Литература / Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы (1990)

Рис. 19.3 Рис. 19.4

приемного устройства (ОПУ), состоящего из оптической приемной антенны, светофильтра и фотоприемника. В ОПУ применяют линзовые, отражательные и смешанные антен­ ные устройства. Среди линзовых антенн наиболее рас­ пространенной является телескопическая система, изоб­ раженная на рис. 19.3.

Принимаемый световой пучок поступает на объектив

объектива. С помощью окуляра 3 формируется парал­ лельный 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, иереотражается на зеркало 1 и после прохождения диафрагмы 3 преобразуется с помощью окуляра 4, оптического фильтра 5, фокусирующей линзы 6 и поступает на фотоприемпик 7. (Z'N'vlUuIIHuM система позволяет получить компактную и деюевую конструкцию с малым коэффициентом оптических потерь.

Фотоприемник, преобразующий оптический сигнал в электрический, может быть выполнен на основе прямого

фотодетектирования (энергетический прием) или с по­ мощью оптического гетеродинирования.

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

При гетеродинном приеме (рис. 19.5) на светочувстви­ тельный элемент 4 подается аддитивная смесь принятого

421

Рис. 19.5

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 исполь­ зования 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 полез­ ного сигнала, то мешающее излучение, приходящее с дру­ гого направления, будет ослаблено. Для реализации фотогетеродинного метода необходимы лазерный источник и гетеродин, работающие в одночастотном режиме с со­ хранением 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 качест­ венные показатели, является светочувствительный элемент— фотодетектор (ФОД). В ФОД используется внешний либо внутренний фотоэффект. Из приборов с внешним фотоэффек­ том в видимом и ультрафиолетовом диапазонах наиболь­ шее распространение получили фотоэлектронные умножители.

Остальные узлы ОЛС, обеспечивающие обработку

координатам, принципиально не отличаются от соответст­ вующих устройств РЛС.

§ 19.2. ОПТИМАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКИХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Синтез алгоритмов оптимальной обработки оптических сигналов, как и сигналов радиодиапазона, основан на

422

использовании статистического описания наблюдаемых по­ лей. Как отмечалось в § 19.1, для поля на апертуре приемной оптической антенны моделью, отражающей ре­ альные условия приема оптического сигнала, является нормальное случайное поле.

Полное статистическое описание нормального случай­ ного поля x(t, г), наблюдаемого на апертуре $л в интервале

который является обобщением (1.8) для случайного нор­ мального поля. Обратная корреляционная функция Л'-1(г1,

функцию, определяемую выражением (19.1), функционал ПВ имеет вид

(19.3)

что является пространственно-временным аналогом соот­ ношения (1.9). Такую помеху называют белым светом.

Функционал ПВ для суммы детерминированного опти­ ческого сигнала s(t, г) и фоновой помехи n(t, г) записывает­

сточностью до фазы равносильно знанию расстояния до цели с точностью до длины волны. Поэтому для описания оптического сигнала, имеющего максимальную степень детерминированности, используют модель поля, известного

сточностью до случайной равномерно распределенной

423

начальной фазы. Такой модели соответствует излучение одномодового, стабилизированного по амплитуде лазера на частоте f0, отраженное от зеркальной поверхности при отсутствии возмущающего действия среды (космос, идеаль­

где s(r)—полностью известная комплексная амплитуда поля на апертуре SA.

Подставив (19.5) в (19.4) и выполнив усреднение по ф (см. § 2.3), получим выражение для функционала ПВ суммы монохроматического сигнала и фоновой помехи:

где Е—энергия сигнала; у(2п/0, г) = jy(r, г)ехр(—j2nfot)dt —

о

результат преобразования принятого излучения у(ь, г) уз­ кополосным светофильтром, настроенным на частоту сиг­ нала /0.

Соотношения (19.3) и (19.6) позволяют записать ОП в виде

от используемого критерия оптимальности обнаружителя. Схема устройства, реализующего данный алгоритм и называемого когерентным оптическим коррелятором,

приведена на рис. 19.6. Поступивший на входную апертуру 1 оптический сигнал y(t, г) пропускается через узкополосный светофильтр 2, настроенный на частоту /0, затем он

424

Рис. 19.6

проходит через транспарант 3, коэффициент пропускания которого равен функции, комплексно-сопряженной s(r).

света в электрический сигнал, является ФОД 5. Выходной

ботки отражает пространственно-временной характер при­ нимаемого сигнала. Временная (частотная) обработка реа­ лизуется с помощью узкополосного светофильтра, а про­

теля (вероятности ложной тревоги рлт и правильного обнаружения рп0) требуется знание законов распределения выходного сигнала ФОД при действии на входе ОЛС фоновой помехи и смеси сигнального излучения с помехой.

Как отмечалось, ФОД преобразует входной световой поток в число фотоэлектронов. Это преобразование проис­ ходит по законам теории фотоэффекта, в соответствии

скоторыми при постоянной энергетической освещенности

Пчисло фотоэлектронов, эмиттируемых фотокатодом за время Т, является случайным и описывается распределением Пуассона

где й = Г1ПТ5к/(/1/) — среднее число фотоэлектронов; г] — квантовая эффективность фотокатода, имеющая смысл ве­

425

В ОЛС энергетическая освещенность П (/, г) является случайной функцией времени и пространственных координат. В связи с этим в выражении для п произведение ПТД,, численно равное энергии излучения Е, нужно заменить на

и распределение (19.7) рассматривать как условное Р(п!Е) для энергии Е принятой реализации поля. Интегрирование в (19.8) ведется по поверхности апертуры приемной антенны, поле на которой с помощью соответствующих оптических приборов фокусируется на поверхности фотокатода. Безус­ ловное распределение Р(п) находят путем усреднения Р(п/Е) с использованием ПВ И^(Е):

Р(и)= Р(п/Е) lP(E)dE= ехр(-г}Е//1/)^£^^ W(E)dE.

