1,оотмги,

1кГи,\

Ь(Ги, Л ги л0,9а1кл4

Ста,

Счет 1д7,376МГи,

Стоп

1499/ЧГц

Старт

iCmon

Cvem

CmpoS-u/ny/ibC дальности

ббит

ISSum

-\15дит 2i6um

\ И Л1

1¥\ Г7Г

Рис. 5.42. Схема устройства измерения дальности;

/ - лазерный передатчик; 2 - фотоприемник; 3 - фотодиод; 4 - главный генератор, частота 187, 376 МГц; 5 -точный измеритель дальности, частота 1499 МГц; « -счетчик - делитель частоты на 8; / - грубый измеритель дальности; « - регистр кода дальности; 5 -генератор строб-нмпульса дальности; /О - счетчик-делитель частоты; -эталонный генератор-/ - счетчик-делитель на 1000; /3 - устройство подстройки частоты; /4 - регистр кодов дальности целей

отсчету грубого измерителя дальности 7, работавшего на частоте 23,422 МГц. На выходе точного измерителя дальности 5 формировался двоичный шестиразрядный код поправки, а на выходе грубого измерителя дальности 7 -пятнадцатиразрядный код дальности. Таким образом, в регистр кода дальности 8 записывался точный код дальности, имевший 21 двоичный разряд. Лазерный локатор мог одновременно работать по четырем целям. Код дальности до каждой из них с темпом 1 кГц записывался в соответствующий регистр 14. Порядок записи определялся последовательностью появления целей в поле зрения фотоприемника 2.

Для повышения помехозащищенности в момент ожидаемого прихода отраженного сигнала генератором 9 формировался строб-импульс дальности.

Для обеспечения необходимой стабильности частоты главного генератора 4 применялась схема фазовой подстройки частоты. Высокостабильный эталонный генератор обеспечивал стабильность частоты 1 МГц с точностью до 1 Гц. Сигнал с его выхода поступал на счетчик-делитель 12, на выходе которого частота понижалась до 1 кГц. На этой частоте происходило сравнение фаз эталонного генератора и главного генератора 4 с помощью устройства подстройки частоты 18. Выходной сигнал этого устройства подстраивал частоту главного генератора 4, обеспечивая ее стабильность.

Рассмотрим теперь процесс поиска и обнаружения цели лазерным локатором. Возможны два режима работы: одноцелевой и многоцелевой. Последний является обобщением первого, поэтому проанализируем сначала одноцелевой режим поиска цели.

Рис. 5.43. Схема отклонения лазерного излучения в режиме сопровождения цели

Элемент поля зрения

Полное число шаеов 32+Зг

Для обнаружения цели необходимо просканировать поле зрения 30°Х30°. Для этого был применен метод дискретного построчного сканирования. Все поле зрения было разбито на 376X376 элементов, а лазерный луч, имевший диаграмму направленности шириной 0,ГхО,Г, перемещался последовательно от одного элемента строки к другому. Перемещение

лазерного луча происходило дис-

кретно и обеспечивалось сканирующей системой, управлявшейся в цифровой форме. При этом диаграммы направленности лазерного излучения в двух соседних положениях перекрывались на 25%-Всего для просмотра поля зрения требовалось 141376 последовательных шагов. В каждый элемент поля зрения посылался 1 лазерный импульс. Таким образом, полное время просмотра поля зрения при частоте повторения импульсов лазерного излучения 1 кГц составляло 141,376 с. Несмотря на то, что лазерный передатчик мог работать только с частотой повторения 1 кГц, сканирующее устройство могло работать также с частотой просмотра 10 кГц. В этом случае полное время просмотра поля зрения локатора было 14,1 с.

Если в одном из элементов поля зрения регистрировался импульс на выходе фотоприемника, то сканирование останавливалось и в этот элемент посылался второй лазерный импульс для подтверждения того, что первый импульс обусловлен отражением от цели, а не шумом фотоприемника. Если после этого регистрировался второй импульс, то лазерный локатор автоматически переключался в режим сопровождения цели. В этом режиме сканирующее устройство отклоняло лазерное излучение последовательно в вертикальном, а затем в горизонтальном направлениях в соответствии с диаграммой, показанной на рис. 5.43. Амплитуда угловых отклонений равнялась ширине диаграммы направленности излучения передатчика, т. е. 0,Г. Отклонения производились дискретными шагами по 32 шага в вертикальном и в горизонтальном направлениях. На каждом шаге лазерный передатчик излучал один и.мпульс. Таким образом, один цикл сканирования в режиме сопровождения продолжался 64 мс. Этот же режим сканирования можно было реализовать с темпом 10 кГц, тогда он заканчивался за 6,4 мс. На каждом шаге сканирования фиксировался факт наличия или отсутствия отраженного лазерного излучения. По этим данным вычислялось относительное угловое положение цели, направление оптической оси локатора корректировалось и процесс сканирования на-

