Рис. 6.14. Влияние турбулентности ат.мосферы на флуктуации сигнала промежуточной частоты. Интервал регистрации 0,1 с. Дальность до цели 1,06 км:

U -время 14 ч 20 мин; б - время 21 ч 30 мин

Это хорошо иллюстрируется осциллогра1«1«а1ии, приведенными на рис. 6.14. Они были получены в один из типичных теплых дней в районе Южной Калифорнии при скорости ветра от 8 до 16 км/ч.

Таким образом, несмотря на сравнительную простоту лазерного локатора фирмы Rockwell, с его помошью было получено много полезных экспериментальных результатов.

6.2. Лазерные локаторы с импульсным режимом излучения

1. Лазерный локатор DREV [62]. В данном разделе будет рассмотрен лазерный локатор с когерентным детектированием отраженного излучения, в котором импульсный режим работы передатчика является принципиальным фактором.

Схема экспериментального лазерного локатора DREV* (Канада) представлена на рис. 6.15.

Лазерный передатчик был собран по гибридной импульсно-не-прерыв:!оГ! схеме, аналогичной рассмотренной в разд. 3.1 гл. 1 (рис. 6.16). Резонатор .тлиной 298 см был образован, с одной стороны, дифракционной решеткой 7, работавшей в первом порядке дифракции, и, с другой стороны, плоским выходны зеркалом 5, укрепленным на пьезокорректоре 6. Дифракционная решетка имела 75 штрихов на миллиметр и радиус кривизны 10 м. Коэффициент отражения выходного зеркала составлял 70% на длине волны 10,6 мкм. Внутри резонатора располагались усилительная секция высокого давления с поперечным разрядом фирмы Lumonics и усилительная секция низкого давления с продольным разрядо.м. Диаметр разрядного промежутка составлял 2,5 см. Обе секции заполнялись газовой смесью He:C02:N2 в пропорции 84:10:6. Давление в секции с поперечным разрядом было равно 1 атм, а в секции с продольным разрядом 10 мм рт. ст.

Секция 2 возбуждалась постоянным напряжением от источника 4, а секция 1- импульсным напряжением от источника 3. В промежутках между импульсами возбуждения секции 1 лазерный передатчик генерировал непрерывное высокостабнльное по частоте излучение выходной мощностью около 1 Вт. Одночастотность выходного излучения обеспечивалась дифракционной решеткой 7. В момент подачи импульса возбуждения на секцию 1 внутрирезо-наторное усиление резко возрастало и на выходе передатчика

формировался импульс излучения

t--

пиковой мощностью 400 кВт и длительностью около 1 мкс. Частота излучения в импульсе совпадала с частотой непрерывного излучения, генерировавшегося в промежутках между импульсами.

±

в 5

Рис. 6.15. Схема лазерного локатора DREV:

/ - лазерный передатчик; 2 - лазерный гетеродин; 3 - светоделители; 4 - поглотители; 5 - аттенюатор; ff - передающий телескоп; 7 - приемный телескоп; S - поворотное зеркало; 9 - визир; 10 - фотодетектор и устройство обработки; - устройство подстройки частоты

Рис. 6.16. Схема гибридного импульсно-непрерывного лазерного передатчика:

/ - усилительная секция с поперечным разрядом; 2 - усилительная секция с продольным разрядом; 3 - импульсный источник питания; 4 - источник постоянного напряжения; 5 - выходное зеркало; ff - пьезокорректор; 7 - дифракционная решетка

* Defence Research Establishmeat Valcatier.

Подстройка частоты излучения передатчика осуществлялась при помощи пьезокорректора 6, который мог перемещать выходное зеркало резонатора в пределах 12 мкм, т. е. на расстояние, большее длины волны. Так как разность между частотами соседних продольных мод для данного резонатора составляла 50 МГц, диапазон перестройки частоты излучения передатчика также составлял около 50 МГц.

Частота излучения лазерного гетеродина соответствовала центру линии перехода Р (20) (длина волны 10,59 мкм), что обеспечивалось дифракционной решеткой с радиусом кривизны 2 м и специальной схемой стабилизации частоты.

