Вход лазерного излучения

Рис. 5.32. Схема лазерного локатора фирмы Syivania: / - главное зеркало приемного телескопа; 2 -дефлектор; Л - диссектор пеленгационного канала; А - диссектор канала дальности; 5 - светоделитель; б - интерференционный фильтр: 7 - устройство обработки

слежение за ракетой-носите-- лем только на начальном

участке траектории (с момента отрыва от стартовой позиции), где из-за приземных помех не могли работать радиолокационные средства. Оптическая схема лазерного локатора фирмы Sylvania показана на рис. 5.32. Расходимость луча лазерного передатчика на выходе локатора была равна 1,5, в то время, как угловая зона неопределенности первоначального положения цели составляла ГХ1°.

В связи с этим в локаторе был предусмотрен режим поиска цели по угловым координатам. Сканирование лазерным лучом осуществлялось дефлектором 2 с помощью зеркал, укрепленных на пьезо- электрических двигателях.

Для измерения дальности применялся фазовый метод. Интенсивность излучения передатчика модулировалась по синусоидальному закону тремя частотами, из которых максимальная частота модуляции равнялась 30 МГц. Ошибка измерения дальности составляла несколько сантиметров.

В начальный момент полета цели угловая скорость ее движения относнтельно лазерного локатора не превышала 0,5 градус/с. Тем не менее, сканирование лазерным лучом во время поиска цели должно было быть достаточно быстрым для того, чтобы цель не успела за это время выйти из поля поиска.

В качестве приемных устройств использовались диссекторы. Синхронно со сканированием лучом передатчика производилось и сканирование поля зрения диссекторов. Мгновенное поле зрения диссекторов было согласовано с шириной диаграммы направлен-Бости лазерного передатчика и равнялась 1,5°. В результате удалось значительно уменьшить уровень шумов, обусловленных фоновым излучением. Для подавления шума применялась также узкополосная фильтрация на частотах модуляции излучения передатчика. На дальности 10 км отношение сигнал/шум в приемном канале составляло 13 дБ при работе с приемным телескопом диаметром 15 см, имеющим относительное отверстие 1:5. Точность измерения угловых координат цели равнялась \" и ограничивалась, в основном, турбулентностью атмосферы.

2. Лазерный локатор непрерывного действия полигона White Sands (США) [78, 67] предназначался для слежения за ракетами-носителями на начальном участке траектории с момента их стар-

Таблица 5.3

Ошибки измерения координат лазерным локатором полигона White Sands

та, когда радиолокационные средства не могут быть применены. В качестве лазерного передатчика был использован аргоновый лазер непрерывного действия (Я=0,514 мкм) с выходной мощностью 5 Вт и коэффициентом полезного действия 0,1%- Излучение лазера, расположенного неподвил-:но, наводилось на цель первоначально приводами опорно-поворотного устройства. Угловая точность установки лазерного луча опорно-поворотным устройством была равна нескольким угловым минутам. Более точное наведение производилось пьезоэлектрическим приводом,

представлявшим собой биморфную пьезоэлектрическую пластину, способную сгибаться при приложении к ней электрического напряжения. Точность наведения луча пьезоэлектрическим приводом составляла 10". Управление всеми приводами осуществлялось цифровым вычислителем.

Благодаря узкой диаграмме направленности излучения передатчика, лазерное пятно полностью умещалось на цели. Это обстоятельство позволяло работать без уголкового оптического отражателя, так как мощность отраженного излучения, принятого локатором, уменьшалась пропорционально второй, а не четвертой степени дальности до цели. Коэффициент отражения покрытия головного обтекателя ракеты-носителя равнялся 0,6 на длине волны 0,514 мкм.

Для слежения за целью лазерному лучу передатчика придавалось небольшое коническое вращение. Принятое локатором отраженное излучение детектировалось и по сдвигу фаз между переменным электрическим сигналом с выхода фотодетектора и сигналом, пропорциональным углу поворота луча передатчика, вырабатывался сигнал управления приводами. Угол поля зрения, в котором производился поиск цели, равнялся ± Г. Соотношение угловой скорости сканирования при поиске цели, ширины диаграммы направленности луча передатчика и размеров цели было таково, что при об-нарул\ении цели формировался импульс длительностью 1,52 мкс. Это, в свою очередь, требовало, чтобы ширина полосы пропускания фотоприемника была не меньше 330 кГц (по полол-сительным частотам).

