Обобщенная и структурная схемы лазерного локатора

Содержание

Введение

1. Обобщенная и структурная схемы лазерного локатора

1.1 Обобщенная схема лазерной локации

1.2 Геометрические схемы лазерной локации

1.3 Объекты локации

1.4 Оптические помехи

1.5 Структурная схема лазерного локатора

Заключение

Литература

Введение

Тема контрольной работы "Обобщенная и структурная схемы лазерного локатора" по дисциплине "Оптотехника".

Вторая половина XX в. ознаменовалась появлением и бурным развитием ряда новых отраслей науки и техники, среди которых одно из первых мест по праву занимает лазерная (оптическая) локация.

Как самостоятельная область лазерная локация появилась только после разработки оптических квантовых генераторов. Рубин явился первым веществом, в котором в 1960 г. была осуществлена генерация лазерного излучения с длиной волны 0,69 мкм. Лазер на рубине и по сей день находит применение в лазерной локации. В 1961 г. была впервые показана возможность генерации лазерного излучения ионами неодима на длине волны 1,06 мкм. В настоящее время лазеры этого типа широко используются в лазерных локационных системах различного назначения. В 1964 г. был создан лазер на СО₂, работающий на длине волны 10,6 мкм. Высокие выходные мощности излучения, способность работать в непрерывном и импульсном режимах, а также высокая прозрачность атмосферы в этой области спектра делают лазер на СО₂ и сейчас весьма перспективным для решения задач локации.

За короткий промежуток времени с момента появления первого лазера было создано большое количество мощных источников когерентного света. Одновременно велись широкие исследования по разработке методов модуляции и демодуляции лазерного излучения.

Превосходные характеристики даже первых лазеров на рубине (мощное излучение и коллимированность светового пучка) и развитие методов модуляции добротности позволили генерировать очень короткие лазерные импульсы и проводить пространственно разрешенные измерения подобно радарам: интервал между временем посылки лазерного импульса и временем прихода отраженного сигнала на приемник можно непосредственно связать (через скорость света) с расстоянием от лазерного передатчика до объекта, от которого произошло отражение.

К началу 80-х годов XX в. лазерная локация сформировалась в самостоятельное научно-техническое направление. Значительные достижения квантовой электроники позволили не только создать уникальные по своим характеристикам лазерные локационные системы, но и эффективно их использовать в различных областях техники.

С помощью лазерных локаторов осуществляют наблюдение за летательными аппаратами (самолетами, ракетами, искусственными спутниками Земли), исследуют состояние земной атмосферы, проводят локацию Луны. Лазерные локаторы используются для дальнометрии, при посадке самолетов, стыковке космических аппаратов, в военной области и т.п.

Лазерной (оптической) локацией называют обнаружение и определение местоположения различных объектов (их дальности и угловых координат) с помощью лазерного излучения, т.е. когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона волн. Технические средства, предназначенные для лазерной локации, называют лазерными локационными системами или станциями (ЛЛС) либо лазерными (оптическими) локаторами.

При лазерной локации информация об объекте локации, извлекаемая ЛЛС, переносится лазерными локационными сигналами, т.е. принимаемыми электромагнитными волнами (излучениями) оптического диапазона, параметры которых определенным образом связаны с координатами и характеристиками объектов локации.

Обнаружение целей с помощью лазерной локации состоит в фиксации поступающих на вход приемного устройства ЛЛС лазерных локационных сигналов и является первым этапом первичной обработки информации в ЛЛС. Как известно, этот этап состоит из двух операций: выделение сигнала на фоне помех и принятие решения о наличии или отсутствии сигнала от объекта локации на входе приемника локатора с некоторыми вероятностями правильного и ложного обнаружений. При этом используются различия спектральных и статистических характеристик лазерного локационного сигнала и помехи (шума).

Цель работы - ознакомится и привести описание обобщенной и структурной схем лазерного локатора.

1. Обобщенная и структурная схемы лазерного локатора

Обобщенная схема лазерной локационной системы (ЛЛС) включает в себя источник лазерного излучения и приемник (расположенные в общем случае в разных точках пространства), объект локации (наблюдения), среду распространения и источники помех.

1.1 Обобщенная схема лазерной локации

Обобщенная схема ЛЛС показана на рис.1. В соответствии с этой схемой лазерное излучение источника проходит через среду распространения излучения (слой земной атмосферы), ослабляется в ней (в основном вследствие поглощения атмосферными газами и рассеяния на частицах аэрозоля) и попадает на объект локации. Часть лазерного излучения отражается объектом локации в обратном направлении (в сторону приемника излучения лазерного локатора).

