Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 16
Описание файла
Файл "Глава 5" внутри архива находится в папке "Учебник - информационные системы". Документ из архива "Учебник - информационные системы", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 9 семестр (1 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 5"
Текст 16 страницы из документа "Глава 5"
В последнее время получены очень высокие энергетические характеристики лазерных установок. Так, достигнута интенсивность излучения (плотность мощности) 1020 ... 1021 Вт/см2. При такой интенсивности напряженность электрического поля Е достигает 1012 В/см, что на два порядка сильнее поля протона. Однако длительность таких излучений очень мала и не превышает величин 10-15 с (фемтосекунды). Указанные обстоятельства позволили разрабатывать лазеры, излучающие в рентгеновском (разеры) и диапазонах (гразеры). Длительность импульсов при этом составляет аттосекунды (10-18 с.)
Наиболее распространенным применением лазеров в локации являются дальномеры. Промышленно выпускаются твердотельные импульсные лазерные дальномеры на основе аллюмоиттриевого граната с неодимом. Принцип действия прибора основан на измерении временного интервала между приемным и опорным импульсами (рис. 5.76). Длительность импульсов варьируется от 10-15 до 10-3 с, энергия излучения от 0,01 до 1 Дж. Эти системы, предназначенные для измерения расстояний 1 ... 30 км, используются преимущественно в военном деле. Наряду с твердотельными, все чаще применяют газовые ИК лазеры на основе Ar, He-Ne и CO2. Коме высокого КПД они обладают малой чувствительностью к фоновым излучениям и меньшим затуханием сигнала в воздушной среде.
Импульсные лазерные дальномеры также нашли широкое применение в задачах геодезии и космической навигации. Еще в 60-х годах ХХ века для проекта «Apollo » был разработан лазерный дальномер на рубиновой основе, излучающий импульсы длительностью 10 нс и энергией около 0,2 Дж. Дальномер обладал очень острой диаграммой направленности - расходимость луча не превышала 0,3 мрад. (При высоте орбиты космического аппарата 100 км диаметр пятна составлял 25 м). Использование этого прибора совместно с лазерным отражателем позволило измерить расстояние от Земли до Луны. Погрешность измерения (эксперимент проводился с участием астронавтов космического корабля «Apollo-11») составила 0,15 м. Твердотельный лазерный высотомер применялся на орбитальном космическом аппарате Mars Observer, орбита которого имела средний радиус около 400 км. Дальномеры системы MOBLAS используют импульсы длительностью 0,1 нс с пиковой мощностью до 1 ГВт с частотой повторения до 10 Гц.
П ри работе лазерного импульсного дальномера большая часть энергии излучения посылается в среду в виде короткого импульса, а небольшая часть непосредственно подводится к приемнику, создавая опорный (маркерный) импульс. Этот импульс запускает измеритель временного интервала. Через некоторое время = 2D/с (где D - дальность, с - скорость), отраженный импульс достигает приемника, и после усиления и фильтрации останавливает счетчик измерителя временного интервала. В современных лазерных дальномерах величина относительной погрешности достигает 1 10-8 %.
Лазерные системы нашли широкое применение и в других задачах. В частности, высокая частота и монохроматичность излучения позволили создавать высокоточные системы наведения и позиционирования. Лазерная головка наведения является важной частью высокоточных систем наведения, используемых как в специальных задачах (наведение ракет, бомб и пр.), так и в промышленности. Характерным примером является система управления движением лазерного считывателя компакт дисков (рис. 5.77).
В большинстве конструкций головка содержит лазерный диод мощностью 2 ... 10 мВт, оптическую схему для фокусировки и управления положением фокального пятна, а также фотоприемники.
М алое по размеру фокальное пятно используется для обеспечения перемещения головки по дорожке диска, а также для точного поддержания заданного расстояния между диском и фокусирующей линзой. Это обеспечивается системой автофокусировки, которая позволяет отслеживать осевые биения диска в пределах допускаемых 0,5 мм (рис. 5.78).
Глубина резкости лазерной головки ТL определяется зависимостью:
где NA - числовая апертура фокусирующего объектива - безразмерная величина, в данной системе она меньше 1. Тогда, например, для лазера с = 0,635 мкм и NA = 0,6, получим ТL = 0,88 мкм. Следовательно, «степень расфокусировки» при такой глубине резкости и допустимом изгибе диска 0,5 мм составит около 600.
Оптическая схема головки наведения работает следующим образом (рис. 5.77). Свет лазера проходит через коллиматор, линейно поляризуется призмой (расщепителем), далее - сквозь четвертьволновую пластинку и отражается от диска. При отражении и прохождении через четвертьволновую пластинку обратно характер распространения световых волн изменится - на расщепитель попадет свет с перпендикулярной поляризацией по отношению к исходной. Этот свет уже не пройдет сквозь призму и отражается ею на светоприемники.
