лнтеля 12 (см. рис. 7.6) в импульсном режиме аналогична роли логарифмического усилителя 9 в непрерывном рел<име.

В импульсном режиме ширина полосы пропускания перестраиваемого усилителя 14 была равна 3,5 МГц, т. е. позволяла пропускать сигнал без искажения на входы модуляторов яркости видеоконтрольного устройства 18 и видеотерминала 17. Развертка луча, видеоконтрольного устройства 18 производилась синхронно со сканированием лазерным лучом поля зрения локатора. Поэтому частота кадров не превышала 2 Гц, что было неудобно при визуальном наблюдении. Для устранения этого неудобства параллельно видеоконтрольному устройству был подключен видеотерминал 17, который позволял преобразовывать медленную развертку в стандартную телевизионную. При этом обеспечивалась синхронизация с генератором развертки 15.

В импульсном режиме схема обработки сигнала позволяла измерять дальность до цели традиционным старт-стопным методом. Измеритель дальности 13 имел счетную частоту 15 МГц, что соответствовало разрешающей способности по дальности 10 м. Чтобы, можно было производить выборочное измерение дальности до какой-либо одной точки на местности, соответствующей одному элементу изображения, оператор мог использовать световое перо 20. Оно прикладывалось к выбранному элементу изображения на экране видеоконтрольного устройства /8 и в момент прохождения луча развертки через данный элемент на вы.ходе светового пера формировался импульс, включавший измеритель дальности 13.

Характерной особенностью рассматриваемого лазерного локатора является наличие в его схеме генератора стереоизображения 19. Он позволял формировать стереопару изображений на основе одного обычного изображения и информации о дальности до соответствующих предметов этого изображения. С этой целью в электрический сигнал строчной развертки (х) видеоконтрольного устройства добавлялся сдвиг, обратно пропорциональный дальности до предмета, соответствующего данному элементу изображения. Сформированное таким образом изображение выглядело так, как будто наблюдатель находился сбоку от истинного положения локатора. На следующем кадре генератор стереоизображения отключался и формировалось обычное изображение. В результате два полученных изображения составляли стереопару.

Лазерный локатор испытывался как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы. В непрерывном режиме эксперименты проводились в лабораторных условиях на дальностях 60 и 100 м. Изображение тестовой таблицы, сфотографированное с экрана видеоконтрольного устройства, показано на рис. 7.8. Разрешающая способность лучше 0,1 мрад, что близко к дифракционному пределу для апертуры диаметром 2,5 см, равному 0,05 мрад. В импульсном режиме при пиковой мощности излучения передатчика 2 кВт дальность действия локатора возрастала до нескольких километров.

Следует отметить, что в тех случаях, когда строб-импульс не устанавливался, качество регистрировавшегся изображения резко £56

Рнс. 7.8. Результаты нспытаннй лазерного локатора в непрерывном режиме (изображение тестовой таблицы, установленной на расстоянии 60 м от локатора)

Рис. 7.9. Структурная схема лазерного локатора DREV:

/ - приемопередающий модуль; 2 - устройство цифровой обработки; 3 - вычислите.пьные средства; 4 - видеотерминал

ухудшалось из-за обратного рассеяния зондирующего излучения в атмосфере.

3. Лазерный локатор DREV [61]. В канадском центре оооронных исследований DREV был создан экспериментальный сканирующий лазерный локатор на основе СОа-лазера с поперечным разрядом. В его состав входили приемопередающий модуль (рис. 7.9), быстродействующее устройство цифровой обработки, вычислительные средства и видеотерминал.

СОг-лазер работал на основной поперечной моде с частотой повторения импульсов 1 Гц. Его излучение с длиной волны 10,6 мкм наводилось на цель сканером, который дискретно производил просмотр поля зрения, содержавшего 32X24 элементов разрешения. Сначала происходило отклонение луча в азимутальной плоскости, затем на краю поля зрения угол места изменялся на один дискрет, луч в азимутальной плоскости отклонялся в обратном направлении, угол места изменялся еще на один дискрет и так далее. Так как лазер генерировал только 1 импульс в секунду, на просмотр всего поля зрения требовалось затратить приблизительно 13 мин. Отраженное от цели излучение регистрировалось быстродействующим фотодетектором, представляющим собой фотодиод на основе HgCdTe, охлаждаемый жидким азотом (Г = 77К).

