ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ

Значительные достижения квантовой электроники позволили не только создать уникальные локационные системы на основе лазеров, но и эффективно использовать их в различных областях народного хозяйства. Так, с помощью лазерных локаторов осуществляется наблюдение за летательными аппаратами (самолетами, искусственными спутниками Земли), исследуется состояние атмосферы, проводится локация Луны. Лазерные локаторы используются при посадке самолетов, в процессе стыковки космических аппаратов и т. д.

Для того, чтобы наглядно показать возможности лазерных локаторов, целесообразно напомнить несколько общих положений.

Хорошо известно, что любая локационная система служит для получения информации об удаленном объекте. Эта информация доставляется локационным сигналом и извлекается нз него в результате специальной обработки. Главной особенностью всех локационных систем является то, что принимаемый ими сигнал не создается наблюдаемым объектом специально для передачи необходимой информации, а является лишь результатом его собственного излучения (пассивная локация) или возникает вследствие отражения от поверхности объекта зондирующего излучения (активная локация). В зависимости от того, какое используется локационное излучение (различные диапазоны электромагнитных волн, ультразвук, корпускулярные потоки - электроны, нейтроны и т. д.), может быть получена та или иная информация об объекте (его координаты, скорость, геометрические параметры, оптическое изображение, характеристики поверхности, состав вещества, из которого состоит объект и т. п.). При этом эффективность самой локационной системы определяется, с одной стороны, объемом получаемой ею информации, скоростью и точностью, с которыми эта информация получается, а с другой - те.м, насколько технически просто удается реализовать данную локационную систему.

Именно с таких позиций все чаще и чаще отдается предпочтение лазерным локаторам. Эти системы позволяют измерять с большой точностью координаты и скорость объекта, получать исчерпывающую информацию о его форме, определять характеристики его поверхности. Вместе с тем, лазерные локаторы могут иметь срав-нительно небольшие габаритные размеры н энергетически выгодны. Последнее во многом обусловливается тем, что их зондирующий сиг-

нал удается собрать в узком телесном угле, который часто оказывается соизмерим с тем углом, в пределах которого виден наблюдаемый объект.

Достоинства лазерных локаторов с учетом их больших потенциальных возможностей были раньше других оценены специалистами в области радиолокации. И в этом нет ничего удивительного, ибо в классическом представлении сигнал, генерируемый лазером, отличается от обычного радиолокационного практически только тем, что имеет существенно меньшую длину волны. А весь опыт разработки радиолокационных систем говорил за то, что с уменьшением длины волны зондируюихего сигнала следует ожидать увеличения точности измерения координат и скоростей объекта при одновременном уменьшении габаритных размеров самих локационных систем. Если же еще учесть, что с помощью лазерных локаторов появляется возможность, зарегистрировав изображение, получить дополнительную важную информацию о форме наблюдаемых объектов, то становится понятным, почему на создание новых локационных систем было обращено большое внимание буквально сразу же, как только появились реальные технические предпосылки для разработки достаточно мощных лазеров.

Основываясь на уже разработанных положениях теории радиолокации, лазерная локация, в свою очередь, стимулировала развитие новых важных научных направлений, внесших существенный вклад в общую проблему локационных систем. В первых работах, посвященных приему лазерных сигналов, было показано, что для обработки последних необходимо синтезировать новые методы и алгоритмы. Этот вывод явился следствием нескольких причин.

Первая, которой сразу было уделено особое внимание, заключается в значительно .меньшей длине волны зондирующего сигнала по сравнению с радиолокационным. Следствием этого является то, что в процессе приема в значительной степени начинают проявляться эффекты, обусловленные квантовой природой электромаг-нитных волн. Для исследования и количественного описания этих эффектов были использованы общие принципы квантовой электродинамики. С этих позиций были разработаны модели лазерных локационных сигналов и проанализировано влияние квантовых эффектов на процесс их регистрации.