Автофокусировка осуществляется методом Фуко (подобные схемы применяются также в системах автоматического наведения на резкость в телекамерах). Схема содержит линейку из четырех фотодиодов. Суммирование сигналов производится схемой, представленной на рис. 5.78г. Начальной настройкой устройства на фотодиодах формируются световые пятна, причем так, чтобы они устанавливались на границе между 1 и 2, 3 и 4 фотодиодами (рис. 5.78а). Если диск приближается к объективу (рис. 5.77б), то фокальная плоскость смещается за ребро призмы, и световые пятна возникают только на 1 и 4 приемниках, а разностный сигнал (рис. 5.78г) становится отрицательным. При удалении диска световые пятна возникают только на 2 и 3 фотодиодах (рис. 5.78в), и выходной сигнал - положительным.
Разрешающая способность оптической системы определяется диаметром фокального пятна dф: dф = /2NA. Из этой зависимости следует, что для увеличения разрешающей способности следует уменьшать длину волны и увеличивать числовую апертуру. Большинство лазерных диодов излучают ИК свет с длиной волны 0,78 мкм. Для уменьшения длины волны (и, следовательно, размера фокального пятна) увеличивают содержание алюминия, при этом получают диоды с длиной волны 0,63 мкм. В конце ХХ века были внедрены относительно коротковолновые «зеленые» и «голубые» лазеры. (Одним из основоположников этих разработок был Нобелевский лауреат 2000 г. русский физик Ж. Алферов). Что касается апертуры, то большой апертурой обладают короткофокусные объективы. Однако, надежность таких схем ниже, и поэтому в ОС выбирают компромиссное значение NA = 0,6.
К лазерным ОЛС специального назначения относятся лазерные микрофоны, принятые на вооружение американскими спецслужбами еще в 60-х годах ХХ века. С появлением полупроводниковых лазеров эти устройства стали применяться и частными службами. Лазерные микрофоны регистрируют модулированные колебания вибрирующих стекол. В частности, известно, что прибор TRM-1830 с дальностью действия 150 м днем и 400 м ночью и габаритами 262220мм использовался во время Уотергейта, приведшего к импичменту американского президента Р. Никсона. Примеры других микрофонов представлены в табл. 5.16.
Таблица 5.16. Примеры лазерных микрофонов
Модель | Излучатель | Дальность, м | Цена, $ |
ЛСТ-ЛА2 | диод | 100 | 700 |
HP-150 | He-Ne, диод | 1000 | 5000 |
Примечание. Модель HP-150 разработана фирмой Hewlett Packard, США
В завершении данного раздела подведем некоторые итоги. Основные достоинствами оптронных и лазерных ОЛС являются: малая постоянная времени ( до 50 нс), широкий диапазон и высокая точность измерений, возможность измерения геометрических характеристик движущихся объектов, а также скоростей, высокая надежность и прочность. В то же время эти системы не лишены недостатков. Наиболее существенными из них являются: низкая помехозащищенность и чувствительность к отражающим свойствам объектов и температурная зависимость светового потока. Для оптронных ОЛС также характерна малая оптическая мощность.
В табл. 5.17 представлены некоторые характеристики ОЛС.
Таблица 5.17. Примеры промышленных ОЛС
Модель | Тип | Дальность, м | , мс | , % | Размеры, мм | m, г |
РФ8422 | Видимого света | 6 | 1 | 1 | 53112 | 200 |
ДОБЦ-15 | ИК | 0,05 ... 8 | 2 | 828 (753815) | 280 | |
LS05- LS30 | ИК | 1 | 1 | 820 | 100 | |
NX50/70 | Лучевой | 10 (5*, 0,7**) | 3 | 0,1 | 150 | |
MH-10 | Охранный, ИК | до 40 | 806043 | 400 | ||
SX-23 | Волоконный | 0,3 | 0,1 | 0,03 | 151025 | 30 |
NRT-390 | ИК лазер | 500 | 0,01 | 2,58 | ||
Гранат | ИК (He-Ne) лазер | 20000 | 10-4 | 330330410 | 15000 |
Примечание.
-
Локаторы LS05, LS30 - произведены фирмой Leuze electronic, Германия), датчики NX и NRT - фирмой Sunks, Япония, система MH-10 - фирмой Crow, Израиль.
-
* - поверхность с зеркальным отражением, ** - прозрачная поверхность.
Вопросы для самостоятельной подготовки
-
Какими параметрами описывается волновое уравнение?
-
Какой тип модуляции колебаний имеет самый узкий спектр?
-
Можно ли использовать вихретоковый датчик для контроля неферромагнитных материалов и диэлектриков?
-
Какой локационный прибор обладает большей разрешающей способностью - ультразуковой локатор или электромагнитный радар?
-
Какое колебание имеет линейчатый спектр?
-
От каких параметров зависит расхождение и затухание ультразвуковой волны?
-
В каких единицах измеряются яркость и освещенность?
-
Для чего используется конденсор?
-
Какой тип лазерного излучателя обладает наибольшей мощностью?
-
Что такое диафрагма и для чего она применяется?
244