Лазерной локацией в зарубежной печати называют область оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения. Принципиально

лазерная локация осуществляется активным методом. Нам уже известно, что лазерное излучение отличается от температурного тем, что оно является узконаправленным, монохроматичным, имеет большую импульсную) мощность и высокую спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию конкурентоспособной в сравнении с радиолокацией, особенно при ее использовании в космосе (где нет поглощающего воздействия атмосферы) и под водой (где для ряда волн оптического диапазона существуют окна прозрачности).

В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три основных свойства электромагнитных волн:

1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором она расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертной степени. Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору, - чем короче волна, тем она выше. Поэтому-то и проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверхкороткие радиоволны, становилось все более трудным делом, а затем и зашло в тупик.

Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.

2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым производится просмотр пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели) (рис. 40). Это направление находят по расположению оси оптической системы, формирующей лазерное излучение (в радиолокации - по направлению антенны). Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг. Определим коэффициент направленного действия и диаметр антенны по следующей простой формуле

Рис. 40. Координаты объекта: а - пеленг или азимут; угол места

где коэффициент направленного действия, площадь антенны, - длина волны излучения, мкм.

Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности около 1,5° при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10 м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны.

Угловой раствор луча лазера, изготовленного с использованием твердотельного активного вещества, как известно, составляет всего и при этом без дополнительных оптических фокусирующих систем (антенн). Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогичного радиолокатора. Использование же незначительных по габаритам оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких угловых минут, если в этом возникнет необходимость.

где расстояние до объекта, - скорость распространения излучения, время прохождения импульса до цели и обратно, с.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем короче импульс, тем лучше (при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят радисты). Но нам уже известно, что самой физикой лазерного излучения заложена возможность получения импульсов с длительностью . А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.

Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них.

Прежде всего зона действия. Под ней понимают область пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и минимальной дальностями действия и пределами обзора по углу места и азимуту. Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора.

Другим параметром локатора является время обзора. Под ним понимается время, в течение которого лазерный луч производит однократный обзор заданного объема пространства.

Следующим параметром локатора являются определяемые координаты. Они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения местонахождения наземных и надводных объектов, то достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной точностью, которая зависит от систематических и случайных ошибок. Их рассмотрение выходит за рамки данной книги. Однако будем пользоваться таким понятием, как разрешающая способность. Под разрешающей способностью понимается возможность раздельного определения координат близко расположенных целей. Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме того, используется такая характеристика, как помехозащищенность. Это способность лазерного локатора работать в условиях естественных (Солнце, Луна) и искусственных помех.

(кликните для просмотра скана)

И весьма важной характеристикой локатора является надежность. Это свойство локатора сохранять свои характеристики в установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.

Схема лазерного локатора, предназначенного для измерения четырех основных параметров объекта (дальности, азимута, угла места и скорости) приведена на рис. 41 . Хорошо видно, что конструктивно такой локатор состоит из трех блоков: передающего, приемного и индикаторного. Основное назначение передающего блока - генерирование лазерного излучения, формирование его в пространстве, во времени и направлении в район объекта. Передающий блок состоит из лазера с источником возбуждения, модулятора добротности, сканирующего устройства, обеспечивающего посылку энергии в заданной зоне по заданному закону сканирования, а также передающей оптической системы.

Основное назначение приемного блока - прием излучения, отраженного объектом, преобразование его в электрический сигнал и обработка для выделения информации об объекте. Он состоит из приемной оптической системы, интерференционного фильтра, приемника излучения, а также блоков измерения дальности, скорости и угловых координат.

Индикаторный блок служит для указания в цифровой форме информации о параметрах цели.

В зависимости от того, для какой цели служит локатор, различают: дальномеры, измерители скорости (допплеровские локаторы), собственно локаторы (дальность, азимут и угол места).

Аннотация

Введение

Глава 1. Исследование характеристик дальномера-высотомера аналога ДЛ-5

1.1 Дальность действия дальномера. Энергетический расчет

1.1.1 Расчетная методика

1.1.2 Результаты расчета в моноимпульсном режиме

1.1.3 Энергетический расчет в режиме накопления

1.2 Расчет точности измерения дальности

1.2.1 Точность измерения дальности в моноимпульсном режиме

1.2.2 Точность измерения дальности в режиме накопления

Глава 2. Обработка локационной информации

2.1 Методы обработки локационной информации

2.1.1 Методы повышения точности временной фиксации принимаемого сигнала

2.1.2 Метод некогерентного накопления

2.1.3 Оптимальный по точности и помехозащищенности метод определения скорости

2.2 Работа в ближней зоне и методы сокращения минимальной измеряемой дальности

3.1 Корректор расходимости излучения с использованием цилиндрической линзы

3.2 Оптический сумматор на двулучепреломляющих элементах

Глава 4. Экспериментальное проверка технических предложений по модернизации высотомера ДЛ-5

4.1 Результаты экспериментальной проверки

4.1.1 Результаты измерения энергии передающего канала

4.1.2 Результат визуализации формы световых пятен

4.1.3 Результаты использования оптической схемы с двулучепреломляющим кристаллом

4.1.4 Результаты макетирования передающего канала

4.1.5 Результаты измерения мощности на выходе оптического блока

4.2 Конструкторско-технологическая часть

4.2.1 Описание конструкции лазерного высотомера ДЛ-5

4.2.2 Технологические особенности построения лазерного высотомера ДЛ-5

Глава 5. Безопасность жизнедеятельности

5.1. Опасные и вредные факторы при работе лазерных установок

5.2 Классы опасности лазеров

5.3 Методы и средства защиты от лазерного излучения

5.4 Расчет лазерной безопасности лазерного высотомера ДЛ-5

Глава 6. Экологическая часть

6.1 Электромагнитное загрязнение окружающей среды

6.2 Воздействие ЭМП малой мощности на биологические объекты

6.3 Зарубежный и российский опыт нормирования электромагнитных полей

Глава 7. Экономическая часть

7.1 Расчет стоимости опытного образца высотомера ДЛ-5М

7.2 Расчет стоимости высотомера ДЛ-5М в серийном производстве

Заключение

Список литературы

Аннотация

Лазерные высотомеры стали неотъемлемой частью бортового оборудования беспилотных летательных аппаратов. Их широкое внедрение обусловлено кругом задач по обеспечению полетов по космическим снимкам, определению координат наблюдаемых объектов, контроля подстилающей поверхности, измерения скорости снижения при посадке беспилотного летательного аппарата.

В дипломной работе представлены теоретические и экспериментальные исследования лучшего отечественного лазерного высотомера ДЛ-5 на основе полупроводникового лазера, предложены методы и способы увеличения диапазонов измерения дальности, повышения точности измерений, а так же измерения скорости при посадке БПЛА.

Полученные научные и экспериментальные результаты стали основой для создания лазерного высотомера нового поколения.

Введение

Современные методы и технологии лазерной локации объектов подстилающей поверхности .

Развитие импульсной лазерной локации на современном этапе отмечено широким функциональным многообразием: дальномеры, высотомеры, лидары, системы 3D-регистрации и др. Это многообразие зависит от потребительского рынка и от применяемых твердотельных и полупроводниковых лазеров.

Лазерной локацией называют область оптоэлектроники, занимающуюся определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами . Объектами лазерной локации могут стать: военная и гражданская техника, промышленные и военные сооружения, компоненты подстилающей поверхности - овраги, леса, водоемы и др. Лазерное зондирование является составной частью новейших методов и технологий геоинформатики и цифровой фотограмметрии.

Первые локационные импульсные твердотельные дальномеры были на на неодимовом гранате (ИАГ·Nd3+,) и на неодимовом калий-гадолиниевом вольфрамате (КГВ· Nd 3+, - безопасная для зрения). Они имеют большие габариты и массу, поэтому портативные дальномеры выполняют на полупроводниковых лазерах

Обзор применения импульсных дальномеров на основе полупроводниковых лазеров для зондирования наземных объектов.

Требования к лазерному диоду с (излучение опасное для зрения) или с 0существенно отличаются от требований к твердотельному лазеру моноимпульсного дальномера по причинам:

1) полупроводниковый импульсный лазер излучает в угол; ведет себя как диффузный излучатель с габаритами (размеры p-n перехода) при и; за счет оптики передающего канала расходимость зондирующего излучения получается (у твердотельных 0,5 мрад), обеспечивая 50% излучаемой лазером мощности;

2) принципиальное отличие - полупроводниковый импульсный лазер имеет на несколько порядков более низкую энергию излучения и длину когерентности. При энергии выходного излучения 10-2 Дж твердотельный импульсный лазер обеспечивает измерение до крупно-размерной цели удаленной на расстояние 10 000 м, а полупроводниковый лазер с энергией 10-6 Дж позволяет обеспечить измерение дальности только до 100 м.

Следовательно, для увеличения измеряемой дальности в дальномерах с полупроводниковыми лазерами необходимо применять метод некогерентного накопления - многократное зондирование цели. Некогерентное накопление позволяет «увеличить» эквивалентную энергию сигнала в раз. N - количество зондирований в серии (объем накопления). Подробно метод накопления будет рассмотрен в главе 2.

Приведем для примера, применение импульсного дальномера ДЛ-1 на основе полупроводникового лазера с длиной волны излучения 905 нм для наземного комплекса экологической разведки.

Дальномер ДЛ-1 применяется в составе наземного комплекса экологической разведки, предназначенного для контроля состояния окружающей среды в зоне промышленных объектов (рис. 1В). В состав комплекса экологической разведки входит пассивный спектрорадиометр ИК-ФСР «Климат», обеспечивающий измерение параметров от места расположения комплекса до контролируемого объекта.

Наведение приемного канала ИК-ФСР осуществляется на область загрязняющего выброса, а наведение ДЛ-1 осуществляется непосредственно на стену здания.

