дальности 360 м и представляет собой сигнал, отраженный от проволоки. За ним следует импульс, соответствующий дальности 540 м, обусловленный отражением от участков местности.

В целом испытания лазерного локатора были завершены успешно и показали его перспективность.

Глава 7 Сканирующие лазерные локаторы для получения изображения целей

7.1. Сканирующие лазерные локаторы с некогерентным режимом излучения

1. Лазерный локатор КА-98 [Щ был создан фирмой Perkin-Elmer (США) для получения изображения земной поверхности с борта самолета.

В локаторе КА-98 применен принцип линейного сканирования местности, заключающийся в следующем (рис. 7.1). Излучение лазерного передатчика, расположенного на борту самолета, фокусируется на земной поверхности и с помощью сканирующего устройства периодически, отклоняется в плоскости, перпендикулярной направлению полета. Вследствие поступательного движения самолета лазерный луч просматривает последовательно все новые и новые участки местности. Синхронно с разверткой лазерного луча происходит отклонение оптической оси приемного канала локатора, так что в каждый момент времени отраженное излучение регистрируется фотоприемником на борту самолета. В результате изображение земной поверхности, которое в форме видеосигнала записывается на магнитную ленту. Разрешающая способность локатора определяется размером лазерного пучка, сфокусированного на земной поверхности. В дневное время нет необходимости подсвечивать местность лазерным лучом, так как интенсивность отраженного солнечного излучения достаточно велика. В этом случае разрешающая способность определяется мгновенным углом поля зрения приемного канала локатора: чем он меньше, тем разрешающая способность лучше.

Оптическая схема лазерного локатора КА-98 представлена на рис. 7.2. Лазерный передатчик / представляет собой арсенидгаллиевый полупроводниковый лазер непрерывного действия, охлаждаемый жидким азотом до температуры 77 К- Он генерирует излучение с длиной волны 0,85 мкм мощностью 1 Вт. Спект-

Рис. 7.1. Схема принципа сканирования местности лазерным локатором КА-98

i,0 0,8 0,6 О,* 0.2

Аг Нс-Ке

GaAs

0,lt 0,5 0,6 0,1 0,8 0,9Л,мкм

Рис. 7.2. Оптическая схема лазерного локатора КА-98:

/ - лазерный передатчик; 2 -входное окно передатчика; 3 -объектив; •* -зеркало; 5 - выходное окно передатчика; 6 - корпус оптико-мехаиического блока локатора; 7 - двигатель 8 -первичное зеркало; 9 - входное окно приемника; /О -сканер приемника; II - призма- /2 -вычоцное окно приемника; 13, 14 - зеркала; /5 - коллимирующая линза; /6- Фотодетекгор; /7 - блок обработки; /« -выход видеосигнала; /S - выход синхросигнала; /О - сканер передатчика

Рис. 7.3. Спектральная зависимость коэффициентов отражения различных участков земной поверхности:

/-трава; 2 - хвойные растения; 3 - светлоэеленая краска; •* -старый асфальт

ральная зависимость коэффициентов отражения различных участков местности приведена на рис. 7.3, откуда видно, что излучение арсенидгаллиевого лазера лучше отражается от поверхности земли, чем излучение аргонового и гелий-неонового лазеров. Кроме того го, различие коэффициентов отражения растительного покрова и искусственных объектов (светлозеленая краска) более выражено на длине волны арсенидгаллиевого лазера, чем на длинах волн аргонового и гелий-неонового лазеров. Эти соображения, а также компактность арсенидгаллиевого лазера определили его выбор в качестве передатчика локатора.

Конструктивно передатчик был выполнен в виде дюара, заполняемого жидким азотом, на внутренней стенке которого укреплен арсенидгаллиевый диод. Одной заправки азотом хватало на 5 ч непрерывной работы. Ток возбуждения лазера автоматически регулировался и выключался, если уровень азота опускался ниже допустимого или частота вращения сканера выходила за заданные пределы.

Излучение передатчика, сколлимированное объективом 3 и линзой 15, направлялось к земле с помощью быстро вращавшегося четырехгранного сканера 20, Одновременно отраженное от поверхности земли излучение направлялось четырехгранным приемным сканером 10 через систему зеркал на фотодетектор 16. Сканеры 10 и 20 были укреплены на одной оси и приводились во вращение двигателем 7, питавшимся от бортовой сети переменного тока часто-

Сигнал с датчика угли вращения самолета.