Для измерения дальности так же, как и в лазерном локаторе фирмы Sylvania, использовался фазовый метод. Частоты модуляции равнялись 0,5; 5 и 50 МГц. Лазерный локатор работал в следующей последовательности. Сначала велся поиск цели, заканчивавшийся тем, что после ряда последовательных сканирований цель обнаруживалась. Затем осуществлялось точное наведение лазерного луча на цель и автоматическое сопровождение цели. В процессе сопровол\дения измерялась дальность до цели и ее угловые координаты.

Приемный тракт рассматриваемого лазерного локатора состоял из кассегреновского телескопа с относительным отверстием 1 ; 2,5, интерференционного фильтра с шириной полосы пропускания 1 нм и диссектора. Телескоп имел металлическое главное зеркало диаметром 30 см, аберрации которого были исправлены стеклянным корректором. Пропускание оптической системы приемного тракта вместе с интерференционным фильтром составляло 40%- Отношение сигнал/шум на выходе фотонриемного устройства с учетом шума от фонового излучения равнялась 24,7 дБ.

Точность измерения координат цели лазерным локатором полигона White Sands характеризуется данными, представленными в табл. 5.3.

5.3. Лазерные локаторы для космических аппаратов

1. Лазерный локатор для стыковки космических аппаратов [78, 95]. Один из первых лазерных локаторов космического назначения был создан в 1967 г. в Центре космических полетов им. Маршалла (США). Он должен был обнаруживать цель на дальности до 120км в ноле зрения 10°, измерять расстояние до цели и ее угловые координаты, вычислять их производные по времени и выдавать сигналы управления на двигательную установку космического аппарата для сближения и стыковки. В целом система стыковки помимо лазерного локатора, устанавливаемого на инспекционном (активном) космическом аппарате, включала уголковый отражатель, лазерный маяк для обнаружения цели и оптико-электронную следящую систему, устанавливаемые на пассивном космическом аппарате (цели). Не вдаваясь в функционирование всей системы целиком, ограничимся рассмотрением лазерного локатора.

Jl двигательной

установке дальносл,

Рис. 5.33. Схема лазерного локатора для стыковки космических аппаратов:

- главное зеркало внешнего телескопа; 2 - коитр-рефлектор внешнего телескопа; 3-внутренний телескоп; 4 - диссектор: 5 - ФЭУ; 6 - блок измерения дальности; 7 - система большой дальности; « - система обнаружения и сопровождения; 9 - импульсный лазер; 10 - лазер непрерывного действия; И - светоделитель

Рис. 5.34. Конструкция лазерного локатора для стыковки космических аппаратов:

i - импульсный лазер; 2 - лазер непрерывного действия; 3 - корпус внешнего телескопа; 4 - диссектор; 5 - ФЭУ

Упрощенная схема лазерного локатора, представлена на рис. 5.33, а его конструктивное оформление показано на рис. 5.34. Импульсный лазер 9 представлял собой полупроводниковый арсенид-галлиевый лазер, работавший на длине волны 0,9 мкм. Он предназначался для работы по уголковому отражателю на дальностях от 3 до 120 км. Управление им осуществлялось системой большой дальности 7. Ошибка измерения дальности в этом режиме равнялась ±0,5% от дальности и на трех километрах составляла 30 м. Угол расходимости излучения лазера 9 был равен 0,5°, мощность в импульсе излучения составляла 300 Вт при длительности импульса 0,1 мкс.

Лазер непрерывного действия 10 представлял собой арсенид-галлиевый светоизлучающий диод, работавший на длине волны 0,9 мкм. Средняя мощность его излучения была равна 40 мВт, а угол расходимости- Г. Лазерный луч модулировался по интенсивности импульсами в форме меандра с частотой следования 3,747 МГц. В обоих лазерах была предусмотрена возможность уменьшения мощности излучения для того, чтобы на малых дальностях предотвратить насыщение фотоприемных устройств.

