Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. Под ред. Ю.М.Казаринова (2008) (1151786), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Таким образом, если лазерный гетеродин пространственно сфазирован относительно полезного сигнала, то мешающее излучение, приходящее с другого направления, будет ослаблено. Для реализации гетеродинного метода необходимы лазерный источник и гетеродин, работающие в одночастотном режиме с сохранением пространственной и временной когерентности излучения на время распространения оптического сигнала до цели и обратно.
Подобным условиям удовлетворяют газовые лазеры. Рис. 9.5. Структура гетеродинного оптического приемника: ! — приемник светового потока; 2 — полупрозрачное зеркало; 3 — оптический гетеродин; 4 — светочувствительный элемент; 5 — фильтр промежуточной частоты 380 Элементом ОПУ, во многом определяющим его качественные показатели, является светочувствительный элемент — фотодетектор (ФОД). В ФОД используется внешний или внутренний фото- эффект. Из приборов с внешним фотоэффектом в видимом и ультрафиалетовом диапазонах наибольшее распространение получили фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
Не останавливаясь на принципах работы ФЭУ, отметим, что они могут обеспечить усиление порядка (О"... )О', время нарастания импульса для современных ФЭУ составляет единицы наносекунд. Важнейшей характеристикой фотоприемника является значение минимальной мощности принимаемого излучения, при которой на выходе достигается требуемое отношение сигнал/шум. Среди приемников на основе внутреннего фотоэффекта наибольший интерес представляют лавинные фотодиоды (ЛФД), являющиеся в известном смысле твердотельным аналогом ФЭУ.
Их использование целесообразно при приеме слабых световых сигналов. Недостатками ЛФД являются малая площадь чувствительной площадки, сравнительно большое время нарастания фототока, а также необходимость очень точной стабилизации питающего напряжения и температуры ЛФД. Остальные узлы ОЛС, обеспечивающие обработку электрического сигнала с выхода ФОД, наведение луча на цель и ее сопровождение по дальности и угловым координатам, принципиально не отличаются от соответствующих устройств РЛС.
9.2. Рассеивающие свойства объектов и характеристики отраженных сигналов в оптическом диапазоне Излучаемые оптические сигналы, распространяясь в атмосфере или любой другой среде, претерпевают изменения, которые обусловлены следующими явлениями: поглощение, рассеяние, рефракция и турбулентность. Поглощение и рассеяние определяют среднее затухание сигнала и относительно медленныс флуктуации, вызванные изменениями метеорологических условий.
Падение интенсивности лазерного излучения при распространении в атмосфере описывается законом Бугера, в соответствии с которым интенсивность излучения / на расстоянии 0 от источника излучения с интенсивностью 4> определяется как т — г е бо'"~ уа о где тр и т„— показатели ослабления за счет рассеивания и поглощенйя соответственно. 38! При расчете дальности действия ОЛС используется коэффициент пропускания ( = 1//,. В соответствии с законом Бугера он равен произведению коэффициентов рассеивания (р — — е '~ и поглощения 1, = е-з л, Поглощение существенно зависит от длины волны излучения.
Это необходимо учитывать при выборе типа лазера. Рассеяние и поглощение лазерного излучения происходит как на молекулах газов, входящих в состав атмосферы, так и на аэрозолях. К аэрозолям относятся дымки, облака, осадки, пыль, дым. Для противодействия ОЛС используются боевые аэрозоли (пылеобразное масло, гексахлорэтан и др.). Показатели ослабления за счет рассеяния и поглощения целесообразно представить в виде Ур = Уг „+ У„и Т„= У„„-~- ",'... где У„„,' У, „и Т, „' '~„, — показатели рассеяния и поглощения на молекулах и аэрозолях соответственноо.
Показатели молекулярного поглощения характеризуются наличием ярко выраженных линий поглощения, определяемых молекулами веществ, входящих в состав атмосферы. Наибольшее поглощение происходит молекулами Н,О, затем следуют молекулы углекислого газа СО, и озона Оз Для практических целей наиболее интересно затухание в атмосфере на длинах волн излучения наиболее часто используемых в ОЛС лазеров: это 0,6328 мкм (гелий-неоновый лазер), 0,6943 мкм (рубиновый лазер), 1,06 мкм ()~10: УАО-лазер), 10,6 мкм (СО,- лазер). Ре4рахция приводит к отклонениям оси лазерного луча, однако это характерно для работы на больших дальностях.
Величина угловой ошибки из-за рефракции зависит от направления луча и может изменяться от нуля (зенитное направление) до нескольких угловых минут при работе вдоль поверхности Земли. С турбулеожмосеью связаны быстрые изменения поля, имеющие место при любой погоде. Турбулентность делает характеристики среды распространения случайными, вследствие чего происходит расширение диаметра светового пучка: его амплитуда, фаза, поляризация, угол падения флуктуируют.