Размещено на http://www.сайт/

Рисунок 1. Комплекс наземной экологической разведки

Аналогичный по составу комплекс (рис. 2В) экологического контроля может быть развернут в составе таможенного поста на портовом терминале для обеспечения дистанционного мониторинга судов, движущихся в направлении порта: определения степени опасности перевозимого ими груза и принятия решения об остановке судна на безопасном удалении, в случае обнаружения потенциальной опасности со стороны перевозимого им груза для портового комплекса. Комплекс экологического контроля может располагаться стационарно на входе в порт. Дальномер ДЛ-1 обеспечивает измерение дальности до судна и скорость его приближения. Кроме этого, как и в предыдущем варианте, комплекс может быть развернут на подвижном носителе (автомобиле), это позволит оперативно производить анализ потенциальной опасности со стороны грузов судов, ведущих погрузочно-разгрузочные работы у причальной стенки по всей линии акватории порта.

Наведение приемного канала ИК-ФСР осуществляется на область пространства над палубой судна, наведение ДЛ-1 осуществляется непосредственно на корпус или надстройку судна.

Стационарное расположение комплекса экологического контроля представлено на рисунке 2.

Размещено на http://www.сайт/

Рисунок 2. Комплекс контроля надводных объектов

На рисунке 3В представлен лазерный высотомер ЛИНД-27, (Разработчик НИИ «Полюс»), который был установлен на вертолете МИ-8 и предназначался для работы в составе измерительного комплекса радиационного контроля при оценке радиационного фона над Чернобыльской АЭС.

Задачи лазерной высотометрии. Высотомеры

Лазерные высотомеры стали неотъемлемой частью бортового оборудования самолетов, вертолетов и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Их широкое внедрение обусловлено кругом задач, решение которых стало возможным благодаря средствам лазерной локационной техники. Эти задачи можно разделить на следующие основные группы :

Средства лазерной навигации летательного аппарата-измерителя наклонной дальности (высоты) и скорости как относительного приращения дальности в единицу времени;

Оптико-электронные средства спецлетательных аппаратов для обзора пространства, обнаружения целей, их идентификация, определение координат и целеуказания для наведения наземных или бортовых вооружений;

Комплексы для геофизических исследований и др.

Такой спектр применений определяет отличия в построении и характеристиках лазерных высотомеров.

По составу и принципу действия лазерные высотомеры существенно не отличаются от лазерных дальномеров, предназначенных для работы на наземных горизонтальных трассах. Однако лазерным высотомерам присущи отличия и особенности, связанные с их установкой на борту летательного аппарата.

Лазерные высотомеры:

Не имеют собственного визира, наведение осуществляется по информации от специальных систем видения или по полетной программе курсового процессора;

Не имеют рабочих управляющих органов, управление их работой осуществляется с центрального пульта;

Не имеют в своем составе дисплея, который находится на центральном пульте;

Имеют развитый интерфейс для двухсторонней связи с центральным процессором.

Рабочее поле высотомера перемещается в картинной плоскости относительно подстилающей поверхности со скоростью движения летательного аппарата 30-400 , что накладывает требование по быстродействию высотомера. На рисунке 3 представлена структурная схема дальномера-высотомера.

Дальномер-высотомер работает по принципу измерения времени прохождения зондирующего лазерного импульса до отражающего объекта и обратно.

Размещено на http://www.сайт/

Рисунок 3. Структурная схема дальномера-высотомера

где - дальность до объекта, - скорость света (рис. 4).

Рисунок 4. Принцип измерения расстояния лазерным импульсным дальномером: 1- дальномер; 2- импульс излучения передатчика; 3- импульс отраженного излучения; 4- цель; 5- стартовый световой импульс; 6- стоп-импульс; 7- импульсы генератора образцовой (тактовой) частоты; R- измеряемая дальность, м; R=cT/2=nc/2f; c - скорость света, м/с; T - время распространения лазерного излучения до объекта и обратно, с; T=nt= n/f; n - число импульсов генератора образцовой частоты измерителя временных интервалов (ИВИ); t - период колебаний ИВИ образцовой частоты, с

Зондирующий импульс запускает измеритель временных интервалов (ИВИ), реализованный в составе решающего устройства, и с помощью оптики, формирующей заданную диаграмму направленности излучения, поступает на объект. Отраженное объектом излучение с помощью приемной оптики фокусируется на фоточувствительной элемент фотоприемного устройства (ФПУ). На выходе ФПУ формируется стандартный электрический импульс, останавливающий счетную схему ИВИ. С выхода ИВИ снимается информация об измеренной дальности. Работа блоков дальномера-высотомера обеспечивается блоком питания и управления, формирующего необходимые напряжения и синхронизирующие сигналы.

Обработка информации производится в решающем устройства. Запуск ИВИ (старт) в нашем случае производится по совмещенной схеме - часть энергии излучения отводится на приемник ФПУ. Запуск ИВИ (старт) по раздельной схеме требует введения в состав дальномера-высотомера дополнительно схемы формирования старт-импульса с отдельным приемником.

При совмещенной схеме зондирующий и отраженный целью (объектом) импульс проходит по одному каналу. Благодаря этому компенсируется часть систематических ошибок и обеспечивается максимальная точность измерения.

3. Обзор применения импульсных дальномеров-высотомеров (аналогов) на основе полупроводниковых лазеров для контроля объектов подстилающей поверхности

В НИИ «Полюс» среди разработанных, внедренных и серийно выпускаемых импульсных дальномеров-высотомеров для контроля объектов подстилающей поверхности можно выделить ЛД-1 и ЛД-5.

Основные сравнительные технические характеристики дальномеров-высотомеров ДЛ-1 и ДЛ-5 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные технические характеристики дальномеров-высотомеров ДЛ-1 и ДЛ-5

Параметр
Длина волны излучения
Ширина диаграммы направленности передающего канала	не более 0,003х0,001 рад
Диапазоны измеряемой дальности при МДВ не менее 5 км
Среднеквадратическое отклонение значений измеряемой дальности: диапазон 1 диапазон 2		не более 0,5 м не более 2 м
Измерение скорости снижения при посадке летательного аппарата
Среднеквадратическое отклонение значений скорости при посадке летательного аппарата
Частота выдачи информации о дальности: диапазон 1 диапазон 2		не менее 50 Гц не менее 10 Гц
Интерфейс связи
Габаритные размеры
	не более 1,4 кг	не более 0,2 кг

Комплекс состоит из лазерного анализатора, автономной системы навигации, высотомера, телекамеры, системы передачи видеоизображения и измеренных данных на наземный пункт.

По назначению и принципу действия дальномер ДЛ-5 аналогичен прибору ДЛ-1, но благодаря переходу на более современную элементную базу и принципам обработки информации он превосходит аналог по основным параметрам (таблица 1) - максимальной измеряемой дальности, габаритам и весу. Это позволило ДЛ-5 применять в системах навигации беспилотного летательного аппарата.

Применение высотомера ДЛ-5 при установке на БПЛА « Ракурс» (рис. 8В), взлетная масса 27 кг, разработчик ОАО «НИИ ТП», позволило производить измерение рельефа подстилающей поверхности для обеспечения привязки получаемых изображений с бортовой телевизионной камеры к космическим снимкам полетного задания и дополнительно выдавать информацию в навигационный комплекс о глиссаде в режиме автоматической посадки БПЛА.

Лазерный высотомер ДЛ-5 обеспечивает:

Определение дальности до подстилающей поверхности;

Привязку момента измерения высоты к центру телевизионного кадра с изображением подстилающей поверхности;

Автоматическую передачу измеренных расстояний внешнему устройству.

К недостаткам ДЛ-5, исходя из требований к беспилотным летательным аппаратам, необходимо отнести:

Отсутствие возможности измерения вертикальной скорости с необходимой точностью при посадке БПЛА;

Достаточно большое значение нижней контролируемой высоты (2 м) и низкой точности ее измерения при посадке БПЛА (0,5 м);

Ограниченное значение максимальной измеряемой дальности (1000 м) и точности (2 м) при зондировании удаленных объектов подстилающей поверхности.

Таким образом, модернизация исследуемого дальномера-высотомера ДЛ-5 направленная на устранение приведенных выше недостатков является весьма актуальной.

Следовательно, можно сформулировать цель дипломной работы и задачи исследований.

Цель работы

Проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также выполнение расчетных, схемотехнических и конструкторских решений, направленных на улучшение основных технических характеристик дальномеров-высотомеров : расширение диапазона измеряемой дальности и повышение точности измерений; обеспечение измерения вертикальной скорости с высокой точностью в составе беспилотного летательного аппарата для контроля объектов подстилающей поверхности.

Задачи исследований

1. Сравнительные исследования имеющихся импульсных дальномеров-высотомеров на основе полупроводниковых лазеров для улучшения их технических характеристик и необходимости измерения скорости при посадке летательного аппарата.

2. Анализ методов обработки локационной информации.

3. Исследование путей оптимального построения импульсного дальномера-высотомера с улучшенными основными техническими характеристиками.

4. Экспериментальные исследования дальномера-высотомера с улучшенными техническими характеристиками.

Таким образом для эффективного применения импульсных дальномеров-высотомеров на основе полупроводниковых лазеров (в системах беспилотных летательных аппаратов контроля объектов подстилающей поверхности) необходима их доработка, а именно:

Повышение максимальной дальности измерения (> 1000 м) и точности (< 2 м);

Снижение минимальной измеряемой дальности (< 2 м) при повышении точности измерения (< 0,5 м) для обеспечения посадки БПЛА.

Возможность измерения вертикальной составляющей скорости при точности ее измерения.

высотомер полупроводниковый лазер сигнал

Глава 1. Исследование характеристик дальномера-высотомера аналога ДЛ-5

Оптическая схема лазерного высотомера ДЛ-5 приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Принципиальная оптическая схема дальномера-высотомера ДЛ-5

1. Лазерный диод SPL PL90-3 фирмы «OSRAM»

2. Объектив

3. Светофильтр

Проведение оценки уровня энергии импульсного лазерного дальномера-высотомера ДЛ-5, необходимой для обеспечения измерения максимальной дальности (таблица 1.В) является первым шагом в исследовании его характеристик и поиска методов их возможного улучшения: расширение диапазона измерения дальности (увеличение max дальности и уменьшения min дальности); повышение точности при измерении дальности, измерение вертикальной скорости при посадке БПЛА.

