Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

дения луча при использовании ОКГ) в азимутальной и верти­ кальной плоскостях.

При использовании в качестве излучателя ОКГ, имеющего угол расхождения I) =« = )}= 10-f-15'. оптический локатор может определять угловые координаты объектов с точностью 1—1,5'.

Лучшие современные радиолокаторы имеют точность пелен­ гации 25—30 мин.

Другим достоинством оптических локаторов является их вы­ сокая разрешающая способность. В локации так же, как и в оптике, угловая разрешающая способность численно характери­ зуется минимальным углом между направлением на две равно­ удаленные цели, при котором отметки от них фиксируются раз­ дельно. Ясно, что если обе цели вписываются в луч локатора, он их не различит. Таким образом, разрешающая способность ло­ катора также определяется шириной диаграммы излучения или направленностью излучения.

В радиолокации для характеристики направленного действия локатора служит коэффициент направленности излучения

где Я — длина волны излучения; 5 — площадь излучающей антенны (оптической системы).

Из формулы (9.26) видно, что при одинаковых размерах из­ лучающих систем (антенн) оптический локатор, работающий на длине волны 1,06 мкм (ОКГ на стекле), имеет направленность излучения в 10s раз меньшую по сравнению с радиолокатором сантиметрового диапазона. Конечно, следует иметь в виду,что обзор широкого пространства узким, «игольчатым» лучом пред­ ставляет трудности, но они в значительной степени разрешают­ ся применением мозаичных приемников с большим числом эле­ ментов.

Как п радиолокатор, оптический локатор может определять три координаты — две угловых и дальность до объекта. Для определения дальности до пеленгнруемого объекта служат Дальномерные устройства. Поскольку дальпомерпые устройства при­ меняются и как самостоятельные приборы, рассмотрим их более подробно.

ДА Л Ь Н О М Е Р Ы

Воптических дальномерах применяется два метода измере­ ния расстояний до объектов — фазовый и импульсный, и соот­

ветственно дальномер называется фазовым и импульсным.

При применении фазового метода для определения дальности используется разность фаз между посланным на объект лучом

268

п отраженным. На этом принципе действия основан отечествен­ ный ИК-квантовый дальномер ГД-314. Излучателем в дальноме­ ре служит полупроводниковый квантовый генератор на арсениде галлия (7 = 0,84 мкм). Излучение лазера модулируется путем по­ дачи на кристалл GaAs напряжения с частотой /м = 150 кГц, на­ зываемой масштабной. В конце измеряемой дистанции ставится призменный отражатель. Отраженное от призмы излучение ОКГ поступает в фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) приемного канала.

Одновременно на ФЭУ подается опорное напряжение, фаза которого с частотой 1 кГц меняется на 180°. В результате одно­ временного воздействия на ФЭУ опорного и принимаемого сиг­ налов амплитуда сигнала на выходе ФЭУ изменяется в зависи­ мости от соотношения фаз между опорным напряжением и напряжением, пропорциональным принятому сигналу. Плавно ре­ гулируя фазу опорного напряжения, добиваются, чтобы сигнал на выходе ФЭУ был равен нулю. Сняв в этот момент отсчет фазы по прибору (фазометру) с помощью таблиц, определяют даль­ ность до уголкового отражателя.

Максимальная измеряемая дальность в фазовых дальномерах определяется частотой fM

(9-27)

где U — масштабная частота; Дпах выражается в метрах.

Вдальномере ГД-314 согласно этой формуле при /м=150х ХЮ3 Гц получим 2000 м. Точность измерения не хуже ± 5 см.

Недостатком фазовых дальномеров является обязательное применение зеркального отражателя.

Вимпульсных дальномерах этот недостаток устраняется. Принципиальная схема импульсного лазерного дальномера при­ ведена на рис. 9,27.

Дальномер состоит из трех основных частей: передающей, включающей в себя оптический квантовый генератор 1 с объ­ ективом 2, направляющим параллельный поток излучения на объект П приемной, состоящей из объектива 3, узкополосного фильтра 4, фотоэлектронного умножителя 5 (ФЭУ) и электрон­ ного блока. Электронный блок состоит из двух усилителей 7 и 8, генератора временных импульсов 13, блока стробирования 9, прибора отсчета времени 10 п цифрового индикатора дально­ сти 11. Вместо блоков 9—И, 13 можно использовать электронно­ лучевой индикатор дальности 12.

