3. ПРИЕМНАЯ СИСТЕМА ЛИУ

Приемная система ЛИУ в общем случае осуществляет прием, фильтрацию, преобразование, усиление и детектирование сигнала. В отличие от радиодиапазона основой работы приемной системы является регистрация и счет числа фотонов за время наблюдения,

когда мощность на выходе фотоприемника пропорциональна квадрату мощности излучения на его входе, и сравнение принятого числа фотонов с некоторым пороговым уровнем.

Ограничения, накладываемые на работу приемных систем оптического и радиодиапазонов, также различны. Если для радиодиапазона при обнаружении сигнала основным ограничением является тепловой шум, то в оптическом диапазоне порог обнаружения сигнала определяется квантовыми шумами и уровнем фона. Мощность шума

где — постоянная Планка;

— частота;

— постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура.

Первый член выражения (XI. 6) представляет излучение черного тела. В радиодиапазоне он определяется величиной

Второй член определяет квантовые шумы. Последние в оптическом диапазоне почти на 20 дб больше тепловых, которые могут не учитываться.

Таким образом, порог обнаружения сигнала в оптическом диапазоне ограничивается квантовыми шумами, мощность которых

где — полоса пропускания приемной системы.

Квантовой шум определяется природой сигнала и линейно растет с ростом частоты сигнала. Даже при использовании одномодового лазера в фотодетекторе будут возникать случайные всплески эмиссии — дробовой шум. При использовании в качестве предварительного усилителя несущей квантового усилителя к дробовому шуму будет добавляться шум спонтанного излучения. При гетеродинном детектировании добавляется шум за счет дробового эффекта фототока опорного гетеродина. Другим источником шума является внешний фоновой шум, а также шум за счет обратного рассеяния излучения лазера при работе в атмосфере и воде. Фоновой шум в дневное время определяется в основном прямым или отраженным солнечным излучением. Ночью шумы вызваны излучением звезд, солнечным отражением от луны и других планет. Средняя мощность фона

где суммарная спектральная плотность излучения источников фоновых шумов;

— диаграмма направленности на прием;

— диаметр входного отверстия приемной антенны;

— полоса пропускания приемного оптического фильтра.

Широкополосность излучения фона и высокая монохроматичность лазерного излучения позволяют эффективно подавить фоновое излучение установок низкополосных оптических фильтров на входе приемной системы. В качестве таких фильтров используются интероференционные оптические фильтры с полосой пропускания 10 А и менее.

Таблица XI.1 (см. скан) Уровень фона различных источников излучения

Для оценки уровня фона можно пользоваться данными табл. XI. 1. [11]. Для определения мощности, падающей на фотодетектор, значения, выбранные из таблицы, должны быть умножены на эффективную площадь приемной антенны. Табличные данные получены при предположении, что перед детектором установлен фильтр с полосой пропускания 10 А.

Для уменьшения фона за счет обратного рассеяния в ЛИУ используется стробирование приемной системы по дальности.

Кроме шумов фона и квантовых шумов сигнала, эффективность работы приемной системы зависит от ее собственных внутренних шумов. Знутренние шумы приемной системы определяются: фотонным шумом сигнала, обусловленным флуктуациями тока фотокатода

дробовым шумом из-за флуктуаций темнового тока

тепловым шумом последующего усилителя фотоприемника

где — мощность сигнала;

— квантовая эффективность фотоприемника;

— темновой ток фотокатода;

— сопротивление нагрузки.

Снижение влияния внутренних шумов может быть достигнуто охлаждением фотодетектора и повышением качества фотокатода.

Приемные системы ЛИУ по методу приема могут быть подразделены на следующие типы:

когерентного детектирования;

прямого, или непосредственного, детектирования сигнала.

Одними из перспективных приемных систем когерентного детектирования являются системы, выполненные по схеме гетеродинного преобразования, где в качестве местного оптического гетеродина используется лазер (рис. XI. 11).

Рис. XI. 11. Схема гетеродинного детектирования: МГ — местный гетеродин; ФД — фотодетектор

При когерентном приеме принятый оптический сигнал частотой складывается с опорным сигналом гетеродина частотой причем амплитуда сигнала гетеродина значительно больше входного сигнала или шума.

