Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Дальность до объекта в данном слу- чае является функцией разности фаз и частоты модуляции излучес ния: 0 = !М + 1рг'(2я)), где М вЂ” целое число полных фазовых 2)м ЦИКЛОВ В ОбщЕМ СДВИГЕ фаэ Ср (ЛнбО ЦЕЛОЕ ЧИСЛО ДЛИН ВОЛН Х, = Сг)м, укладывающихся на расстоянии 217); гр!(2я) — дробная часть фазово- го цикла 0 ( тр ( 2п. Для определения числа М измерения 0 про- изводят на нескольких частотах. Выбор и оценка необходимой мощности излучателя.
В настоящее время наиболее применимыми в дальномерах видимого н ближнего инфракрасного спектров (рнс. !3.1, !3.2) являются длины волн: в импульсных дальномерах Хэ = 0,6943 и 1,065 мкм, в фазовых дально- мерах )ьо = 0,6328; 0,85 и !0,6 мкм. На этих длинах волн работают н достигли наибольшего технического совершенства мощные импульс- ные рубиновые, неодимовые лазеры на т'Аб, гелий-неоновые газо- разрядные, молекулярные на СОх и полупроводниковые лазеры на арсеннде галлия. 232 Рис.
13.2. Функциовальиая схема типового импульсного лазерного высотомера (дальномера): 1 — лазер.излучатель; 2 — коммутатор; 3 — телеобъектив; а — объектив с фильтром; 3— схема накачни; б — усилитель; 7 — триггер; 3 — схема совпадения; 9 — счетчик; 13 — индикатор; Ы вЂ” Фотоэлектронный умважнтель; УР— бкподнод: МЦ М2 — двигатели Дальность действия лидаров зависит от степени ослабления мощности оптического сигнала, несущего полезную информацию в атмосфере, а также от коэффициента использования излучения, т. е. соответствия спектральных характеристик лазера, атмосферы и приемника излучения. Несмотря на то что принцип действия импульсных, интерференционных, фазовых и т. д. дальномеров различен, тем не менее, при проектировании лидаров необходимо учитывать следующие общие закономерности. Ослабление уровня полезного сигнала из-за обратного рассеяния.
Наличие шума, вызванного регистрацией приемником обратного рассеяния излучения в атмосфере, снижает уровень полезного сигнала. Мощность шума, принятая приемником излучения от обратного рассеяния, можно оценить соотношением [6, 21, 231 1 иэлЖЧс'о~ э гттттфтнйр (1 1 (! е 1) 2 — КХР где Ра„— мощность передатчика, Вт; Л(, т) — полоса пропускания (Гц) и квантовая эффективность приемника излучения; йа — диаметр приемной антенны, см; т„т,, т — коэффициенты пропускания передающего и приемного каналов и фильтра соответственно; тн — длительность импульса излучения, нс; Ор — расстояние до рассеивающего слоя атмосферы, км; й ()) — спектральный коэффициент рассеяния излучения в атмосфере, км — ', Кх — коэффициент ослабления энергии на единицу пути луча, км — '.
Например, для дальномеров с й, = 7 см, Ри„= ! МВт при квантовой эффективности приемника излучения т) 2,5 10 ', ти = 50 нс среднее количество фотоэлектронов в приемнике, обусловленное обратным рассеянием излучения в атмосфере на расстоянии 1...6 км, составляет порядка 10' !23). Ослабление в атмосфере. Для высот до 3 км над уровнем моря аэрозольное рассеяние преобладает над молекулярным поглощением. Коэффициент ослабления для определенной метеорологической дальности видимости с(„л, и численных оценок можно определить по формуле рассеяния (11, 23! о ззлнв Например, в атмосфере над уровнем моря коэффициент ослабления равен 0,2...0,62 дБ!км П!1.
При этом необходимо учитывать влияние температуры нагрева активной среды и вследствие этого изменение длины волны излучения. Для надежной работы импульсного дальномера с рубиновым лазером в качестве излучателя необходимо учитывать тонкую струи- туру спектра поглощения газов атмосферы, для которой характерна достаточно узкая полоса прозрачности ЬЛ = 1,2 10 мкм в области длины волны Л, = 0,6943 мкм. Зависимость длины волны излучения от температуры нагрева рубина можно представить следующим образом (3!1: Л (Т) = 6943,25 + 0,068 (Т вЂ” 293). Чтобы излучение дальномера попало в полосу прозрачности атмосферы в заданном диапазоне длин волн Л = (6943,! ~ 0,5) )4 — а о— Х 10 мкм, температуру активного вещества требуется стабилизировать в пределах !8...35 'С. Подобные особенности в большинстве конструкций лидаров столь существенны, что требуют специальных технических решений.
Геометрическое ослабление излучения. Оно неизбежно возникаен в дальномерных системах, так как отношение принимаемой и передаваемой мощностей — 1 з Рпр Пз)1з Рвал 4у~Р4 где )сы )сз — радиусы приемной оптической антенны и эффективной площади отражения объекта, до которого измеряется дальность, м( у — расходимость излучения, мкрад. Оцепим ослабление при переносе энергии от лазера-излучателя до объекта и обратно до приемника излучения, учитывая только геометрические характеристики (рис. 13.3, а).
