2 Применение лазеров в радиолокационных системах

Основные преимущества лазерных радиолокационных систем следующие: большая дальность действия при относительно малой потребляемой мощности, высокая точность измерения дальности и угловых координат, малые шумы в приемных устройствах, труд­ность создания помех, малые габариты и вес. Все это обеспечивает перспективность использования оптических радиолокационных сис­тем. Особенно перспективна оптическая локация в космосе при слежении за спутниками, для радиолокации планет и т. д.

Радиолокационная система для определения расстояния до цели содержит лазерный передатчик, триггерный механизм, оп­тический приемник с фильтром монохроматического света, отраженного от цели; считывающее устройство, связанное с оптическим приемником и триггерным устройством.

Рисунок 2.1 - Оптический локатор

На рисунке 2.1 изображена схема оптической радиолокационной системы. Лазер 1 представляет собой стержень 2 из активного ве­щества, например из рубина. Стержень окружен газоразрядной лампой 3, на которую поступают импульсы от источника энергии накачки 4. Синхронизатор 5 приводит в действие источник 4, кото­рый зажигает лампу 3, в результате чего лазер излучает луч 6 ко­герентного света по направлению к цели. Синхронизатор обеспечи­вает также горизонтальную развертку лучей двух осциллографов 7 и 8 — считывающих устройств системы. Выходной луч лазера фиксируется детектором 9, который подключен к осциллографу 7. На осциллографе появляется импульс 10, соответствующий момен­ту передачи выходного импульса лазера. Луч 6 лазера отражается от цели 11 и через некоторое время принимается оптическим при­емником 12. Отраженный от цели луч 13 попадает на параболичес­кий рефлектор 14 и фокусируется в фотоэлементе 15. Фотоэлемент подключен к осциллографу 8, который регистрирует принимаемый от цели световой импульс. Разница во времени между импульсами 10 и 16 па обоих осциллографах является мерой расстояния от системы до цели 11.

Предложена усовершенствованная радиолокационная система. Она позволяет обнаруживать подвижные объекты, точно изме­рять расстояние до них, угловые координаты и скорость их движе­ния.

Оптический локатор (рисунок 2.2, а) состоит из передающей части, в которую входит лазер 1 и система отклонения 2, которая производит механическую или электрическую прерывистую развертку луча лазера.

Рисунок 2.2 – Усовершенствованная радиолокационная система оптического диапазона

Отклоненный луч проходит через оптическую систему 5 и осу­ществляет обзор пространства по азимуту и углу места. Передача светового сигнала не является непрерывной, и начало излучения каждого импульса происходит в строго определенный момент вре­мени. С этой целью при передаче модулятор прерывает свет на время, которое необходимо отклоняющему устройству для измене­ния положения луча в пространстве. Это позволяет точно измерить момент возврата отраженного луча и, следовательно, расстояние до цели. Электронное отклонение луча можно осуществить, напри­мер, с помощью ультразвуковой ячейки или другим способом. Об­ратный луч, отраженный различными точками зоны обзора, прини­мается оптической системой 4 и затем смешивается в микшере 5 с оптическим излучением лазера 6. Микшер создает световой луч, центральная частота которого равна частоте передачи и частота огибающей равна разности переданной и принятой приемником частот. Сигнал биений появляется только в том случае, если луч поступает от цели, имеющей определенную радиальную скорость по отношению к локатору. Частота этого сигнала пропорциональ­на доплеровской частоте объекта и, следовательно, радиальной скорости. Устройство 7 отклоняет луч с выхода микшера одновре­менно с разверткой так, что приемное устройство принимает толь­ко один луч, отраженный от цели. Такое устройство устраняет по­мехи, создаваемые солнцем, при освещении зоны обзора. Устрой­ство 7, обеспечивающее при приеме выбор полезных сигналов, не­сущих информацию, стоит на входе фотоумножителя. Система подавления помех (рисунок 2.2, б) состоит из фотокатода 1 и фотоумно­жителя 2, усиливающего электронный пучок и создающего на вы­ходе сигнал. Амплитуда сигнала пропорциональна энергии приня­того светового луча. Система содержит также устройство 3, вызы­вающее отклонение электронного пучка, и экран 4, непроницаемый для электронов с отверстием 5. Отклонение электронного пучка ре­гулируется одновременно с разверткой, осуществляемой при при­еме так, чтобы в момент, соответствующий строго определенному направлению, визирования, только часть электронного пучка, полу­чаемая из отраженных сигналов, была отклонена к отверстию и передана фотоумножителю. Устройство, вызывающее отклонение, управляется электрическим путем, например изменением напряже­ния на электродах отклоняющей системы. Фотоумножитель 8 (рисунок 2.2, а) на выходе создает электрический сигнал, частота которого равна частоте биений на выходе микшера 5 (рисунок 2.2, б) и, следова­тельно, пропорциональна скорости цели. Этот сигнал направляется затем к трем специальным устройствам системы 6, 9, 10. Устройство 10, осуществляющее грубую фильтрацию частоты сигнала, пере­дает его на осциллограф 1 по различным выходным каналам, в со­ответствии с диапазоном частот в котором он находится. Устрой­ство 10 состоит из трех фильтров, полосы пропускания которых смежны и перекрывают общий диапазон частот, возникающих в со­ответствии с диапазоном скоростей цели. Сигнал, поступающий от цели, скорость которой выходит за пределы этого диапазона, прак­тически подавляется системой фильтров. Выходы трех фильтров подключаются ко входам, соответствующим разным цветам луча многоцветного осциллографа 11, например трехцветного. На осцил­лографе получают изображение наблюдаемой зоны, при этом раз­вертка экрана осуществляется таким образом, что точки, изобра­жающие наблюдаемые цели, дают относительные угловые коорди­наты этих целей. Точки различных цветов соответствуют различ­ным скоростям целей. Цели со слишком малыми или слишком большими скоростями не появляются на экране осциллографа.

Одновременно электрический сигнал с фотоумножителя под­водится к системам 6 и 9, измеряющим дальность и угловые коор­динаты цели, запеленгованной на экране осциллографа, а также скорость.

Измерение дальности производится способом, описанным вы­ше. Скорость измеряется устройством, которое состоит из фильт­ров, на общий вход которых подводится электрический сигнал от фотоумножителя. Фильтры имеют очень узкие полосы пропускания и смежные границы, при этом совокупность полос пропускания перекрывает тот же диапазон частот, что и совокупность трех фильтров. Эти фильтры разделяют входной сигнал, в соответствии с его частотой, что позволяет определить скорость цели. Точность, полученная при таком измерении скорости, определяется шириной полосы пропускания каждого фильтра. Доплеровские частоты, полученные при использовании рассматриваемого оптического ло­катора, достаточно высоки даже при относительно низких скоро­стях цели. Например, при длине волны в 1 мк доплеровские часто­ты цели, радиальная скорость которой расположена в пределах 3,5— 110 км/час, колеблются от 2 до 60 Мгц. В радиолокаторе, ра­ботающем на длине волны в 0,1 м, доплеровские частоты, полу­ченные при таких же скоростях цели, колеблются в пределах 20— 600 гц. Увеличение доплеровских частот цели улучшает рабочие характеристики локатора. Это одно из основных преимуществ та­кого оптического локатора по сравнению с обычными радиолока­торами.