Улучшение характеристик ДЛ-5 должно быть выполнено без изменения массо-габаритных размеров и без снижения требований к внешним мешающим факторам.

1.1 Дальность действия дальномера. Энергетический расчет

Диапазон измеряемых дальностей - основная характеристика дальномера (высотомера), определяющая возможности его применения. Диапазон измеряемых дальностей обеспечивается: 1) аппаратурными ограничениями (теневой зоной, емкостью измерителя временных интервалов, частотой зондирования и т.п.) 2) энергетическим потенциалом дальномера, определяемым энергетическими характеристиками оптико-электронных элементов приемно-передающего тракта, конструктивными характеристиками оптической системы. Реально измеряемая прибором дальность до заданной цели в определенных условиях и при известных вероятностных обнаружительных характеристиках называется дальностью действия.

1.1.1 Расчетная методика

Заданная для аналога дальность действия 1000 м обеспечивается при соблюдении неравенства, определяемого уравнением лазерной локации при условии согласования полей излучателя и приемника :

Emin < Eпр = EoКD2прао/4R2, (1.1)

где Emin - минимальная принимаемая с заданной вероятностью энергия сигнала, обеспечиваемая чувствительностью фотоприемного устройства (реальная чувствительность);

Eпр - энергия сигнала, поступающего на рабочую площадку чувствительного элемента ФПУ;

Eo - энергия зондирующего сигнала;

К = - коэффициент энергетического перекрытия зондирующего пучка целью (коэффициент использования излучения);

(x,y) - пространственное распределение коэффициента яркости цели;

(x,y) - диаграмма направленности выходного зондирующего пучка;

Dпр - диаметр приемного объектива;

а = e-2R - коэффициент пропускания атмосферы на трассе;

Показатель ослабления;

о - коэффициент пропускания оптики приемного канала дальномера;

R - дальность до цели.

Показатель ослабления связан с метеорологической дальностью видимости V, км, известным эмпирическим выражением :

где - рабочая длина волны, мкм;

Исходные данные для расчета Епр приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 Исходные данные для расчета дальности действия лазерного дальномера - аналога (ДЛ-5)

	Характеристики дальномера-высотомера ДЛ-5	Требование
	Диапазон измеряемых дальностей, м	от 2 до 1000
	Дальность действия при метеорологической дальности видимости Vмин не менее 10 км, м
	Габариты цели, м
	Коэффициент яркости цели
	Вероятность достоверного измерения дальности
	Рабочая длина волны, нм
	Реальная чувствительность ФПУ, фДж
	Мощность лазерного излучения на выходе дальномера, Вт
	Длительность импульса лазерного излучения, нс
	Частота лазерных излучений, 1/с
	Расходимость зондирующего пучка излучения, мрад
	Коэффициент пропускания объектива приемного канала дальномера
	Диаметр объектива приемного канала, мм
	Относительное отверстие объектива приемного канала
	Частота обновления информации при высоте > 200 м, 1/с
	Частота обновления информации при высоте < 200 м, 1/с

1.1. 2 Результаты расчета в моноимпульсном режиме

Расчет дальности действия системы дальнометрирования проведен для принятых исходных данных (уравнение оптической локации 1.1 и таблица 1.1) приведены в таблицах 1.2 и 1.3.

Таблица 1.2. Результаты энергетического расчета для высоты 1000 м

Как видно из приведенных результатов расчета, при максимальной дальности до цели даже крупноразмерная цель не в состоянии создать на фотоприемнике сигнал, достаточный для его срабатывания, и имеет место дефицит принимаемой энергии = Eпр/Emin. Для заданной цели диаметром 5 м при расстоянии до нее R = 1000 м дефицит энергии составляет = 20.

Таблица 1.3. Результаты энергетического расчета для высоты 200 м

Согласно приведенным данным, на промежуточной высоте 200 м при благоприятных условиях обеспечивается возможность измерений в моноимпульсном режиме.

1.1. 3 Энергетический расчет в режиме накопления

Дальность действия дальномера определяется его энергетическим потенциалом, определяемым в основном энергией зондирующего сигнала, чувствительностью приемника и диаметром приемного объектива. При заданном энергетическом потенциале дальномера величина сигнала Епр на чувствительной площадке фотоприемника определяется, как следует из уравнения локации 1.1, параметрами Eo и D2, которые имеют предел, обусловленный ограничениями на массо-габаритные характеристики дальномера. Чувствительность приемного канала Emin ограничена шумами приемника и входного каскада усилителя, которые определяются физической природой преобразования сигнала в фотоприемном тракте и также имеют теоретический предел, ниже которого уменьшить Emin невозможно в принципе. Отношение Епр/Emin, называемое отношением сигнал/шум, определяет дальность действия дальномера и, как показано выше, при моноимпульсном режиме измерения и заданных конструктивных ограничениях не обеспечивающее возможности измерения дальности 1000 м по заданной цели при заданных метеорологических условиях.

Существует метод повышения дальности действия дальномера без увеличения его энергетического потенциала. Сущность этого метода заключается в N-кратном повторении измерений и статистической обработке полученных результатов, позволяющей при оптимальной реализации этого метода повысить эффективную величину отношения сигнал/шум до раз.

Указанный в таблице 1.2 дефицит энергии может быть скомпенсирован подобным методом, так, чтобы выполнялось условие / = 1, откуда объем накопления N, необходимый для измерения дальности 1000 м при том же энергетическом потенциале дальномера, определяется соотношением N = 2 = 202 = 400.

При частоте зондирований 8000 1/с время измерения дальности при этом составит 400/8000 = 0,05 с, что позволяет проводить измерения с заданным периодом обновления информации 0,1 с.

Для компенсации дефицита энергии при работе по целям с меньшей отражающей поверхностью время измерения может быть увеличено до 0,1 с, при этом объем накопления N = 800, а максимально возможный дефицит энергии = ~ 28, что позволяет проводить измерения по указанным целям.

Следовательно, энергетическая оценка дальномера ДЛ-5 показала:

Энергетический потенциал дальномера в моноимпульсном режиме обеспечивает измерение дальности в диапазоне до 200 м, а в режиме накопления обеспечивает измерение максимальной дальности до 1000 м;

Для увеличения измерения максимальной дальности выше 1000 м необходимо исследовать дополнительные методы увеличения энергетического потенциала дальномера.

1.2 Расчет точности измерения дальности

1.2.1 Точность измерения дальности в моноимпульсном режиме

В рассматриваемой системе дальнометрирования применена совмещенная схема старта, при которой большая часть составляющих погрешности компенсируется. Из некомпенсированных источников погрешности наибольшее влияние оказывают следующие.

Дискретность измерителя временных интервалов RИВИ.

Для обеспечения стандартных задач обычно бывает достаточно, чтобы погрешность дискретизации данных не превышала 5 м. С такой дискретностью построено большинство лазерных дальномеров. Однако существует ряд задач, требующих значительно большей точности. К их числу в первую очередь относятся:

Необходимость измерения скорости цели;

Использование дальномерных данных для определения абсолютных координат объектов с привлечением информации от спутниковых систем определения координат.

Определение профиля цели (подстилающей поверхности) вдоль трассы полета летательного аппарата;

Определение пространственной протяженности цели;

Обеспечение безопасной посадки летательного аппарата.

В связи с этим дискретность RИВИ в современных моноимпульсных системах дальнометрирования обычно не превышает 1 м. В системах с накоплением необходимая точность может быть обеспечена за счет усреднения данных в процессе накопления. В дальномере ДЛ-5 использована тактовая частота 25 МГц, что соответствует дискретности 6 м в каждом отдельном измерении.

Распределение плотности вероятности w(r) случайной ошибки r, обусловленной этой составляющей, имеет прямоугольную форму при синхронизированном старте и треугольную форму, когда тактовые импульсы ИВИ не привязаны к моменту старта (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 Плотность вероятности распределения составляющей ошибки r измерения дальности, обусловленной дискретностью ИВИ при асинхронном старте

В этом случае :

w (r) = 1/(R)2r + 1/R при r < 0,

1/(R)2r - 1/R при r > 0. (1.2)

Дисперсия этой ошибки

DИВИ = r2w (r) dr = R2/6,

А ее среднеквадратическое значение

ИВИ = = 0,408 R = 2,448 (1.3)

Нестабильность срабатывания порогового устройства при фиксации принятых импульсов по переднему фронту.

Рисунок 1.3 Нестабильность срабатывания порогового устройства

Механизм нестабильности временной фиксации принятого сигнала ясен из рисунка 1.3, где R1 - задержка срабатывания порогового устройства при максимальной амплитуде сигнала S(r), а R2 - при минимальном сигнале.

Минимальное превышение сигнала над порогом задается необходимым отношением сигнал/порог, определяемым требуемой вероятностью достоверного измерения. Максимальное превышение сигнала над порогом определяется динамическим диапазоном принимаемых сигналов.

При синус-квадратной форме переднего фронта он описывается выражением.

S(r) = Sin2 (r/4rmax)

где rmax = ctmax/2;

c - скорость света;

tmax - длительность фронта по уровням 0-1.

Из этого выражения можно определить R1 и R2 при известной длительности фронта tmax и указанных выше предельных значениях отношения сигнал/порог.

Так, при длительности фронта 100 нс, что соответствует rmax = 15 м, R1 = 0,1 м, а R2 = 8,4 м, т.е. максимальный разброс задержки срабатывания составляет 8,4 - 0,1 = 8,3 м.

На ближних и средних дальностях минимальное превышение амплитуды сигнала над порогом обычно составляет 100 и более раз.

Тогда R2 < 4 rmax arcSin()/, что для приведенного примера составляет 1 м. Угол arcSin(х) измеряется в радианах.

Очевидно, что эта величина зависит от диапазона измеряемых дальностей и определяется запасом энергетического потенциала дальномера в этом диапазоне.

Величина среднеквадратической ошибки фр может быть связана с максимальным разбросом задержки срабатывания известным соотношением

фр = (R2 - R1)/6 = м (1.4)

1.2.2 Точность измерения дальности в режиме накопления

С татистический разброс результатов измерений при усреднении уменьшается с увеличением объема статистических данных. Дисперсия усредненного значения

где D - дисперсия результата одного измерения, а N - количество измерений в серии. Соответственно, среднеквадратическое отклонение усредненного замер

Таким образом, для повышения точности в режиме накопления при N замерах необходимо сформировать оценку измеренной дальности

Ri - результат i-го измерения;

i - порядковый номер замера.

