Файл: Супряга Н.П. Радиолокационные средства непрерывного излучения.pdf

итаким образом периодически меняет длину резонатора.

Всвязи с этим выходной сигнал лазера оказывается мо­ дулированным по частоте. Индекс модуляции выбирает­ ся достаточно малым, с тем чтобы эта модуляция не на­ рушала правильности работы системы в целом, т. е. не приводила к чрезмерному расширению спектра выход­ ного сигнала, и чтобы не появлялись боковые полосы, которые отличаются от основного спектра на выходе и могут вызвать ложный захват в блоке слежения лока­ тора.

Схема работает следующим образом. Некоторая часть энергии выходного сигнала лазера поступает на фотоде­ тектор. Если лазер не работает точно на средней часто­ те, амплитуды сигналов верхней и нижней боковой полос оказываются разными и вследствие этого вызывают на фотодетекторе появление сигналов биений. Требуемый для работы схемы сигнал модулирован по частоте, при­ чем его амплитуда зависит от величины ухода рабочей частоты лазера относительно средней частоты, а фаза — от знака этого ухода. После усиления в полосовом уси­ лителе сигнал подается на фазочувствительный детектор. Опорный сигнал для этого детектора вырабатывается тем же генератором, который генерирует модулирующий сигнал для ПЭП. Выходной сигнал детектора подается через интегратор на высоковольтный УПТ, затем после усиления на схему суммирования. Здесь выходной сиг­ нал усилителя складывается с сигналом модулирующей частоты и результирующее напряжение подается на ПЭП. Как только рабочая частота лазера отклонится от среднего значения, в схеме стабилизации появляется сиг­ нал ошибки, который заставляет ПЭП изменять длину резонатора путем перемещения одного из оконечных зеркал, что возвращает частоту лазера к требуемому значению.

Отражательная способность местности. На основании результатов экспериментов, проведенных специалистами США, сделан вывод о том, что при облучении земной поверхности сигналами на волне 3,5 мкм следует ожи-

170

дать широкого разброса значений -диффузной отража­ тельной способности. Поэтому электронные схемы ло­ катора должны рассчитываться на работу в широком диапазоне изменения величины сигнала. Требования к ширине этого диапазона могут быть снижены путем использования лазерного предусилителя, который будет больше усиливать слабые отраженные сигналы. Однако в любом случае рабочую длину волны следует выбирать с учетом степени шероховатости поверхности, так как при увеличении длины волны поверхность представляет­ ся более гладкой.

Распространение сигнала в атмосфере. Как показал анализ результатов экспериментов за рубежом, незна­ чительное изменение размера капель тумана резко вли­ яет на характер зависимости затухания сигнала от дли­ ны волны. В условиях сильного дождя наибольшее ослаб­ ление испытывает сигнал на волне 10,6 мкм.

Результаты многочисленных экспериментальных ис­ следований позволили специалистам сделать вывод о том, что основными факторами, которые оказывают воз­ действие на процесс прохождения непрерывного свето­ вого луча через атмосферу, являются неоднородность ее слоев и наличие в ней инородных частиц. Неоднород­ ность слоев вызывает некоторое изгибание луча, а на­ личие инородных частиц приводит к потерям энергии луча и его расширению. Несмотря на это, полученные результаты подтверждают возможность технической реализации оптических систем, работающих в атмосфере и предназначенных для допплеровского измерения ско­ рости.

Влияние турбулентностей. Помимо ослабления сигна­ лов, обусловленного наличием тумана, дождя, дыма, атмосфера воздействует на оптический сигнал еще и в результате наличия в ней турбулентностей, которые вызываются различиями в коэффициенте преломления частиц воздуха с разной температурой. Эти частицы на­ ходятся в непрерывном движении. Если луч лазера по­ падает в область, насыщенную такими частицами, то происходит искажение его волнового фронта и некоторое искривление формы.

В результате проведенных за рубежом исследований было показано, что независимо от величины входного отверстия приемника имеется предел, выше которого

нельзя поднять отношение сигнал/шум из-за искажении луча, обусловленных турбулентностями в атмосфере.

2. БОРТОВОЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ НА ЛАЗЕРЕ (ДИСЛ)

Первый бортовой допплеровский измеритель скоро­ сти в одноканальном варианте с лазером на С02 был разработан, изготовлен и испытан на самолете А-26В фирмой «Raytheon» в 1968 г. [37—41]. Этот измеритель работал в когерентном режиме с использованием мето­ да оптического гетеродинирования. Основные элементы структурной схемы измерителя следующие.

ния только типа ТЕМ0о- На первом этапе работы был создан лазер с системой пассивной стабилизации часто­ ты, которая сохраняла этот режим в условиях типичной для самолета вибрации, акустических и микрофонных эффектов и т. д. Затем была обеспечена компенсация влияния температуры на размеры резонатора. В мае 1968 г. специалисты фирмы работали над созданием си­ стемы активной компенсации уходов частоты лазера.

