1,ВМ

Рис. 6.2. Конструкция лазерного передатчика локатора Firepond:

71 генератор; J-первая ступень первого каскада усиления; 3-вторая ступень первого каскада усиления; 4 - прерыватель; 5-второй каскад усилення iiyueHb

вождения на горизонтальной трассе составила 22 км, а на вертикальной-250 км. Атмосферные потери составляли 1 дБ/км и были обусловлены, главным образом, поглощеипем излучения с длиной волны 10,6 мкм молекулами воды и углекислого газа. При локации цели, оборудованной уголковым оптическим отражателем ошибка углового сопровождения не превышала 2" на дальности оО км.

Отдельного рассмотрения заслуживает лазерный передатчик локатора, обладающий уникальными .характеристиками [81] Передатчик выполнен по схеме «задающий генератор - двухкаскадный усилитель», что обеспечило одновременно ширину спектра выходного излучения 20 Гц и среднюю мощность 1 кВт. На рис 6 2 по-

Рис. 6.3. Лазерный гетеродин локатора Firepond 232

Рис. 6.4. Схема конструкции прерывателя:

/ - электродвигатель; 2 - полированный алюминиевый диск прерывателя; 3 -зеркала

казана конструкция лазерного передатчика, а внешний вид лазерного гетеродина представлен иа рнс. 6.3.

Задающий генератор, показанный справа на рис. 6.2, работает в непрерывном режиме с выходной мощностью 10...25 Вт. Его излучение одномодовое и плоскопо-ляризоваиное. Перед входом в первую ступень первого каскада усиления лазерный пучок расширяется с помощью телескопа до диаметра 13 мм. Разрядный про-мелуток первой ступени имеет длину 6 м и диаметр 2,5 см, а второй ступени - соответственно 12 м и 3,8 см. Во всех разрядных промежутках первого каскада усиления осуществляется прокачка газовой смеси с помощью

единого газораспределительного устройства (иа рисунках ие показан). Разрядные промежутки первой и второй ступеней имеют различные диаметры для того, чтобы с одной стороны облегчить юстировку оптического тракта, а с другой - уменьшить отражение от стенок разрядных труб. Первый каскад усиления может обеспечивать до 400 Вт выходной мощности при диаметре лазерного луча 3 см. Однако в экспериментах выходная мощность первого каскада никогда не превышала 200 Вт. Увеличение диаметра луча с 13 мм до 3 см объясняется дифракционной расходимостью излучения.

Перед входом во второй каскад усиления расположен прерыватель 4, совмещенный с дополнительным коллимирующим телескопом. На выходе прерывателя лазерный луч имеет диаметр 4,5 см. Конструкция прерывателя показана па рис. 6.4. Второй каскад усиления имеет общую длину разрядного промежутка 48 м и даметр 5 см. Коэффициент усиления слабого сигнала во втором каскаде составляет приблизительно 60 дБ. Его можно было еще увеличить, но при этом возникала опасность самовозбуждения усилителя. Для предотвращения самовозбуждения применялись специальные поглощающие диафрагмы на концах каждой из четырех разрядных секций.

В разрядных трубах второго каскада также осуществляется прокачка газовой смеси со скоростью около 3 м/с при давлении 56 мм рт. ст.

A+B+C+i)-(iMn/iumyffa (/l+8j-(c+D) = oi

Отраженное излучение

Излучение геглеродана

Рис. 6.5. Схема четырехплощадочиого фото детектора

Лазерный гетеродин (см. рис. 6.3) однотипен с лазером, описанным в гл. 1, разд. 1.1 66]. Его выходная мощность составляет около 1 Вт, длина 40 см. Для повышения стабильности частоты выходного излучения четыре продольных стержня выполнены из суперинвара, а торцевые пластины - из гранита. Чтобы излучение разрядной трубки не нагревало стержни, они одеты в специальные теплоизолирующие кожухи. За правой торцевой пластиной виден сферический резервуар для газовой смеси. С таким резервуаром лазер может работать без обновления смеси в течение нескольких месяцев.