Среднеквадратическая погрешность такой оценки, обусловленная дискретностью измерителя временных интервалов, при указанном выше объеме накопления N = 800 составит

N = 0,408 R/ = 0,408 6/ = 0,08 м.

Заданная точность измерений при указанной тактовой частоте измерителя временных интервалов обеспечивается. Таким образом, полученная среднеквадратическая погрешность измерения 0,08 м позволяет считать, что в режиме накопления ДЛ-5 имеет существенный запас по точности измерения дальности (см. таблицу 1В).

Таким образом, энергетический потенциал дальномера в моноимпульсном режиме обеспечивает измерение промежуточной высоты 200 м. При расстоянии до цели 1000 м дефицит энергии составляет 20 раз.

Работа дальномера в режиме накопления компенсирует дефицит энергии, что позволяет измерять максимальную дальность до 1000 м.

Расчет точности измерения дальности в режиме накопления показал, что его энергетический потенциал обеспечивает среднеквадратическую погрешность измерения 0,08 м, что существенно ниже нормы, указанной в технических условиях, согласованных с заказчиком ДЛ-5: 0,5 м для измерения в диапазоне 2-200 м и 2 м для диапазона 200-1000 м.

Глава 2 . Обработка локационной информации

2.1 Методы обработки локационной информации

Селекция целей и помех

Важнейшей задачей дальномера является выделение дальности до выбранной цели в условиях мешающего влияния внутренних помех и посторонних объектов, расположенных в створе с целью. Такими объектами являются атмосферные неоднородности, наиболее сильно проявляющиеся на дальностях 20-200 м (помеха обратного рассеяния), растительность, складки местности, элементы сооружений и др.

На рисунке 2.1 представлена схема локационной трассы с наиболее часто встречающимися помехами и соответствующие сигналы на входе и выходе порогового устройства. При вертикальном зондировании подстилающей поверхности с борта ЛА помехо-целевая обстановка принципиально остается такой же, хотя характер помех и их относительное влияние могут несколько отличаться.

Для борьбы с указанными помехами применяют различные схемы селекции. Наиболее часто применяются:

Ограничение минимальной измеряемой дальности (стробирование);

Выбор цели по ее порядковому положению (первая, вторая, последняя цель);

Селекция сигналов по их форме; этот метод наиболее эффективен для борьбы с протяженными помехами, в основном, помехой обратного рассеяния;

амплитудная селекция (временная автоматическая регулировка усиления или порога).

Рисунок 2.1 Локационная трасса, локационные сигналы и их селекция. Отмечены цели, выделенные в режимах селекции первая, вторая и последняя цель

Метод накопления

Метод накопления предполагает:

Многократное повторение измерений;

Накопление и хранение локационной информации в каналах дальности, соответствующих порядковому номеру и длительности тактового импульса;

Корреляционную или иную обработку массива накопленных данных с целью выделения отраженного целью сигнала;

Временную привязку выделенного сигнала к тактовой последовательности времязадающих импульсов.

2.1.1 Методы повышения точности временной фиксации принимаемого сигнала

В главе 1 настоящей работы рассмотрен метод фиксации временного положения отраженного целью импульса по его фронту. Как показано в рассмотренном примере, при длительности импульса 100 нс разброс момента временной фиксации во всем амплитудном динамическом диапазоне может составлять ~ 8 м. В отличие от погрешности дискретизации измеряемого интервала, эта составляющая ошибки при накоплении не обнуляется, поскольку сигналы в одной серии приходят приблизительно равной амплитуды, и ошибка временной фиксации является для данного измерения систематической, а не случайной.

Этот недостаток устраняется за счет привязки по максимуму сигнала. и фиксации по нулю производной.

Рисунок 2.2 Метод фиксации по максимуму сигнала: S1(t) - сигнал; t1 - момент временной привязки, соответствующий максимуму сигнала

Рисунок 2.3 Метод фиксации по нулю производной: а) S1(t) - сигнал на входе схемы фиксации; S1? (t) - сигнал на входе нуль-компаратора НК; t1 - результат временной привязки; б) дифференцирующее звено в структуре приемного тракта с устройством временной привязки - ДЗ. В этом случае постоянная времени ДЗ, причем, 0 много меньше длительности S1(t).

Рисунок 2.4 Метод пересечения нуля: а) S1(t) - сигнал на входе ДЗ; S1?(t) - сигнал на входе нуль-компаратора НК; tm - положение максимума. t1 - результат временной привязки. б) устройство временной привязки с дифференцирующим звеном ДЗ и нуль-компаратором

Метод фиксации максимума (рис. 2.2) представляет идеальное решение максимум представляет собой предел в области бесконечно малых приближений, неосуществимых практически. Это замечание справедливо и по отношению к методу производной (рис. 2.3), в котором максимум сигнала отмечается в момент времени, соответствующий нулю его производной. На практике широко применяется метод пересечения нуля (рис. 2.4), представляющий собой «отступление» от метода нуля производной тем, что «дифференцирование» сигнала осуществляется путем его пропускания через дифференцирующее звено (дифцепочку) с ненулевой постоянной времени, а также тем, что продифференцированный сигнал сравнивается в общем случае с ненулевым порогом срабатывания компаратора .

В результате возникает ошибка фиксации максимума
tm = t1 - tm. Обычно эта ошибка не превышает 2-5 нс, однако при значительных перегрузках приемного тракта форма сигнала сильно искажается и эта ошибка может существенно возрастать. Для устранения этого недостатка вводят автоматическую регулировку усиления принятого сигнала.

Методы повышения точности временной фиксации массива накопленной информации

Метод накопления дает не только энергетический выигрыш, но и повышение точности измерений. Благодаря этому возможно и желательно устанавливать длительность зондирующего импульса в несколько раз больше длительности периода дискретизации ИВИ. Согласно известному техническому решению, временная привязка накопленного массива данных осуществляется как проекция на временную ось точки пересечения касательных к переднему и заднему «фронтам» накопленного массива (рис. 2.5) .

Анализ показал недостаточную эффективность подобных методов обработки результатов накопления. Во-первых, как видно из рисунка 2.5, «фронты» массива не поддаются точной интерпретации и положение касательных к ним устанавливается неоднозначно. Во-вторых, форма огибающей массива существенно зависит от величины сигнала. В результате временная привязка по этому методу имеет значительный разброс.

Рисунок 2.5 Метод временной привязки накопленного массива методом касательных при отношении сигнал/шум = 1

Эти недостатки устранены методом временной привязки массива данных путем определения положения его первого начального момента (центра тяжести), вычисляемого по выражению:

Tз = {(j-p) + } T , (2.1)

Где j - номер временной дискреты, в которой накопленная сумма максимальна;

K(a) - накопленная сумма в (a)-й дискрете;

k(a) - весовой коэффициент (a)-й дискреты; при неизвестном априорно положении сигнала можно принять k(a) = 1;

m = tфр/T - количество дискрет, соответствующих длительности переднего фронта лазерного импульса;

tфр - длительность переднего фронта лазерного импульса;

q = tи/T - количество дискрет, соответствующих длительности импульса;

tи - длительность лазерного импульса;

р - поправочное число, характеризующее точку временной привязки сигнала;

T - длительность дискреты.

Указанный метод поддерживает высокую точность временной привязки не только в линейном диапазоне входного сигнала, но и при значительных перегрузках.

2.1.2 Метод некогерентного накопления

Задача о накоплении формулируется так: д иапазон измеряемых дальностей DR разбивается на m равных интервалов Дr= DR/m; все интервалы считаются статистически независимыми и рассматриваются как каналы дальности, где проводится обработка (накопление) локационной информации; считается, что измеряемый сигнал находится в одном из таких каналов (j-м канале). Для получения результата измерения проводится N зондирований дальности. На выходе приемника существует смесь сигнала амплитудой S и шума с эффективным значением у. При i-м зондировании аналоговая информация с выхода приемника преобразуется в цифровую путем одноуровневого порогового квантования (ОПК) или многоуровневого порогового квантования (МПК) сигнала.

ОПК называется бинарным: i-му сигналу j-го канала дальности присваивается значение kij=0, если

где Uj0 - аналоговый порог квантования, или kij=1, если Sij>Uj0. Эти значения суммируются (накапливаются) в каждом j-м канале в процессе каждого из N зондирований, формируя суммы

Kj= kji (i=1…N)

Если Kj>Kj0 - порогового уровня, то принимается решение, что дальность до цели определяется j-м каналом дальности и равна:

где R0 - начало диапазона измеряемых дальностей.

Компьютерное моделирование приемного тракта с накоплением

Была разработана компьютерная модель приемного тракта с накоплением. Модель использует метод Монте-Карло и построена на базе ПО MATLAB 7.0. На выходе линейного тракта присутствует случайный процесс, представляющий сумму сигнала и шума. Одна из таких реализаций показана на рисунке 2.6. Сигнал характеризуется относительной амплитудой S, задаваемой в уровнях эффективного значения шума у и представляющей отношение сигнал/шум. Программный параметр А связан с S соотношением А = 1,85 S. На рисунке S = 1. На рисунках 2.7 и 2.8 приведены результаты компьютерного моделирования двухпорогового накопителя при вышеприведенных условиях и количестве циклов накопления (объеме накопления) N = 200. Индекс внизу показывает положение центра тяжести полученных массивов.

Рисунок 2.6 Реализация случайного процесса сигнал + шум на входе двухуровневого порогового устройства. Пороговые уровни +0,5 и -0,5 показаны пунктиром. Отношение сигнал/шум S = 1

Результаты моделирования накопителя

Рисунок 2.7 Реализация результатов накопления при объеме накопления N = 200 и отношении сигнал/шум на входе S = 1. Рассчитанная дальность R = 205 м. Результат измерения R* = 204,8 м.