Рис.1. Обобщенная схема ЛЛС

Отраженный сигнал улавливается приемной оптической антенной и с помощью приемной оптики собирается и направляется на приемник излучения (фотоприемник), который преобразует его в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности принятого лазерного излучения. Далее этот сигнал подвергается усилению и соответствующей обработке в целях извлечения информации о дальности до объекта локации, его угловых координатах и т.п. При этом, чтобы извлечь необходимую информацию об объекте локации, необходимо использовать специальные методы измерения и алгоритмы обработки, так как значение лазерного сигнала, регистрируемого приемником лазерного локатора, сложным образом зависит от характеристик земной атмосферы на трассе распространения излучения, отражающих свойств объекта локации, параметров источника и приемника излучения и геометрической схемы локации.

В общем случае процесс обнаружения лазерного сигнала и измерения его параметров происходит на фоне разного рода оптических помех (обратного рассеяния, фоновых, флуктуационных) в условиях, когда полезный сигнал значительно ослаблен и искажен из-за влияния среды распространения излучения.

1.2 Геометрические схемы лазерной локации

В соответствии с расположением в лазерном локаторе источника и приемника излучения, существуют две основные геометрические схемы лазерной локации - бистатическая и моностатическая.

В бистатической схеме локации источник и приемник излучения разнесены на заметное расстояние либо конструктивно (например, в системах наведения и сопровождения), либо для того, чтобы добиться хорошего пространственного разрешения (например, при дистанционном лазерном зондировании).

При работе лазерного локатора по бистатической схеме лазерной локации поверхности (рис.2) источник И, расположенный в точке (х_и, у_к, z_K) земной системы координат xyz, облучает некоторый участок поверхности (земной, морской или искусственного объекта). Рассеянное поверхностью излучение регистрируется приемником П, расположенным в точке (x_n,y_n,z_n) земной системы координат.

Рис.2. Бистатическая схема лазерной локации:

И - источник;

П - приемник;

ЛП - лазерное пятно подсвета

На рис.3 показаны примеры использования бистатической схемы локации в военных целях для высокоточного наведения ракет, бомб и снарядов. На рис.3, а представлена полуактивная ЛЛС наведения, в которой лазерный подсвет объекта локации осуществляется с борта самолета. Летчик осуществляет поиск, опознавание, выбор объекта, прицеливание, перевод лазерной станции подсвета в режим излучения. Наведение лазерного луча и удержание его на объекте выполняется с помощью специального прицела (оптического, телевизионного, инфракрасного или радиолокационного). На рис.3, б показана аналогичная полуактивная ЛЛС наведения, в которой подсвет объекта осуществляется с наземного пункта.

В моностатической схеме локации источник и приемник излучения конструктивно устанавливаются в одном месте.

На рис.4 приведены примеры использования моностатической схемы локации. На рис.4, а показан бортовой самолетный лазерный локатор, предназначенный, например, для определения высоты самолета над морской поверхностью, измерения параметров морского волнения или контроля нефтяных загрязнений на морской поверхности; на рис.4, б - лазерный альтиметр, установленный на космическом аппарате, а на рис.4, в - наземный лазерный локатор, предназначенный для слежения за искусственными спутниками Земли (ИСЗ).

Моностатическая схема локации с совмещенными источником и приемником излучения используется также, например, в лазерных дальномерных системах и лазерных системах дистанционного зондирования атмосферы. При этом лазерный источник и приемник излучения часто устанавливаются на едином поворотном устройстве, которое позволяет изменять направление луча в зависимости от местонахождения объекта локации.

Рис.3. Примеры использования бистатической схемы лазерной локации:

а - подсвет объекта локации осуществляется с борта самолета;

б - подсвет объекта локации осуществляется с наземного пункта

Рис. 4. Примеры использования моностатической схемы лазерной локации:

а - бортовой самолетный лазерный локатор;

б - лазерный альтиметр, установленный на космическом аппарате;

в - лазерный локатор, предназначенный для слежения за ИСЗ

лазерный локатор оптическая помеха

Моностатический лазерный локатор с совмещенными источником и приемником излучения может иметь как коаксиальное, так и биаксиальное расположение оптических осей источника и приемника. В коаксиальной системе оптическая ось лазерного пучка источника излучения совпадает с оптической осью приемника. Возможные типы оптической схемы моностатического лазерного локатора при коаксиальной конфигурации осей показаны на рис.5. В оптической схеме, представленной на рис.5, а, происходит раздельное распространение луча лазерного источника и принимаемого излучения, а в схеме, изображенной на рис.5, б, луч лазерного источника отражается от зеркала приемной оптической системы (т.е. лазерный пучок источника излучения формируется главным зеркалом приемной оптической системы).