Фотодетектор 10 (см. рис. 6.15) представлял собой фотодиод на основе HgCdTe, охлаждаемый жидким азотом. Его чувствительная площадка имела размер, совпадающий с размером диафракцион-ного пятна фокусирующей германиевой линзы. Выходной сигнал фотодетектора усиливался полосовым предусилителем, настроенным на промежуточную частоту 12,5 МГц. Мощность излучения гетеродина на чувствительной площадке фотодетектора составляла 0,5 МВт, что обеспечивало подавление собственных шумов фотодетектора и предусилителя. Сигнал на выходе предусилителя детектировался линейным детектором и поступал на устройство измерения дальности, работавшее по старт-стопной схеме. Частота счета была выбрана равной 14,99 МГц, что соответствовало разрешающей способности по дальности 10 м.

Для подстройки частоты излучения лазерного передатчика / использовалась его непрерывная составляющая, генерируемая в промежутках длительностью 1 с между соседними импульсами. С помощью светоделительной пластины из NaCl часть выходного излучения передатчика ответвлялась на фотодетектор устройства подстройки частоты , где смешивалась с излучением гетеродина. Частотный дискриминатор формировал сигнал рассогласования, пропорциональный разности между фактическим значением промежуточной частоты и ее номинальным значением. Этот сигнал усиливался и в виде отрицательной обратной связи подавался на пьезокорректор передатчика, подстраивая нужным образом частоту его непрерывного излучения. Для того, чтобы мощный импульс излучения передатчика не повредил фотодетектор, был введен аттенюатор 5, имевший коэффициент ослабления 60 дБ. Аттенюатор представлял собой несколько последовательно расположенных пластин из Сар2.

Непрерывное излучение также ослаблялось, но его мощности было достаточно для обеспечения хорошего отношения сигнал/шум на выходе устройства подстройки частоты. Таким образом, промежуточная частота поддерживалась на уровне 12,5 МГц.

Передающий и приемный телескопы 6 и 7 были идентичны. Они имели кратность 10 и диаметр большого зеркала 10 см, так что диаметр пучка принимаемого излучения перед фокусирующей линзой составлял приблизительно 1 см. Угол поля зрения приемного канала локатора был равен 0,1 мрад. Наведение оптической оси

локатора на цель осуществлялось поворотным зеркалом 8 диаметром 40 см и контролировалось визиром 9. Последний состоял из телескопического прицела, призмы Дове для компенсации вращения изображения и телевизионной камеры.

В экспериментах измерялись энергетические и частотные характеристики излучения передатчика. На рис. 6.17 показаны осциллограммы импульса его излучения и сигнала промежуточной частоты на выходе фотодетектора. Энергия в импульсе, показанном на рис. 6.17, а, была равна 0,38 Дж. На рис. 6.17, б показан типичный выходной сигнал фотодетектора. Интересно, что частота биений в начале огибающей приблизительно на 1 МГц меньше, чем в последующей части огибающей. Изменение частоты биений от импульса к импульсу не превышало 500 кГц. Вместе с тем, частота излучения в импульсе всегда была на 1 МГц меньше частоты непрерывного излучения передатчика непосредственно перед генерацией импульса.

Сравнение формы импульса излучения передатчика и выходного сигнала фотодетектора показывает, что ширина полосы пропускания приемного тракта, равная 4,1 МГц, была недостаточна для того, чfoбы пропустить без искажений передний фронт лазерного импульса.

Измерения расходимости излучения передатчика показали, что приблизительно четвертая часть всей его выходной энергии сосредоточена в пределах угла поля зрения приемного канала, равного 0,1 мрад. Угол расходимости, измеренный по уровню 0,5 от максимальной интенсивности, оказался равным 0,13 мрад для непрерывной составляющей излучения передатчика.