Вторая причина заключается в повышенной информативности оптического сигнала по сравнению с радиолокационным. Это проявляется и в резком повышении точности измерения ряда традиционных для радиолокации параметров (угловых координат, дальности, доплеровской скорости и т. д.) и в том, что в данном случае удается получить важную дополнительную информацию (например, о геометрических размерах, о форме цели, о типе ее поверхности). В результате возникает необходимость как в синтезе принципиально новых алгоритмов (например, по оптимальной обработке пространственной структуры принимаемого сигнала), так и в усовершенствовании традиционных (например, алгоритмов построения траекторий при поступлении высокоточных единичных замеров).

Третья причина связана со специфическими особенностями лазерного сигнала по сравнению с обычным оптическим излучением. Высокая временная когерентность лазерного сигнала приводит к резким флуктуациям интенсивности оптического изображения. Подобные флуктуации отрицательно сказываются на эффективности распознавания, чтобы избежать этого, необходимо разрабатывать специальные методы по улучшению качества лазерных изображений и синтезировать оптимальные алгоритмы их распознавания. Отмеченный отрицательный эффект с лихвой окупается теми новыми возможностями, которые открываются именно благодаря высокой когерентности лазерного сигнала. Это прежде всего голографические и интерферометрические методы, применение которых позволяет осуществить оптимальную обработку принимаемого локационного сигнала, а также адаптивные методы.

Для создания лазеров потребовались новые, ранее не применявшиеся материалы, системы охлаждения и электропитания, принципиально новые оптические устройства для измерения параметров излучения. Лазерная техника стимулировала разработку новых радиоэлектронных устройств и методов измерений импульсных сигналов наносекундной длительности. Требовалась разработка высокочувствительных быстродействующих фотодетекторов как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах длин волн. Высокие потенциальные точности измерения координат цели, свойственные лазерным локаторам, определили необходимость создания сверхточных оптико-механических узлов для наведения лазерного излучения. Одновременно с развитием элементной базы совершенствовались н отрабатывались схемные решения лазерных локаторов, проверялись на практике основные положения теории.

В результате лазерная локация сегодня представляет собой самостоятельное научно-техническое направление, для которого характерно наличие логически стройной теории и своеобразной технической "базы.

ЧАСТЬ I

Глава 1

ТЕОРИЯ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ

Математическое описание лазерного локационного сигнала

Математическое описание лазерного локационного сигнала требует учета большого числа разнообразных физических явлений, сопровождающих его генерацию, прохождение через формирующий оптический тракт, распространение в атмосфере, его рассеяние на наблюдаемом объекте и, наконец, регистрацию принимаемого светового излучения. Большинство из этих физических явлений имеет флуктуационный характер, что приводит к необходимости сформулировать адекватную статистическую модель лазерного локационного сигнала. Однако, если попытаться все возможные эффекты учесть в этой модели, то она оказывается чрезвычайно громоздкой и неудобной при проведении необходимых математических исследований как для синтеза оптимальных лазерных локационных систем, так и для анализа их эффективности.

Поэтому обычно рассматривают и используют отдельные частные модели, которые наиболее полно учитывают те или иные явления и которые для наиболее важных практических ситуаций оказываются почти адекватными. Такой подход часто оправдывается не только преодолением излишних математических трудностей. Дело в том, что на современном уровне развития лазерной техники невозможно создать универсальный лазерный локатор, который был бы способен одновременно решать весь комплекс разнообразных задач. Для решения конкретных задач в конкретной обстановке достаточно использование соответствующей частной модели лазерного сигнала.

В настоящей главе приводится по возможности наиболее общее математическое описание влияния различных физических явлений на формирование лазерного локационного сигнала и рассматриваются соответствующие математические модели.