Рис.5. Возможные типы оптической схемы моностатического лазерного локатора с коаксиальной конфигурацией оптических осей:

а - раздельное распространение луча лазерного источника и принимаемого излучения;

б - отражение луча лазерного источника от зеркала приемной оптической системы

В биаксиалъной системе лазерный пучок входит в поле зрения приемника только на некотором, заранее определенном расстоянии (рис.6). Такая схема расположения оптических осей источника излучения и приемника позволяет избежать насыщения фотодетектора приемника, вызванного обратным рассеянием излучения (на атмосферном аэрозоле) в ближней зоне локатора.

Рис.6. Моностатический лазерный локатор с биаксиалъной конфигурацией оптических осей

1.3 Объекты локации

Объекты локации чрезвычайно разнообразны и определяются задачами, для которых предназначены конкретные ЛЛС. Объектами - локации могут быть:

участки земной или морской поверхности (например, для лазерных дальномеров или бортовых лазерных высотомеров, установленных на авиационных или космических носителях);

ИСЗ, Луна (для ЛЛС, установленных, например, на поверхности Земли или на борту космических аппаратов), планеты Солнечной системы (для ЛЛС, установленных на борту космических аппаратов, запущенных к этим планетам);

различные искусственные объекты сложной формы (например, для лазерных систем наведения - самолеты, вертолеты, корабли, автомашины объекты военной техники, здания и различные сооружения);

специально установленные диффузные, зеркальные или уголковые отражатели (для лазерных локационных измерительных систем различного назначения, например, для лазерных систем дальнометрии) и т.п.

Характер отражения от объектов локации чрезвычайно различен и может меняться от зеркального (зеркальный отражатель, гладкая водная поверхность при штиле) до диффузного (диффузный отражатель, многие земные поверхности).

Объекты локации бывают стационарные (специально установленные отражатели), передвижные (машины, самолеты, ракеты, ИСЗ), плоские (диффузный, зеркальный отражатель) или неровные (искусственные объекты сложные формы, земная и морская поверхности), могут случайно изменять свою форму во времени и в пространстве (морская поверхность), могут зависеть от сезонных и погодных условий (земная и морская поверхности). Размеры объектов локации также чрезвычайно разнообразны: лазерное пятно подсвета может полностью укладываться на объект локации (объект локации много больше лазерного пятна - как, например, при локации земной или морской поверхности, объекта с большими размерами), и лазерное пятно подсвета может быть много больше объекта локации (например, при локации небольшого отражателя).

Лазерный сигнал, отраженный от объекта локации, представляет собой в общем случае случайное излучение, зависящее от многих факторов:

размеров объекта локации;

свойств поверхности объекта локации (характеристик неровностей поверхности объекта, оптических параметров материала);

ориентации объекта по отношению к направлению на источник и приемник излучения;

длины волны лазерного излучения, его временной и пространственной когерентности и т.п.

1.4 Оптические помехи

В ЛЛС прием сигнала всегда осуществляется на фоне шума, который можно разделить на внешний и внутренний.

Внешние шумы для большинства ЛЛС в основном обусловлены влиянием помехи, вызванной обратным рассеянием лазерного излучения в земной атмосфере и фоновыми помехами. Помеха обратного рассеяния возникает в результате обратного объемного рассеяния лазерного пучка подсвета в толще атмосферы. К фоновым помехам относят помехи, которые не связаны с излучением источника лазерного локатора, а существуют независимо от наличия, лазерного сигнала. К ним можно отнести прямое солнечное излучение и фоновое излучение, обусловленное рассеянием солнечного излучения в земной атмосфере и на земной поверхности. Эти помехи во многих случаях являются определяющими при работе локатора в дневное время.

Внутренние шумы обусловлены шумами фотоприемника и шумами усилительного устройства.

Если лазерный локатор работает в атмосфере, то необходимо учитывать не только помехи атмосферного происхождения, но и явления, происходящие при прохождении лазерного излучения через атмосферу. Последние разделяют на несколько групп, каждую из которых можно рассматривать самостоятельно и учитывать в зависимости от конкретных условий работы локатора. К таким явлениям следует отнести:

ослабление и рассеяние лазерного излучения из-за наличия в атмосфере поглощающих газов и аэрозольных частиц;

искажения лазерного пучка, вызванные турбулентностью атмосферы;

различные нелинейные эффекты.

