и техники
безопасности; расходы, связанные с набором рабочей силы, подготовкой и
переподготовкой кадров; отчисления на государственное социальное и обязательное
медицинское страхование; расходы по управлению производством, расходы,
связанные со сбытом продукции: упаковкой, хранением, погрузкой и
транспортировкой (кроме тех случаев, когда они возмещаются покупателем сверх
цены на продукцию); оплатой услуг транспортно - экспедиционных и посреднических
организаций, комиссионными сборами и вознаграждениями, уплачиваемыми сбытовыми
и внешнеторговым организациям; расходы на рекламу, включая участие в выставках,
ярмарках, расходы, непосредственно не связанные с производством и реализацией
продукции на данном предприятии, но их возмещение путём включения в
себестоимость продукции отдельных предприятий необходимо в интересах
обеспечения простого воспроизводства (отчисления на покрытие затрат по геолого
- разведочным и геолого - поисковым работам, на рекультивацию земель; плата за
древесину, отпускаемую на корню, а также плата за воду).
Кроме того, в себестоимости продукции (работ, услуг)
отражаются также потери от брака, от простоев по внутрипроизводственным
причинам, недостачи материальных ценностей в производстве и на складах в
пределах норм естественной убыли, выплата пособий в результате потери
трудоспособности из-за производственных травм (на основании судебных решений).
Затраты на производство продукции включаются в себестоимость
продукции того отчетного периода, к которому они относятся, независимо от
времени оплаты - предварительной или последующей.
Непроизводительные затраты отражаются в учете в том отчетном
месяце, в котором они выявлены.
Затраты, произведенные предприятием в иностранной валюте и
подлежащие включению в себестоимость продукции, отражаются в валюте,
действующей на территории РФ, в суммах, определяемых путем пересчета
иностранной валюты по курсу Центрального банка Российской Федерации,
действующему на дату совершения операции.
В управленческом учёте себестоимость формируется для того,
чтобы управляющий имел полную картину о затратах. Поэтому в системе данного
учёта могут использоваться различные методы расчёта себестоимости (в зависимости
от того, какая управленческая задача решается). В калькулировании могут
участвовать даже те затраты, которые не включаются в себестоимость продукции
(работ, услуг) в финансовом учёте.
Для предприятия важна достоверная информация о структуре
себестоимости - предприятие получает возможность влиять на неё, т.е. управлять
своими издержками. Именно такая информация должна формироваться в системе
бухгалтерского управленческого учёта.
В зависимости от того, какие затраты включаются в
себестоимость продукции, выделяются следующие её виды:
Цеховая - включает прямые затраты и общепроизводственные
расходы; характеризует затраты цеха на изготовление продукции;
производственная - состоит из цеховой себестоимости и
общехозяйственных расходов; свидетельствует о затратах предприятия, связанных с
выпуском продукции;
Полная себестоимость - производственная себестоимость,
увеличенная на сумму сбытовых расходов. Этот показатель интегрирует общие
затраты предприятия, связанные как с производством, так и с реализацией продукции.
Кроме того, различают индивидуальную и среднеотраслевую
себестоимость. Индивидуальная себестоимость свидетельствует о затратах
конкретного предприятия по выпуску продукции; среднеотраслевая - характеризует
средние по отрасли затраты на производство данного изделия. Она рассчитывается
по формуле средневзвешенной из индивидуальных себестоимостей предприятий
отрасли.
Наконец, существует плановая и фактическая себестоимость. В
расчёты плановой себестоимости включаются максимально допустимые затраты предприятия
на изготовление продукции, предусмотренные планом на предстоящий период.
Фактическая себестоимость характеризует размер действительно затраченных
средств на выпущенную продукцию.
В зависимости от оперативности контроля и объектов учета
затрат используются нормативный, попроцессный, попередельный и позаказный
методы учета затрат и вычисления себестоимости продукции (работ, услуг).