Приемный оптический тракт локатора состоял из двух телескопов, смонтированных один внутри другого но коаксиальной схеме (см. рис. 5.33). Внутренний телескоп 3 имел угол ноля зрения 10° и предназначался для поиска и обнаружения цели. Излучение лазерного маяка, установленного на цели, фокусировалось на чувствительную поверхность диссектора 4, выходной сигнал которого содержал информацию об угловом положении цели в поле зрения ло-катора Диаметр входного объектива внутреннего телескопа равен 9,5 см, а его относительное отверстие было 1 :0,95. Выходной сигнал диссектора 4 обрабатывался системой обнаружения и сопро-

Таблица 5.4

Точностные характеристики лазерного локатора длч стыковки космических аппаратов

вождения 8 с целью формирования сигналов управления двигательной установкой и ориентации инспекционного космического аппарата таким образом, чтобы цель попала в поле зрения внешнего телескопа, шириной Г. Внешний телескоп состоял из главного зеркала 1 диаметром 17,8 см и контррефлектора 2. Относительное от--верстие внешнего телескопа было равно 1:3,6. Как только цель попадала в поле зрения внешнего телескопа, начинал работать импульсный лазер 9. Его излучение, отраженное от оптического уголкового отражателя, установленного на цели, с помощью светоделителя 11 фокусировалось одновременно на чувствительную площадку диссектора 4 и на фотокатод 5. Таким образом, осуществлялось одновременное измерение угловых координат цели и дальности до нее.

На дальностях от 3 до 120 км определение расстояния между инспекционным космическим аппаратом и целью проводилось измерением временной задержки между излученным импульсом лазера 9 и принятым отраженным импульсом. На дальностях до 3 км измерение расстояния производилось фазовым методом с помощью лазера непрерывного действия 10. Ошибка измерения расстояния в этом режиме составляла 0,1 м. Частота модуляции интенсивности излучения лазера 10 равнялась 3,747 МГц. Этой частоте соответст-

Таблица 5.5

Массовые характеристики и энергопотребление лазерного локатора для стыковки космических аппаратов

fMtte 1 \1>4К

CmpoS-импульсы

HSmhc

iMKC

Рис. 5.35. Диаграммы последовательности парных импульсов. Уровень строб-импульса «1» соответствует открытому фотоприемиику; уровень «О» соответствует закрытому фотоприемнику

вует длина волны 80 м. Таким образом, для обеспечения точности измерения расстояния 0,1 м требовалось измерять фазу колебания с точностью приблизительно 1°. Для этого электрический сигнал с выхода ФЭУ смешивался в блоке 6 с сигналом гетеродина частотой 3,743 МГц. В результате формировался сигнал на промежуточной частоте 3,747 кГц, по которому и производилось измерение фазы. Флуктуации промежуточной частоты, вызванные эффектом Доплера, были около 1 кГц.

Чтобы избежать неоднозначности, присущей фазовому методу, грубо измерялось расстояние с точностью 30 м лазером 9, а лазер 10 осуществлял только уточнение полученных данных в пределах 30 м.

Точностные характеристики рассматриваемого лазерного локатора представлены в табл. 5.4, а некоторые физические данные - в табл. 5.5.

При работе на больших дальностях (3...120 км) для повышения помехозащищенности применялся оригинальный метод парных импульсов. Он заключался в следующем. Импульсный лазер 9 излучал последовательность парных импульсов с частотой следования 1 кГц (рис. 5.35). Длительность каждого импульса была равна 0,1 мкс. Два импульса в паре разделялись временным интервалом 1 мкс. В рел\име обнаружения устанавливался единичный уровень стробирующего сигнала, при котором фотоприемник был открыт и регистрировал любой импульс - сигнальный или шумовой - если только этот импульс превышал заранее установленный пороговый уровень. Если на выходе фотоприемника регистрировался импульс, то устройство стробирования закрывало фотоприемник, а спустя 1 мкс после этого генерировало открывающий строб-импульс длительностью 0,067 мкс. Если следующий импульс регистрировался в этот момент времени, то факт наличия полезного сигнала считался подтвержденным. Если же за время длительности строб-импульса второй импульс на выходе фотоприемника не регистрировался,