„ * 7? /f /S /S го"

Порог, число ротоэлектроноб

Рис. 5.36. Вероятность ложной тревоги при обн-аружении парных импульсов;

/ - уровень фона токов, прн котором шумовой фототок в 100 раз превышает темновой фототок; 2 - фон дневного неба; 3 -фон облаков, освещенных солнечным светом

ТО первый зарегистрированный импульс считался ложным (шумовым) и вся система возвращалась в первоначальное положение.

При подтверждении факта наличия полезного сигнала устройство стро-бирования переходило в

следяш,ий режим и спустя приблизительно 0,9 мс после этого генерировало открывающий строб-импульс длительностью 0,5 мкс. Если в это время импульс вновь регистрировался, то следующий строб-импульс генерировался спустя 1 мкс после этого и т. д.

В [95] были рассчитаны вероятности ложной тревоги в зависимости от порогового числа фотоэлектронов, зарегистрированных в течение строб-импульса, и от дальности локации, при которой принимаемый импульс лазерного излучения выбивает с фотокатода число фотоэлектронов, равное пороговому. Результаты этих расчетов представлены на рис. 5.36. Вероятность ложной тревоги вычислялась как вероятность последовательного появления двух одноэлект-ронных импульсов, разделенных временным интервалом в 1 мкс.

Испытания лазерного локатора для стыковки космических аппаратов проходили как на малой (до 22 м), так и на большой (до 120 км) дальностях. В ходе экспериментов на малой дальности проводились измерения двух типов. При измерениях первого типа лазерный локатор устанавливался на подвижной тележке и постепенно удалялся от уголкового отражателя. Через каждый метр измерялась дальность до уголкового отражателя с помощью лазерного локатора и контрольной стальной рулетки. При измерениях второго типа лазерный локатор устанавливался неподвижно на расстоянии 7 м от уголкового отражателя, а последний плавно передвигался по оптической скамье до расстояния 8 м. Измерения дальности проводились при этом через каждый сантиметр.

Первые же эксперименты на малой дальности выявили существенную недоработку лазерного локатора, проявившуюся в многократных отражениях принимаемого излучения от различных элементов оптического тракта локатора. Эти отражения приводили к большим ошибкам при измерениях дальности. Несмотря на то, что это нежелательное явление возникало только на дальностях меньших 10 м, конструкцию лазерного локатора пришлось доработать,

цго

I" у

I I I

I I I I I

I I 1.

123f5S769 10Н12 13П1516П1В 1920212223 Дальность, м

Рис. 5.37. Результаты измерения дальности. Среднее значение ошибки 5 м. Среднее квадратичное отклонение ±4,43 см

введя дополнительные светопоглощающие бленды. С такими доработками функционирование лазерного локатора стало вполне удовлетворительным. На рис. 5.37 представлены результаты измерений, выполненных на дальности до 22 м. Среднее значение ошибки было 5 см, а среднее квадратичное отклонение от этого значения составило ±4,43 см.

На рис. 5.38 показаны результаты измерений второго типа. Разрешающая способность локатора была равна 1 см. В [95] отмечается, что эксперименты на малых дальностях показали полное соответствие характеристик лазерного локатора предъявленным требованиям.

Эксперименты на больших дальностях проводились с использованием самолета, на котором был установлен блок уголковых от-

7.16

7,зг 7,n

I I I I I I I I I I I I I

7,6t 7,80 7,36

Дальность jM

Рис. 5.38. Результаты измерения дальности. Среднее значение ошибки 3,5 см. Среднее квадратичное отклонение ±0,85 см

Рис. 5.39. Структурная схема многоцелевого лазерного локатора фирмы ITT:

/ - сканирующее зеркало с пьезоэлектрн-скнм приводом; 2 - сферическое зеркало; 3 - лазерный передатчик; 4 - широкоугольный объектив; 5 - диссектор; 6 - устройство управления диссектором; 7 - источник питания лазерного передатчика; 8 - устройство управления приводом; 9 - программное устройство; /О - пороговое устройство; П - предусилнтель с аналого-цифровым преобразователем; /2 - устройство измерения дальности; /3 - устройство вывода данных; 14 - дисплей данных

ражателей. Для того, чтобы ослабить влияние атмосферы, лазерный локатор, смонтированный на двухосевом поворотном основании, устанавливался на высокой горе. Эти эксперименты также были завершены успешно, доказав работоспособность лазерного локатора.