Принцип измерения дальности заключается в следующем. Кнопкой К включается блок питания лампы накачки оптическо­ го квантового генератора 1. Поток излучения, генерируемый ОКГ, с помощью электрооптпческого затвора 15, призмы или другого устройства модулируется в короткие импульсы длнтель-

269

ностыо 10—30 нс (10—30-10~9 с) п через объектив 2 направля­ ется в виде параллельного пучка па объект /7. Часть потока из­ лучения полупрозрачным зеркалом 14 направляется на фото­ элемент 6, импульс фототока которого запускает прибор отсче­ та времени 10. Отраженное от предмета излучение улавливается

объективом 3 и, проходя через узкополосный фильтр 4, попадает на приемник 5. Усиленный ФЭУ импульс фототока передается в блок 9 и запирает прибор 10. Количество импульсов, прошед­ ших через прибор 10 с момента излучения светового импульса передатчиком до момента приема отраженного сигнала, пропор­ ционально дальности и отмечается в виде соответствующего от­ счета в блоке 11.

Особенность дальномера заключается в том, что результат измерения дальности получается после посылки одного импуль­ са излучения. Длина волны, на которой работает дальномер, оп­ ределяется рабочим веществом ОКГ. Разрешающая способность по дальности импульсных дальномеров, а следовательно, и опти­ ческих локаторов определяется частотой генератора временных импульсов и длительностью излучаемого квантовым генерато­ ром импульса энергии. Частота генератора временных импуль­ сов может быть теоретически взята любой. На практике исполь­ зуют генераторы с /=60 мГц, что дает импульсы длительностью

270

г),= 2-10-8 с. Между двумя импульсами такой длительности свет пройдет расстояние ДД = с/„ = 3-1010*2-10~8 = 6 м. Если при этомдлительность лазерного импульса не будет превышать величины, бь то указанные 6 м будут определять и точность дальномера^ Таким образом, в импульсном дальномере должно выполняться, условие

Р и с . 9.28. К п р и н ц ип у д е й с т в и я И К - д а л ы ю м е р а с и с п о л ь зо в а н и е м э ф ­ ф ек та Д о п л е р а :

У—полупрозрачное зеркало; 2—неподвижное зеркало; КК—космический корабль

Для измерения расстояний до быстро движущихся объектов применяют локаторы-дальномеры, основанные на использовании эффекта Доплера. На рис. 9.28 приведена схема принципа дей­ ствия ИК-дальномера (локатора), предназначенного для обеспе­ чения встречи космических кораблей на орбите. В дальномере (локаторе) используется в качестве излучателя ОКГ непрерыв­ ного действия на смеси гелий — неон с Я=1,15 мкм.

Луч ОКГ, проходя через полупрозрачное зеркало 1, разделя­ ется на его выходе на два луча А и Б. Луч А проходит прямо к встречному космическому кораблю КК, от поверхности которого

271

Г л а в а X. ИНФРАКРАСНАЯ ТЕХНИКА В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Освоение космического пространства выдвинуло ряд новых областей применения инфракрасной техники. Приборы ИК-техни- кн начали применяться в космической навигации, для исследова­ нии поверхности п атмосферы Земли и других планет, для раз­ личных астрономических и астрофизических исследовании, в си­ стемах космической связи.

Применение НК-приборов в космосе облегчается тем, что в космическом пространстве отсутствует среда, поглощающая ИКизлучепие. В космическом пространстве отсутствует также и из­ лучающая среда, что создает благоприятные фоновые условия. Практически фон создается только слабым излучением звездно­ го неба при условии, что в поле зрения ИК-прибора не попадает излучение Земли или других космических тел. Поэтому дальность действия ИК-прнборов в космосе значительно больше, чем на земной поверхности.

Непрерывно возрастающий объем космических исследований и благоприятные условия распространения ИК-излучения в кос­ мическом пространстве способствуют все большему внедрению приборов ИК-техинкн в комплекс оборудования космических ле­ тательных аппаратов. При этом особое внимание обращают на точность приборов, их вес, габариты и надежность работы в кос­ мических условиях.

§ 10.1. П Р И Б О Р Ы Д Л Я К О С М И Ч Е С К О Й Н А В И Г А Ц И И

Способы определения положения космического летательного аппарата в пространстве и процесс его направления к месту назначения называется космической навигацией. Наряду с ос­ новной задачей космической навигации — обеспечением движе­ ния космического корабля по заданной орбите — возникает необходимость решить вспомогательную задачу — обеспечить определенную ориентацию (стабилизацию) космического лета­ тельного аппарата в пространстве. Ориентация необходима для исключения произвольных вращений летательного аппарата во­ круг собственного центра масс, а также для стабилизации ап­ парата или отдельных его установок относительно выбранных направлений. Так, например, фотографирование обратной сто­ роны Луны автоматической межпланетной станцией оказалось возможным только благодаря системе автоматической ориента­ ции, которая обеспечила определенное положение станции по от­ ношению к Луне в течение всего времени фотографирования.

В космической навигации положение космического корабля в пространстве определяют измерением углового положения изве­ стных небесных тел (звезд или планет) относительно космиче­ ского корабля. Для межпланетной навигации обычно выбирается