Первые полевые эксперименты были проведены на дальности 1,8 км при использовании в качестве мишени широкого алюминие-; вого листа, расположенного в нескольких метрах над землей. Сред-, нее значение отношения сигнал/шум по мощности в тракте фото"-приемного устройства составило 3,8-10 (65,8 дБ) при среднем квадратичном отклонении 0,89 относительно среднего. Во всех измерениях отношение сигнал/шум не превышало величины 11,5-10* (70,6 дБ). При этом коэффициент отражения излучения от поверх-, ности мишени на длине волны 10,6 мкм и коэффициент ослабление излучения в атмосфере оценивались соответственно величинами 0,8 и 1 дБ/км.

В дальнейшем длина трассы была увеличена до 4,92 км, а размеры цели уменьшены до 10X10 см. Трасса пролегала на высоте. 15 м над землей. В этих условиях было получено среднее отношение сигнал/шум по мощности 7,7-10 (38,9 дБ), причем среднее квадратичное отклонение было равно среднему значению. Коэффициенты отражения и ослабления излучения оценивались величина-, ми 0,8 и 0,6 дБ/км соответственно. Были получены также устойчивые отраженные сигналы от естественных объектов на местности. Максимальная дальность локации, зарегистрированная в экспериментах, была равна 32 км при отражении зондирующего излучения от лесистого склона горы.

Время, 0,5 мкс/двл-

время, о,гмкс/де/г.

Рис. 6.17. Осциллограммы импульса излучения передатчика и сигнала промежуточной частоты:

а - выходной нмпульс передатчика; цена вертикального деления 105 кВт; цеиа горизонтального деления 0,5 мкс; б - сигнал промежуточной частоты; цена горизонтального деления 0,2 мкс

2. Лазерный локатор фирмы United Technologies, [82] (США) с длиной волны излучения 10,6 ш<.и предназначен для установки на вертолете. Cxeiwa этого локатора представлена на рис. 6.18. Он содержит высококогерентный импульсный передатчик на основе СОг-лазера с длительностью импульса около Г мкс, стабильный лазерный гетеродин с устройством подстройки частоты, компактный коммутатор для разделения зондирующего и отраженного излучения, быстродействующий широкоугольный сканер, управляемый программным устройством, фотодетектор и блок обработки сигналов. Локатор был рассчитан на значительные вибрационные перегрузки, характерные для вертолетов. Его основное назначение - предупреждение экипажа о возможных препятствиях на маршруте.

В ходе наземных и полетных экспериментов исследовалась способность лазерного локатора обнаруживать проволоку диаметром 3 мм, подвешенную на высоте нескольких метров над поверхностью

iO 20 30 w Угол падения, градус

Рис. 6.18. Схема лазерного локатора фирмы United Technologies:

/ - лазерный передатчик; 2-лазерный гетеродин; 3 - коммутатор; 4 -сканер; 5 -программное устройство; 6 - фотодетектор; 7 - блок обработки

Рис. 6.19. Экспериментальные результаты измерения отношения сигиал/шум.

Дальность 360 м:

X - наземные эксперименты; О - полетные эксперименты

земли. Было установлено, что предельная дальность обнаружения составляла 1,2 км. На рнс. 6.19 представлены экспериментальные результаты измерения отношения сигнал/шум по амплитуде в приемном тракте локатора. Они были получены на дальности 360 м. По ocii абсцисс отложены значения угла падения зондирующего излучения на проволоку. Как видно, результаты наземных и полетных экспериментов практически совпадают. Это говорит о том, что разработчикам локатора удалось создать достаточно жесткую конструкцию, удовлетворяющую требованиям к бортовой аппаратуре. На рис. 6.20 приведена осциллограмма продстект[1рован1юго сигнала промежуточной частоты в тракте приемника. По оси ординат отложена амплитуда напряжения на выходе квадратичного детектора, а по оси абсцисс - время, однозначно связанное с дальностью до цели. Всплеск сигнала в крайней левой части осциллограммы соответствует нулевой дальности и вызван излученным зондирующим импульсом. Следующий по времени импульс соответствует

п то то ш т то

Рис. 6.20. Осциллограмма сигнала промежуточной частоты

346748���56�4934