Размещено на http://www.сайт/

Рисунок 2.8 Реализация результатов накопления при объеме накопления N = 200 и отношении сигнал/шум на входе S = 10 . Рассчитанная дальность R = 5 м. Результат измерения R* = 5,0 м

Данные рисунка 2.7 получены для отношения сигнал/шум на входе накопителя S/N = 1, а результаты на рисунке 2.8 - для S/N =10. При дальнейшем увеличении S/N оценка временного положения сигнала несколько смещается влево к первоначальному значению. Как видно, при таком построении накопителя и алгоритме оценки временного положения сигнала по центру тяжести накопленного массива разброс результатов измерения дальности в неограниченном амплитудном диапазоне сигналов не превышает 20% от величины дискреты ИВИ. Для рассмотренного примера это соответствует 0,2 м, что является систематической ошибкой, устраняемой на малых дистанциях введением поправки.

Несмотря на столь малый разброс оценки дальности при накоплении, существуют способы его дальнейшего уменьшения. Это возможно благодаря введению поправки в зависимости от количества переполненных ячеек накопителя или суммы накопленных сумм в ячейках, соседних с центром тяжести накопленного массива . Тогда погрешность оценки дальности может быть снижена до 10% от величины дискреты и менее.

2.1.3 Оптимальный по точности и помехозащищенности метод определения скорости

Оптимальный алгоритм измерения скорости

При наличии ряда измерений дальности можно предложить процедуру измерения скорости цели путем определения коэффициента ху линии регрессии у = ху х + b (рис. 2.9) .

Рисунок 2.9 Определение скорости как коэффициента рху регрессии ряда измерений у(х)

При этом дисперсия оценки рху минимальна, если она оптимизирована по методу наименьших квадратов. В общем случае при произвольных моментах времени измерения дальностей и объеме серии измерений n оценка скорости, оптимальная в смысле наименьших квадратов, определяется выражением , справедливым для значений V* от 0 до 5 м/с и выше.

В частности, для равноотстоящих отсчетов Ri с периодом ДТ:

или, после упрощений,

При этом среднеквадратическая погрешность оценки скорости :

где - среднеквадратическая ошибка измерения дальности в каждом из замеров.

В частности:

В таблице 2.1 приведены результаты расчетов для нескольких режимов накопления.

Таблица 2.1 Результаты расчетов ошибки измерения скорости V при R ~ 0,41 R=2.4 м

Примечание Расчеты V проведены по формуле (2.7)

Выбор оптимального режима накопления зависит от полетной задачи ЛА, высоты и режима пилотирования.

Необходимо указать, что в процедурах определения скорости все измерения должны быть достоверными. Любой ложный отсчет дальности или пропуск измерения (= 0) приведет к грубому искажению результата измерения скорости. Поэтому при разработке алгоритма вычисления должны быть приняты меры по исключению недостоверных замеров дальности, например, путем исключения замеров, отличающихся от средней оценки скорости для каждой дальности на величину, превышающую 3.

Следовательно, оптимальный по среднеквадратическому отклонению алгоритм измерения скорости обеспечивает возможность измерения скорости в заданных пределах от 0 м/с до 5 м/с и выше. Ошибка измерения скорости может быть уменьшена до приемлемых значений при увеличении времени накопления до 0,5-1 с; при этом частота обновления данных о скорости может быть той же, что и в режиме измерения высоты - для этого алгоритм вычисления скорости должен предусматривать сдвиг интервала накопления с каждым заданным периодом обновления, заданная погрешность 0,2 м/с обеспечивается при времени накопления Т = 1 с.

2. 2 Работа в ближней зоне и методы сокращения минимальной измеряемой дальности

Аппаратная функция и теневая зона

При повышенных требованиях к минимальной измеряемой дальности лазерного дальномера возникает задача формирования его аппаратной функции (геометрического фактора) таким образом, чтобы протяженность теневой зоны не превышала заданной минимальной дальности . Схема формирования типовой аппаратной функции лазерного дальномера с разнесенными передающим и приемным каналами приведена на рисунке 2.10.

Аппаратная функция А(R) характеризует степень перекрытия полей излучающего и приемного каналов и изменяется в ближней зоне диапазона дальностей от 0 до 1.

В теневой зоне А(R) = 0, поэтому проведение измерений дальности в этой зоне невозможно. Обычно при построении дальномера по приведенной выше схеме теневая зона дальномера R0 составляет 2-20 м в зависимости от взаимной конфигурации и оптических характеристик излучающего и приемного каналов.

Величина R1 практически не влияет на характеристики дальномера в ближней зоне, а R0 определяет минимальную измеряемую дальность, которая не может быть меньше этой величины. Для уменьшения минимального измеряемого расстояния высотомером ДЛ-5 до 0,5 м достаточно на внешнюю поверхность объектива передающего канала со стороны оправки приклеить пластинку из молочного стекла типа МС21 размером 7х3х0,3 мм.

Размещено на http://www.сайт/

Рисунок 2.10 Схема формирования аппаратной функции: Dи - диаметр выходного зрачка излучающего канала; Dп - диаметр входного зрачка приемного канала; В - расстояние между осями излучающего и приемного каналов (база); R0 - дальняя граница ближней (теневой) зоны, где начинается совмещение полей зрения излучающего и приемного каналов; R1 - ближняя граница дальней зоны, в которой имеет место полное перекрытие полей зрения излучающего и приемного каналов; - угол поля зрения приемного канала; - угловая расходимость выходного пучка излучающего канала

Особенности работы дальномера в ближней зоне

Требования к минимальной измеряемой дальности и точности измерений противоречивы. Первое из указанных требований заставляет уменьшать теневую зону дальномера, а второе - снижать уровень перегрузок приемного тракта отраженными сигналами, что предъявляет противоположные требования к аппаратной функции.

Дополнительным фактором, отрицательно влияющим на точность в ближней зоне, является различная модовая структура лазерного излучения в ближней и дальней зонах. Эти различия усугубляются влиянием частичного перекрытия полей излучающего и приемного каналов в ближней зоне. В результате этого в ближней зоне аппаратной функцией выделяются одни моды и подавляются другие. Разница во временном положении компонент излучения, соответствующих этим модам может достигать 0,1-1 нс, что соответствует ошибке измерения дальности 0,01 - 0,2 м.

Таким образом для уменьшения минимальной измеряемой дальности < 2 м необходимо принять меры по сокращению теневой зоны аппаратной функции и устранению влияния модовой структуры излучения лазера.

Глава 3. Предложения по оптимальному построению импульсного высотомера на полупроводниковом лазере

Методы повышения энергии зондирующего сигнала

В настоящее время наметилось несколько направлений повышения энергии зондирующего излучения дальномеров за счет применения корректора расходимости излучения выполненного с использованием цилиндрической линзы и путем объединения пучков излучения нескольких лазеров с помощью специальных оптических сумматоров. Благодаря этому и при одновременном использовании высокочувствительных приемников, эффективных методов накопления, средств селекции помех и алгоритмов временной привязки сигналов удалось повысить дальность действия дальномеров до 2-3, а в отдельных случаях и до 10 км.

3.1 Корректор расходимости излучения с использованием цилиндрической линзы

В исследуемом образце высотомера ДЛ-5 применен лазерный диод SPLPL90-3 размер тела свечения которого составляет 200х10мкм. В размер 10мкм укладывается три излучающих перехода.

Характеристики дальнего поля применяемого лазерного диода приведены на рисунке 3.1.

Размещено на http://www.сайт/

Рисунок 3.1. Расходимость излучения импульсного диода SPL PL90-3

На подстилающую поверхность передается только часть мощности лазерного диода, лежащая внутри конуса с углом при вершине И равном:

И = 2arctg(D/2Fоб)

Где: D=18мм - Световой диаметр объектива.

Fоб =65мм - Фокусное расстояние объектива.

Для нашего случая И? 160

Из рисунка 3.1А видно, что в плоскости параллельной p-n переходу забирается практически вся энергия, а в перпендикулярной (рис. 3.1Б) примерно по уровню 0.8. Измеренное относительное значение энергии в этом угле составляет примерно 30% от полной энергии излучения. В тоже время размер тела свечения в перпендикулярной плоскости к p-n переходу составляет h+=10мкм и геометрическая расходимость излучения дальномера в этой плоскости равна:

2г = h+/Fоб = 0.15х10-3рад

Размер же тела свечения в параллельной плоскости составляет h=200мкм и соответственно расходимость излучения в этой плоскости равна:

2г =h///Fоб = 3х10-3рад

Отсюда видно, что увеличение мощности излучения можно получить за счет увеличения расходимости излучения в плоскости перпендикулярной плоскости р-н перехода.

Схема коррекции излучения цилиндрической линзой поясняется рисунком 3.2.

Рисунок 3.2 Коррекция излучения импульсного диода цилиндрической микролинзой: n0 = 1 - показатель преломления воздуха; n > 1 - показатель преломления материала линзы; r - радиус кривизны микролинзы; Д - расстояние от тела свечения до центра кривизны

Параметр Д определен конструкцией лазерного диода и равен расстоянию от тела свечения до выходного торца корпуса диода. Среднестатистическое значение этого параметра для лазера SPL PL90-3 составляет 0.285мм в пределах партии 50шт.

Н - приведенный размер тела свечения в плоскости перпендикулярной p-n переходу;

h - размер тела свечения;

В плоскости перпендикулярной р-n переходу изображение смещается на величину L, а в параллельной на величину L1. В результате такой установки для выходного объектива источник света становится астигматическим.

Величина S = L1+L - астигматизм источника света.

И+ - угол, в котором забирается световая энергия в плоскости перпендикулярной p-n переходу.

Для заданных значений:

Цилиндрическая линза имеет следующие параметры:

n=1.62, r=0.5 (радиус линзы)

Расчет дал следующие значения:

S = L1+L=0.62мм. Астигматизм источника света.

Расходимость в перпендикулярной плоскости p-n перехода определяется выражением 2г+ ? H/Fоб + S*D/(Fоб)2

Для полученного значения астигматизма источника света расходимость в перпендикулярной плоскости p-n перехода составит И+ =410.

Коррекция излучения цилиндрической микролинзой позволяет забирать в плоскости перпендикулярной плоскости p-n перехода энергию примерно по уровню 0.2 против уровня 0.8 без коррекции.

