Рис. 6.8. Схема лазерного локатора фирмы Rockwell:

/ - лазерный передатчик; 2 - лазерный гетеродин; 3, 4 - фотодетекторы; 5 -частотный дискриминатор; - широкополосный усилитель; 7 - узкополосиый усилитель; S - анализатор спектра и регистрирующая аппаратура; 9 - сканер; 10, -вращатели плоскости поляризации

чувствительные площадки фотодетекторов 3 я 4, излучение гетеродина ослаблялось до уровня нескольких милливатт. Фотодетекторы на основе германия, легированного медью, требовали охлаждения до температуры жидкого гелия. При смешении излучения передатчика / и гетеродина 2 на выходе фотодетектора 3 формировался сигнал на промежуточной частоте 4,5 МГц. Этот сигнал поступал на частотный дискриминатор 5, амплитуда выходного напряжения которого была пропорциональна отклонению фактического значения промежутка частоты от заданного значения 4,5 МГц. Выходное напряжение частотного дискриминатора подавалось на пьезокорректор гетеродина, изменяя частоту излучения последнего так, чтобы свести к нулю отклонение промежуточной

Частота 2 к г и, /дел.

Рис. 6.9. Спектр сигнала промежуточной частоты. Цена деления по горизонтали 2 кГц. Вертикальная шкала линейная. Время накопления 0,1 с

частоты от заданного значения. В результате обеспечивалась стабилизация промежуточной частоты. Качество стабилизации определялось шириной спектра сигнала на выходе фотодетектора 3, не превышавшей, как правило, 10 МГц. На рис. 6.9 представлена характерная картина спектра сигнала промежуточной частоты. Ширина спектра по уровню 0,5 составляет около 2 кГц.

Для вывода и приема излучения имелись два идентичных линзовых телескопа с апертурами диаметром 5,8 см и одно общее сканирующее зеркало 9. Это зеркало имело торсионную подвеску и могло совершать резонансные колебания с частотой 40 Гц и угловой амплитудой 8°, отклоняя излучение в азимутальной плоскости. Поперечные размеры фотодетектора 4 составляли 0,625-1-0,625 мм и приблизительно совпадали с размером дифракционного кружка рассеяния приемной оптической системы. Таким образом, угол поля зрения приемного канала был равен 1,5. В передающем и приемном каналах были установлены два вращателя плоскости поляризации 10, И, предназначенные для исследования эффектов деполяризации излучения при отражении от различных целей. Каждый из них представлял собой конструкцию из трех зеркал, отклоняющих излучение лазера в двух ортогональных плоскостях. Изменяя взаимное расположение зеркал, можно было регулировать направление вектора поляризации излучения.

Исследуемый сигнал с выхода фотодетектора 4 усиливался сначала широкополосным усилителем 6, а затем узкополосным усилителем 7 и поступал для исследования его спектрального состава на анализатор 8. Ширина полосы пропускания усилителей и 7 была равна соответственно 4,5 МГц и 100 кГц, а ее центр совпадал с частотой 4,5 МГц. Несмотря на то, что ширина спектра излучения лазерного передатчика была значительно меньше 100 кГц, работа сканера 9 приводила к ее увеличению. Выбор ширины полосы пропускания усилителя 7 был обусловлен именно этим обстоятельством.

Измерения отношения сигнал/шум проводились на трассе длиной 1,06 км при использовании в качестве мишени специально обработанного алюминиевого листа. Мишень отражала излучение приблизительно по ламбертовскому закону с коэффициентом отражения 0,626. При отражении происходила частичная деполяризация излучения, характеризуемая отношением квадратов максимальной напряженности электрического поля отраженного излучения и ее горизонтальной составляющей, равным 0,847. Приемный канал локатора регистрировал только горизонтальную составляющую отраженного поля, в то время, как излучение передатчика также имело горизонтальную поляризацию. Параметры эксперимента представлены в табл. 6.2. Измеренное отношение сигнал/шум по мощности оказалось равным 1,23-10, что в пределах порядка согласуется с расчетным значением.

При решении ряда практических задач возникает необходимость быстрого сканирования лазерным лучом. Вращение сканирующего зеркала приводит к дополнительному расширению спектра

Таблица 6.2

Параметры эксперимента при измерении отношения сигнал/шум в приемном

канале лазерного локатора

Параметр

Мощность зондирующего излучения, Вт Коэффициент пропускании атмосферы (в одну сторону) Коэффициент отражения мишени Диаметр приемной апертуры, см

Коэффициент пропускания приемного канала локатора Дальность до мишени, км

Коэффициент деполяризации отраженного излучения (по мощности)

Квантовая эффективность фотодетектора Ширина полосы пропускания фильтра, МГц

зондирующего излучения, что нежелательно при использовании когерентного детектирования. Поэтому этот вопрос был предметом отдельного исследования. В качестве теоретической модели была выбрана схема, показанная на рис. 6.10. Угол поворота зеркала изменяется во времени по закону

в каждой точке поверхности зеркала, удаленной от центра вращения на расстояние г, мгновенное значение скорости равно

Г) = ге№ cos ((0),

а ее проекция на направление лазерного луча

v= гЬп COS {(d) cos 6,

i)=rfe№ cos(to).