В последующие годы локатор Firepond был существенно модернизирован. Его оптический тракт был стыкован с более крупным телескопом диаметром 1,2 м. Соответственно расходимость зондирующего излучения уменьшилась до 2" (по уровню 0,5). Значительно уменьшилось и поле зрения приемного канала. Все это привело к увеличению дальности действия лазерного локатора.

В режиме автосопровождения цели вместо метода равносигнальной зоны стал использоваться метод амплитудной квадрантной пеленгации. Для этого из оптической схемы локатора был изъят нутатор, в определенной степени ослаблявший выходное излучение лазерного передатчика и снижавший надежность всего локатора в целом. Одноплощадочный фотодетектор приемного канала был заменен на четырехплощадочный, аналогичный рассмотренному в гл. 1. (рис. 6.5). Коммутируя определенным образом выходы А, В С и D с площадок фотодетектора, можно сформировать сигналы, пропорциональные углам отклонения цели от оси приемного канала (см. рис. 6.5). Сигнал, пропорциональный амплитуде отраженного излучения, можно получить, суммируя сигналы с выходов всех четырех площадок. Таким образом, одновременно осуществляется автоматическое сопровождение цели и измерение параметров отраженного сигнала. Фотодетектор имеет полосу пропускания 1,5 ГГц и представляет собой 4 фотодиода из HgCdTe размером 0,3x0,3 мм каждый, разделенные изолирующим промежутком шириной 10 мкм [94]. Развязка по высокой частоте между соседними чувствительными элементами достигает 30 дБ на частоте 1,5 ГГц. Квантовая 234

Рис. 6.6. Общий вид лазерного локатора Firepond:

/ - опорно-поворотное устройство; 2 - подвижное зеркало; 3 - оптический усилитель; 4 - задающий генератор; 5 - лазерный гетеродин; б - фотодетектор; 7-устройство обработки; 8 - коммутатор

эффективность фотодиодов на низкой частоте составляет 50"/о с разбросом от площадки к площадке не более 5%. На частоте 1 ГГц квантовая эффективность падает до 20%, что соответтвует чувствительности 10- Вт/Гц.

Кроме того, в оптическую схему локатора между усилителем и главным телескопом был введен коммутатор, позволивший использовать оптико-механический тракт телескопа как для приема, так и для вывода излучения. Коммутатор представляет собой вращающийся диск с отверстиями, который четвертую часть рабочего времени пропускает на телескоп излучения передатчика, блокируя прохождение отраженного от цели излучения в тракт фотодетектора, а остальное время перекрывает излучение передатчика, направляя отраженное от цели излучение в тракт фотодетектора. Промежуток времени, в течение которого происходит коммутация, должен быть меньше времени распространения излучения до цели и обратно. В свою очередь, для избежания потерь лазерной энергии необходимо, чтобы тракт передатчика был открыт в течение всего лазерного импульса. Длительность лазерного импульса составляла 1 ...4 мс, что обеспечивало выполнение обоих условий на дальности более 150... 600 км.

Внешний вид лазерного локатора Firepond после модернизации показан на рис. 6.6. Уменьшение ширины диаграммы направленности приемного и передающего каналов локатора потребовало учета и компенсации угловой аберрации, равной

где у - тангенциальная составляющая скорости цели; с - скорость света.

При локации ИСЗ угловая аберрация составляет около 10", т. е. в 5 раз превыщает щирину диаграммы направленности передатчика. Поэтому перед фотодетектором приемного канала установлено поворотное зеркало, управляемое вычислителем и компенсирующее угловую аберрацию. Грубое сопровождение цели по угловым координатам осуществляется опорно-поворотным устройством / по командам, поступающим от радиолокатора. При этом амплитуда флуктуации целеуказания равна приблизительно 10". Для точного сопровождения имеется подвижное зеркало 2, которое отрабатывает не только ощибки целеуказания, но и атмосферные флуктуации наклона фронта приходящей волны.