3.2 Оптически й сумматор на двулучепреломляющих элементах

Пучки излучения двух полупроводниковых лазеров поляризованы и совмещены с помощью оптического сумматора, оптический сумматор выполнен в виде двулучепреломляющей плоскопараллельной пластины, лазерные излучатели расположены со стороны одной из ее граней так, чтобы их оптические оси были параллельны, а плоскости поляризации лазерного излучения взаимно перпендикулярны. Толщина h двулучепреломляющей пластины определяется по формуле:

Подобные документы

Обзор конструктивных особенностей и характеристик лазеров на основе наногетероструктур. Исследование метода определения средней мощности лазерного излучения, длины волны, измерения углов расходимости. Использование исследованных средств измерений.

дипломная работа , добавлен 26.10.2016

Проведение расчета уровня сигнала в точке приема с целью определения влияния отраженных от поверхности земли лучей на устойчивость связи. Методы повышения эффективности систем подвижной радиосвязи: использование радиоузловой структуры и секторных антенн.

контрольная работа , добавлен 06.03.2010

Сравнительный анализ кристаллических иттербий-эрбиевых сред для полуторамикронных лазеров. Пороги генерации сенсибилизированной трехуровневой лазерной среды. Способы получения образцов кристалловолокон на основе ниобата лития. Метод лазерного разогрева.

дипломная работа , добавлен 02.09.2015

Характеристика и функция лазерного резонатора, обеспечение обратной связи фотонов с лазерной средой. Лазерные моды – собственные частоты лазерного резонатора. Продольные и поперечные электромагнитные моды. Лазер на ионах аргона и криптона, его устройство.

реферат , добавлен 17.01.2009

Методы определения отклика пассивной линейной цепи на воздействие входного сигнала. Расчет входного сигнала. Определение дифференциального уравнения относительно отклика цепи по методу уравнений Кирхгофа. Расчет временных и частотных характеристик цепи.

курсовая работа , добавлен 06.06.2010

Типы лазеров: усилители, генераторы. Характеристики приборов: энергия импульса, расходимость лазерного луча, диапазон длин волн. Типы газоразрядных лазеров. Поперечная и продольная накачка электронным пучком. Принцип работы лазера на свободных электронах.

реферат , добавлен 11.12.2014

Разработка структурной схемы и 3D модель мехатронной системы ориентирования, проектирование ее электронной и механической частей. Методы измерения расстояния с использованием лазеров. Технические характеристики лазерного сканирующего дальномера.

дипломная работа , добавлен 18.09.2015

Определение тока эмиттера и коэффициента усиления по току. Схемы включения пентода и фотоэлектронного умножителя. Структурное устройство МДП-транзистора. Параметры импульсных сигналов. Технологии формирования полупроводниковых интегральных микросхем.

контрольная работа , добавлен 13.11.2012

Оценка безопасности информационных систем. Методы и средства построения систем информационной безопасности. Структура системы информационной безопасности. Методы и основные средства обеспечения безопасности информации. Криптографические методы защиты.

курсовая работа , добавлен 18.02.2011

Методы расчета усилительных каскадов на основе транзисторов. Проектирование усилителя модулятора лазерного излучения. Приобретение конкретных навыков в расчете усилительных каскадов на примере решения конкретной задачи. Расчет широкополосного усилителя.

Введение

К настоящему времени сложились основные направления, по которым идет внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениями являются:

1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная) .
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные системы.
4. Лазерное оружие.
5. Лазерные системы ПРО и ПКО.

Ускоренными темпами идет внедрение лазеров в военную технику США, Франции, Англии, Японии, Германии, Швейцарии. Государственные учреждения этих стран всемерно поддерживают и финансируют работы в данной области.

ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ

Лазерной локацией в зарубежной печати называют область оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной локации могут стать танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и вооруженные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом.

В основе лазерной локации, так же как и в радиолокации лежат три основных свойства электромагнитных волн:

1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором она расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение.

Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору - чем короче волна, тем она выше. Поэтому-то и проявлялась по мере развития радиолокации тенденция к перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверх короткие радиоволны становилось все труднее и труднее, а затем вовсе и зашло в тупик. Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.

2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым проводится просмотр пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели) Это направление находят по расположению оси оптической системы, формирующей лазерное излучение. Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг.

Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности около 1.5, при использовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны.

Угловой раствор луча лазера, изготовленного с помощью твердотельного активного вещества, как известно составляет всего 1.0... 1.5 градуса и при этом без дополнительных оптических систем.

Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогичного радиолокатора. Использование же незначительных по габаритам оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких угловых минут, если в этом возникнет необходимость.

3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение: L = ct/2, где L - расстояние до объекта, с - скорость распространения излучения, t - время прохождения импульса до цели и обратно.

Прежде всего, зона действия. Под ней понимают область пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и минимальной дальностями действия и пределами обзора по углу места и азимуту. Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора.

Другим параметром является время обзора. Под ним понимается время, в течении которого лазерный луч производит однократный обзор заданного объема пространства.

Следующим параметром локатора является определяемые координаты.

Они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения местонахождения наземных и подводных объектов, то достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной точностью, которая зависит от систематических и случайных ошибок. Будем пользоваться таким понятием как разрешающая способность. Под разрешающей способностью понимается возможность раздельного определения координат близко расположенных целей.

Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме того, используется такая характеристика, как помехозащищенность. Это способность лазерного локатора работать в условиях естественных и искусственных помех. И весьма важной характеристикой локатора является надежность. Это свойство локатора сохранять свои характеристики в установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.

Может проводиться с использованием некогерентных (прожекторных) и когерентных (лазерных) оптических сигналов.

Прожекторная локация

Использовалась в период первой и второй мировых войн. Отраженные сигналы видимого диапазона наблюдались визуально. Прожекторы обеспечивали большую энергетику излучения, однако его некогерентность снижала возможности угловой концентрации. Прожекторы инфракрасного (ИК) диапазона используются в современных системах ночного видения, содержащих преобразователи ИК принятых изображений в видимые.

Лазерная локация

Появилась в начале 60-х годов в результате создания источников оптического когерентного излучения лазеров. Лазерной локации присущ ряд важных особенностей.

Во-первых, когерентность и малая длина волны излучения лазеров позволили получать узкие диаграммы направленности (от единиц до десятков угловых секунд) даже при небольших размерах излучателей (единицы дециметров).При расходимости излучения, равной одной угловой секунде (при этом 1"~ 5х10 -6 pад), поперечный размер облучаемой области на дальности 200 км составляет 1 м, что позволяет раздельно наблюдать отдельные элементы цели.

Во-вторых, временная и пространственная когерентности излучения лазеров обеспечивают стабильность частоты при высокой спектральной плотности их мощности. Последнее, а также остронаправленность лазерного излучения обусловливают высокую помехозащищенность лазерных локационных средств от воздействия естественных источников излучения.

В-третьих, высокая частота колебаний приводит к большим доплеровским сдвигам частоты при взаимных перемещениях цели и локатора. Это обеспечивает высокую точность измерения радиальной скорости элементов цели, но требует расширения полосы приемных устройств.

В-четвертых, распространение волн оптического диапазона в газообразных и жидких средах сопровождается их значительным рассеянием. Это приводит к атмосферным помехам обратного рассеяния на входе приемного устройства и является, кроме того, демаскирующим фактором.

Структурная схема и особенности построения лазерного локатора.

Основным элементом передающего устройства является лазер. Спектральная линия излучения рабочего тела лазера определяет несущую частоту локатора.

В современной локации используются лазеры:
а) на двуокиси углерода СО 2 ;
б) на ионах неодима;
в) на рубине;
г)на парах меди и др.

Газовые СO 2 -лазеры обладают высокими средними выходными мощностями (до десятков киловатт), высокой монохроматичностью (ширина спектра несколько килогерц), высоким кпд (до 20%), работают как в непрерывном, так и в импульсном режиме, компактны. Твердотельные неодимовые и рубиновые лазеры используются в основном в импульсном режиме (частота повторения 0,1...100 Гц); энергия их излучения в импульсе до единиц джоулей; кпд единицы процентов. Лазеры на парах меди обеспечивают высокую частоту повторения (до десятков килогерц) при средней мощности до 100 Вт.

Требуемое распределение потока зондирующего (лазерного) излучения в пространстве обеспечивается формирующей оптической системой (ФОС). В нее может входить система неуправляемых зеркал (З), линз и управляемых дефлекторов (Д), обеспечивающих перемещение луча. Отраженные от целей лазерные сигналы концентрируются приемным телескопом (ПРТ) на фотоприемных устройствах. Объединение передающей и приемной систем лазерных локаторов в отличие от РЛС используется редко из-за перегрузок фотоприемных устройств и нарастания уровня помех. Как передающая, так и приемная оптическая система перспективных лазерных локаторов выполняется в настоящее время в адаптивном варианте для компенсации искажений волновых фронтов сигналов в атмосфере и средах лазерных генераторов.

В фотоприемных устройствах лазерного локатора в отличие от РЛС практически не используют усиления сигналов на несущей частоте. При этом усложняется конструкция и затрудняется обзор пространства. Используется лишь прямое усиление видеосигналов, а при гетеродинном приеме - радиосигналов промежуточной частоты. Видеочастотное усиление используется преимущественно в видимом и ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. Для этого диапазона имеются малошумящие приемники с внешним фотоэффектом (т.е. с выбиванием электронов квантами оптического излучения из фотокатода). Радиочастотное усиление используется в ИК диапазоне, в котором внешний фотоэффект не реализуется из-за недостаточной энергии кванта излучения, зато гетеродинный прием снижает значимость шумов внутреннего фотоэффекта.

Особенности гетеродинного приема. В состав фотоприемного устройства вводят лазерный гетеродин и смеситель в виде полупрозрачного зеркала или светоделительной призмы. При этом, в случае взаимной когерентности излучений лазерного гетеродина и передающего устройства, возможна когерентная обработка принимаемого сигнала. Поэтому гетеродинный прием используется не только для подавления внутренних шумов в ИК диапазоне, но и для извлечения информации из фазовой структуры принимаемого поля в видимом и УФ диапазоне.

