5.4.4. Лазерные оптические локационные системы

Самым мощным и точным средством дистанционного обнаружения и распознавания объектов является ОЛС на базе оптического квантового генератора - лазера. Он позволяет получать бесконтактную информацию на рас­сто­яниях свыше 100 м.

ХХ век недаром иногда называют лазерным веком. Лазер сейчас является одним из самых распространенных приборов, да и совершенствование схем идет полным ходом. Впервые же идея усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения или инициирования самовозбуждающихся колебаний была предложена В.А. Фабрикантом и Д. Вебером в 1951 г, а реализована в 1954 году. Изготовленный Д. Гордоном, Х. Цайгером и Ч. Таунсом прибор, работавший в диапазоне сантиметровых волн, получил название мазер (от англ - Mic­rowave Amplification by Stumulated Emission of Ra­diation). В качестве активной среды использовался аммиак. Идея о переводе излучения в видимый диапазон, предложенная в 1959 г. А. Джаваном, Н.Г. Басовым и др., привела к появлению первых лазеров (Light Amplifi­cation …) - сначала твердотельного рубинового (в 1960 г. Т. Мейманом), а затем газового He-Ne (в 1961 А. Джаваном, В. Беннетом и Д. Эрриотом). За работы в этой области несколько человек были удостоены Нобелевской премии - в том числе советские физики Н. Басов и А. Прохоров.

Воснове работы лазера лежит свойство системы возбужденных атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного излучения соответствующей частоты совершать вынужденные квантовые переходы и усиливать это излучение. Система возбужденных атомов (актив­ная среда) способна усиливать падающее излучение, если она находится в состоянии с«ин­версией заселенностей». В этом состоянии число атомов на возбужденном энергетиче­ском уровне превышает число атомов на нижерасположенном уровне.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Во всех традиционных источниках света используется спонтанное излучение системы возбужденных ато­мов, складывающееся из случайных процессов излучения множества ато­мов. При вынужденном излучении все ато­­мы когерентно излучают кванты света, тож­дес­твенные по частоте, направлению распро­стра­нения и поляризации квантам внешнего поля. Каждая атомная антенна образует диполь.

Для создания«инверсии заселенностей» используются разные методы. Так, в рубиновом лазере она осуществляется посредством оптической накачки по трехуровневой схеме (рис. 5.74). При возбуждении атомы переходят из основного состояния с энергией Е₁ в состояние Е₃. Через короткий промежуток времени  10^-8 с они безизлучательно переходят в метастабиль­ное состояние Е₂. Время жизни в этом состоянии существенно выше и составляет  10^-3 с. При достаточно быстром переводе атомов из Е₁ в Е₃ плотность частиц на уровне Е₂ окажется выше, чем на Е₁ и возникнет «инверсия заселенностей» уровней Е₂ и Е₁. Лазерная генерация осуществляется при возвращении атомов на основной уровень с энергией Е₁.

В активной среде лазера, помещенной в оптический резонатор, например, в виде двух плоских параллельных зеркал, накачка создается оптичес­ким генератором (лампой-вспышкой или другим источником). Благодаря усилению при многократных проходах частиц между зеркалами формируется мощный когерентный поток электромагнитного излучения оптичес­кого диапазона, направленный перпендикулярно плоскости зеркал. Излучение выводится наружу путем открытия одного из зеркал.

Простейший лазерный излучатель состоит из следующих частей (рис. 5.75): активного элемента (в котором формируется лазерный луч), резонатора (в виде системы зеркал) и системы возбуждения (накачки).

Рассмотрим основные типы лазеров. Излучатели лазерных ОЛС можно классифи­цировать по четырем основным признакам.

1. По типу активной среды. Различают: газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые приборы. Первые, к которым относятся гелий неоновые (He-Ne), ИК на основе CO₂-N₂ и др, обладают на­ивысшим КПД  и мощ­нос­тью непрерывного излучения Р_н среди всех лазеров. Так, например, для лазера на основе CO₂-N₂ с  = 10,6 мкм,  30% и Р_н достигает  2 10⁴ Вт. Жидкостные (на органических красителях) в робототехнике не применяются. Твердотельные, использующие в качестве активной среды оптические монокристаллы и стекла, обладают наивысшей пиковой мощностью излучения Р_п. В частности, мощность излучения рубинового лазера с длиной волны  = 0,6943 мкм достигает 1ГВт в импульсе 30 нс. Что касается полупроводниковых, са­­­мых миниатюрных и маломощных из всех лазеров, то именно они в последние годы получили наибольшее применение в задачах робототехники и мехатронике. Большинство схем строятся на базе арсенида галлия (Ga-Al-As).

2. По режиму излучения: непрерывные, однократные и импульсные.

3. По диаграмме направленности: лучевые (Не-Ne, рубиновые и др. с расходимостью менее 0,010) и секторные (полупроводниковые с расходимостью  1 ... 400).