Пассивная стабилизация частоты лазера достигается с помощью рамы, на которой установлены зеркала и к которой подвешена разрядная трубка. Элементы рамы выполнены из сплава «инвар-36», имеющего высокую температурную стабильность. Дополнительная темпера­ турная компенсация создается с помощью особой систе­ мы обдува, снижающей чувствительность конструкции к колебаниям температуры в 57 раз. Луч на выходе пере­ датчика расположен под углом 90° к оси рамы. Для точ­ ной регулировки положения луча применены верньерные устройства. Поскольку диаметр луча лазера равен при­ мерно 6,5 мм, предусмотрено его расширение до 25 мм, с тем чтобы его можно было использовать в коаксиаль­ ной оптической субсистеме, разработанной для допплеровского измерителя скорости.

Лазер, примененный в системе, представляет собой устройство, состоящее из трех запаянных концентриче­ ских стеклянных трубок. Внутренняя трубка является разрядной, центральная служит рубашкой масляного

172

охлаждения, а внешняя выполняет' функции газового балласта. Мощность на выходе 5 вт.

Приемное устройство выполнено по схеме с исполь­ зованием гетеродина. Упрощенная структурная схема приемника приведена на рис. 88. Лучи сигнала и гете­ родина попадают на расщепитель, который пропускает

Рис. 88. Структурная схема приемного устройства допплеровского измерителя скорости оптического диапазона

лишь одну половину падающего на него света, а другую половину отражает. Таким образом, на каждый детек­ тор будет поступать половина мощности сигнала и по­ ловина мощности гетеродина. Два детектора позволяют использовать соответственно всю мощность. В детекто­ рах лучи накладываются друг на друга так, что их элек­ трические поля складываются. Выходные сигналы про­ межуточной частоты обоих детекторов проходят по одному каналу через усилитель, ширина полосы кото­ рого может быть гораздо меньше полосы оптического сигнала.

Примером такого устройства может служить прием­ ник, изготовленный по заказу NASA фирмой «CutlerНатптег». Рабочая длина волны приемника 10,6 мкм, эквивалентная шумовая мощность 10—19 вт/гц, мгно­ венная ширина полосы от 10 Мгц до 1 Ггц.

173

Смеситель должен обеспечить сохранение высокой чувствительности приемного устройства и перевод зна­ чения промежуточной частоты в область гигагерц, так как величина допплеровского сдвига в диапазоне длин волн 10,6 мкм оказывается весьма значительной. Этим требованиям удовлетворяет фотопроводниковый смеси-

1

тель на германии с присадкой меди, разработанный той же фирмой «Cutler-Нагптег». Работая при температуре

174

став системы входит расширитель луча 6, который со­ стоит из двух параболических линз. После расширения луч проходит через расщепитель 7 и поступает на спе­ циальное устройство (перфорированную диагональ) и на небольшую параболическую линзу. С линзы энергия возвращается на диагональ, проходит через ее отверстие и попадает на основную линзу, которая формирует коллимированный луч передатчика.

в обратном порядке, имея на выходе перфорированной диагонали форму цилиндра диаметром 25 мм. Этот луч отражается на расщепителе из флуорида-бария и после

• меди. Туда же с зеркала опорного луча поступает сигнал гетеродина.

Блок слежения выполнен по схеме, приведенной на рис. 90. Отраженные от Земли сигналы смешиваются с сигналами гетеродина в ИК детекторе, в результате чего выделяется требуемый спектр допплеровских частот. За­

175

спектра. Погрешность при этом должна лежать в преде­ лах ± 3 - 1 О - 5 от средней частоты допплеровского спек­ тра. Ширина этого спектра, как показали эксперименты, не должна превышать 20 кгц.

Сигнал допплеровской частоты с ИК детектора посту­ пает на широкополосный видеоусилитель, а затем на уси­

Со смесителя сигнал подается на УПЧ. Здесь обеспечи­ вается не только дополнительное усиление, но и ограни­ чение спектра полосой в 30 Мгц. Особое внимание уде­ ляется обеспечению минимального искажения формы спектра при одновременном подавлении спектров боко­ вых полос.

Поиск сигнала осуществляется путем качания часто­

стоты этого генератора длится несколько секунд, но в принципе его длительность можно довести до 8 мсек.

Блок слежения работает следующим образом. Если сигнала допплеровского спектра на входе схемы нет, генератор, управляемый по напряжению, производит поиск в заданной полосе частот с регулируемой скоро­ стью. Если в ходе первого периода качания частоты допплеровский сигнал не обнаруживается, управляющее напряжение на входе генератора достигает уровня, при котором происходит срабатывание транзисторного пере­ ключателя, вновь запускающего схему поиска.

В момент появления сигнала допплеровского спектра на входе блока слежения, когда частота генератора, уп­

частоты генератора и /д .

После усиления в УПЧ этот сигнал поступает одно­ временно на кристаллический фильтр, имеющий жесткую настройку на 30 Мгц в схеме захвата, и на дискримина­ тор. Схема захвата вырабатывает сигнал захвата, кото­ рый поступает на детектор. Выходное напряжение детек­ тора фильтруется и используется для переброса транзи­

176