Нелинейные эффекты затрудняют лазерные измерения и вносят случайные и систематические ошибки, сложным образом зависящие от длины волны излучения, параметров лазерного источника и приемника, схемы локации, длины трассы распространения излучения, метеорологических условий и др.

1.5 Структурная схема лазерного локатора

Структурные схемы лазерных локаторов, используемых для различных задач, имеют много общего. Основными блоками, характерными для любого лазерного локатора, являются:

лазерное передающее устройство;

оптико-электронное приемное устройство;

система первичной обработки локационных данных;

система управления и наведения.

В состав следящей ЛЛС входит также система автоматического сопровождения цели.

В зависимости от конкретных задач изменяется конструкция лазерного локатора, его отдельные узлы и блоки, особенно лазерное передающее и приемное устройства.

На рис.7 представлена структурная схема лазерного локатора, в которой в качестве передатчика использован лазер. Синхронизатор ЛЛС вырабатывает сигналы управления, поступающие на передающее и приемное устройства.

Лазерное передающее устройство предназначено для генерации когерентных колебаний волн оптического диапазона, их модуляции по определенному закону и излучения зондирующего сигнала в заданном направлении и определенном телесном угле, характеризующем направленность лазерного передающего устройства. Оно представляет собой активную среду 2, помещенную в резонатор 3, систему накачки 4 и системы управления временными 5, энергетическими 6 или же поляризационными характеристиками излучения лазера, передающую оптическую систему 7, включающую в себя в общем случае коллимирующий и отклоняюще-сканирующий блоки.

Рис.7. Структурная схема лазерного локатора:

1 - синхронизатор ЛЛС; 2 - активная среда;

3 - резонатор; 4 - система накачки;

- система управления временными характеристиками излучения лазера;

6 - система управления энергетическими характеристиками излучения лазера;

- передающая оптическая система;

8 - устройство обработки сигналов;

9 - фотоприемное устройство; 10 - приемная оптическая система;

11 - система наведения

Часто небольшая часть импульса лазера используется для маркировки момента начала отсчета времени и калибровки интенсивности (т.е. для задания опорного сигнала, которым нормируется полезный лазерный локационный сигнал в случае плохой воспроизводимости параметров выходных лазерных импульсов), а также для контроля длины волны лазерного излучения, когда это необходимо.

Отраженное от цели излучение поступает на приемную оптическую систему 10, а затем на фотоприемное устройство 9 и устройство обработки сигналов 8, которое принимает решение о наличии или отсутствии цели, управляет режимом работы антенных систем, переводя их из режима поиска в режим автосопровождения цели через систему наведения 11.

Основными элементами приемной оптики в большинстве лазерных локаторов в настоящее время являются отражающие телескопы систем Ньютона, Грегори и Кассегрена. Размер апертуры приемника сильно зависит от характера объекта локации и расстояния, с которого проводится локация.

Излучение, собранное приемной оптикой, прежде чем попасть в блок детектирования, проходит через какой-либо спектроанализатор. Этот прибор служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся наблюдения, и соответственно для отсечки фонового излучения на других длинах волн. Спектроанализатор может представлять собой моно - или по-лихроматор, набор узкополосных фильтров.

Выбор фотодетектора лазерного локатора определяется спектральной областью наблюдений, которая, в свою очередь, зависит от характера объекта локации и типа используемого лазера. Сигнал фотодетектора может подвергаться аналоговой или цифровой обработке.

Существуют два основных метода приема отраженных от цели сигналов. Первый - энергетический, или некогерентный, метод (метод прямого фотодетектирования) - заключается в том, что фотоприемное устройство реагирует только на энергию сигнала, не воспринимая информацию о фазе несущей частоты излучения. Второй - гетеродинный метод (метод фотосмешения) - относится к когерентным методам приема.

В настоящее время почти все оптические локаторы в работе используют метод прямого детектирования как наиболее легко технически реализуемый.

Необходимо отметить, что структурные схемы ЛЛС могут различаться в зависимости от их назначения.

Заключение

В процессе написания контрольной работы мы ознакомились с обобщенной и структурной схемами лазерного локатора, на примере структурной схемы разобрались с принципом работы лазерного локатора и др.

Литература

1. Лазерная дальнометрия / Под ред. В.П. Васильева, Х.В. Хиирикус - М., Радио и связь, 1995 - 256 с.

. Лазерные измерительные системы / А.С. Батраков, М.М. Бутусов, Г.П. Гречка и др. - М., Радио и связь, 1981 - 456 с.

. Основы импульсной лазерной локации: Учебное пособие / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов и др. - М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 - 512 с.