2. Многоцелевой лазерный локатор для космических аппаратов [63, 64]. Фирмой ITT (США) был разработан многоцелевой лазерный локатор для стыковки космических аппаратов. Возможность одновременной работы по нескольким целям позволяет определять относительную ориентацию космического аппарата. Для этого на цели в определенном порядке устанавливаются четыре уголковых оптических отражателя. Лазерный локатор измеряет их угловые координаты и дальность и по этим данным вычисляет углы ориентации цели относительно инспекционного космического аппарата. Ошибка определения ориентации цели не превышает 1°.

Структурная схема многоцелевого лазерного локатора фирмы ITT представлена на рис. 5.39. Массогабаритные и энергетические характеристики отдельных блоков лазерного локатора приведены в табл. 5.6. Все системы локатора работают при комнатной температуре без охлаждения.

В качестве передающего устройства так же, как и в лазерном локаторе, рассмотренном в предыдущем разделе, был применен ар-сенидгаллиевый полупроводниковый лазер. Характерной особенностью этого лазера, разработанного фирмой IBM, было то, что он генерировал излучение с длиной волны 0,9 мкм на одной поперечной моде ТЕМоо. Лазер работал в импульсном режиме с частотой повторения импульсов 1 кГц. Импульсы излучения имели длительность приблизительно 70 не, а время нарастания переднего фронта было около 20 НС

Приемный тракт локатора состоял из узкополосного интерференционного фильтра с шириной полосы пропускания 20 нм, многокомпонентного широкоугольного объектива диаметром 50 мм и относительным отверстием 1 : 0,95 и диссектора. Объектив фокусировал принятое излучение на чувствительную площадку диссектора в пятно диаметром приблизительно 40 мкм. Следует отметить,

Таблица 5.6

Массогабаритные и энергетические характеристики многоцелевого лазерного локатора фирмы ITT

что ширина спектра излучения лазера составляла всего 3 нм и для приема лазерного излучения, идущего из одного направления, потребовался бы интерференционный фильтр с такой же узкой спектральной полосой пропускания. Однако в рассматриваемом случае угол поля зрения локатора был равен ±15°, что потребовало расширения полосы пропускания фильтра до 20 нм.

В качестве фтоприемного устройства был применен диссектор с электромагнитной фокусировкой фирмы ITT модели F-4011, который имел фотокатод типа S-1. Диаметр его чувствительной площадки составлял 25 мм. Чувствительность фотокатода на длине волны 0,9 мкм была равна 2-10" А/Вт, а темновой ток с одного квадратного сантиметра фотокатода был равен 10" А. Последующая ум-ножительная система диссектора имела изменяемый коэффициент усиления в диапазоне 10... 10, так что амплитуда импульсов на его выходе была в микровольтовом диапазоне напряжений при работе на пятидесятиомную нагрузку. Последующий усилительный тракт увеличивал амплитуду импульсов приблизительно до 3 В, имея при этом динамический диапазон автоматической регулировки усиления 55 дБ. В предположении пуассоновской статистики выходного сигнала диссектора в [63] были рассчитаны характеристики обнаружения лазерного сигнала (рис. 5.40). На рис. 5.40, а представлены зависимости вероятности правильного обнаружения D от порогового числа п фотоэлектронов на интервале регистрации для различных средних чисел фотоэлектронов сигнала «с и шума Лш-

На рис. 5.40, б приведены графики зависимости вероятности ложной тревоги F от порогового числа фотоэлектронов для различных средних чисел фотоэлектронов шума «ш на интервале регистрации.

Сканирующее устройство формировало диаграмму направленности зондирующего излучения шириной 0,1° и обеспечивало его программное отклонение в поле зрения 30°Х30° Схема сканирующего устройства показана в верхней части рис. 5.39. Важнейшим компонентом этого устройства было сканирующее зеркало с пьезоэлектрическим приводом /, конструкция которого поясняется на рис. 5.41. Рассмотрим работу устройства подробнее.

