Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Выходящее излучение направляется на трассу телескопическим объективом 3, уменьшающим угловую расходимость излучения до 1' при одновременном увеличении диаметра пучка до 0„„= 20 см (см. рис. 12.10, д). Отраженное от объекта излучение собирается оптической системой 8 н через объектив и интенференционный оптический фильтр 4 (образован набором четвертьволновых слоев диэлектриков с большим показателем преломления, заключенных между двумя. слоями оптической толщины в /, длины волны, изготовленными из диэлектрика о меньшим показателем преломления) поступает на фотоумножитель 11 (ФЭУ-84). Коммутатор 2 переключает каналы приема — передачи оптического сигнала.
Часть излучения лазера через фотодиод У0 типа ФД-256 передается непосредственно в оптоэлектронный канал, минуя трассу, и создает опорный сигнал. После фотоэлектрического преобразования сигнал усилителем б усиливается и из него формируется импульс, под действием которого происходит переброска триггера 7. Стартовый импульс триггера запускает счетное устройство 9. Отраженное от объекта излучение образует на выходе фотоумножителя сигнал, сдвинутый по времени относительно опорного; он также после усилителя-формирователя б подается на триггер 7. Под действием этого импульса триггер перебрасывается в исходное состояние и генерирует стоп-импульс, останавливающий счетчик 9.
Таким образом, счетное устройство измеряет время задержки т,„ отраженного светового импульса относительно опорного. В высотомере используются схема совпадения 8 н два кварцевых генератора на 5 и 5,05 МГц. Результат измерения расстояния выдается на цифровой индикатор 10, и в зависимости от времени запаздывания определяется высота объекта Н = ст,„/2. В качестве приемников лазерного излучения в высотомерах и дальномерах могут быть использованы фотоэлектронные умножители н фотодиоды, но применение первых предпочтительнее, несмотря на то, что фотодиоды имеют больший квантовый выход. Это объясняется тем, что умножители обладают высоким коэффициентом усиления (йа = 1О'...10'), регулируемым в широких пределах, н низким уровнем собственных шумов.
зб! Квантовый выход фотоэлектронного умножителя на длине волны Ха = 0,6943 мкм с наиболее эффективными в этой области спектра мультищелочными фотокатодами достигает 1...4 %. На волне Ха = = 1,065 мкм работают кислородно. серебряно-цезиевые фотокатоды, квантовый выход которых для излучения этой длины волны не превышает 0,1 %. Приходящий на приемник отраженный от объекта полезный оптический сигнал, как правило, очень мал и смешан с шумами. При наличии фильтра 4, который отфильтровывает излучение фона с коэффициентом пропускания те, можно полагать равномерным и посюянным распределение спектральной яркости естественного фона Вх в телесном угле поля зрения приемника г(6, = абба/Оа, Мощность шума от внешнего фона Р е = (гг/4)а4(О,Вхтет,ехр( — Кх0).
При этом необходимо учитывать ослабление полезного сигнала из-за шумов обратного рассеивания излучения (см. п. 13.1). В заключение проведем сравнительную оценку дальности действия рубинового и неодимового высотомеров. Коэффициент ослабления излучения прибора в рассеивающей среде на высоте Н определяется так: т,"(Х) = ехр( — КхН). Подставив сюда значение и /ар —— (3,91/с(м л.а) (Ха/0,55)" "'а.а соответственно для рубинового (Ха = 0,6943 мкм) и неодимового (1а = 1,06 мкм) лазеров и положив Н = 2д „, получим е, (1,06)/т, (0,69) = ехр ( — г(,„, Ьр (1,06) — /ар (0,69)!). Из анализа этого выражения следует, что начиная со значения метеорологической дальности видимости д„а., ) 10 км ослабление излучения сигнала за счет рассеяния для высотомера с рубиновым лазером много больше, чем для высотомера с неодимовым лазером.
Поэтому применение неодимового лазера в приборах в качестве излучателя более предпочтительно, чем рубинового. К этому необходимо добавить еще, что к. п. д. неодимового лазера выше рубинового. Аналогичную функциональную схему и принцип работы имеют импульсные лазерные дальномеры.
13А. Фазовые дальномеры Для точного измерения расстояния до объекта от нескольких метров до нескольких километров используют фазовый метод, основанный на измерении разности фаз между опорным сигналом и сигналом, прошедшим измеряемое расстояние. Рассмотрим фазовый дальномер а лазером на СО, (рис. 13.5), работающий на длине волны 10,6 мкм, где предположительно имеются полосы прозрачности в спектре пропускания атмосферы (см. рис. 13.4, б).