Синхрани-зирующийг импульс L

Видеосигнал

Отраженно г--i-I излучение -

Рнс. 7.4. Схема формнровання видеосигнала:

/ - усилитель; 2 - пороговое устромство;

3 - устройство компенсации вращения;

4 - формирователь строки; 5 - стробнру-емый усилитель; ff - фоР"фователь сии-хросмеи; 7 - фотодетектор; 8 - устройство автоматической регулировки усиления

ТОЙ 400 Гц. Частота вращения сканеров составляла 24 тыс. об/мин. Все основные эле]«енты опт[:ко-ме.ханнческого тракта располагались в герметичном корпусе, из которого был откачан воздух.

Угол полного отклонения лазерного луча на выходе сканера 20 составлял 136". Для о5еспсчен!1я синхронизации между углом поворота сканеров и в:1деоснгкалом часть излучения лазера, отраженная от сканера 20, ответвлялась на специальный фотодиод (на рис. 7.2 не показан), формировавщий синхронизирующий импульс. Этот импульс использовался для запуска строки в:1деоспгнала.

Излучение, отраженное от поверхности земли, попадало на сканер приемника 10 и далее с помощью двух сегментов параболического первлчного зеркала 8 и призмы направлялось через выходное окно приемника 12 и зеркало 13 на фотодетектор 16. В качестве фотодетектора был применен лавинный фотодиод, чувствительный к излучению ближнего инфракрасного и видимого диапазонов длин волн.

Функциональная схема формирования видеосигнала показана на рис. 7.4. Синхронизирующий импульс, обозначающий момент начала цикла сканирования,через усилитель / и пороговоеустрой-во 2, отсекающее ложные (помеховые) импульсы, поступает на вход устройства компенсации вращения 3. Последнее необходимо для того, чтобы устранить относительный сдвиг соседних строк изображения, вызванный вращением самолета вокруг его продольной оси. Вращение самолета эквивалентно дополнительному повороту сканеров при неизменном временном положенин синхронизирующего импульса. Таким образом, разные строки изображения могут начинаться (и кончаться) в разные моменты времени, приводя к искажению всего изображения. Для компенсации этого явления в момент поступления синхронизирующего импульса запускался генератор линейно изменяющегося напряжения, которое подавалось на один из входов компаратора. На другой его вход подавалось напряжение с выхода датчика угла вращения самолета, пропорциональное значению этого угла в данный момент времени. В момент совпадения напряжений на входах компаратора на его выходе генерировался импульс, временное положение которого совпадало с истинным моментом начала сканирования данного участка местности. Этот импульс поступал на вход формирователя строки 4, на выходе которого в этот момент возникал сигнал, разрешающий 252

Рнс. 7.5. Изображение местности, полученное лазерным локатором К.А.-98

съем информации с фотодетектора 7. В течение разрещенного вре-менного промежутка сигнал с фотЬдетектора усиливался усилителем 5 и, дополненный необходимымп импульсами синхронизации, поступал в аппаратуру регистрации. Для получения необходимого динамического диапазона, применялась автоматическая регулировка усиления.

На рис. 7.5 приведена картина местности, полученная лазерным локатором КА-98 в ночное время суток. О его разрешающей способности можно судить по тому, что на оригинале отчетливо выделяется разметка на автостраде, разделяющая полосы движения.

2. Лазерный локатор с длиной волны излучения 1,06 мкм [76]. В Нидерландах был создан экспериментальный сканирующий лазерный локатор на основе лазера на алюмояттриевом гранате. Его схема показана на рис. 7.6. Принцип действия локатора заключается в том, что сколлимироваиный лазерный луч синхронно с разверткой видеоконтрольного устройства построчно сканирует поле зрения, а отраженное от объектов излучения регистрируется фотодетектором, выходной сигнал которого модулирует яркость луча видеоконтрольного устройства. В результате на экране формируется изображение объекта.

