ГЛАВА 19. ОПТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ

§ 19.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ

Оптической локационной системой (OЛC) называют совокупность технических средств, позволяющих обнаруживать объекты и оценивать их координаты с помощью электромагнитных волн оптического диапазона (от до или в длинах волн от 100 до 0,01 мкм).

Так как в качестве излучателей в ОЛС используются, как правило, лазеры, то термины «оптическая локация» и «лазерная локация» можно рассматривать как синонимы.

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 диаграммы направленности. 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 работе с объектами, имеющими малый угол 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 наносекундной длительности с пиковой мощностью в сотни и тысячи мегаватт. При фазовом методе измерение ведется на поднесущих, имеющих частоты врлоть до СВЧ-диапазона.

Доплеровские методы измерения радиальной скорости в оптическом диапазоне характеризуются высокой чувствительностью. Так, при длине волны радиальной скорости соответствует доплеровское смещение частоты . Для реализации таких методов требуется высокая стабильность (временная когерентность) излучения, которая может быть достигнута с помощью газовых лазеров.

Высокое пространственное разрешение, свойственное оптическим сигналам, позволяет успешнее, чем в радиодиапазоне, распознавать наблюдаемые объекты и формировать изображение просматриваемого пространства. ОЛС присущи следующие особенности, которые нужно учитывать при выборе частотного диапазона проектируемой локационной системы:

1) характеристики ОЛС сильно зависят от свойств среды, в которой происходит распространение лазерного излучения. Например, при работе ОЛС в приземном слое атмосферы (тропосфере) дальность действия и точность измерения координат объекта определяются в основном метеоусловиями;

2) вследствие узости ДН требуется большое время для поиска цели по угловым координатам;

3) существующие ограничения по частоте повторения импульсов, вызванные теплофизическими особенностями работы лазера, снижают темп обновления информации, получаемой от лоцируемого объекта;

4) квантовый характер электромагнитного излучения уменьшает эффективность обнаружения сигнала и измерения его параметров вследствие как внутренних и внешних шумов, так и вероятностного характера регистрации оптического излучения.

Основными областями применения ОЛС являются:

1) геодезия, картография, строительное и горное дело;

2) траекторные измерения космических объектов в системах Земля—Космос и космических комплексах (сближение, стыковка);

3) калибровка радиолокационных измерителей;

4) получение метеоинформации;

5) управление оружием.

Часто ОЛС работают в комплексе с другими системами, что позволяет преодолеть ряд присущих им недостатков. Например, для наведения луча ОЛС на цель применяют оптические или телевизионные визиры, используют данные, полученные от РЛС и теплолокаторов.

Из рассмотренных в § 7.1 режимов работы локационных систем для ОЛС наиболее характерным является активный режим, при котором источник зондирующего сигнала и приемник отраженного излучения пространственно совмещены.

Рис. 19.1

Рис. 19.2

Структурная схема ОЛС в общем виде представлена на рис. 19.1. 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 рис. 19.1 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 ДНА, обеспечивающей концентрацию излучаемой энергии в узком пучке, применяется оптическая система (рис. 19.2), состоящая из двух линз: окуляра 1 и объектива 2, фокальные плоскости которых совмещены. Такая система, называемая коллимирующей, позволяет уменьшить расходимость исходного пучка в к раз, где — фокусные расстояния объектива и окуляра.

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. Турбулентность делает характеристики среды распространения случайными, вследствие чего проиходит 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 отражения. 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. По технологическим соображениям три-пель-призмы имеют небольшие размеры (радиус окружности, вписанной во входную грань, составляет , поэтому для увеличения отражающей площади, необходимой для того, чтобы перехватить большую часть излучаемой энергии, уголковые отражатели объединяют в блоки.

В тех случаях, когда размеры шероховатостей поверхности больше (не выполняется рэлеевский критерий гладкости), 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, взлетно-посадочные полосы аэродромов, кровли зданий).

Для большинства реальных целей микроструктура поверхности является случайной, поэтому рассеянное объектом излучение можно рассматривать как результирующее поле, создаваемое отражением падающего светового потока от ближайших окрестностей «блестящих» точек, случайно и независимо друг от друга расположенных на облучаемой поверхности. Следствием этого является случайный характер отраженного сигнала, характеризуемого в соответствии с центральной предельной теоремой гауссовским законом распределения мгновенных значений напряженности поля.

