lazernaya_tekhnika_uchebnik (863459), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Прежде, чем производить какие-либо работы, надо убедиться в том, что существующий уровень меньше допустимого.4.2. Лазерные локационные системыОбнаружение и измерение координат удаленных объектов методами оптической локации в настоящее время производится с помощьюоптических локационных лазерных систем (ОЛЛС).
В результате анализа параметров отраженного сигнала могут быть измерены координаты, угловые и линейные скорости, ориентация объекта в пространстве ит.п. Применение в оптических локационных системах (ОЛС) лазеров вкачестве источников излучения значительно улучшает параметры ОЛС.Лазерное излучение является монохроматическим, когерентным, направленным, интенсивным и поляризованным. Благодаря этому в ОЛЛСможно формировать узкие диаграммы направленности при сравнительно небольших размерах передающих оптических систем, осуществлятьэффективную пространственную и спектральную селекцию сигнала нафоне помех.
В ряде случаев в ОЛЛС используется возможность с помощью лазеров генерировать очень короткие (10–8–10–12 с) и мощныеимпульсы излучения. Благодаря высокой частоте оптического сигналаимеется большой доплеровский сдвиг частоты, что позволяет измерятьмалые скорости перемещения объекта.
Небольшая ширина диаграммынаправленности дает возможность работать при малых углах места,так как практически устраняются отражения от земной поверхности иместных предметов. По сравнению с радиолокационными системамиОЛЛС обладают высокой точностью и разрешающей способностьюпри измерении дальности и угловых координат, большей помехозащищенностью и меньшими размерами.Наряду с достоинствами ОЛЛС присущи и определенные недостатки:сильное ослабление оптического излучения в дожде, снеге и тумане; сложность наведения узкого луча на объект и получения больших полей обзора.Поэтому иногда целесообразно использовать ОЛЛС в комплексе с радиолокационными, телевизионными или радиометрическими системами.73Практическое использование ОЛЛС началось с создания лазерныхдальномеров, которые появились в 1961 г., т.е.
через год после изобретения лазеpa. Хотя первые дальномеры были несовершенны, но уже черезнесколько лет появились довольно сложные системы, с помощью которых решались комплексные задачи.Так, например, уже в 1965 г. была создана лазерная система слежения с автоматическим повторным поиском и захватом цели, предназначенная для системы точного слежения за ракетой «Сатурн-5» в начальной стадии полета с погрешностью порядка ±1ʺ в пределах поля 1º×1º.Средняя квадратическая ошибка слежения за уголковым отражателемна расстоянии 1 км в приземном слое из-за дрожания и мерцания составила несколько угловых секунд.С развитием элементной базы, совершенствованием методов генерирования и приема когерентного оптического излучения сфера применения ОЛЛС непрерывно расширялась.
В настоящее время ОЛЛСиспользуются в метрологии, геодезии, авиационной и космическойсъемках и т.д. С их помощью решаются такие задачи, как исследованиединамики континентов, контроль окружающей среды, наблюдение заИСЗ и Луной и т.д.В ОЛЛС используются, в основном, два метода обработки полученнойот объекта информации: фотографический и электронный.
В некоторыхОЛЛС для определения расстояний используется электронный метод, адля определения угловых координат объекта – фотографический. Рассмотрим принцип построения ОЛЛС оптико-электронного типа (рис. 4.2).Основными частями аппаратуры являются: оптический передающий блок, система наведения и слежения, оптический приемный блок,блок обработки, индикаторное или регистрирующее устройство.
Зондирующий сигнал формируется в лазерном источнике 2. Форма этогосигнала определяется схемой управления 5. Сформированный пучокколлимируется оптической передающей системой 1. Расходимость лучана выходе оптического блока обычно составляет 0,1–10 мрад. Отраженное от объекта излучение собирается приемной оптической системой10, пропускается через узкополосный светофильтр 11 и преобразуетсяфоточувствительным элементом 12 в электрический сигнал. Усиленныесигналы с выхода приемного блока поступают в блок обработки, в который поступает также опорный сигнал.
Принятый и опорный сигналыпозволяют измерить дальность по времени распространения сигнала до74Оптическийпередающийблок12Ввод данных93101112Блокобработки6845Приемныйоптическийблок137Рис. 4.2. Структурная схема оптической локационной системы обзорапространства, слежения и измерения координат:1 – передающая оптическая система; 2 – лазерный источник излучения; 3 – блокпитания; 4 – схема формирования опорного сигнала; 5 – блок управления; 6 – блокизмерения дальности; 7 – блок измерения угловых координат; 8 – регистратор; 9 –система наведения и слежения; 10 – приемная оптическая система; 11 – узкополосныйинтерференционный светофильтр; 12 – фотодетектор; 13 – усилительобъекта и обратно.