При взаимодействии лазерного пучка с отражающей поверхностью цели возникает вторичное излучение, характер которого зависит от свойств зондирующего луча и особенностей цели (состояние поверхности, характер движения). В зависимости от состояния отражающей поверхности различают зеркальное и диффузное отражения. При зеркальном отражении вторичное излучение формируется по законам геометрической оптики.
Одним из наиболее часто применяемых зеркальных отражателей является, как и в радиолокации, уголковый отражатель (световозвращатель), называемый в оптике трипель-призмой. По технологическим соображениям трипель-призмы имеют небольшие 382 размеры (радиус окружности, вписанной во входную грань, составляет 20...70 мм), поэтому для увеличения отражающей поверхности, необходимой лля того чтобы перехватить большую часть излучаемой энергии, уголковые отражатели объединяют в блоки. Основными характеристиками оптических отражателей являются: ° угловая расходимость отраженного пучка света; ° допустимый угол отклонения падающего светового потока от нормали к входной грани; ° ЭП Р отражателя и ее зависимость от длины волны отражаемого потока. Важной характеристикой является технологичность изготовления и стабильность параметров в процессе эксплуатации (особенно для космических систем).
В тех случаях, когда размеры шероховатостей поверхности больше Х/16 (не выполняется критерий гладкости), имеет место диффузное отражение, при анализе которого пользуются моделью ламбертова отражателя. Энергетическая яркость такого отражателя не зависит от направления наблюдения, К ламбертовым поверхностям можно отнести земные ландшафты (почвы, пески, растительные образования) и некоторые наземные объекты (дороги, взлетно-посадочные полосы аэродромов, кровли зданий).
Согласно закону Ламберта мощность излучения Р, отраженная в направлении, составляющем угол д с нормалью к отражающей поверхности, равна Р = Расовр, где Р, — мощность излучения, отраженная в направлении нормали к поверхности. Как и в радиодиапазоне, целесообразно использовать понятие э44екгливной поверхлосгли рассеяния, численно равной площади плоской поверхности, которая при изотропном (равномерном) рассеянии падающего светового потока создает на приемной апертуре ОЛС интенсивность излучения, равную фактической.
Заметим, что в приведенных выше формулах и рассуждениях под интенсивностью 1 понималась энергетическая освещенность или плотность потока мощности, равная отношению потока мощности падающего на участок поверхности к площади этого участка. ЭП Р дает возможность сравнивать отражательные свойства различных целей, отличающихся формой, материалом поверхности и геометрическими размерами. Можно считать, что введение ЭП Р соответствует замене реальной цели источником, излучающим равномерно во всех направлениях мощность Р= /и, где / — интенсивность зондирующего излучения вблизи поверхности цели, Вт/м~; о — ЭПР цели, м'. При диффузном отражении ЭПР шара радиуса Я равна о = 8гдя)('/3, где г, — коэффициент диффузного отражения, и отличается от ЭПР шара в радиодиапазоне множителем Зг,/3.
383 Для диска радиуса Я„освещаемого под углом у (угол между направлением на центр диска и нормалью к его поверхности), ЭПР о, равна о, = 4яг„йхз соху= 4г„5 соку. Этой формулой можно пользоваться для любой плоской диффузно отражающей поверхности с площадью Ю,. Для уголкового отражателя, реализующего модель зеркального отражения, в случае падения светового потока по нормали к входной грани ЭПР о„, определяется по формуле о„, = ЬЬЬ2гаЧ,ь.з где Ь вЂ” размер ребра куба, из которого изготовлен уголковый отражатель; г, — коэффициент зеркального отражения; И, — диаметр окружности, вписанной во входную грань уголкового отражателя; Х вЂ” длина волны падающего излучения. Для большинства реальных целей микроструктура поверхности является случайной, поэтому рассеянное объектом излучение можно рассматривать как результирующее поле, создаваемое отражением падающего светового потока от ближайших окрестностей «блестящихь точек, случайно и независимо друг от друга расположенных на облучаемой поверхности.
Следствием этого является случайный характер отраженного сигнала, характеризуемого в соответствии с центральной предельной теоремой гауссовским законом распределения мгновенных значений напряженности поля. Если учесть, что случайный характер излучение приобретает и в результате прохождения через турбулентную среду, то станет понятным, почему при математическом описании принятого оптического сигнала широко применяют модель нормального случайного поля.
Вместе с полезным сигналом на входе оптической приемной системы присутствует световой фон, создаваемый рассеянным в атмосфере солнечным излучением, свечением звездного неба, а также излучением, отраженным от различных посторонних объектов, оказавшихся в поле зрения приемной системы ОЛС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
