Мишура Т.П., Платонов О.Ю. Проектирование лазерных систем (2006)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮГосударственное образовательное учреждениевысшего профессионального образованияСАНКТПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТАЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯТ. П. Мишура, О. Ю. ПлатоновПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМУчебное пособиеСанктПетербург2006УДК 621.373.826ББК 32.865М71Рецензенты:кафедра радиолокации Петербургского высшего военного училища;доктор технических наук, профессор А. А.

ШаталовУтверждено редакционноиздательским советом университетав качестве учебного пособияМ71Мишура Т. П., Платонов О. Ю.Проектирование лазерных систем: учебное пособие/Т. П. Мишура, О. Ю. Платонов; ГУАП. — СПб., 2006. — 98 с.: ил.ISBN 5808802180В учебном пособии рассмотрены основные методы поиска оптимальных решений в проектировании лазерных систем.Предназначено для самостоятельной работы, которая позволяетизучить теоретический материал и получить необходимые навыкирасчета и проектирования оптикоэлектронных приборов.Рекомендовано студентам специальности 131200 «Лазерные системы в ракетной технике и космонавтике» дневного факультета, изучающих дисциплину «Проектирование лазерных систем».УДК 621.373.826ББК 32.865ISBN 58088021802© ГУАП, 2006© Т.

П. Мишура,О. Ю. Платонов, 2006СОДЕРЖАНИЕПредисловие .......................................................................1. Основы проектирования ...................................................1.1. Краткая классификация оптикоэлектронных приборов .....1.2. Основные критерии оценки качества лазерных систем .........1.3.

Уровни проектирования .................................................1.4. Методы решения нешаблонных задач ...............................1.5. Блочноиерархический подход к проектированию ..............2. Распространение лазерного излучения ................................2.1. Оптические свойства атмосферы ......................................2.2.

Состав атмосферы .........................................................2.3. Распространение лазерного излучения через атмосферу .......3. Рассеивающие свойства целей и характеристики отраженныхсигналов в оптическом диапазоне ...........................................3.1. Эффективная площадь рассеяния типовых целей ...............3.2. Поляризационные характеристики целей .........................4. Расчет и выбор основных параметров оптикоэлектронных приборов .................................................................................4.1.

Энергетические расчеты оптикоэлектронных приборов ......4.2. Особенности габаритного расчета приемных оптических систем оптикоэлектронных приборов .........................................4.3. Расчет и выбор динамических параметров оптикоэлектронных приборов .....................................................................4.4. Точностные расчеты оптикоэлектронных приборов ...........4.5.

Расчет тепловых режимов работы оптикоэлектронных приборов .................................................................................Библиографический список ...................................................466911141720202024292933373760647389973ПРЕДИСЛОВИЕОптикоэлектронные системы все больше входят в повседневную жизньлюдей. Основными областями применения оптикоэлектронных систем являются геодезия и картография, строительное и горное дело, траекторныеизмерения космических объектов в системах Земля—Космос и космических комплексах (сближение и стыковка), калибровка радиолокационныхизмерителей и получение метеоинформации, управление оружием и системой передачи информации, медицинское оборудование и многое др.

Часто оптикоэлектронные системы работают в комплексе с системами других диапазонов.Перечисленные области применения оптикоэлектронных систем представляют собой очень сложные комплексы, требующие особого подхода к проектированию и разработке. Разработчик должен обладать широким кругозороми иметь знания из других областей техники. Разработка оптикоэлектронных систем требует нестандартного мышления и способностей коллективовразработчиков в совместной работе над проектом.Подходы к решению нестандартных задач рассмотрены в первой главеучебного пособия. В зависимости от поставленной задачи для оптическойсистемы необходимо выбрать частотный диапазон, обеспечивающий оптимальное решение.

Для решения поставленной задачи разработчик должензнать условия распространения волн оптического диапазона в различныхсредах. Спектральные свойства различных сред можно найти в специальнойсправочной литературе, однако для правильной оценки разработчик должениметь общее представление о различных свойствах сред распространения.Основы спектрального анализа атмосферы для различных участков волноптического диапазона приводятся во второй главе. Одним из основных преимуществ оптических систем перед системами радиодиапазона являетсяповышенная информативность.Для более эффективного использования этого преимущества разработчик оптических систем должен иметь представления о рассеивающих свойствах различных объектов и характеристиках отраженных сигналов в оптическом диапазоне.

Данные вопросы рассматриваются в третьй главе.При проектировании системы, обеспечивающей высокую эффективность, разработчик должен уметь создавать сценарий (алгоритм) работысистемы, а также составлять ее энергетическую модель. Этим вопросампосвящена четвертая глава.Как и в любой другой системе, выполнение поставленной задачи обеспечивается при получении соответствующих характеристик конкретных элементов, входящих в состав системы. Разработчик должен уметь рассчитатьи выбрать параметры как источников излучения, так и его приемников,проводить габаритный расчет параметров приемных систем, выбирать параметры сканирующих систем.