Нормативный
метод
Нормативный метод предполагает соблюдение следующих
принципов:
предварительное составление калькуляции (расчета) нормативной
себестоимости по каждому изделию;
ведение в течение месяца учета изменений действующих норм для
корректировки нормативной себестоимости;
учет фактических затрат в течение месяца с подразделением их
на расходы по нормам и отклонениям от норм;
установление причин отклонений от норм по местам их
возникновения;
определение фактической себестоимости продукции как суммы
нормативной себестоимости, отклонений от норм и изменений норм.
Для предварительной калькуляции используются ведомости нормативного
набора затрат по подразделениям предприятия, которые включают прямые затраты на
детали и узлы, изготовляемые в этих подразделениях.
К прямым затратам относятся материалы и полуфабрикаты, а
также заработная плата рабочих (с отчислениями на социальное страхование),
непосредственно занятых в производстве.
Изменение цен на материалы и полуфабрикаты, внедрение новых
технологий, повышение квалификации работников приводят к тому, что возникает
необходимость изменять нормативные наборы затрат в течение отчетного периода.
Тогда ведомость нормативного набора затрат корректируется с указанием причин
изменения нормативов.
Предприятие может не изменять нормативы в течение отчетного
периода, а учитывать эффект от изменения цен или совершенствования технологий
вместе с отклонениями от норм.
Попроцессный
метод
Попроцессный метод вычисления себестоимости продукции
применяется, как правило, на предприятиях, для которых характерны массовый
характер производства, один или несколько видов производимой продукции, краткий
период технологического процесса и отсутствие незавершенного производства.
Сущность попроцессного метода заключается в учете прямых и
косвенных затрат по статьям на весь выпуск продукции, а среднюю себестоимость
единицы продукции (работ, услуг) определяют делением суммы всех произведенных
за месяц затрат на количество готовой продукции за тот же период.
Для осуществления контроля за затратами производственный
процесс подразделяется на стадии (процессы). Отсюда и название метода -
«попроцессный».
Попередельный
метод
Для многих производств характерна последовательная
переработка промышленного или сельскохозяйственного сырья в готовый продукт.
Особенностью таких производств является наличие последовательных стадий,
которые представляют собой совокупность технологических операций, создающих
промежуточный продукт (полуфабрикат). Эти стадии получили название переделов.
Переделы считаются объектами учета затрат при данном методе.
Их перечень определяется исходя из возможностей планирования, учета и
калькулирования себестоимости продукции каждого передела и оценки
незавершенного производства.
При данном методе прямые затраты отражаются в текущем учете
не по видам продукции (работ, услуг), а по переделам (стадиям производства),
даже если в одном переделе можно получить продукцию разных видов.
Во многих случаях объектом исчисления затрат признается не
вся продукция передела, а отдельные ее виды или группы.
Позаказный
метод
При позаказном методе вычисления все прямые основные затраты
учитывают по статьям калькуляционного листа в соответствии с отдельными
заказами. Заказы выдаются на определенное количество продукции того или иного
вида. Все остальные расходы учитываются по местам их возникновения, по их
назначению и по статьям и включаются в себестоимость отдельных заказов в
соответствии с избранной базой распределения.
Объектом учета затрат при данном методе является отдельный
производственный заказ, фактическая себестоимость которого определяется после
его исполнения. До выполнения заказа все относящиеся к нему затраты считаются
незавершенным производством.
Принятые к исполнению заказы регистрируют, им присваивают
очередные с начала года номера, которые становятся их кодами. Копию извещения
об открытии заказа направляют в бухгалтерию, где заводится карточка учета
затрат по заказу.
По окончании изготовления изделия или выполнения работы заказ
закрывается. После сообщения о закрытии заказа отпуск материалов по нему и
начисление заработной платы прекращаются.
Фактическая себестоимость единицы продукции исчисляется после
исполнения заказа путем деления суммы затрат на количество изготовленной по
заказу продукции.