Особенности интерферометрического приема. На входе фотоприемного устройства суммируют поля от двух или нескольких пространственно-разнесенных точек (областей) плоскости приемной апертуры. По результату интерференции полей определяют их взаимную когерентность и фазовые соотношения.

По набору измерений при различном разносе точек приема могут восстанавливать пространственное распределение амплитуды и фазы принимаемого поля. Интерферометрический прием используется в отсутствие гетеродина для извлечения информации из фазовой структуры принимаемого поля, а также для увеличения углового разрешения и синтезирования апертуры.

Области применения лазерных локаторов:

измерение дальности и угловых координат движущихся целей кораблей, самолетов, искусственных спутников Земли и т.д. (лазерные дальномеры, локаторы типа MCMS, PAIS и др.);
высокоточные измерения скоростей перемещения целей и потоков жидкостей и газов (лазерные доплеровские измерители скоростей и анемометры);
получение некоординатной информации о целях: параметров поверхности (шероховатости, кривизны), параметров вибрации и движения вокруг центра масс, изображений и др. (многофункциональные лазерные локаторы типа КА-98, Lotaws и др.);
высокоточное наведение систем оружия (лазерные локаторы подсвета целей, обзора пространства и целераспределения);
обеспечение стыковки космических аппаратов, посадки самолетов, судовождения (лазерные навигационные системы); е) элементы технического зрения в автоматических и роботизированных системах (системы измерения дальности, формирования изображения, селекции и распознавания целей и др.);
диагностика параметров и измерение вариаций характеристик окружающей среды, включая атмосферу, а также контроль ее загрязнения продуктами хозяйственной деятельности человека (лидары типа DIAL и др.; Lidar - LIght Detection And Ranging - обнаружение света и определение дальности).

Полуактивная оптическая локация

Использует явление вторичного излучения (отражения) целями оптических волн от источника естественного интенсивного первичного излучения. Чаще всего таким источником является Солнце. Средства полуактивной локации, основанные на этом принципе, называют оптико-электронными станциями. К средствам полуактивной оптической локации можно отнести также биологические зрительные системы. Пренебрегая фактором использования вторичного излучения, оптико-электронные станции часто относят к средствам пассивной оптической локации.

Пассивная оптическая локация

Использует собственное оптическое излучение нагретых участков поверхности цели или ионизированных образований в ее окрестности. Известно, что максимум излучения абсолютно черного тела при температуре T (по Кельвину) приходится на длину волны ~ 2898/T мкм. Длина волны, на которую приходится максимум излучения реальных целей, обычно находится в инфракрасной области спектра (лишь при T ~4000 K максимум совпадает с красной, а при T ~5000 К - с желтой областью видимого спектра). Средства пассивной оптической локации обычно работают поэтому в ближнем ИК диапазоне. К подобным средствам относят ИК пеленгаторы, тепловизоры, тепловые головки самонаведения, пассивные приборы ночного видения и др. Они играют важную роль в системах предупреждения о ракетном нападении и противоракетной обороны.

Общие особенности оптической локации

Определяются используемым диапазоном частот. Высокая направленность зондирующего излучения и узкие поля зрения приемных каналов существенно ограничивают возможности оптических локационных средств по обзору пространства. Поэтому поиск и обнаружение цели оптическими локационными средствами осуществляются в большинстве случаев с использованием внешнего целеуказания, для чего они сопрягаются с радиолокационными системами. В процессе приема слабых сигналов проявляется квантовая природа электромагнитных волн. Квантовые шумы сигнала ограничивают чувствительность идеального оптического приемника в отсутствие помех на уровне энергии хотя бы одного фотона . В оптическом диапазоне облегчается получение некоординатной информации о цели, ее размерах, форме, ориентации и т.д. При получении используют поляризационные и фотометрические характеристики рассеянного излучения, регистрируют изображение цели. Получение некоординатной информации часто является основной задачей оптических локационных средств. Создание преднамеренных помех для оптической локации возможно, но сложнее, чем для радиолокации.

Кафедра прикладной геодезии.

Реферат.
На тему: «Метод лазерной локации»

По курсу: «Основы космической геодезии»

Глава 1 Общие принципы работы лазеров…………………………………..4

Глава 2 Принцип измерения расстояний лазерными дальномерами………9

Глава 3 Временная задержка сигнала в лазерной локации ИСЗ……………11

Глава 4 Лазерная локация Луны……………………………………………...16

Заключение…………………………………………………………………….18

Библиографический список…………………………………………………...19

Введение
В космической геодезии весь спектр наблюдений принято классифицировать по диапазону длин волн электромагнитных колебаний, в которых производят эти наблюдения (оптический и радиодиапазон). В оптическом диапазоне выполняют визуальные, фотографические, фотоэлектрические, телевизионные, лазерные наблюдения. В радиодиапазоне выполняют радиодальномерные, доплеровские, интерференционные, фазовые наблюдения. Оптическим наблюдениям присущ общий недостаток: они требуют наличия прямой видимости на ИСЗ, поэтому применяются, как правило, в темное время суток в безоблачную погоду (при наличии точных эфемерид лазерные наблюдения выполняют и днём).
Глава 1. Общие принципы работы лазеров.
Первые практически действующие лазеры появились в 1960 году. О важности разработки этих приборов свидетельствует тот факт, что авторы их создания (академики Басов, Прохоров и американский физик Таунс) были удостоены Нобелевской премии.

Лазером называют обычно генератор колебаний оптического диапазона длин волн. Сам термин лазер (laser) является аббревиатурой от английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (что в переводе означает усиление света посредством стимулированного излучения), записанной русскими буквами. Хотя в переводе термина лазер с английского языка речь идет не о генерации, а об усилении колебаний, это не имеет принципиального значения, так как любой усилитель можно превратить в генератор выделением цепи обратной связи. Это положение проиллюстрировано на рис.1
Рис.1 Обобщенная блок-схема автогенератора

Где "К" - усилитель с коэффициентом усиления [К]> 1, "β" - цепь обратной связи с коэффициентом передачи [β]< 1. При [Кβ]= 1 наступает режим генерации.

Усилителем в лазерах служит обычно некоторая активная среда - вещество, которое при подаче энергии извне (её называют энергией накачки) приобретает способность усиливать оптические колебания в некотором диапазоне длин волн Δλ.

В зависимости от агрегатного состояния активной среды лазеры называют твёрдотельными, жидкостными, газовыми В особый класс выделяют ещё полупроводниковые лазеры.

Для измерения расстояний до спутников используются твёрдотельные лазеры. Лазером первого поколения был рубиновый лазер. Рубиновый

Стержень, выращиваемый в специальных ростовых камерах, представляет собой кристаллическую окись алюминия, в которую добавлены трёхвалентные положительные ионы хрома, играющего роль активатора. Принцип работы лазера рассмотрим на примере рубинового лазера. Энергию накачки в рубиновых лазерах обеспечивает газоразрядная ксеноновая (или ртутная) лампа, спектр излучения которой близок к спектру поглощения рубина. Лампа накачки помещается над рубиновым стержнем и при помощи специального поджигающего устройства работает в импульсном режиме.

Длительность импульса составляет около 10 -3 секунды. Цепью обратной связи служит, как правило, открытый оптический резонатор - пара зеркал, установленных по обе стороны от активной среды таким образом, что они возвращают выходящее излучение обратно в эту среду. Одно из этих зеркал глухое с коэффициентом отражения близким к 100%, а другое полупрозрачное, чтобы выводить излучение для дальнейшего использования. Оптический резонатор помещается в кварцевую трубку, стенки которой играют роль отражателя (они фокусируют излучение лампы накачки на рубиновом стержне). Блок - схема рубинового лазера показана на рис.2.

Рис 2. Схема лазера с модуляцией добротности
При облучении рубинового кристалла потоком фотонов от лампы накачки электроны ионов хрома, поглощая фотоны излучения накачки, могут переходить из основного состояния в возбуждённые состояния, запасая при этом некоторое количество энергии. Для атомов или ионов любого вещества характерен определенный дискретный набор возможных возбуждённых состояний (энергетических уровней), причём каждому энергетическому уровню присуще определённое "время жизни" - средняя продолжительность пребывания атома в данном возбуждённом состоянии, после чего накопленная им энергия теряется, и атом переходит на более низкий энергетический уровень (в состояние с меньшим запасом энергии).

Упрощенная схема энергетических уровней иона хрома в рубине и "продолжительность жизни" на каждом из них показана на рис.3, а зависимость населённости энергетических уровней от плотности мощности накачки представлена в виде графиков на рис.4

Рис. 3. Упрошенная схема энергетических уровней иона хрома в рубине

Рис. 41. Зависимость

Населенности энергетических уровней

Ионов хрома в рубине от плотности

Мощности накачки
Структура энергетических уровней создаёт возможность накопления возбуждённых ионов на уровне 2. Попавшие на уровень 3 ионы очень быстро оказываются "сброшенными" на уровень 2, и если источник накачки ещё продолжает действовать, переводя на верхний уровень все новые ионы из основного состояния, то через некоторое время большинство их накопится на метастабияьном уровне.

Ситуация, при которой населенность уровня с большей энергией выше населенности уровня с меньшей энергией, называется "инверсией населённости". Ионы, переходящие с уровня 2 на уровень 1, отдают накопленную энергию в виде фотонов с энергией, соответствующей разности энергий этих состояний: hv= Е 21 .

До тех пор, пока не достигнуто состояние инверсии населённости возникает красное свечение, представляющее собой излучение с узким спектром Отдельные акты испускания фотонов при этом не связаны между собой, каждый возбуждённый ион испускает "свою" волну, отличающуюся от других по частоте, фазе и поляризации. Такое излучение называется спонтанным. Однако при взаимодействии излучённого фотона с возбуждённой средой может происходить и другой процесс -стимулированное (вынужденное) излучение, при котором дополнительно испускаемый фотон "жёстко" связан с первым, вынуждающим, по частоте, фазе и поляризации, так что их совместное излучение представляет собой единую волну (λ= c/v = 6943 им).

