ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВАХ ОПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ

С появлением лазеров сформировалось новое направление в радиолокации — оптическая (лазерная) локация. Оптической локационной системой (ОЛС) называют совокупность технических средств, позволяющих обнаруживать объекты и оценивать их координаты с помощью электромагнитных волн оптического диапазона 3х10¹²...3х10¹⁶ Гц или в длинах волн 100...0,01 мкм.

В качестве излучателей в ОЛС используются лазеры. По сравнению с другими источниками света лазеры имеют то преимущество, что излучаемое ими электромагнитное поле обладает высокой пространственно-временной когерентностью, что дает возможность формировать узкие ДН ( , где d — диаметр излучающей площадки активной среды лазера). Понятие «когерентности» эквивалентно понятиям «согласованности» или «корреляции» между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени (пространственная когерентность) и между фазами колебаний в одной и той же точке пространства в различные моменты времени (временная когерентность). Для твердотельных лазеров угловая расходимость составляет единицы миллирадиан, а для газовых — десятые доли миллирадиана. Следствием этого является более высокая, чем у РЛС СВЧ-диапазона, угловая разрешающая способность и точность измерения угловых координат. Малое поле зрения (узкая ДН) приемных оптических антенн позволяет эффективно селектировать отражения от земли и местных предметов при обнаружении объектов с малыми углами места, повышает помехоустойчивость ОЛС по отношению к преднамеренным 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 возможностью излучения импульсов наносе- кундной длительности с пиковой мощностью в сотни и тысячи мегаватт. При фазовом методе измерение ведется на поднесущих, имеющих частоты вплоть до СВЧ-диапазона.

Однако ОЛС присущи и недостатки: сильное затухание лазерного излучения в дожде, снеге и тумане, дымах на поле боя, что резко снижает дальность действия ОЛС в наземных условиях; сложность наведения узкого луча ОЛС и большое время обзора.

Часто ОЛС работают в комплексе с другими системами, что позволяет преодолеть некоторые из указанных недостатков. Для ОЛС наиболее характерным является активный режим, при котором источник зондирующего сигнала и приемник отраженного излучения пространственно совмещены.

Структурная схема ОЛС в общем виде представлена на рисунке 2.37.

Рис. 2.37

В ее состав входят источник и приемник излучения, оптическая система (ОС), формирующая излучаемый в направлении цели световой пучок и собирающая отраженное объектом излучение, система обработки и наведения, осуществляющая оценивание координат цели и их автоматическое сопровождение.

Характеристики ОЛС во многом зависят от свойств среды, в которой происходит распространение излучения, отражающей способности объекта и уровня помех, которые, как и в радиодиапазоне, можно разделить на внешние и внутренние. На рисунке 2.37 для обозначения оптических, электрических и механических связей использованы соответственно двойные, одинарные и пунктирные линии.

Рассмотрим подробнее элементы структурной схемы ОЛС.

Источник излучения — лазерный передатчик (ЛП) — служит для создания зондирующего сигнала с требуемыми характеристиками, он работает в импульсном или непрерывном режиме. Для формирования ДН, обеспечивающей концентрацию излучаемой энергии в узком пучке, применяется оптическая система (рис. 2.38), состоящая из двух линз: окуляра 1 и объектива 2, фокальные плоскости которых совмещены.

Такая система, называемая коллимирующей, позволяет уменьшить расходимость исходного пучка в k раз,

где; f, f2 — фокусные расстояния объектива и окуляра.

Рис. 2.38

Для наведения лазерного луча на цель или сканирования используют систему поворотных зеркал и призм или устройства, основанные на эффекте преломления луча в оптически неоднородной среде, в которой изменение показателя преломления создается управляющим напряжением.

Излучаемые оптические сигналы, распространяясь через атмосферу или другую среду, претерпевают изменения, которые обусловлены тремя основными явлениями: поглощением, рассеянием и турбулентностью. Поглощение и рассеяние определяют среднее затухание оптического сигнала и относительно медленные флуктуации, вызванные изменением метеоусловий. С турбулентностью связаны быстрые изменения поля, имеющие место при любой погоде. Вследствие ее влияния происходит расширение диаметра светового пучка; его амплитуда, фаза, поляризация и 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 отражение. 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.

В тех случаях, когда размеры шероховатостей поверхности больше , 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, ВПП аэродромов, кровли зданий).

Рассеянное объектом излучение с учетом прохождения через турбулентную среду имеет случайный характер, характеризуемый, в большинстве случаев, гауссовским законом распределения мгновенных значений напряженности поля.

Вместе с полезным сигналом на входе оптической приемной системы присутствует световой фон (фоновая помеха), создаваемый рассеянным в атмосфере солнечным излучением, свечением звездного неба, а также излучением, отраженным от различных посторонних объектов, оказавшихся в поле зрения приемной системы ОЛС.

При работе ОЛС в сильно замутненной среде (туман, вода) основным видом помехи является обратное рассеяние излучения передатчика — так называемая помеха обратного рассеяния. Кроме внешних помех необходимо учитывать внутренние шумы, возникающие при преобразовании оптического сигнала в электрический. Связанный с ними ток, возникающий на выходе преобразователя при отсутствии светового сигнала на входе, называют темновым.

Часть отраженного от цели излучения вместе с внешними помехами попадает на входную апертуру оптического приемного устройства, состоящего из оптической приемной антенны, светофильтра и фотоприемника. Могут быть использованы линзовые, отражательные и смешанные антенные устройства.

Антенное устройство смешанного типа представлено на рисунке 2.39. Приходящее излучение попадает на зеркало 2, переотражается на зеркало 1 и после прохождения диафрагмы 3 преобразуется с помощью окуляра 4, оптического фильтра 5, фокусирующей линзы 6 и поступает на фотоприемник 7.

Рис. 2.40

Рис. 2.39

Фотоприемник, преобразующий оптический сигнал в электрический, может быть выполнен на основе прямого фотодетектирования (энергетический прием) или с помощью оптического гетеродинирования.

При гетеродинном приеме (рис. 2.40) на светочувствительный элемент 4 подается аддитивная смесь принятого светового потока с приемной оптической системы и излучения от оптического гетеродина 3, формируемая с помощью полупрозрачного зеркала 2. На выходе светочувствительного элемента с помощью фильтра 5 выделяется сигнал промежуточной частоты. Дальнейшая обработка ведется уже с помощью радиодиапазона. В качестве светочувствительного элемента используется фотодетектор, например фотоэлектронный умножитель (прибор с внешним фотоэффектом).

Остальные узлы ОЛС принципиально не отличаются от соответствующих устройств РЛС.

В настоящее время наиболее распространены и освоены лазеры на рубине (к = 0,694 мкм) и углекислом газе (Л = 10,6 мкм).