4. По мощности излучения: малой и средней мощности и пиковые. В задачах локации обычно применяются лазеры малой и средней мощности (полупроводниковые и жидкостные с мощностью излучения 0,1 мВт … 500 Вт). Мощные и пиковые лазеры используются в специальных задачах. Так, например, рубиновый спектроскоп в импульсе длительностью 100 пс развивает мощность до 2 ГВт.

В целом, в зависимости от типа лазера длина волны излучения  лежит в интервале 0,1 мкм … 0, 8 мм, мощность Р_н - 1 мкВт … 1 МВт, энергия в импульсе - 0,1 … 10⁶ Дж.

В последнее время получены очень высокие энергетические характеристики лазерных установок. Так, достигнута интенсивность излучения (плотность мощ­ности)  10²⁰ ... 10²¹ Вт/см². При такой интенсивности напряженность эле­к­­трического поля Е достигает  10¹² В/см, что на два порядка сильнее по­ля протона. Однако длительность таких излучений очень мала и не превышает величин 10^-15 с (фемто­секунды). Указанные обстоятельства позволили разраба­ты­вать лазеры, излучающие в рентгеновском (ра­зе­ры) и  диапазонах (гразеры). Длительность импульсов при этом составляет аттосекунды (10^-18 с.)

Наиболее распространенным применением лазеров в локации являются дальномеры. Промышленно выпускаются твердотельные импуль­сные лазерные дальномеры на ос­нове аллюмоиттриевого граната с неодимом. Принцип действия прибора основан на измерении временного интервала  ме­жду при­емным и опорным им­пульсами (рис. 5.76). Длительность импульсов ва­рь­ируется от 10^-15 до 10^-3 с, энергия излучения от 0,01 до 1 Дж. Эти системы, предназначенные для измерения расстояний 1 ... 30 км, используются пре­иму­щест­ве­н­но в военном деле. Наряду с твердотельными, все чаще применяют газовые ИК лазеры на основе Ar, He-Ne и CO₂. Коме высокого КПД они обладают ма­лой чувствительностью к фоновым из­лучениям и меньшим затуханием сигнала в воздушной среде.

Импульсные лазерные дальномеры также нашли широкое применение в задачах геодезии и космической навигации. Еще в 60-х годах ХХ века для проекта «Apol­lo» был разработан лазерный даль­номер на рубиновой основе, излуча­ющий импульсы длительностью  10 нс и энергией около 0,2 Дж. Дальномер обладал очень острой диаграммой направленности - расходимость луча не превышала 0,3 мрад. (При высоте орбиты космического аппарата  100 км диаметр пятна составлял 25 м). Использование этого прибора совместно с лазерным отражателем позволило измерить расстояние от Земли до Луны. Погрешность измерения (эксперимент проводился с участием астронавтов космического корабля «Apollo-11») составила 0,15 м. Твердотельный лазерный высотомер применялся на орбитальном космическом аппарате Mars Obser­ver, орбита которого имела средний радиус около 400 км. Дальномеры системы MO­BLAS используют импульсы длительностью  0,1 нс с пиковой мощностью до 1 ГВт с частотой повторения до 10 Гц.

При работе лазерного импульсного дальномера большая часть энергии из­лучения посылается в среду в виде короткого импульса, а небольшая часть не­посредственно подводится к при­ем­нику, создавая опо­рный (маркерный) импульс. Этот импульс запускает измеритель вре­мен­ного интервала. Через некоторое время = 2D/с (где D - дальность, с - скорость), отражен­ный импульс до­с­тигает приемника, и после усиления и фильтрации останавливает счетчик измерителя временного интервала. В современных лазерных даль­номе­рах величина относительной погрешности достигает  1 10^-8 %.

Лазерные системы нашли широкое применение и в других задачах. В частности, высокая частота и монохроматичность излучения позволили создавать высокоточные системы наведения и позиционирования. Лазерная головка наведения является важной частью высокоточных систем наведения, используемых как в специальных задачах (наведение ракет, бомб и пр.), так и в промышленности. Характерным примером является система уп­равления движением лазерного считывателя компакт дисков (рис. 5.77).

В большинстве конструкций головка содержит лазерный диод мощностью 2 ... 10 мВт, оптическую схему для фокусировки и управления положением фокального пятна, а также фотоприемники.

Малое по размеру фокальное пятно используется для обеспечения перемещения головки по дорожке диска, а также для точного поддержания заданного расстояния между диском и фокусирующей линзой. Это обеспечивается системойавтофокусировки, которая позволяет отслеживать осевые биения диска в пределах допускаемых  0,5 мм (рис. 5.78).

Глубина резкости лазерной головки Т_L определяется зависимостью:

где NA - числовая апертура фокусирующего объ­ектива - безразмерная величина, в данной системе она меньше 1. Тогда, например, для лазера с  = 0,635 мкм и NA = 0,6, получим Т_L = 0,88 мкм. Следовательно, «степень расфокусировки» при такой глубине резкости и допустимом изгибе дис­ка 0,5 мм составит около 600.