Доплеровский сдвиг частоты излучения в данной точке равен

2 -=2- eMCosH),

а его среднее квадратичное значение за период колебания равно ylduill. Это значение надо умножить на коэффицент 2, учитывающий, что такой же допле-

Центр вращения

ровский сдвиг частоты, но другого знака, возникает в принимаемом излучении за счет движения второй половины зерка-

Рис. 6.10. Схема отражения излучения от сканирующего зеркала

Рис. 6.11. Зависимость ширины спектра сигнала от величины угла сканирования:

О ~- ширина спектра, измеренная по основанию; □ - ширина спектра, измеренная по полувысоте

20 30 W 50 60 70 80

ла. В результате получаем максимальную щирину спектра (по основанию)

Д7ж = 2 i 2- 6,„о,

где в качестве d надо подставить диаметр лазерного пучка. В экспериментах зондирующее излуче- (} ю ние с помощью сканирующего зеркала направлялось на сравнительно близко расположенный

участок местности, так что задержку распространения сигнала и связанную с ней оберрацию можно было не учитывать. ,

Частота сканирования составляла 40 Гц, полный угол сканирования лазерным лучом равнялся 46т=55 мрад. Результаты измерений приведены на рис. 6.11. Необходимо учитывать собственную ширину спектра лазерного передатчика Avp, поэтому полная ширина спектра сигнала по основанию равна VAoI" Д- Как видно, имеет место хорошее совпадение экспериментальных результатов с теоретическими.

Исследовалось также влияние обратного атмосферного рассеяния излучения передатчика на работу приемного канала. Для этого зондирующее излучение направлялось над земной поверхностью в сторону горизонта и регистрировался спектр сигнала на выходе фотоприемника. Два хар-актерных спектра приведены на рис. 6.12. На верхней фотографии спектр соответствует хорошим атмосферным условиям при дальности видимости около 120 км. Центральный пик обозначает промежуточную частоту 4,5 МГц. Как видно, спектр обратного рассеяния в данном случае смещен в сторону больших частот и сильно уширен по сравнению со спектром зондирующего излучения. Направление смещения спектра вдоль оси частот определяется направлением ветра на трассе. В экспериментах наблюдалось совпадение в пределах порядка частотного сдвига спектра и доплеровского сдвига частоты, соответствующего измеренному значению скорости ветра. На нижней фотографии показан спектр обратного рассеяния, полученный в условиях среднего тумана при дальности видимости 305... 610 м. Направление сдвига спектра в данном случае противоположно предыдущему. На обеих фотографиях вертикальная шкала линейная, причем на верхней цена деления равна 0,17 мВ, а на нижней - 0,45 мВ. Интересно также отметить, что в экспериментах не удалось зарегистрировать

* - f

Рнс. 6.12. Спектры обратного рассеяния. Цена горизонтального деления 100 кГц:

а - дальность видимости 120 км; 6 - дальность видимости 305 ... 610 м

деполяризацию рассеянного излучения. Во всяко.м случае, рассеянное излучение с поляризацией, перпендикулярной поляризации зондирующего излучения, приводило к эффектам, на.ходящимся в пределах ошибки измерений, составлявшей приблизительно 10%.

Значительная деполяризация излучения наблюдалась при отражении от различных объектов на местности. Эксперименты проводились по следующей методике. Сначала устанавли-валась горизон--тальная поляризация излучения передатчика и такое же направление поляризационной чувствительности приемного канала («поля- ризация» приемника). Измерялось среднее выходное напряжение фотоприемника, которое в дальнейшем принималось за 100%. Затем направления «поляризация» приемника и передатчика поочередно изменялись и регистрировалось среднее напр5;жсние выходного сигнала.- Последнее сравнивалось с напряжением, принятым за 100%, и их отношение давало процент деполяризации. Как видно, такая методика не учитывала различие коэффициентов отражения излучения от целей при различных направлениях поляризации зондирующего излучения. В результате, в экспериментах появлялись значения деполяризации, большие 1007о. Тем ие менее, полученные результаты (табл. 6.3) представляют несомненный интерес.

Теория показывает [52], что выходной сигнал лазерного локатора с когерентным детектированием принимаемого излучения должен испытывать заметные амплитудные флуктуации, обусловленные турбулентностью атмосферы и отражением зондирующего-

Таблица 6.3

излучения от протяженной цели. Это обнаружилось в первых же экспериментах на лазерном локаторе фирмы Rockwell. На рис. 6.13 приведены осциллограммы сигналов на промежуточной частоте 4,5 МГц, полученные на выходе фотоприемника при регистрации излучения, отраженного от массивного бетонного блока (см. рис. 6.13, а) и от тонкого алюминиевого листа, вибрирующего под действием ветровой нагрузки (см. рис. 6.13, б). В первом случае, флуктуации сигнала обусловлены, главным образом, турбулентностью атмосферы, во втором - совокупным влия1шем дрожания мишени и турбулентностью атмосферы. Было обнаружено, что флуктуации сигнала, вызванные атмосферной турбулентностью, сильно зависят от времени суток: днем увеличивается, а к вечеру уменьшается.

; S i

lllllllllllll

Рис. 6.13. Осциллогра.ммы флуктуацт! сигнала промежуточной горизонтального деления 05 с. Вертикальная шкала линейная:

л - отражение от массивного бетонного блока; б - отраи4ение от тонкого листа

частоты. Цена

алюминиевого