Суммарный оптический сигнал подается на фотодетектор, где при детектировании амплитуда принятого сигнала и амплитуда сигнала гетеродина перемножаются.

Метод когерентного приема позволяет достичь предельной чувствительности, которая ограничена лишь квантовым характером излучения лазера.

Отношение сигнал/шум на выходе приемника при когерентном детектировании определяется [II]

где — шумовая полоса приемника;

— мощность принятого сигнала на фотодетекторе;

— квантовая эффективность фотодетектора;

— энергия фотона;

— постоянная Больцмана;

— заряд электрона;

— мощность оптического шума на фотодетекторе;

— часть мощности гетеродина, приходящаяся на полезную спектральную линию сигнала гетеродина;

— сумма плотностей спектров оптического шума, отличающихся от частоты гетеродина на частоту фильтра, стоящего перед детектором;

— коэффициент шума усилителя;

R — эквивалентное шумовое сопротивление усилителя, стоящего после фотокатода;

— коэффициент усиления между фотокатодом и усилителем.

В случае идеального детектирования, когда мощность гетеродина значительно больше мощности белого шума, и излучение гетеродина монохроматично

Отношение сигнал/шум

При когерентном детектировании предъявляются очень жесткие требования к качеству оптической системы. Угол расхождения между оптическими лучами сигнала и гетеродина

где — длина волны излучения;

— апертура приемной антенны.

Для обеспечения высокой стабильности частоты оптического гетеродина, требования к которой очень жестки, необходима автоматическая подстройка разностной частоты опорного сигнала и гетеродина.

Эффективное преобразование сигнала обеспечивается в случае строго одинаковой поляризации принятого и опорного сигналов и их синфазности. Это определяет трудности применения гетеродинного метода в приемных системах ЛИУ. При работе ЛИУ в атмосфере и использовании в передающем устройстве лазеров видимого диапазона волн искажение оптических сигналов настолько велико, что гетеродинное детектирование невозможно. При использовании длинноволновых лазеров (например, лазер на и для ЛИУ, работающих в космосе, гетеродинный приемник является лучшим типом приемника.

При когерентном детектировании может быть использовано предварительное усиление несущей с помощью усилителей оптического диапазона, что увеличит чувствительность приемной системы.

Приемные устройства с непосредственным детектированием сигнала наиболее широко применяются в ЛИУ в силу простоты технической реализации. Отношение сигнал/шум на выходе приемного устройства с непосредственным детектированием ограничивается шумами за счет темнового тока фотодетектора и усилительных цепей,

шумами фона, дробовыми и квантовыми шумами за счет сигнала

где — средняя мощность сигнала на фотокатоде;

— средняя мощность фонового шума;

— дробовой шум темнового тока.

В большинстве случаев величина сигнала на выходе значительно больше тепловых шумов последующих каскадов и ими можно пренебречь. За счет оптической фильтрации сигнала влияние фона может быть резко уменьшено. Значение темнового тока даже худших образцов фотодетекторов очень мало и шумами фонового тока можно также пренебречь, тогда

Из выражений (XI. 13) и (XI. 16) следует, что предельная чувствительность приемной системы для когерентного детектирования

при непосредственном детектировании

В случае приема с предварительным усилением несущей предельная чувствительность

Таким образом, предельная чувствительность всех типов приемников ЛИУ ограничена квантовыми шумами, которые принципиально неустранимы и не зависят от способа обработки сигнала.

При работе в видимой и ближней ИК областях спектра, наиболее широко применяется прием с непосредственным детектированием сигнала. В диапазоне более низких частот достижение предела, ограниченного квантовыми шумами при прямом детектировании реализуется значительно труднее и, по мнению специалистов, в ИК-диапазоне наиболее широкое применение найдет когерентное детектирование.

В любом случае превращение оптического излучения в электрический сигнал производится с помощью фотодетектора. Фотодетекторы по принципу работы подразделяются на детекторы с внутренним и внешним фотоэффектом.

Параметры и характеристики различных фотодетекторов приведены в работах [6, 8].