оо

(19.9)

Вид распределения li'(E), а следовательно, и Р(п) зависит от статистики мгновенных значений энергетической освещенности, а также от соотношения между параметрами пространственно-временной когерентности принимаемого из­ лучения, с одной стороны, и параметрами оптического приемника и временем наблюдения— с другой. Эти соотно­ шения определяют число т = т,тг независимых пространст­ венно-временных ячеек, суммируемых при расчете энергии по (19.8). Число временных ячеек mt = T&f где Д/—ширина спектра оптического сигнала (для светового фона Д/ = Д/ф; Д/ф — полоса пропускания оптического фильтра). Число независимых пространственных ячеек тг зависит от от­ ношения площади апертуры приемной антенны SA к пло­ щади когерентности Sa излучения: mr = SA/S„.

Для дельта-коррелированного фонового излучения тг может быть вычислено как отношение телесного угла поля зрения приемника (см. рис. 19.3) к дифракционному углу Яд«Хи2/Дл.

Излучение на выходе оптического фильтра в пределах одной пространственной ячейки в соответствии с принятой моделью сигнала и помехи можно рассматривать как сумму узкополосного нормального шума (фоновое излуче­ ние) и гармонического сигнала (сигнальное излучение). Огибающая Z такого процесса подчинена обобщенному

426

рэлеевскому закону (3.17), а энергетическая освещенность имеет ПВ вида

0, П<0,

где Пш — средняя энергетическая освещенность, создаваемая шумом; Пс—энергетическая освещенность, формируемая когерентным сигналом.

На интервал наблюдения [0, Т] приходится т, незави­ симых отсчетов, подчиняющихся распределению (19.10). Для отыскания ГИ(£) необходимо найти ПВ суммы т незави­

№(£), а затем с помощью (19.9) — и Р(п). Полученное выражение оказывается сложным. Однако его анализ по­

для Р(п) можно использовать пуассоновское приближение:

где п0—пороговый уровень; Г(х, у)—неполная гамма-фун­ кция, табулированная в ряде руководств.

На рис. 19.7 приведены построенные по формулам

427

для практики значений рп0 и д1т. Параметрами кривых

единицы (работа ОЛС в дневное время, сильная помеха обратного рассеяния), то распределения Пуассона (19.12) могут быть заменены гауссовскими ПВ, имеющими такие же средние значения и дисперсии.

D {и} равны.

Следует еще раз обратить внимание на тот факт, что даже при отсутствии помехи (йп = 0) и отличном от нуля пороговом уровне п0 вероятность правильного обнаружения рпо= 1 —Г(и0, йс)/(«0—1)!< Е Как отмечалось, это является следствием квантовой природы излучения.

Было рассмотрено обнаружение излучения, обладаю­ щего идеальной пространственно-временной когерентностью. С алгоритмами оптимальной обработки оптических сиг­ налов более сложной структуры можно познакомиться по специальным работам .*

На каких физических принципах основана работа лазера?

•В чем достоинства и недостатки ОЛС?

Каковы наиболее перспективные области применения ОЛС? Какие изменения претерпевает оптическое излучение при распространении через турбулентную среду?

Чем объясняется широкое использование модели нормаль­ ного случайного поля при математическом описании опти­ ческого сигнала?

*См., например: Лазерная локация/Я. Н. Матвеев, В. В. Про­

топопов и др.; Под ред. Н. Д. Устинова. — М.: Машиностроение,

1984.

428

Сопоставьте алгоритмы оптимального обнаружения гармо­ нического сигнала со случайной начальной фазой н моно­ хроматического когерентного излучения.

Пользуясь гауссовской аппроксимацией распределений (19.12), запишите выражения для рлт. и

ГЛАВА 20

РАДИОТЕПЛОЛОКАЦИЯ

§ 20.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАССИВНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

В пассивной радиолокации объектами обработки явля­ ются случайные волновые поля, создаваемые тепловым излучением тел. Поэтому пассивную радиолокацию называ­ ют радиотеплолокацией или радиометрией. Радиометры работают в инфракрасной, миллиметровой и сантиметровой областях электромагнитного спектра.

Достоинством пассивных РЛС является скрытность их работы, связанная с отсутствием излучения. По этой же причине энергетические характеристики, габариты и масса пассивных РЛС выгодно отличают их от РЛС, работающих

вактивном режиме. К недостаткам радиометрических

методов следует отнести малый уровень и случайный

кационные станции и системы. — М.: Советское радио. Т. 4. 1978.

429

Таблица 20.1

щает падающее на него излучение во всем частотном диапазоне. АЧТ в природе не существует, но в санти­ метровом и миллиметровом диапазонах по своим свойствам к АЧТ приближаются противорадиолокационные покрытия, лес и некоторые другие объекты.

.Спектральная плотность потока теплового излучения АЧТ в диапазоне частот и температур, используемых в радиотеплолокации, определяется законом Рэлея-Джинса

В этом выражении к= 1,38 • 10~23 Дж/К—постоянная Бо­ льцмана; f—частота, Гц; Т—абсолютная температура

от АЧТ не полностью поглощает падающее на него излучение, можно характеризовать яркостной температурой

где а — коэффициент поглощения. Для непрозрачных тел

Из соотношения (20.4) следует, что чем лучше тело отражает электромагнитную энергию (г и 1), тем хуже оно ее излучает (аяаО).

Тепловое излучение характеризуется ДН, форма кото­ рой зависит от свойств поверхности излучающего тела

430