1.1. Сигнал, излучаемый лазерным локатором, и его статистические характеристики в окрестности наблюдаемой цели

Лазерный локационный сигнал, попадающий в область, где находится наблюдаемая цель, в первую очередь, определяется типом того лазера, который генерирует этот сигнал, В настоящее время Существует много типов лазеров, различающихся между собой по видам используемого рабочего вещества и по процессам «накачки», с помощью которых достигается инверсная населенность, т, е, обес-

иечивается передача энергии в атомы (ионы или молекулы) данного рабочего тела с тем, чтобы перевести их электроны на более высокие энергетические уровни. Более того, даже для одного и того же типа лазера сигнал, генерируемый конкретным образцом, имеет свои специфические особенности. В связи с этим при описании лазерного локационного сигнала обычно используются такие характеристики, которые позволяют вне зависимости от конкретного образца учесть эти специфические особенности.

В число характеристик, которыми описывается лазерный локационный сигнал, включаются и те, которыми обычно характеризуют любой локационный сигнал и которые связаны с его мощностью, видом используемой модуляции и режимом работы генератора (непрерывный, импульсный и т. д.). К особым характеристикам, свойственным в основном излучению лазера, следует отнести пространственную п временную когерентность светового сигнала. Данные характеристики являются чрезвычайно важными для лазерной локации. Однако прежде чем перейти к более детальному их обсуждению и рассмотрению возможных математических описаний лазерного излучения сделаем одно общее замечание.

Хорошо известно, что чем больше размер излучаюЩобласти, тем большую направленность имеет распространяющееся от нее электромагнитное излучение. Размеры светового пучка на выходе лазера являются сравнительно небольшие. В связи с этим используются специальные оптические системы (телескопического типа), основная роль которых сводится к масштабному увеличению размеров выходного пучка. В тех случаях, которые не будут особо оговорены, мы будем считать, что подобная оптическая система не нарушает общей структуры лазерного излучения. Это позволяет, формулируя модель лазерного излучения, относить ее сразу к выходной апертуре используемой оптической системы.

Если идеализировать хорошо известное утверждение о том, что излучение лазера обладает высокой (идеальной) монохроматичностью и высокой направленностью, обусловленной полной синфазно-стью генерируемых электромагнитных волн, то электрическое поле на раскрыве выходной апертуры Qn можно записать в виде

(I.I.I)

где р -радиус-вектор точки, принадлежащей Qa] Ва - комплексная амплитуда, равная нулю, когда р не принадлежит области йа", когда р принадлежит йа, то ва имеет некоторое постоянное значение по модулю, равное единице; аргумент ва - описывает фазу излучаемого колебания; соо-круговая частота излучения, связанная с длиной волны к и скоростью света с соотношением озо=2лс/к;

рл - интенсивность светового излучения, определяемая равенст- вом

Т S,

(1.1.2)

где 5а - площадь области Q-

Распространяясь в свободном пространстве, электрическое поле на некотор ом достаточно большом расстоянии R от локатора в

плоскости г, коллинеарной р, принимает вид [52]

(1.1.3) (1.1.4)

е (г, = Re V2Pe (г) exp (-д.), = j еЛ(7-г);,

а функция передачи свободного пространства Я(-) для зон Френеля и Фраунгофера [52] определяется соответственно равенствами

(-г)=ехр(г A; ";2j . (115

Жр- 7) Я (р, г) = - exp ii

(1.1.6)

где й = 2яД = соо/с.

Заметим, что в (1.1.3), (1.1.5) и (1.1.6) опущены множители, модули которых равны единице и которые зависят только от значения я и несущественны для дальнейших исследований.

Модель (1.1.1) соответствует случаю, когда распределение интенсивности по выходной апертуре Qa постоянно. Конечно, это утверждение не относится к распределению световой интенсивности по плоскости г, которое определяется выражением г

j{n = jrerr,i)dt=p]e(7)\2=:=p h(7-ndl (1.1.7)

что, например, для зоны Фраунгофера дает

j(7)=p

1 г Ik "*\ "* - j exp(-/~rp)rfp

(1.1.8)

Если распределение интенсивности J (г) аппроксимировать в виде /(7-) = /(0),<огда г принадлежит кругу с радиусом Дго, а вне

этого круга /(г) = 0, то Дго, естественно определить следующим соотношением:

nJ (0)