Для реализации высокой разрешающей способности по дальности ЛИУ основным требованием к фотодетектору является быстродействие. В связи с тем, что фотодетекторы селективны,

эффективность работы ЛИУ во многом зависит от того, насколько спектральная характеристика фотодетектора соответствует спектру излучения лазера.

В настоящее время широкое применение в приемных системах ЛИУ находят фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотодиоды на основе твердого тела. В видимой области спектра излучения применение ФЭУ предпочтительнее, так как они малоинерционны, а уровень выходного сигнала достаточен и не требует последующего усилителя, что позволяет избежать дополнительных шумов при усилении. В ИК-области спектра чувствительность ФЭУ резко падает и применяют устройства с внутренним фотоэффектом (охлаждаемые фотодиоды).

Приемная оптическая система. Приемная оптическая система осуществляет прием отраженного светового сигнала, его фокусировку и передачу на фотодетектор. Находят применение как линзовые, так и отражательные оптические системы, чаще используется их комбинация. При выборе оптической приемной системы стремятся увеличить ее входную апертуру для приема возможно большей энергии отраженного светового сигнала, что ограничено трудностями изготовления оптических систем. Выбор ширины диаграммы направленности определяется целевым назначением ЛИУ и во многом зависит от принятого метода углового сопровождения. Эффективность работы всего приемного устройства во многом определяется выбранной оптической системой и ее согласованием с фотодетектором. Величина и форма чувствительной поверхности фотодетектора должны быть согласованы с величиной элементарного угла зрения системы. Для этой цели часто используется волоконная оптика (световоды).

Разрешающая способность идеальной оптической системы определяется диффракционным пределом следующим образом:

где — предельный диаметр изображения;

X — длина волны;

— эффективное фокусное расстояние оптической системы;

— апертура оптической системы.

Методы сопровождения по угловым координатам. Метод сопровождения объекта по угловым координатам во многом определяет построение приемной системы и системы управления ЛИУ.

Выбор метода сопровождения определяется рядом факторов, из которых основными можно считать: степень подвижности объекта, требуемую точность сопровождения, тип передатчика ЛИУ, условия распространения излучения.

При возможности использования в передающей системе лазера с непрерывным излучением или работающего с большой частотой повторения вопрос метода сопровождения объекта по угловым координатам не вызывает затруднений и может быть использован

получивший широкое распространение в радиолокации метод равносигнальной зоны. При этом может быть использовано сканирование приемно-передающего луча как с помощью механических, так и электрооптических устройств.

Наибольшее распространение при таком методе получили диссекторы, основным достоинством которых является одновременное преобразование световой энергии излучения в электрический сигнал и определение угловых координат объекта. Однако максимальная мощность газовых и полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме и с большой частотой повторения, имеет порядок сотен милливатт в непрерывном режиме и несколько киловатт в импульсном режиме. При этом определение пространственных координат объекта на больших дальностях, с учетом влияния атмосферы, возможно только при постановке на объект ретрорефлекторов. Ретрорефлектор, или уголковый отражатель, представляет собой трехгранную прямоугольную пирамиду с отражающими плоскостями, обращенными внутрь пирамиды, которая обладает свойством отражать в сторону источника падающее на нее излучение, независимо от своей ориентации.

При этом мощность передатчика

где — предельная чувствительность приемной системы;

— площадь уголкового отражателя;

— коэффициент отражения уголкового отражателя;

— площадь приемной оптики;

- к. п. д. приемо-передающей оптики;

— угловая расходимость передающего луча;

— угловая расходимость отраженного луча;

а — коэффициент ослабления излучения;

R — дальность до объекта.

Расчеты показывают [10], что в условиях дневного освещения при чистой атмосфере можно получить достаточный сигнал при дальности 30 км от уголкового отражателя площадью при использовании гелий-неонового лазера мощностью — с расходимостью луча 1,5 мрад.

Примером использования диссектора может служить оптический локатор «Сильвания» [12], предназначенный для автоматического сопровождения объектов с установленным на них ретрорефлектором. Блок-схема системы показана на рис. XI. 12. Источником излучения служит гелий-неоновый лазер мкм мощностью 10 мет. Излучение лазера модулируется электрооптическим модулятором, формируется коллиматором и с помощью вынесенных зеркал А и В направляется на следящее зеркало для подсвета объекта.