Передатчик локатора представлял собой лазер на алюмоиттрие-вом гранате фирмы Holobeam. Он моГ работать в непрерывном ре-

Кадровый синхроимпульс

г* 9

Старт

□ а

Рис. 7.6. Схема экспериментального сканирующего лазерного локатора:

/-лазерный передатчик; 2 - фотодетектор; 3 - сканирующие зеркала; -«-приводы зеркал; 5 -лииза Френеля; 6 - интерфереициоиный фильтр; / - фотодетектор; 8-усилитель; 9 - логарифмический усилитель; /О-схема стробирования; -расширитель импульсов; 12 - усилитель; 13 - измеритель дальности; /4 - перестраиваемый усилитель; /5 - генератор развертки; /в - фазовый компенсатор; /7 - видеотерминал; /8 - видеоконтрольиое устройство; /9 - генератор стереоизображения; 20 - световое перо

жиме, генерируя изучение с выходной мощностью 5 Вт, и в режиме модуляции добротности с частотой повторения импульсов до 25 кГц. Выходное излучение с переднего зеркала резонатора коллимировалось телескопом и направлялось сканирующими зеркалами d на цель. Диаметр лазерного пучка на выходе локатора составлял приблизительно 2,5 см. При работе в импульсном режиме уровень выходной мощности излучения и момент генерации импульса контролировались фотодетектором 2, установленным перед задним зеркалом резонатора.

Сканирующие зеркала <? и их приводы 4 были разработаны фирмой General Scanning. Зеркало строчной развертки {х) работало на частоте до 100 Гц и имело размеры 2,5x2,5 см. Зеркало кадровой развертки (у) имело размеры 2,5X5,0 см и работало на частоте до 2 Гц. Максимальный угол поля сканирования локатора составлял приблизительно 0,17 рад.

Поскольку разрешающая способность локатора определялась, главным образом, расходимостью лазерного луча, могла быть применена приемная оптика невысокого качества. Поэтому отраженное излучение собиралось линзой Френеля 5 диаметром 25,4 см и фокусным расстоянием 20 см. Фотодетектор 7 представлял собой кремниевый фотодиод диаметром 1 см. Для ослабления влияния фонового излучения перед ним был установлен интерфереицион-

ный фильтр 6. Угол ПОЛЯ зрения приемного канала локатора составлял, таким образом, 50 мрад и был приблизительно в три раза меньше максимального угла поля сканирования.

Схема обработки выходного сигнала фотодетектора зависела от режима работы лазерного передатчика. В режиме непрерывного излучения сигнал поступал через усилитель 8 и логарифмический усилитель Я необходимый для увеличения динамического диапазона приемного канала, на вход перестраиваемого усилителя 14. Ширину полосы пропускания последнего можно было изменять в зависимости от ширины спектра видеосигнала.

В режиме модуляции добротности лазерный передатчик генерировал импульсы длительностью приблизительно 250 не, поэтому усилитель 8 имел ширину полосы пропускания 3,5 МГц. Усиленный импульс через схему стробирования 10 поступал на расширитель импульсов , на выходе которого формировался импульс длительностью 0,25... 1,5 мкс с амплитудой, равной амплитуде входного импульса. Это было необходимо для согласования длительности импульса с постоянной времени люминофора экрана видеоконтрольного устройства. Далее сигнал вводился в усилитель 12, коэффициент усиления которого увеличивался со временем по квадратичному закону. Это позволяло выровнять яркости близко и далеко расположенных объектов при их отображении на экране видеоконтрольного устройства. В самом деле, амплитуда импульсов на выходе фотодетектора 7 пропорциональна интенсивности отраженного от цели излучения, ко-"торая, в свою очередь, обратно пропорциональна квадрату расстояния до цели. Следовательно, при неизменной мощности зондирующих импульсов -амплитуда импульсов на выходе фотодетектора 7 обратно пропорциональна квадрату времени их задержки.

Для компенсации этого нежелательного явления и был предусмотрен усилитель 12. Временная диаграмма последе-текторной обработки сигнала показана на рис. 7.7. Роль уси-

Фатодетентор 7 5онЗаруюш,ий сигтл >.

Отраженные сигналы

Схема строЗиродания 10

Рис. 7.7. Временная диаграмма после-детекторной обработки в чмпульсном режиме: Г,, Г2>100 Ьс (поз. 7, 10, 12 см. рис. 7.6)

Усилитель 12

Усилитель 72