Оптическая схема головки наведения работает следующим образом (рис. 5.77). Свет лазера проходит через коллиматор, линейно поляризуется призмой (расщепителем), далее - сквозь четвертьволновую пластинку и отражается от диска. При отражении и прохождении через четвертьволновую пластинку обратно характер распространения световых волн изменится - на расщепитель попадет свет с перпендикулярной поляризацией по отношению к исходной. Этот свет уже не пройдет сквозь призму и отражается ею на светоприемники.

Автофокусировка осуществляется методом Фуко (подоб­ные схемы применяются также в системах автоматического наведения на резкость в телекамерах). Схема содержит линейку из четырех фотодиодов. Суммирование сигналов производится схемой, представленной на рис. 5.78г. Начальной настройкой устройства на фотодиодах формируются световые пятна, причем так, чтобы они устанавливались на границе между 1 и 2, 3 и 4 фотодиодами (рис. 5.78а). Если диск приближается к объективу (рис. 5.77б), то фокальная плоскость смещается за ребро призмы, и световые пятна возникают только на 1 и 4 ­приемниках, а разностный сигнал (рис. 5.78г) становится от­ри­ца­тельным. При удалении диска световые пятна возникают только на 2 и 3 фотодиодах (рис. 5.78в), и выходной сигнал - положительным.

Разрешающая способность оптической системы определяется диаметром фокального пятна d_ф: d_ф = /2NA. Из этой зависимости следует, что для увеличения разрешающей способности следует уменьшать длину волны и увеличивать числовую апертуру. Большинство лазерных диодов излучают ИК свет с длиной волны 0,78 мкм. Для умень­шения длины волны (и, следовательно, размера фокального пятна) увеличивают содержание алюминия, при этом получают диоды с длиной волны 0,63 мкм. В конце ХХ века были внедрены относительно коротковолновые «зеленые» и «го­лу­бые» лазеры. (Одним из основоположников этих разработок был Нобелевский лауреат 2000 г. русский физик Ж. Алферов). Что касается апертуры, то большой апертурой обладают короткофокусные объективы. Однако, надежность таких схем ниже, и поэтому в ОС выбирают компромиссное значение NA = 0,6.

К лазерным ОЛС специального назначения относятся лазерные микрофоны, принятые на вооружение американскими спецслужбами еще в 60-х годах ХХ века. С появлением полупроводниковых лазеров эти устройства стали при­меняться и частными службами. Лазерные микрофоны регистрируют модулированные колебания вибрирующих стекол. В частности, известно, что прибор TRM-1830 с даль­ностью действия 150 м днем и 400 м ночью и габаритами 262220мм использовался во время Уотергейта, приведшего к импичменту американского президента Р. Никсона. Примеры других микрофонов представлены в табл. 5.16.

Таблица 5.16. Примеры лазерных микрофонов

Модель	Излучатель	Дальность, м	Цена, $
ЛСТ-ЛА2	диод	100	700
HP-150	He-Ne, диод	1000	5000

Примечание. Модель HP-150 разработана фирмой He­w­lett Packard, США

В завершении данного раздела подведем некоторые итоги. Основные достоинствами оптронных и лазерных ОЛС являются: малая постоянная времени ( до 50 нс), широкий диапазон и высокая точность измерений, возможность измерения геометрических характеристик движущи­хся объектов, а также скоростей, высокая надежность и прочность. В то же время эти системы не лишены недостатков. Наиболее существенными из них являются: низкая помехозащищенность и чувствительность к отражающим свойствам объектов и температурная зависимость светового потока. Для оптронных ОЛС также характерна малая оптичес­кая мощность.

В табл. 5.17 представлены некоторые характеристики ОЛС.

Таблица 5.17. Примеры промышленных ОЛС

Модель	Тип	Дальность, м	, мс	, %	Размеры, мм	m, г
РФ8422	Видимого света	6	1	1	53112	200
ДОБЦ-15	ИК	0,05 ... 8	2		828 (753815)	280
LS05- LS30	ИК	1	1		820	100
NX50/70	Лучевой	10 (5*, 0,7**)	3	0,1		150
MH-10	Охранный, ИК	до 40			806043	400
SX-23	Волоконный	0,3	0,1	0,03	151025	30
NRT-390	ИК лазер	500		0,01	 2,58
Гранат	ИК (He-Ne) лазер	20000		10-4	330330410	15000

Примечание.

1. Локаторы LS05, LS30 - произведены фирмой Leuze electronic, Германия), дат­чики NX и NRT - фирмой Sunks, Япония, система MH-10 - фирмой Crow, Израиль.

2. ^* - поверхность с зеркальным отражением, ^** - прозрачная поверхность.