Отраженный от ретрорефлектора сигнал возвращается на приемное зеркало и с помощью параболического зеркала фокусируется

на ФЭУ дальности и диссектор, предварительно пройдя оптический фильтр с полосой пропускания 10 А.

Диссектор представляет собой ФЭУ с электронным сканированием розеточного типа. Форма сигнала развертки, а также выходной сигнал диссектора показаны на рис. XI. 13.

Диссектор вырабатывает сигналы ошибки для следящих приводов системы управления при фиксации отраженного сигнала в плоскости изображения приемной оптики.

Рис. XI. 12. Блок-схема системы точного автосопровождения с лазером непрерывного излучения: ГНЛ — гелий-неоновый лазер; ЭМ — электрооптический модулятор; ФУД — фотоумножитель дальности; СД — серводвигатель; УРУ — устройство ручного управления; Д — диссектор; 1 — коллиматор; 2 — ретрорефлектор объекта; 3 — следящее зеркало; 4 — перископ; 5 и 6 — фильтры с полосой 10 А; 7 — параболическое собирающее зеркало

При прохождении развертки через изображение объекта на выходе формируется импульс. Если изображение находится в центре развертки, последовательность импульсов симметрична. При отклонении изображения от центра последовательность импульсов несимметрична и вырабатывается сигнал углового рассогласования. Первоначальный выбор и «захват» объекта осуществляется оператором, который с помощью широкоугольного перископа осуществляет ручное наведение следящего плоского зеркала.

Для измерения дальности Излучение лазера модулируется по синусоидальному закону электрооптическим модулятором» Сдвиг фазы излученного и принятого сигналов определяет дальность до

объекта. Система осуществляла слежение за самолетом с отражателем до дальности 15 км со среднеквадратической ошибкой ±25 мкрад при угловой скорости 2 град/сек. При слежении за объектами, имеющими угловое ускорение со специальным отражающим покрытием ошибка сопровождения около 0,1 мрад. Точность измерения дальности не приводится, указано только, что измерение дальности осуществляется с точностью на 2 порядка лучшей, чем в существующих радиолокационных измерителях.

Рис. XI. 13. Формы сигнала развертки и выходного сигнала в диссекторе: а — при отсутствии ошибки; 1 — изображение; 2 — развертка изображения; б — при наличии ошибки; в — форма сигнала развертки; г — сигнал на выходе при отсутствии ошибки; д — сигнал на выходе при наличии ошибки

Для эффективной работы ЛИУ в условиях сильных фоновых шумов и значительного затухания излучения в атмосфере необходимо применение в передающих системах лазеров с большой мощностью в импульсе при малой расходимости луча. При этом малая частота повторения (единицы герц) мощных лазеров осложняет задачу сопровождения целей по угловым координатам. Увеличение частоты повторения возможно при работе нескольких лазеров с выходом излучения в одном направлении. При этом, естественно, увеличение числа лазеров приводит к росту весов и габаритов источников питания и системы охлаждения. При проектировании ЛИУ, предназначенного для работы по малоподвижным объектам может быть использован метод дискретного сопровождения с применением квадрантного фотоприемника, определяющего только направление рассогласования и дискретной системы управления.

Точность такого метода зависит от величины выбранного дискрета системы управления. Определение величины рассогласования, с учетом специфики работы ЛИУ, является сложной технической задачей.

Большие возможности открываются при использовании приемных систем с детектором матричного типа. При этом сигнал принимается группой детекторов, образующих плоскую приемную матрицу. Положение принятого сигнала соответствует пространственному расположению объекта. Плоская решетка, состоящая из большого количества детекторов, располагается в фокальной плоскости приемной оптической системы. Число детекторов зависит от ширины

приемной диаграммы и требуемой точности разрешения объекта. С выходов детекторов сигналы поступают на усилители.

Использование последних достижений микроэлектроники позволяет выполнить их в малом объеме и приблизить непосредственно к детекторам для успешного выделения сигнала на фоне внутренних шумов. Для обработки сигнала и определения координат может быть использовано цифровое вычислительное устройство.