Аналоговый сигнал оцифровывался быстродействующим аналого-цифровым преобразователем фирмы Biomation. Обработка происходила с темпом 100 МГц при времени выборки 2 не. Амплитуда сигнала оцифровывалась с точностью до восьми двоичных разрядов, причем запоминающее устройство имело емкость 2048 восьмиразрядных слов. Таким образом, мог быть полностью оцифрован видеосигнал длительностью 20 мкс, что соответствовало интервалу дальности 3 км. Данные с выхода преобразователя поступали в

, • ,

СО-лазер \----

Рис. 7.10. Экспериментальные результаты формирования изображения объектов в режиме стробирования по дальности. Длительность строб-импульса соответствует расстоянию 22,5 м

вычислитель, где они обрабатывались и затем выводились на экран видеотерминала в виде изображения.

Описанная схема обработки видеосигнала позволяла осуществлять стробирование изображения по дальности, т. е. формировать отдельные изображения предметов, располагавшихся на заданном расстоянии от локатора. Разрешающая способность по дальности определялась темпом оцифровки и составляла 1,5 м. На рис. 7.10 представлены экспериментальные результаты, полученные при испытаниях локатора DREV в натурных условиях. Армейский грузовик (рис. 7.10,а) располагался на удалении приблизительно 230 м от локатора и служил мишенью. На рис. 7.10 б представлены фотографии последовательных кадров на экране видеотерминала, разделенные между собой расстоянием в 22,5 м. Дальность увеличивается слева направо от кадра к кадру. Полностью засвеченный первый кадр обозначает нулевой момент времени, когда произошла генерация импульса лазерного передатчика. На пятом кадре, соответствующем дальности 88... 110 м, просматривается сигнал, отраженный от проводов линии электропередачи, которые отчетливо видны на переднем плане рис. 7.10, а. Изображение грузовика видно на одиннадцатом кадре, соответствующем интервалу дальностей 225 ...247 м.

На двенадцатом кадре хаотические точки обусловлены отражением от леса. Последовательность кадров на рис. 7.10, в получена при другом ракурсе грузовика, когда его передняя часть обращена к локатору.

В экспериментах исследовалась также статистика отраженного сигнала. Было обнаружено, что логарифм интенсивности отраженного излучения подчиняется нормально.му закону распределения, причем параметр этого распределения зависит от дальности до цели

Рис. 7.11. Графики функции вероятности вы- JffS ходного сигнала фотодетектора:

/ - зондирующее излучение; 2 - днффузно отражаю-щая пластина на дальности 200 м; 3 - днффузно отражающая пластина на дальности 500 м; 4 -уголковый отражатель на дальности 500 м; 5 - уголковый отражатель ма дальности 6,4 км °0

I mill м I t

OjOl

1 i,0

Логари(рм амплитуды

и характера ее поверхности. В этом убеждают экспериментальные резуль- таты, представленные на рис. 7.11. По оси ординат отложена вероятность то- «з/ го, что выходное напряжение фотодетектора не превышает значения, отложенного по оси абсцисс в логарифмическом масштабе. Масштаб вероятности по оси ординат соответствует закону Лапласа, который обусловлен гауссовской статистикой исследуемой величины. Поэтому линейный характер зависимостей, наблюдающийся на рис. 7.11, говорит о том, что логарифм выходного сигнала фотодетектора и логарифм интенсивности отраженного излучения подчиняются гауссовской статистике. Это можно объяснить тем, что флуктуации лог:арифма интенсивности зондирующего излучения имеют гауссовскую статистику, определяя, таким образом, статистику отраженного сигнала.

7.2. Сканирующие лазерные локаторы с когерентны/vi режи/vo/v излучения

1. Лазерный локатор ESOR [74]. В рассматриваемом локаторе изображение объектов получается не путем сканирования местности зондирующим лазерным лучом, а благодаря сканированию поля зрения приемного устройства. Это обстоятельство определило название локатора: Electronically Scanned Optical Receiver (ESOR). Для отклонения излучения были применены акустоопти-ческие модуляторы света, что позволило значительно повысить быстродействие по сравнению с механическими способами отклонения. Эксперименты по проверке принципов, заложенных в лазерном локаторе ESOR, были выполнены с использованием входного оптического тракта и лазерного передатчика локатора Firepond, описанного в разд. 6.1.