17 \10 \15 W \25 \30 \35 \nt,*n=w

Рис. 5.40. Зависимости вероятности правильного обнаружения сигнала н ложной тревоги от порогового числа фотоэлектронов

Выходное излучение лазера 3 (см. рис. 5.39) фокусировалось первой линзой и далее, расходясь в виде конуса, отражалось от двух идентичных сканирующих зеркал, поворачивавщихся вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. На рис. 5.39 показано только одно зеркало. Зеркала имели размеры 2,5x1,7 см, что при падении излучения под углом 45° обеспечивало световой диаметр около 1,7 см. Излучение, прощедщее первый раз через систему сканирующих зеркал /, попадало на сферическое зеркало 2 и, отразившись от него, проходило через систему сканирующих зеркал второй раз. При этом оиа фокусировалось в точке, смещенной относительно положения первого фокуса. Плоскость вторичной фокусировки излучения передатчика совпадала с фокальной плоскостью выходного телескопа, сформированного двумя последующими линзами. Таким образом, повороты сканирующих зеркал приводили к пространственному смещению сфокусированного пятна в фокальной плоскости выходного телескопа, что, в свою очередь, приводило к угловому отклонению выходного излучения локатора. Чем больше фокусное расстояние сферического зеркала и чем меньше фокусное расстояние выходного телескопа, тем I "s, Зеркал» больше будет угловое отклонение

Основание

Рис. 5.41. Схема сканирующего зеркала с пьезоэлектрическим приводом

Центр вращения

neaos/rexmpuvecffaff OuMopqjmn пластина

выходного излучения при неизменных углах поворота сканирующих зеркал.

Описанная оптическая схема позволила преобразовать малое угловое отклонение сканирующих зеркал (±0,25°) в достаточно большое угловое отклонение выходного излучения, равное ± 15°. Пьезоэлектрические биморфные пластины, являющиеся приводами зеркал, обладали гистерезисом. Поэтому величина приложенного к ним напряжения не однозначно определяла угловое положение зеркал. В связи с этим пришлось ввести специальные тензометри-ческие датчики углового положения зеркал, выходные сигналы которых использовались в качестве обратной связи при управлении зеркалами. В результате сканирующее устройство лазерного локатора обеспечивало 376x376 элементов разрешения в поле зрения 30°Х30°.

Одновременно с отклонением зондирующего излучения вырабатывался соответствующий сигнал управления диссектором 5 (см. рис. 5.39). При этом мгновенная рабочая зона фотокатода диссектора смещалась так, чтобы ось мгновенного поля зрения приемного канала все время совпадала с осью зондирующего излучения. Размер мгновенной рабочей зоны фотокатода диссектора был таков, что обеспечивал требуемые 376X376 элементов разрешения. Синхронность работы лазерного передатчика <?, сканирующего устройства и диссектора 5 обеспечивалось программным устройством 9.

Для определения дальности до цели был применен метод временной задержки с разрешающей способностью по времени 0,67 нс (1499 МГц), что соответствует разрешающей способности по дальности 10 см. Такое высокое временное разрешение обеспечивалось сверхбыстродействующими логическими микросхемами фирмы Motorola типа MECL-in, а также специальной схемой умножения частоты, иа основе полосковых линий задержки. Дело в том, что максимальная частота сигналов, генерировавшихся в схеме, была равна 187 МГц. Для того, чтобы реализовать временное разрешение, соответствующее частоте 1499 МГц, т. е. в 8 раз больше, применялась следующая схема. На вход полосковой линии задержки, имевшей 8 отводов, соответствующих задержке иа 0,67 не каждый, подавался сигнал частотой 187,376 МГц. Сигналы с каждого отвода линии задержки сравнивались по схеме «И» с сигналом, определявшим точный момент прихода отраженного лазерного импульса. Этот сигнал необходимо было формировать дополнительно, поскольку относительно длинный передний фронт лазерного импульса (20 не) не обеспечивал нужную точность измерений. В результате удалось получить указанную выше разрешающую способность по времени.

Структурная схема устройства измерения дальности показана на рис. 5.42. Лазерный передатчик / генерировал импульсы излучения с частотой следования 1 кГц. Часть излучения ответвляясь на фотодиод (3, выходной импульс которого запускал главный генератор 4. Выходной сигнал этого генератора имел частоту 187,376 МГц. Одновременно начинал работать точный измеритель дальности 5, который измерял не полную дальность до цели, а только поправку к