Одновременно фиксируются угловые координатыобъекта.Одним из первых применений ОЛЛС явилась оптическая локацияЛуны. В качестве приемо-передающей оптической системы был использован телескоп Крымской астрофизической обсерватории с диаметром главного зеркала 2,6 м (рис. 4.3), а в качестве отражателя использовались уголковые отражатели, установленные на откидывающейсякрышке отечественного лунохода. Расстояние до Луны было определено с точностью до 3 м.Характеристики ОЛЛС Крымской астрофизической обсерваторииПриемо-передающая система:телескоп диаметром фокусное расстояниеЭнергия импульса (рубиновый лазер)Длительность импульсаЧастота повторения импульсовНачальный диаметр пучкаУгловое поле (расходимость пучка на выходе лазера)Расходимость пучка на выходе телескопаПолоса пропускания фильтра (пропускание 40%)Квантовый выход фотоумножителя (ФЭУ-77)Точность измерения времени752,6 м42,5 м4 Дж20 нс4 / мин15 мм15ʹ5ʺ1 нм9%±10 нсК ЛунеФЭУФильтрИзмерениевременираспротранениясигналаДиафрагмаРубиновыйлазерРис 4.3.
Упрощенная оптическая схема установки для лазерной локацииЛуны, созданной в Крымской астрофизической обсерваторииСеансы лазерной локации были начаты в 1969 г. Использовалисьуголковые отражатели, доставленные на Луну космическими кораблями «Аполлон». В отдельных сеансах погрешность определения расстояния составляла 5–10 см (относительная погрешность 3·10‒10).
Кроменаблюдения за спутниками и Луной, ОЛЛС применяются для решениямногих других задач в системах автономного сближения космическихаппаратов, в высотометрах различного назначения, в профилометрах,для измерения высоты до облаков (например, ДОЛ-1 с диапазоном измерения от 15 до 4000 м) и т.д.ОЛЛС делятся на импульсные и непрерывные в зависимости оттого, как формируется выходное излучение во времени.
ИмпульсныеОЛЛС характеризуются меньшей точностью измерений расстояний, нобольшей дальностью действия, чем фазовые. Аппаратурная точностьсовременных лазерных дальномеров достигла такого уровня, что основным препятствием к дальнейшему увеличению точности измеренийявляется влияние внешних условий.Одним из применений ОЛЛС является лазерное зондирование атмосферы. Принцип действия зондирующих ОЛЛС-лидаров заключается в том, что в атмосферу посылается мощный импульс излученияи анализируется интенсивность и спектр отраженного (рассеянного)сигнала.
Выделяя ту или иную характеристику сигнала, можно судить76о параметрах атмосферы: температуре, давлении, влажности, скорости ветра и его направлении. Изменяя частоту излучения посылаемого импульса, оказывается возможным получить информацию о пространственном распределении температуры, давления и концентрациисоставляющих атмосферу газов. Наконец, отраженный сигнал несетинформацию о степени загрязненности атмосферы различными аэрозолями. Многоволновые лидары используются для получения информации о высотном распределении параметров микрочастиц.
В такихлидарах производится одновременная регистрация сигнала упругогорассеяния и рамановского сигнала рассеяния азота. К таким приборамможно отнести лидары серии MRL-400 фирмы «Оптосистемы». Прибор работает с неодимовым лазером на гранате и генерацией второй итретьей гармоник в импульсном режиме и определяет следующие величины: обратное рассеяние на длинах волн 355; 532; 1064 нм; общееослабление на длинах волн 355 и 532 нм; коэффициент деполяризации;содержание водяных паров; средний и эффективный радиусы аэрозолей; комплексный показатель преломления; поверхностная и объемнаяконцентрация аэрозоля.Поскольку отраженный сигнал, очевидно, имеет небольшую интенсивность, в качестве источников излучения в лидарах используютмощные твердотельные или газовые лазеры, работающие в импульсномрежиме. Кроме необходимости получить большую мощность, работав импульсном режиме позволяет получить дополнительную информацию об удалении зондируемого участка атмосферы, а по характеруразмытия импульса – о свойствах среды.
Большое значение в лидарахимеет возможность перестройки частоты излучения лазера.24.3. Лазерные гироскопыОсновой лазерного гироскопаявляется так называемый кольцевой лазер, резонатор которого со4стоит из зеркал, расположенныхпо периметру некоторого контура(кольца). Наиболее часто исполь15зуется резонатор, зеркала которого 223расположены в вершинах равностороннего треугольника (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Схема кольцевого лазера77Если в контур резонатора 2–2–2 поместить активную среду 1, то внем будут распространяться колебания генерации по часовой стрелке ипротив нее. Эти колебания выводятся из резонатора через одно из зеркал 2, которое делается частично прозрачным, и с помощью некоторогоустройства 3, показанного на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