Таблица 5.7

Основные характеристики многоцелевого лазерного локатора фирмы 1ТТ

Параметр

Значение

Дальность действия (оценочное значение для условий космического пространства), км Угол поля зрения, градус

Число одновременно обслуживаемых целей, шт. Максимальная относительная угловая скорость движения целей в режиме сопровождения в одноцелевом режиме, градус/с в многоцелевом режиме, градус/с Максимальная относительная угловая скорость движения целей в режиме поиска, градус/с

Ошибка измерения дальности (За) при сглаживании в течение 1 с

при дальности меньше 1 км при дальности в пределах от 1 до 10 км при дальности больше 10 км Ошибка измерения угловых координат цели (За) при сглаживании в течение 1/16 с

55 км

30x30

0,17 ... 0,25 в от траектории

зависимости

0,1 м 0,01% 1,0 м

0,05° в поле зрения 30°Х30°

Примечание. Максимальные значения угловых скоростей движения целей соответствуют частоте следования импульсов лазерного излучения 1 кГц.

чинался вновь, на этот раз относительно нового положения цели.

При необходимости слежения за несколькими целями одновременно (до четырех целей в поле зрения локатора) алгоритм слежения изменялся. В этом режиме поиск целей не прекращался после обнаружения первой цели, а продолжался до тех пор, пока не заканчивался просмотр всего поля зрения" 30°X 30°. Координаты всех обнаруженных целей записывались в запоминающее устройство. После этого каждая обнаруженная цель обслуживалась последовательно по следующему правилу. Сначала относительно элемента, в котором была обнаружена цель, производилось сканирование по схеме (см. рис. 5.43). Определялось угловое положение цели и оценивалось направление ее движения. Затем обслуживалась вторая цель и т. д. Если в течение промежутка времени между обнаружением и началом обслуживания цели последняя успевала сместиться в другой элемент поля зрения, то производился дополнительный поиск в секторе 4X4 элемента (0,4°х0,4°). После повторного обнаружения цели измерялось ее угловое положение и направление движения, и локатор переходил к обслуживанию следующей цели.

Основные характеристики многоцелевого лазерного локатора фирмы ITT приведены в табл. 5.7.

Глава 6 Лазерные локаторы с когерентным детектированием сигнала

6.1. Лазерные локаторы с непрерывным режимом излучения

1. Лазерный локатор Firepond [75, 81, 93]. Лазерный локатор Firepond Массачусетского технологического института (США) является в настоящее время одним из наиболее соверщенных лазерных локационных средств. Начало его создания относится к концу 60-х годов, когда была продемонстрирована возможность создания высокостабильного лазерного передатчика со средней выходной мощностью 1 кВт на длине волны 10,6 мкм [81]. В течение последующих лет локатор постоянно соверщенствовался. Судя по последним сообщениям [93], его выходная мощность составляет 10 кВт, что позволило перейти к локации ИСЗ, оборудованных уголковыми оптическими отражателями на дальности до 6000 км.

На начальной стадии работ локатор был собран по схеме, показанной на рис. 6.1. Излучение лазерного передатчика на выходе второго каскада усиления 8 имело среднюю мощность около 1 кВт при щирине спектра всего 20 Гц за время измерения 50 мс. Такая высокая монохроматичность излучения передатчика была необходима для обеспечения эффективного когерентного (гетеродинного) детектирования отраженного от цели излучения. Лазерный пучок диаметром 4,5 см проходил через нутатор 7, расширялся стоявшим за ним телескопом 6 до диаметра 15 см и с помощью системы неподвижных зеркал 3 и поворотного зеркала / направлялся на цель. Расходимость зондирующего излучения не превышала 0,6. В качестве средства внешнего целеуказания для лазерного локатора использовался радиолокатор совместно с пассивным инфракрасным радиометром. Для облегчения поиска цели в поле ошибок целеуказания применялся телевизир 4.

Кроме того, оператор мог непосредственно контролировать положение цели в поле зрения приемного телескопа с помощью окуляра 16 визирного канала. В том случае, когда цель достаточно хорошо наблюдалась, для ее автоматического сопровождения можно было использовать пассивный пеленгатор 17.

Лазерное излучение, отраженное от цели, собиралось главным зеркалом приемного телескопа 5 диаметром 0,48 м и фокусировалось на чувствительную площадку фотодетектора . Относительное отверстие приемного телескопа было 1:7. Фотодетектор И представлял собой фотодиод из HgCdTe, охлаждаемый жидким азотом. Эквивалентная мощность шума фотодетектора составляла около 10-8 Вт/Гц.