При достижении инверсии населенности стимулированное излучение начинает преобладать над спонтанным. Коэффициент поглощения а активной среды на частоте, соответствующей переходу иона с метастабильного уровня на основное становится отрицательным и в соответствие с законом Бугера, интенсивность излучения в конце участка l 1 , будет больше интенсивности в начале участка l 0 , т.с среда приобретает усиливающие свойства. Поскольку такая среда помещена в оптический резонатор (т.е. создана обратная связь) и если инверсия населённости достаточна для получения усиления, компенсирующего потери в резонаторе и в самой активной среде, то возникает генерация; получается лазер. Излучение при этом представляет собой "гребёнку" импульсов длительностью 10 -6 секунды, разделённых короткими временными промежутками длительностью в несколько микросекунд. Такой режим работы лазера называется режимом свободной генерации. На рис.5 вместе с формой импульса излучения лампы накачки показана временная диаграмма лазерного излучения.

Для измерения расстояний с помощью лазера нужен одиночный мощный
импульс как можно меньшей длительности, чтобы получить максимальную точность определения дальности, поэтому режим свободной генерации не удобен для этих целей.

Для обеспечения работы лазера в режиме измерения расстоянии применяется режим импульсного включения добротности. В этих целях используются механические, электрооптические и фототропные затворы, которые включаются на очень короткое время ближе к концу работы лампы накачки. Большую же часть времени в оптическом резонаторе искусственно поддерживаются большие потери (резонатор разъюстирован и, значит, его добротность мала). В течение этого времени возбуждённые ионы хрома накапливаются на метастабильном энергетическом уровне. Во время же включения затвора добротность резонатора резко возрастает и происходит излучение в виде мощного импульса (рис.6).

Глава 2 Принцип измерения расстояний лазерными дальномерами.
С помощью лазерного дальномера измеряется промежуток времени между моментом прихода отражённого от ИСЗ импульса и моментом его излучения.

На рис.7 показана обобщённая блок - схема спутникового лазерного дальномера. Лазерный дальномер устанавливается на опорно-поворотное устройство, управляемое ЭВМ. Небольшая часть энергии лазерного излучения через фотоприёмник направляется на измеритель временных промежутков, где «запускает часы». Основная часть лазерного излучения через коллимирующую оптическую систему уходит на измеряемую дистанцию. После отражения от спутника сигнал возвращается в приемную оптическую систему, откуда через фотоприёмник попадает в измеритель временных промежутков, где «останавливает часы».

Рис. 7. Обобщённая схема импульсного лазерного дальномера
Оценку предельной дальности действия лазерного дальномера можно произвести по формуле ;

в которой

Е л - импульсная энергия излучения лазера. Дж;
S p - суммарная площадь отражателей, м2;

S пр - площадь входного зрачка приёмной оптической системы, м2;

η к - коэффициент передачи коллимирующей оптической системы;

η р - коэффициент передачи отражателей;

η пр - коэффициент передачи приёмной оптической системы;

η а - коэффициент пропускания атмосферы;

Ω к - телесный угол, в котором сосредоточено лазерное излучение на выходе коллимирующей оптической системы, ср;

Ω р - телесный угол, в котором сосредоточено отражённое от спутника излучение, ср;

Е пр - минимальная допустимая энергия сигнала на фотодетекторе, Дж.. Телесный угол связан с плоским углом формулой:

θ- плоский угол при вершине конуса излучения.

Глава 3 Временная задержка сигнала в лазерной локации ИСЗ.
Рассмотрим движение светового сигнала, излучённого лазерным дальномером, находящимся в пункте i земной поверхности до отражателя s, расположенного на ИСЗ. Используя пространственно-временную метрику Щварцшильда и имея в виду, что для светового сигнала интервал равен нулю, запишем:

Из этого уравнения найдём выражение для скорости распространения светового сигнала в гравитационном поле относительно центра масс Земли.

Элементарное геометрическое расстояние, пройденное световым сигналом за элементарный промежуток времени, определяется выражением

интегрируя которое, получим

Второй член в этом выражении поправочный, поэтому приближённо можно записать

Выразим теперь dr" через dr. Из прямоугольного треугольника Oks, в котором катет р - кратчайшее расстояние от центра масс Земли до лазерного луча (рис. 8), можно записать:
Дифференцируя это выражение, получим

Теперь можно проинтегрировать

Здесь t изл и t s - моменты излучения сигнала из точки i и прихода сигнала в точку s но координатному времени.

Использование выражения совместно с

Позволяет исключить р в

Таким образом

Рис 8 К выводу временной задержки сигнала

Рассматривая движение светового сигнала после отражения от спутника s обратно к станции i, получим формулу

В которой t np - момент по координатному времени прихода сигнала в точку i после отражения от ретрорефлектора в точке s.

Поэтому можно записать:

Где Δt- полуразность между моментами прихода отраженного сигнала в точку i и его излучением из той же точки i.

При этом r` соответствует моменту т.е моменту отражения

Сигнала от спутника.

В полученной формуле для временной задержки сигнала Ai - промежуток координатного времени, на станции же измеряется промежуток собственного времени. Потому нужно ещё перейти от координатного времени к собственному. Из метрики Шварцшильда имеем:

V, - скорость пункта i
Поэтому окончательно получим:

При выводе формулы мы учли лишь релятивистскую временную задержку при лазерной локации ИСЗ. В действительности при вычислении геометрического расстояния от пункта до спутника нужно учесть ещё атмосферную задержку и задержку в электрических цепях лазерного дальномера. Практически расстояние до спутника вычисляется по формуле
с - скорость света;

Δτ - полуразность между моментами излучения и прихода отражённого сигнала;

Δr` p - поправка за тропосферную рефракцию;

Δr` L - поправка за задержки в аппаратуре;

Δr` pel - релятивистская поправка.
В общем виде поправка за тропосферную рефракцию выражается интегралом:

Н
а практике при обработке лазерных наблюдений используют формулу Марини и Маррея.

Δr` p - поправка в дальность за влияние рефракции (в метрах); h - угловая высота спутника над горизонтом;

P.e.T.R h - соответственно давление (в миллибарах) атмосферное и паров воды, температура атмосферы (в градусах Кельвина) и относительная влажность воздуха (в %) в окрестностях станции наблюдения;

λ- длина волны излучения (в микрометрах);

φ- широта станции;

Н - высота станции над уровнем моря (в километрах).
Глава 4 Лазерная локация Луны
21 июля 1969 года астронавты программы Аполлон-11 установили на Луне первый уголковый отражатель. Позднее подобные же отражатели были установлены астронавтами программ Аполлон-14 и Аполлон-15 (отражатель Аполлона-15 является наиболее крупным, представляет собой панель из трехсот призм). Советские луноходы Луноход-1, доставленный на Луну в рамках миссии Луна-17, и Луноход-2, доставленный в ходе миссии Луна-21, также были оснащены уголковыми отражателями.

Отражатель Лунохода-1 в первые полтора года работы обеспечил порядка 20 наблюдений, но затем его точное положение утерялось, и найти его до сих пор пока не удалось. С остальными четырьмя отражателями проблем не возникло, их постоянное зондирование ведётся в данный момент рядом станций, в том числе Лабораторией реактивного движения НАСА (Jet Propulsion Laboratory, или JPL NASA), которая вела наблюдения по лазерной локации отражателей с самого момента их установки.

^ Основные станции, осуществляющие лазерную локацию Луны.

JPL NASA, Калифорния, США

McDonald, Техас, США

OCA, Грасс, Франция

Haleakala, Гавайские острова, США (в данный момент не работает)

Apache Point, Нью-Мексико, США

Matera, Матера, Италия

Филиал OCA, Южная Африка (использует прежний прибор станции OCA)

^ Принцип измерения

Лазер излучает сигнал в телескоп, направленный на отражатель, при этом точно фиксируется время, когда сигнал был излучён. Часть фотонов от первоначального сигнала возвращается обратно на детектор с целью зафиксировать начальную точку данных. Площадь пучка от сигнала на поверхности Луны составляет 25 км² (площадь уголковых отражателей при этом - примерно 1 м на 1м). Отражённый от прибора на Луне свет в течение примерно одной секунды возвращается в телескоп, далее проходит через систему фильтрации для получения фотонов на нужной длине волны и для отсева шумов.

^ Точность наблюдений

С 1970-х годов точность измерения расстояния увеличилась с нескольких десятков (порядка 40) до нескольких (порядка 2-3) сантиметров. Новая станция Apache Point может достигнуть точности порядка миллиметров.
Точность измерения времени в настоящем - порядка 30 пикосекунд (что и соответствует примерно двум сантиметрам точности измерения расстояния)

Заключение
В заключении хотелось бы отметить, что при сборе информации для этого реферата было прочитано много материала как отечественной литературы так и зарубежной, в отечественной литературе очень мало полезной информации, но учебники Крылова В.И. Космическая геодезия и К.М. Антоновича «Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии», несут в себе большую информативность, так же полезным оказался материалы ФГУП «Научно-Исследовательский институт прецизионного приборостроения» статья «Лазерная дальнометрия» и статья Е.Ю.Алешкиной «Лазерная локация Луны».

В этом реферате очень подробно рассмотрен принцип работы лазера в Главе 1, принцип измерения расстояний лазерными дальномерами в Главе 2,

временная задержка сигнала в лазерной локации ИСЗ в Главе 3, и Лазерная локация Луны в Главе 4.

Библиографический список
1. В.И Крылов. Космическая геодезия: Учебное пособие для студентов геодезических специальностей / Москва / МИИГАиК / 2002
2. К.М. Антоновича «Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии» в 2-х томах /Москава/Картгеоцент/2006
3.статья Е.Ю.Алешкиной «Лазерная локация Луны»
4. Дальномеры. Принцип лазерной дальнометрии.

Предыдущая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства Следующая статья: Чему равна скорость света

В основе лазерной локации, так же как и в радиолокации лежат три основных свойства электромагнитных волн.

Подобные документы

Введение

ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ

Прожекторная локация

Лазерная локация

Полуактивная оптическая локация

Пассивная оптическая локация

Общие особенности оптической локации