Последующие испытания локатора проводились по ИСЗ типа GEOS-III, оборудованному уголковым отражателем для длины волны 10,6 мкм диаметром 3,8 см [75, 94]. На рис. 6.7 представлены спектры отраженных сигналов, зарегистрированные в последовательные моменты времени. В течение времени регистрации дальность до цели была 1006 км, а доплеровский сдвиг составлял 64 МГц. Зондирование цели производилось импульсами излучения длительностью 4 мс. Измерения соответствовали элементу траектории вблизи точки наименьщего удаления ИСЗ. В связи с этим скорость изменения доплеровского сдвига частоты была значительной- 10 МГц/с, т. е. за время длительности импульса частота отраженного излучения изменялась на 40 кГц. Что учитывалось при обработке.

Основной доплеровский сдвиг частоты, равный 64 МГц, рассчитывался по известным параметрам траектории ИСЗ и компенсировался перестройкой частоты задающего генератора. Среднее значение частотного сдвига на рис. 6.7 равно 8 кГц и представляет

собой систематическую ошибку целеуказания по скорости. Если бы расчеты давали точное значение доплеровского сдвига, частоты, среднее значение частотного сдвига было бы равно нулю. Интересно также то, что положение максимума спектра изменяется от импульса к импульсу. Среднее квадратичное отклонение центральной частоты спектра от среднего значения 8 кГц равно 250 Гц, что соответствует ошибке измерения радиальной составляющей скорости 1,3 мм/с.

6 8 Ю 12 Частота, нГи,

Рнс. 6.7. Графики спектров отраженных сигналов в различные последовательные моменты времени. По оси ординат отложен логарифм квадрата амплитуды спектра

Таблица 6.1 Некоторые характеристики лазерного локатора Firepond

Наконец, следует отметить, что теоретическая ширина спектра прямоугольного импульса длительностью 4 мс с монохроматичным заполнением равна 500 Гц по первым нулям функции sin х/х. Анализ результатов, представленных на рис. 6.7, показывает, что средняя ширина главного максимума спектра составляет не менее 1 кГц, т. е. приблизительно в два раза больше теоретической величины.

Дальнейшая модернизация лазерного локатора Firepond шла по пути увеличения стабильности лазерного передатчика. Благодаря введению оптического изолятора между задающим генератором и усилителем, удалось получить кратковременную ширину спектра около 2 Гц. Изолятор представляет собой две последовательно установленные невзаимные ячейки на основе эффекта Фарадея, изготовленные из InSb. Коэффициент ослабления обратного излучения каждой ячейкой составляет 23 дБ. Достигнутый уровень когерентности зондирующего излучения позволил перейти к экспериментам по получению некоординатной информации о целях [93]. Некоторые характеристики лазерного локатора Firepond приведены в табл. 6.1.

2. Лазерный локатор фирмы Rockwell [58]. Для экспериментального исследования принципов когерентного детектирования отраженных лазерных сигналов фирмой Rockwell (США) был создан лазерный локатор, работающий в непрерывном режиме на длине волны 10,6 мкм. С его помощью были исследованы флуктуации сигнала промежуточной частоты, вызванные атмосферной турбулентностью и отражением от цели, отношение сигнал/шум на выходе фотодетектора, эффекты обратного рассеяния зондирующего излучения в атмосфере, поляризационные характеристики отраженного излучения и ряд других вопросов.

Схема лазерного локатора фирмы Rockwell показана рис. 5.8. Лазерный передатчик / генерировал в непрерывном режиме излучение на основной моде ТЕМш мощностью 50 Вт. При прохождении через вращатель плоскости поляризации 10, выходной телескоп и сканер 9 терялось около 50% мощности лазерного передатчика.

Лазерный гетеродин 2, частота излучения которого превышала частоту излучения лазерного передатчика / на 4,5 МГц, имел выходную мощность приблизительно 8 Вт. Прежде чем попасть на