Модель переноса энергии будет выглядеть следующим образом: в точке пространства 1 находится дальномер с площадью входного зрачка оптической антенны с(5ы в точке 2 размещается объект с эффективной площадью отражения с5„ до которого измеряется расстояние О. Дальномер в направлении объекта под углом О, к нормали и излучает поток энергии Р...
а телесном угле с(0т с расходимостью у. В соответствии о законом Ламбер. та освещенность на объекте [41 В~ соз б, саз Озд5, з 1эа а 234 Рис. !3.3. Геометрия переноса энергии излучения из точки 1 в точку 2 и обратно при дальности 1г (а) и кривые спектрального коэффициента отражения для различных обьектов (б): т — навестняк, глнна; б свежевыпавшей свет; б = зеленый покров весной; б — лнственный лес летом; б песок пустыне; б — квойный лес летом; 7 окрашенные зеленой краской предметы где В, — яркость площадки с(В в направлении объекта, причем В = тем ДЗ поз в = 3 созе пуз Сила излучения ! равна потоку Рн в единице телесного угла бЮт = Пуа, т.
Е. Г(1 = Реал /(Пуа). УЧтя ЗаВИСИМОСтЬ ОСВЕщЕННОСтИ От потока излучения и силы излучения: Е = Р!г(3 = И9!с(Я, для потока, падающего на объект, получим: Р, = гзЕзб(3а =. Р ПосколькУ на РасстоЯнии 0 ) 10)У б5з освеЩеннУю эффективнУю площадь объекта Юз можно считать переизлучающим рааноярким точечным источником, индикатрисой излучения точечного источника будет сфера. От излучения Р, в максимальном угле (4п ср) на при'емник дальномера попадает только малая доля энергии в телесном угле с(О„т.
е. Р, ~е, аз,зз, в, Рпр = — Рнвл 4п н 4паувОа Окончательно, даже без учета ослабления энергии в атмосфере н оптике дальномера, ослабление только за счет геометрии переноса 233 энергии будет весьма внушительным! 1 пр д544(52 соз Ои )71)722 Ризи 4иити(24 47'04 ори соз0, 1, г(51 = яй1, с(Уз = пйз. (13.1) Потери энергии излучения в элементах оптической схемы дальномера (см. п. 12.б и рис. 12.10) определяются произведением коэффициентов пропускания оптических элементов передающего и приемного каналов: т,„„ = тттз. Типичное значение коэффициента пропускания оптики дальномера составляет 20...30 %.
При проектировании лазерного локатора исходят нз его функциональной схемы, которая должна обеспечивать измерение дальности, радиальной скорости и автоматическое сопровождение цели по направлению (см. рис.13.1). Поэтому в ней можно выделить следующие основные устройства: лазерный передатчик, приемный оптоэлектронный канал, систему управления и наведения, а также систему автоматического сопровождения цели. Мы ограничимся рассмотрением только канала измерения дальности. Уравнение дальности. Существует несколько методов расчета дальности действия лазерных дальномеров, но все они, ввиду турбулентной природы существенно нестационарной среды — канала связи (атмосферы) с характеристиками, случайными во времени и пространстве, дают весьма приближенную оценку искомой дальности. Наличие множества параметров, совокупное действие которых носит случайный характер, усложняет процесс расчета.
Поэтому вероятностная концепция учета действующих факторов, основанная на статистической оценке экспериментальных данных и допустимых значений различных шумов, является наиболее приемлемой. В этом случае отклонение расчетных значений дальности 0 от натурных измерений на 20...30 % можно считать большим достижением теории. Необходимо также учитывать целый ряд предположений и ограничений. Допустим„что весь лучистый поток, излучаемый лазером, попадает на объект. Если размеры объекта по сравнению с расстоянием между ним и дальномером малы, то можно еще предположить, что объект переизлучает падающую энергию подобно точечному источнику, а рассеяние ее от объекта является диффузным и подчиняется закону Ламберта. При таких предположениях с учетом всех рассмотренных ранее причин ослабления энергия принимаемого сигнала Р„(тр (Х) т„тзо (Х) т1титфагап где Р„„= Р, „— выходная мощность излучения, Вт; т„— длительность импульса излучения, с; р (Л) — спектральный коэффициент Пример, Опенивая отношение (13.1) при О, = О, диаметре оптической антенны 4(и = 40 см, расходимости 7 = 50 мкрад, дальности В = 10з и до обаекта площадью ДЗ, = 314 м', находим, что обратно на приемник возвращается ничтожная доля излученной энергии: Рпр)Р 0,4 ° 10 з т.
е. всего 0,04%. о тражения диффузно-отражающей поверхности (см. рио. 13.3, б); (Л) = ехр ( — Кл0) — коэффициент пропускания атмосферы при одностороннем распространении излучения; 0 — расстояние до объекта (искомая дальность), м; 4(, — диаметр обьектива приемного канала, м; й, — коэффициент, характеризующий пространственное распределение отраженного сигнала; йп — коэффициент, которым учитывают потери в коммутаторе приемопередачи (см. рис. 13.2).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