Условная оптическая схема приемного тракта лазерного локатора ESOR показана на рис. 7.12. Объект подсвечивался когерентным лазерным излучением. Отраженный сигнал коллимировался приемным телескопом и направлялся на акустооптический модулятор 4, в котором при помощи генератора 7 возбуждалась бегущая акустическая волна. Для детального ознакомления с принципами работы акустооптических модуляторов можно рекомендовать обзор [3]. Акустооптический модулятор работал в режиме брэгговского отражения, так что направление вектора звуковой волны составля-

Изображение

SOR Условная схема приемного оптического тракта лазерного локатора

/-объектив приемного телескопа; 2 -окуляр приемного телескопа; 5 -диафрагма; 4 - лкустооптический модулятор; 5 - фокусирующая линза; 5 - точечный фотодетектор; 7 - генератор; * - светоделительная пластина; 9 - излучение лазерного гетеродина

ло угол ?.v/2s с направлением оптической оси приемного телескопа, где А, -длина волны излучения, равная 10,6 мкм; v -частота :пгнала генерагора 7; s -скорость звука з кристалле мо-зулятора. При этом излучение на выходе модулятора отклонялось на удвоенный угол 6 = A,v/s относительно оптической оси телескопа. Фокусирующая линза 5 формировала в своей фокальной плоскости изображение объекта, положение которого относительно точечного фотодетектора 6 определялась углом отклонения луча 6. Фотодетектор располагался на оптической оси линзы 5, наклоненной относительно оптической оси приемного телескопа на угол 6o = ?.vo/s, где vo- заранее выбранная центральная частота сигнала генератора 7. Таким образом, при изменении частоты v точечный фотодетектор 6 как бы сканировал поле зрения локатора. Детектирование отраженного от объекта излучения производилось в гетеродинном режиме, для чего на поверхность фотодетектора с помощью светоделительной пластины 8 направлялось излучение лазерного гетеродина 9.

Чтобы обеспечить сканирование поля зрения локатора по двум координатам, в схему был введен второй акустооптический модулятор, развернутый на 90° относительно первого.

Быстродействие описанной схемы определяется, в первую очередь, параметрами акустооптического модулятора. Для переключения лазерного луча из одного положения в другое необходим промежуток времени Т, равный времени распространения акустической волны в кристалле модулятора. Если диаметр отклоняемого луча равен d,-io T=dls. В свою очередь, диаметр луча связан с разрешающей способностью системы, а именно: число разрешаемых элементов по одной координате равно

где бтах - максимальный угол отклонения луча. Последний можно связать с изменением частоты сигнала генератора Ду:

откуда получаем 260

Рис. 7.!3. Зависимость ширины полосы модуляции от числа элементов разре- > i--ыення 20

Зто соотношение, представленное J в виде графиков на рис. 7.13, по- казывает, что увеличение быстро- г

действия при неизменном числе / i -.----

элементов разрешения шж&т . Ю 20 SO 100 200SO0 ю2-los-ioio быть обеспечено только за счет

увеличения ширины полосы модуляции сигнала генератора Av.

Прежде чем переходить к описанию конкретной схемы локатора, необходимо сделать одно существенное замечание. Расмот-],рнные ранее в этой главе лазерные локаторы формировали некогерентное изображение объектов, несмотря на то, что в них использовалось для подсветки лазерное излучение. Это объясняется тем, что каждый элемент изображения сканировался последовательно во времени, и интерференция между соседними элементами исключалась. В локаторе ESOR дело обстоит иначе. Все объекты Б поле зрения подсвечиваются одновременно, так что в плоскости фотодетектора формируется пространственно когерентное изображение. Акустооптические модуляторы отклоняют параллельный пучок лучей, практически не изменяя его когерентности. Таким о5разом, выходной сигнал фотодетектора содержит информацию не только об амплитуде, но и о фазе изображения, поскольку при гетеродинном детектировании комплексная амплитуда выходного сигнала пропорциональна комплексной амплитуде поля в точке расположения фотодетектора. С одной стороны, это обстоятельство открывает широкие перспективы когерентной обработки выходного видеосигнала локатора, но, с другой стороны, разрешающая способность когерентных оптических систем хуже, чем некогерентных [47].

г J «

и регистрирующей аппаратуре

Рнс. 7.14. Оптическая схема приемного тракта лазерного локатора ESOR: I - приемный телескоп; 2, 3, 4, 5 ~ линзовые компоненты; 6 - светоделитель; 7 - акустооптические модуляторы; 8 - генераторы; 9 - вращатели плоскости поляризации; 10 -лазерный гетеродин; - фотодетектор