Файл: Инженерные изыскания в строительстве. Инженерно-геологические, геофизические и геодезические исследования [сборник].pdf

Г л а в а 5

З А Р У Б Е Ж Н Ы Е Л О К А Ц И О Н Н Ы Е СИСТЕМЫ ОПТИЧЕСКОГО Д И А П А З О Н А

Локационные системы оптического диапазона [37—41] по сравнению с системами СВЧ обладают оп­ ределенными преимуществами: высокой точностью, отно­ сительно большой дальностью действия при малой мощ­ ности, малыми габаритами и весом.

Сравнение лазерной и СВЧ аппаратуры показывает, что при одинаковой мощности излучения и времени из­ мерения лазерная система имеет значительно более вы­ сокую точность.

Лазерная аппаратура имеет огромные преимущества в энергетическом отношении, так как она способна сфор­ мировать гораздо более узкий луч, нежели СВЧ аппа­ ратура. Если цель имеет небольшие размеры, располо­ жена на большом расстоянии и, таким образом, едва «перекрывает» луч лазера, то мощность излучения ла­ зерной аппаратуры для допплеровского измерения ско­ рости этой цели при условии, что обеспечивается ее точное сопровождение, будет в 3 - Ю 6 раз меньше, чем мощность СВЧ системы аналогичного назначения.

По мнению зарубежных специалистов, для лазерных средств космической навигации перспективным является создание устройств, работающих на волне 10,6 мкм. Это объясняется тем, что по состоянию на середину 1969 г.

чувствительные приемники, основанные на использова­ нии метода когерентного гетеродинирования.

166

Вместе с тем системы оптического диапазона имеют существенный недостаток: зависимость интенсивности сигнала от атмосферных условий. Выход, по мнению за­ рубежных специалистов, состоит в переходе к исполь­ зованию волн в дальней инфракрасной (ИК) области, в частности, волн длиной 40 и 350 мкм, для которых ха­ рактерно наличие окон прозрачности в атмосфере.

Практическое освоение дальней ИК области в на­ стоящее время затрудняется из-за отсутствия соответ­ ствующих генераторов. Попытки «достичь» этот диапа­ зон со стороны СВЧ после нескольких лет работы осо­ бых успехов не принесли. Появление газовых лазеров, работающих на длине волны 75 мкм, позволяет надеять­ ся, по мнению зарубежных специалистов, что в бли­ жайшее время такие генераторы будут созданы.

1. НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ЛОКАТОРОВ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

По данным зарубежной печати, при разработке лока­ торов оптического диапазона возникает ряд проблем, связанных с их особенностями и отличиями от СВЧ ап­ паратуры: выбор оптимальной длины волны лазера и его режима излучения, выбор методов и средств смеше­ ния и детектирования сигналов оптического диапазона, выполнение требований относительно стабилизации ча­ стоты лазера, амортизации его конструкции и охлаж­ дения в условиях работы на борту самолета.

Рабочая длина волны. По мнению зарубежных спе­ циалистов, наиболее оптимальным диапазоном волн для допплеровского измерителя скорости на лазере, пред­ назначенного для работы по земной и водной поверх­

на волнах указанного диапазона когерентное детекти­ рование позволяет получить весьма высокую чувстви­

ном режиме они могут развивать мощность порядка не­ скольких киловатт при к. п. д. около 20%. Таким обра-

167

зом, можно считать, что наличие отработанной аппара­ туры, низкий уровень потерь на прохождение сигнала в атмосфере, возможность получения мощного непрерыв­

использование лазеров иа СОг в локационных системах.

Выбор режима излучения и метода обработки при­ нятого сигнала. Зарубежные специалисты считают, что

Этот режим по сравнению с режимом детектирования по огибающей обеспечивает существенное увеличение чув­ ствительности приемника при сохранении фазовой и час­ тотной информации.

Высказывалось опасение, что при отражении луча от диффузной поверхности, например от Земли, будет по­ теряна когерентность несущей частоты оптического диа­ пазона, а в связи с этим снизится работоспособность системы, использующей метод гетеродинного детекти­ рования принятого сигнала. Однако, как показали тео­ ретические и экспериментальные исследования за рубе­ жом, эти опасения не подтверждаются: никакого ухуд­ шения, кроме потерь в мощности, в сигнале, отраженном от диффузной поверхности, не наблюдается.

Метод гетеродинной обработки в оптическом диапа­ зоне позволяет перевести частоту сигналов, несущих допплеровскую информацию, в более низкочастотный диапазон, где можно использовать имеющиеся усили­ тели, фильтры и детекторы.

По мнению .специалистов, гетеродинный приемник оптического диапазона обладает тремя важными пре­ имуществами:

—обеспечивает усиление, достаточное для того, что­ бы выходной сигнал имел мощность, необходимую для преодоления эффектов тепловых шумов и шумов детек­ тора;

—позволяет легко выделять полезный сигнал из раз­ личных фоновых излучений, поскольку сигнал гетеро­

дина, как правило, превышает суммарное излучение фона;

— сохраняет информацию о частоте и фазе сигнала при работе в режиме с соответствующей модуляцией.

Установлено, что оптимальное детектирование в обла-

168

сти инфракрасных частот достигается при использова­ нии фоторезисторов и фотодиодов. Выбор детектора того или иного типа зависит от особенностей конкретного применения.

Обеспечение стабильности частоты. Основным усло­ вием успешной реализации метода гетеродинного детек­

зарубежных специалистов, обеспечение краткопериодной стабильности частоты в лазерных генераторах. Для этого применяются различные устройства механической стабилизации. Причем использование этих устройств в системах с лазерами на С 0 2 требует решения ряда слож­ ных инженерных задач, которые обусловлены особен­

Особую важность в случае самолетного допплеровского локатора Приобретает проблема стабилизации ча­ стоты гетеродина. Примером такого решения может слу­ жить схема активной стабилизации частоты лазера на

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