Если при этом учесть, что случайный характер излучение приобретает и в результате прохождения через турбулентную среду, то станет понятным, почему при математическом описании принятого оптического сигнала широко применяют модель нормального случайного поля.

Вместе с полезным сигналом на входе оптической приемной системы присутствует световой фон, создаваемый рассеянным в атмосфере солнечным излучением, свечением звездного неба, а также излучением, отраженным от различных посторонних объектов, оказавшихся в поле зрения приемной системы ОЛС. Фоновая помеха представляет собой случайное гауссовское поле, которое, как и нормальный случайный процесс, можно полностью описать средним значением и корреляционной функцией. Так как для оптических полей среднее значение напряженности , где — радиус-вектор, определяющий положение точки в плоскости наблюдения; t — время, то корреляционная функция может быть записана в виде

Случайное поле считается стационарным и однородным,

Так как фоновое излучение стационарно и однородно, обладает чрезвычайно широким спектром, а его пространственный радиус корреляции существенно меньше радиуса корреляции сигнального поля, то корреляционная функция фоновой помехи

где - пространственно-временная спектральная плотность мощности.

При работе ОЛС в сильно замутненной среде (туман, вода) -основным видом помехи является обратное рассеяние излучения передатчика — так называемая помеха обратного рассеяния. Характер этой помехи зависит как от оптических характеристик среды, так и от параметров излучаемого сигнала.

Кроме внешних помех при проектировании ОЛС 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 темповым.

Рис. 19.3

Рис. 19.4

Часть отраженного от цели излучения вместе с внешними помехами попадает на входную апертуру оптическогоприемного устройства (ОПУ), состоящего из оптической приемной антенны, светофильтра и фотоприемника. В ОПУ применяют линзовые, отражательные и смешанные антенные устройства. Среди линзовых антенн наиболее распространенной является телескопическая система, изображенная на рис. 19.3.

Принимаемый световой пучок поступает на объектив , в фокусе которого располагается диафрагма 2, вместе с объективом определяющая поле зрения ОПУ:

где — диаметр диафрагмы; — фокусное расстояние объектива. С помощью окуляра 3 формируется параллельный пучок, который пропускается через оптический фильтр 4. Линза 5 фокусирует отфильтрованный сигнал на светочувствительной поверхности фотоприемника 6.

Антенное устройство смешанного типа представлено на рис. 19.4. 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. Смешанная система позволяет получить компактную и дешевую конструкцию с малым коэффициентом оптических потерь.

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

Приемники с прямым фотодетектированием получили широкое распространение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В таких приемниках излучение с выхода оптического фильтра поступает на светочувствительный элемент, преобразующий световой поток в электрический сигнал, который представляет собой сумму одноэлектронных импульсов, появляющихся в результате преобразования фотон-электрон.

Рис. 19.5

При гетеродинном приеме (рис. 19.5) на светочувствительный элемент 4 подается аддитивная смесь принятого светового потока 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 в радиодиапазоне. Фотогетеродинный метод позволяет получить высокую чувствительность, обеспечивает эффективную частотную и пространственную селекцию сигнала за счет использования узкополосных фильтров радиодиапазона и учета зависимости уровня сигнала на промежуточной частоте от взаимного положения волновых фронтов приходящего и опорного излучений. Таким образом, если лазерный гетеродин пространственно сфазирован относительно полезного сигнала, то мешающее излучение, приходящее с другого направления, будет ослаблено. Для реализации фотогетеродинного метода необходимы лазерный источник и гетеродин, работающие в одночастотном режиме с сохранением пространственной и временной когерентности излучения на время распространения оптического Сигнала до цели и обратно. Подобным условиям удовлетворяют газовые лазеры.

Элементом ОПУ, во многом определяющим его качественные показатели, является светочувствительный элемент — фотодетектор (ФОД). В ФОД используется внешний либо внутренний фотоэффект. Из приборов с внешним фотоэффектом в видимом и ультрафиолетовом диапазонах наибольшее распространение получили фотоэлектронные умножители.

Остальные узлы ОЛС, обеспечивающие обработку электрического сигнала с выхода ФОД, наведение луча на цель и ее сопровождение по дальности и угловым координатам, принципиально не отличаются от соответствующих устройств РЛС.