В качестве источника излучения применяется выпускаемый промышленностью молекулярный лазер 1 типа ОКГ-15 с высокой мощ- 262 постыл излучения в одномо- / 2 дозом режиме. Луч лазера ., Ю модулируется частотой /, = = 5 МГц электрооптическим модулятором 2 на кристалле а 7 арсенида галлия, что дает а Ю возможность использовать его в точных фазовых светолока- и а ционных устройствах !23!. Напряжение высокой ча- гг м и стоты, питающее модулятор, поступает от генератора б, /а м /у /з и частота которого стабилизирована кварцем через фильтр 5. Модулятор работает при четвертьволновом постоянном Рис.
13.6. струитуриаи схема фазового даль- напряжении смещения, пода номера с лазером иа СОа ваемом от источника 4;Модулированное излучение проходит через передающую оптику 3 и, пройдя измеряемое расстояние до отражателя (объекта) б, возвращается обратно, попадает через приемную оптику 7 на фоторезистор 19, выполненный на основе соединения теллур-кадмий-ртуть и работающий при температуре жидкого азота. На фоторезистор 19 подается опорное переменное напряжение частотой ~„= 5,25 МГц от гетеродина 23, стабилизированного кварцем.
При этом в фоторезисторе происходит смешение сигналов двух частот: частоты модуляции излучения и частоты гетеродина, в результате чего выделяется сигнал промежуточной частоты /„р 250 кГц. Режим работы приемника излучения обеспечивает получение почти максимального сигнала на выходе и минимальных фазовых искажений.
Сигнал с выхода приемника излучения поступает на каскадный предварительный усилитель 18 и резонансный усилитель промежуточной частоты 17, где происходит усиление на частоте /,а = 250 кГц. После усиления сигнал промежуточной частоты подается на фазовый детектор 1б, куда одновременно подается опорный сигнал той же промежуточной частоты. В канале опорного напряжения имеется смеситель 22, на выходе которого выделяется напряжение промежуточной частоты /,р —— = 250 кГц. Со смесителя это напряжение поступает через катодный повторитель на фазовый модулятор 21.
В фазовом модуляторе фаза напряжения промежуточной частоты периодически, с частотой 70 Гц, изменяется на 180'. Фазовый модулятор приводится в действие от генератора 14, дающею напряжение частотой 70 Гц. После фазового модулятора напряжение через фазовращатель 20, где фаза может плавно изменяться от 0 до 360', подается в усилитель 15, который необходим для компенсации ослабления в фазовращателе, далее — в фазовый детектор 15. Таким образом, на фазовый детектор поступают напряжение сигнала и опорное напряжение.
В результате детектирования выделяется напряжение частотой 70 Гц, амплитуда которого зависит от 263 разности фаз сравниваемых напряжений. Напряжение частотой 70 Гц усиливается избирательными усилителями 12, 13 и детектируется в фазовом синхронном детекторе 11. Опорное напряжение на синхронный детектор подается с генератора 14. После усилителя постоянного тока 10 сигнал регистрируется индикатором 9. Расстояние до объекта определяется по разности фаз опорного сигнала и сигнала, прошедшего измеряемое расстояние. Усилительный тракт приемной части прибора до фазового детектирования дает усиление порядка 1Оа.
Для поддержания постоянства сигнала на выходе фазового детектора при измерении разных расстояний введена система автоматической регулировки усиления. Если сигнал на входе узкополосного усилителя равен шуму, то погрешность фазовых измерений составляет примерно 1', что соответствует погрешности измерения расстояния ~3 см при натурных измерениях на калиброванной трассе '. Оценку дальности действия проектируемого фазового дальномера можно выполнить, используя рекомендации и формулу (13.3).
В том случае, когда уравнение дальности записано в неявном виде и целый ряд параметров (т, (Х), р (р), вь, Р,1Р, й„м, и т. д.) носит вероятностный характер, для определения искомой величины необходимо построить номограмму, по которой быстро и удобно определять дальность. Пример построения такой номограммы для расчета дальности действия фазового дальномера при указанных ниже параметрах дан на рис.
13.6. Если гп ()г) = 0,1; и = 0,2; 7 = 10 мрад; Р ()г) = 0,8; Ь~ = 10' Гц; 1(х — — 0,05 км — '; Рр1Рщ —— !О; Рнр *= ГО ' Вт; с1, = 25 см, то Р = 5000 м. Громоздкие расчеты, таким образом, заменяются простейшими операциями, которые могут быть выполнены в течение нескольких минут. Точность получаемых результатов при правильном выбора т. ()г), Вх, г(„Ре„...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