Помимо этого, в круг задач решаемых разработчиком на этапе проектирования входит также расчет и выбор динамических параметров оптических системы, таких, как например вид модуляции рабочего сигнала, полоса пропускания оптического тракта и т. д.4После проведения любых теоретических расчетов при проектированииважно оценить достоверность полученных результатов. Проведение точностных расчетов — обязательный этап при проектировании системы. Данныйэтап является одним из ключевых этапов проектирования, поскольку по егорезультатам можно судить об удовлетворении требований, поставленныхперед оптикоэлектронной системой. Если полученные результаты не удовлетворяют требованиям, то разработчик вынужден вернуться на ранние этапы и внести изменения либо в выбранную модель, либо непосредственнов конкретное исполнение того или иного узла системы.

Для правильнойоценки разработчик должен знать виды погрешностей, основные их источники и способы снижения погрешностей.Важным условием сохранения рабочих характеристик системы во время ее эксплуатации, является обеспечение тепловых режимов работы оптикоэлектронной системы. Даже незначительный перепад температур узловОЭП может привести к появлению термооптических аберраций, расфокусировки оптической системы, децентрировки или термодеформации оптических деталей, к изменению положения элементов конструкции, ухудшениючувствительности и отношения сигнал/шум изза увеличения фонового потока излучения, попадающего на приемник излучения. Более значительныеизменения температур, превышающие допустимые для элементов конструкции диапазоны, вызывают ухудшение надежности ОЭП, а иногда и полную потерю их работоспособности. Поэтому разработчик должен владетьметодами расчета тепловых режимов.В учебном пособии рассмотрены основные методы и общие подходы к решению задач проектирования систем.

Показаны факторы, влияющие нараспространение волн оптического диапазона в окружающей среде, а такжевлияние выбора длины волны излучения на характеристики принимаемыхсигналов. Рассмотрена зависимость параметров объектов от длины волныизлучения. Приводится расчет погрешности измерений. Даются основыэнергетического расчета лазерных систем.51. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ1.1. Краткая классификация оптико"электронных приборовОптикоэлектронными называются приборы, в которых информация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптическим излучением (содержится в оптическом сигнале), а ее первичнаяобработка сопровождается преобразованием этого излучения (оптического сигнала) в электрическую энергию (в электрический сигнал).Оптическому диапазону электромагнитных колебаний соответствуютчастоты от 3 ⋅ 1012 до 3 ⋅ 1016 Гц или в длинах волн от 100 до 0,01 мкм.Оптикоэлектронный прибор (ОЭП) является сложной системой,состоящей из оптических, механических и электронных звеньев,поэтому часто его называют также оптикоэлектронной системой(ОЭС).

Различия в принципах работы звеньев ОЭП, в способах обработки сигналов, проходящих через них, а также разнообразие условий эксплуатации ОЭП обусловливают сложность и многоступенчатость процесса проектирования этих приборов и требуют тщательногоанализа как условий работы ОЭП, так и состояния имеющейся в распоряжении разработчика элементной базы. В качестве излучателейв ОЭС, как правило, используются различного вида лазеры.По сравнению с другими источниками света лазеры имеют то преимущество, что излучаемое ими электромагнитное поле обладает высокойпространственной когерентностью и это дает возможность формироватьузкие диаграммы направленности. Для твердотельных лазеров угловаярасходимость составляет единицы миллирадиан, а для газовых — десятые доли миллирадиан. Следствием этого является более высокая, чему РЛС СВЧдиапазона, угловая разрешающая способность и точностьизмерения угловых координат.

Малое поле зрения (узкая ДН) приемных оптических антенн позволяет эффективно селектировать отражения от Земли и местных предметов при работе с объектами, имеющимималый угол места, повышает помехоустойчивость оптической лазерной системы (ОЛС) по отношению к преднамеренными помехам.Переход в оптический диапазон дает также возможность повысить точность измерения дальности до цели и ее радиальной скорости.

При импульсном методе измерения это связано с возможностьюизлучения импульсов наносекундной длительности с пиковой мощностью в сотни и тысячи мегаватт. При фазовом методе измерение ведется на поднесущих, имеющих частоты вплоть до СВЧдиапазона.Доплеровские методы измерения радиальной скорости в оптическом диапазоне характеризуются высокой чувствительностью.

Так,6при длине волны λи = 1 мкм радиальной скорости Vr = 0,1 м/с соответствует доплеровское смещение частоты Fv = 2Vr/λи = 200 кГц. Дляреализации таких методов требуется высокая стабильность (временная когерентность) излучения, которая может быть достигнута с помощью газовых лазеров.Высокое пространственное разрешение, свойственное оптическимсигналам, позволяет успешнее, чем в радиодиапазоне, распознаватьнаблюдаемые объекты и формировать изображение просматриваемого пространства; ОЛС присущи следующие особенности, которыенужно учитывать при выборе частотного диапазона проектируемойлазерной системы.1. Характеристики ОЛС сильно зависят от свойств среды, в которой происходит распространение лазерного излучения. Например, приработе ОЛС в приземном слое атмосферы (тропосфере) дальность действия и точность измерения координат объекта определяются в основном метеоусловиями.2.