3.2
Расчет себестоимости лидара
Полная
себестоимость
Полная себестоимость складывается из следующих затрат:
С = М + Зк + Зп + Нес + Зэкс + Зоп. + Зох. + Зпр, (1)
Где М - затраты на расходные материалы;
Зк - затраты на комплектующие изделия;
Зп - зарплата рабочих;
Нес - отчисления на соц. нужды;
Зэкс - расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;
Зоп. - общепроизводственные расходы;
Зох. - общехозяйственные расходы;
Зпр - прочие расходы
Затраты
на расходные материалы
В затраты на расходные материалы включается стоимость затрат
на основные материалы, составляющие главное материальное содержание
производимого продукта.
Затраты на расходные материалы рассчитываются по формуле:
, (2)
где Н - норма расхода материала на 1 изделие;
Ц - цена 1 кг материала;
Ni - количество наименований расходных материалов;
Т.З. - транспортно-заготовительные расходы.
Цены на основные материалы представлены в таблице 1.
Таблица 1. Стоимость
основных материалов
|
Наименование
материала
|
Цена единицы
материала, руб.
|
Расход
материала
|
Итоговая
стоимость, руб.
|
|
Дюралюминий
Д-16, г.
|
0,16
|
1800
|
288
|
|
Спирт, л.
|
130
|
0,5
|
65
|
|
Общая стоимость
основных материалов, руб.
|
353
|
|
Коэффициент
транспортно-заготовительных расходов (8%)
|
28,24
|
В итоге получаем затраты на расходные материалы: 
руб.
Затраты
на комплектующие изделия
В затраты на комплектующие изделия входит стоимость всех
приобретенных изделий для изготовления лидара. Список и цены на все
комплектующие изделия представлены в таблице 2.
Таблица 2. Стоимость комплектующих изделий
|
Наименование
изделия
|
Кол-во, шт.
|
Цена, руб.
|
|
Задающий
генератор
|
1
|
545 400
|
|
Импульсный
усилитель
|
1
|
1 560 200
|
|
Приемник
излучения
|
1
|
52 413
|
|
Коллиматор
|
1
|
15 038
|
|
Телескоп
|
1
|
187 980
|
|
Оптоволоконный
делитель
|
4
|
18 798
|
|
Итоговая
стоимость комплектующих изделий
|
|
2 436 223
|
Расчет
заработной платы рабочих
Основная заработная плата - это вознаграждение за выполненную
работу в соответствии с установленными нормами труда (нормы времени, выработки,
обслуживания, должностные обязанности).
Расчет основной заработной платы Зосн р. производится по
формуле:
Зосн = Зт + Зпрем,
(3)
где Зт - фонд заработной платы рабочих;
Зпрем - сумма премий;
Зпраз - доплата за работу в праздничные дни.
Данные о численности рабочих, их заработной плате представлены в
таблице 3.
Таблица 3. Данные по
сотрудникам
|
Виды работ
|
Должность
сотрудника
|
Число
сотрудников
|
Продолжительность
работы
|
Заработная
плата, руб.
|
|
Разработка
лидара
|
Ведущий инженер
|
1
|
6 мес.
|
50 000
|
|
Инженер -
конструктор
|
2
|
6 мес.
|
30 000
|
|
Инженер -
программист
|
1
|
6 мес.
|
30 000
|
|
Работы по
сборке
|
Инженер
|
1
|
4 мес.
|
25 000
|
|
Рабочий
|
2
|
4 мес.
|
20 000
|
|
Работы по
наладке
|
Инженер
|
1
|
2 мес.
|
25 000
|
|
Рабочий
|
1
|
2 мес.
|
20 000
|
Расчет фонда заработной платы рабочих Зт, руб. производится
по формуле:
Зт = Чт * Тсм * Тэф * Рсп, (4)
где Чт - часовая тарифная ставка рабочего данного разряда,
руб.,
Тсм - продолжительность смены, в часах (8 час.);
ТЭф - эффективный фонд рабочего времени одного
среднесписочного рабочего, в днях;
Рсп - списочное число рабочих, чел.