Отраженное от цели лазерное излучение смешивалось (интерферировало) на поверхности фотодетектора 11 с излучением лазерного гетеродина 13, частота которого была смещена относительно частоты принимаемого излучения на 5 МГц. Таким образом, вся

ЛУФ 17

Р-ки

Рис. 6.1. Оптическая схема лазерного локатора Firepond:

/ - поворотное зеркало; 2 - привод зеркала; 2 - неподвижные зеркала; - телевизнр; 5 - главное зеркало приемного телескопа; 5 -телескоп; 7 - нутатор; S - второй каскад усиления; S - прерыватель; /О - первый каскад усиления; -фотодетектор; /2 - задающий генератор; /3 -лазерный гетеродин; /4 - устройство контроля частоты; /5 - предусилнтель; /6 - окуляр визирного канала; /7 - пассивный пеленгатор; /8 - устройство обработки; 19 - устройство подстройки частоты; 20 - фотодетектор; 21 - вводной светоделитель

дальнейшая обработка сигнала с выхода фотодетектора производилась на промежуточной частоте 5 МГц. Взаимная стабильность частоты излучения лазерного гетеродина 13 и лазерного передатчика была настолько велика, что амплитуда флуктуации промежуточной частоты на выходе фотодетектора не превышала 1 кГц в течение нескольких секунд. Это позволяло уменьшить ширину полосы пропускания тракта обработки до 1 кГц и обеспечить чувствительность около 10" Вт. Следует отметить, что лазерный передатчик генерировал импульсы излучения длительностью около 1 мс, согласованные по ширине спектра их огибающей с шириной полосы пропускания тракта обработки.

Угол поля зрения приемного канала локатора составлял U,5 и определялся условием гетеродинного согласования излучения отраженного сигнала и лазерного гетеродина.

Лазерное излучение, отраженное от цели, движущейся со скоростью V в направлении линии визирования, приобретает допле-ровский сдвиг частоты, равный

где / - частота излучения; с - скорость света. Для лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм доплеровский сдвиг частоты со-

ставляет 190 кГц на каждый 1 м/с скорости движения цели. Если не принять специальных мер по компенсации этого сдвига, промежуточная частота электрического сигнала на выходе фотодетектора, равная разности частот излучения лазерного гетеродина и отраженного сигнала, уйдет за пределы полосы пропускания фильтра и работа локатора прекратится. Чтобы этого не случилось, в лазерном локаторе Firepond непрерывно изменялась частота излучения лазерного передатчика таким образом, что значение промежуточной частоты все время совпадало с центральной частотой фильтра, равной 5 МГц. Для этого электрический сигнал с выхода фотодетектора приемного канала через предусилнтель 15 поступал в устройство подстройки частоты 19. В этом устройстве измерялась разность между мгновенным значением промежуточной частоты и центральной частотой фильтра, равной 5 МГц, и вырабатывался сигнал управления, амплитуда которого была пропорциональна этой разности. Сформированный таким образом сигнал поступал на пьезокорректор задающего генератора 12 (подробно об этом см. гл. 1), изменяя нужным образом частоту его излучения. Тем самым замыкалась обратная связь системы подстройки частоты, обеспечивавшая заданное значение промежуточной частоты, равное 5 МГц, независимо от величины доплеровского сдвига. Диапазон перестройки частоты излучения задающего генератора был около 50 МГц и ограничивался шириной полосы усиления усилителя.

В локаторе была предусмотрена возможность прямого контроля частоты задающего генератора 12. Для этого часть его излучения с помощью специального вводного светоделителя 21 отводилась на фотодетектор 20, где смешивалась с излучением лазерного гетеродина 13. На выходе фотодетектора 20 возникал гармонический электрический сигнал, частота которого, равная разности между частотой излучения лазерного гетеродина и задающего генератора, измерялась устройством 14.

Автоматическое сопровождение целей по угловым координатам в активном режиме на первом этапе создания лазерного локатора Firepond велось по методу равносигнальной зоны. Нутатор 7, представлявший собой оптический клин из КС1, вращавшийся вокруг продольной оси, придавал зондирующему излучению коническое вращение. В результате в сигнале промежуточной частоты на выходе фотодетектора возникала амплитудная модуляция, параметры которой - амплитуда и фаза - содержали информацию об угловом положении линии визирования цели относительно равно-сигнального направления лазерного передатчика. Последнее совпадало с направлением оптической оси приемного канала локатора. Устройство обработки 18 измеряло параметры модуляции и по ним вырабатывало сигналы управления приводом 2 поворотного зеркала /, отклоняя его таким образом, чтобы совместить равносиг-нальное направление с линией визирования цели.

Первые эксперименты на лазерном локаторе Firepond проводились по юстировочным сферам диаметром 1 м. Дальность сопро-