Расчет суммы премии рабочих Зпрем, руб. производится по
формуле:
Зпрем = (Зт * Ппрем) / 100, (5)
где Зт - заработная плата, р.,
Ппрем - процент премии согласно действующей системе
премирования предприятий, р. (25%)
Результаты расчета Зт и Зпрем представлены в таблице 4.
Таблица 4. Расчет фонда заработной платы и премий
|
Виды работ
|
Должность
сотрудника
|
Число
сотрудников
|
Фонд заработной
платы, руб.
|
Сумма премий,
руб.
|
|
Разработка
лидара
|
Ведущий инженер
|
1
|
300 000
|
75 000
|
|
Инженер
конструктор
|
2
|
360 000
|
90 000
|
|
Инженер
программист
|
1
|
180 000
|
45 000
|
|
Работы по
сборке
|
Инженер
|
1
|
100 000
|
25 000
|
|
Рабочий
|
2
|
160 000
|
40 000
|
|
Работы по
наладке
|
Инженер
|
1
|
50 000
|
12 500
|
|
Рабочий
|
1
|
40 000
|
10 000
|
|
Итого сумма,
руб.
|
1 190 000
|
297 500
|
В результате расчет основной заработной платы Зосн р.:
Зосн = 1190000 + 297500 = 1487500 руб.
Дополнительная заработная плата - это вознаграждение за труд
сверх установленных норм, за трудовые успехи и изобретательность и за особые
условия труда. Сумма дополнительной заработной платы составляет 10% от общей
суммы основной заработной платы.
В итоге дополнительная заработная плата будет равна:
Здоп = (1487500*10)/100 = 148750 руб.
Отчисления
на социальные нужды
Отчисления на социальные нужды - элемент себестоимости
продукции (работ, услуг), в котором отражаются обязательные отчисления по
установленным законодательством нормам государственного социального страхования
в Фонд социального страхования Российской Федерации, Пенсионный фонд Российской
Федерации, Государственный фонд занятости населения Российской Федерации и
фонды обязательного медицинского страхована от затрат на оплату труда
работников, включаемых в себестоимость продукции (работ, услуг) по элементу
«Затраты на оплату труда» (кроме тех видов оплаты, на которые страховые взносы
не начисляются).
Отчисления на социальные нужды производятся согласно
Федеральному закону №212-ФЗ «О страховых взносах… (редакция от 28.12.2010)».
Законом установлены следующие тарифы страховых взносов:
· Пенсионный фонд
Российской Федерации - 26 процентов;
· Фонд социального
страхования Российской Федерации - 2,9 процента;
· Федеральный фонд
обязательного медицинского страхования - с 1 января 2011 года - 3,1 процента, с
1 января 2012 года - 5,1 процента;
· территориальные фонды
обязательного медицинского страхования - с 1 января 2011 года - 2,0 процента, с
1 января 2012 года - 0,0 процента.
Отчисления на социальные нужды берутся от суммы основной и
дополнительной заработной платы (Зосн +Здоп) в размере 34%:
Расчет
расходов на содержание и эксплуатацию оборудования, и другие расходы
Общепроизводственные расходы - расходы по содержанию и
эксплуатации машин и оборудования; амортизационные отчисления и затраты на
ремонт основных средств и иного имущества, используемого в производстве;
расходы по страхованию указанного имущества; расходы на отопление, освещение и
содержание помещений; арендная плата за помещения, машины, оборудование и др.,
используемые в производстве; оплата труда работников, занятых обслуживанием
производства; другие аналогичные по назначению расходы.
Общехозяйственные расходы - административно-управленческие
расходы; содержание общехозяйственного персонала, не связанного с
производственным процессом; амортизационные отчисления и расходы на ремонт
основных средств управленческого и общехозяйственного назначения; арендная
плата за помещения общехозяйственного назначения; расходы по оплате
информационных, аудиторских, консультационных и т.п. услуг; другие аналогичные
по назначению управленческие расходы.
Сумма расходов по эксплуатации оборудования и других расходов
представлена в таблице 5.
Таблица 5. Стоимость расходов
|
Наименование
расходов
|
Сумма, руб.
|
|
Расходы на
содержание и эксплуатацию оборудования
|
210 700
|
|
Общепроизводственные
расходы
|
498 658
|
|
Общехозяйственные
расходы
|
256 709
|
|
Прочие
производственные расходы
|
87 000
|
Результат расчета себестоимости лидара приведен в таблице 6.
Таблица 6. Расчет себестоимости
|
Статья затрат
|
Сумма, руб.
|
% к итогу
|
|
Затраты на
расходные материалы
|
381,24
|
0,007
|
|
Затраты на
комплектующие изделия
|
2 436 223
|
39,2
|
|
Заработная
плата рабочих
|
1 487 500
|
29,1
|
|
Отчисления на
социальные нужды
|
556 325
|
10,9
|
|
Расходы на
содержание и эксплуатацию оборудования
|
210 700
|
4,1
|
|
Общепроизводственные
расходы
|
498 658
|
9,7
|
|
Общехозяйственные
расходы
|
256 709
|
5
|
|
Прочие расходы
|
87 000
|
1,7
|
|
Итого
себестоимость
|
5 533 586,24
|
100
|
Определение
прогнозируемой цены изделия
Для определения оптовой цены изделия к полной себестоимости
следует прибавить сумму прибыли (40% от полной себестоимости).
Цизд= Сполн + 0.4*Сполн, (5)
Цизд = 5 533 586,24+ (0,4*5 533 586,24) =
7747020,74 руб.
Для достоверности суждений об экономической эффективности
продукта необходимо учитывать его цену. Выгода для производителя от
производства продукции определяется её прибылью, которая определяется как
разница между фактической ценой и себестоимостью продукции. По итогам раздела
рассчитана себестоимость и прогнозируемая цена лидара.
Вывод:
Рассчитана себестоимость изделия.
Рассчитана прогнозируемая цена изделия.
Список
литературы
доплеровский лидар
вихревый сигнал
1. Звелто О., Принципы лазеров,
Санкт-Петербург,» Лань», 2008
2. Абильсиитов Г.А. «Технологические лазеры.
Том 1», Москва, «Машиностроение», 1991
. Корчагина Р.Л. «Экономическое
обоснование технологических решений», Санкт-Петербург, «БГТУ», 2001
. Иванов Н.И., Фадин И.М. «Безопасность
жизнедеятельности. Справочное пособие по дипломному проектированию»,
Санкт-Петербург, «БГТУ», 2009
. Панов В.А., Кругер М.Я., Кулагин В.А. и
др. «Справочник конструктора оптико-механических приборов», Ленинград,
«Машиностроение», 1980
. Дубнищев Ю.Н., Лазерные доплеровские
измерительные технологии // Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2002 г.
. Дубнищев Ю.Н., Теория и преобразование
сигналов в оптических системах // Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2004 г.
. Кологривов В.Н., Тищенкова В.В.,
Оптический эффект Доплера, Физическое образование в ВУЗах, 2002 г.
. Борен К., Хафмен Г., Поглощение и
рассеяние света малыми частицами // М., «МИР», 1986 г.
. Справочник конструктора
оптико-механических приборов, под ред. Панова В.А. // Л., «Машиностроение»,
1980 г.
. Справочник технолога оптика, под ред.
Окатова М.А. // Спб., «Политехника», 2004 г.
12. Space Dynamics Laboratory, Utah
State University, 1695 North Research Park Way, Logan, UT 84341.» Lidar
profiling of aerosols, clouds, and winds by Doppler and non-doppler methods.»
Thomas D. Wilkerson.