Возможности применения лазеров в локации

Дифракционные потери составляют только часть полных потерь энергии  при

передаче сигнала. Не говоря о потерях возбуждения, сигнал в  линии затухает

также из-за потерь на отражение  от поверхности линз и поглощение в материале

линз. Потери на отражение  могут быть значительно снижены  просветлением

линз, хотя это и увеличивает  стоимость линии и сужает полосу передаваемых

частот. Обычно потери на отражение  и поглощение составляют большую  часть

потерь. Увеличивая расстояния между линзами, можно потери уменьшить, но

тогда нужно применять  линзы большого диаметра для того, чтобы снизить

возрастающие при этом дифракционные потери.

Необходимость использования  линз и зеркал больших размеров значительно

усложняет устройство оптических лучеводов и увеличивает их стоимость.

Предлагается более совершенный  способ ориентации луча, по которому

используется совокупность пар отражателей, имеющих цилиндрическую

поверхность. В каждой паре отражатели расположены по отношению  друг к другу

таким образом, чтобы их фокальные  плоскости были взаимно ортогональными.

Каждая пара отражателей  представляет собой длиннофокусную линзу, причем

расстояние между соседними  парами приблизительно равно сумме  их фокусных

расстояний. Угол поворота светового  луча каждой парой отражателей

определяется ориентацией  данной пары по отношению к некоторой  плоскости.

Такая система характеризуется  весьма малыми потерями, широкополосностью и

простотой конструкции.

1.4.3 Волоконные волноводы

Волоконный волновод является вариантом диэлектрического стержневого

волновода.

В волноводах большого диаметра (10+100 мк) условия распространения волн

аналогичны условиям в отражающей трубе, за исключением того, что волокно

может быть изогнуто на небольшой  угол без существенного увеличения потерь.

Распространение волн идет почти целиком внутри волокна, и  затухание

передаваемого сигнала определяется потерями в диэлектрике волокна. Такие

многомодовые волоконные волноводы используются уже давно, но в связи со

сравнительно большими потерями их применение ограничивается только

короткими трактами передачи.

В волноводах малого диаметра (менее 0,1 мк) большая часть энергии идет

снаружи волокна в виде поверхностной волны. В связи  с этим затухание волн

невелико. Потери в этих одномодовых волноводах могли бы быть меньше 10 дб/

км, но здесь возникают трудности их закрепления на большом протяжении. Малая

величина потерь может  быть реализована только в том  случае, если поверхность

волокна не имеет изъянов  и точек соприкосновения с  другими предметами. Для

получения хорошего состояния  поверхности стекло полируют па пламени.

Волокно крепится методом  плакировки, т. е. нанесением поверхности  слоя,

причем коэффициент преломления  этого слоя должен быть меньше, чем  самого

волокна. Поверхностная волна, распространяясь в таком плакирующем, слое

(толщиной в десятые  доли микрона), уже не возмущается  поддерживающими

линию деталями.

1.4.4 Газовые волноводы

В волноводах второго класса нет необходимости делать резкую границу между

диэлектриком и свободным  пространством. В этом случае можно  применить

плавное уменьшение величины диэлектрической проницаемости  в поперечном

сечении волновода. Такие волноводы можно получить, например, воздействием

силовых полей с цилиндрической симметрией на трубку, например из двуокиси

углерода. Очевидно, такие  трубки могут служить эффективным оптическим

волноводом.

Основное преимущество газовых  волноводов заключается в малом  затухании, так

как потери в таких газах  ничтожны. Однако из-за малости коэффициента

преломления эти волноводы  не так эффективны при наличии  изгибов, как

волоконные.

1.4.5 Оптические микроволноводы

Принцип работы оптического  микроволновода основан на малости затухания при

распространении поверхностной волны (рисунок 1.12, а). В простейшем виде

показан оптический микроволновод, который состоит из тонкой Диэлектрической

пленки 1, которая закреплена в поддерживающей системе 2. Микроволновод

возбуждается параллельным пучком лучей так, что электрическое  поле имеет

поляризацию, перпендикулярную пленке. Толщина пленки составляет доли длины

волны (около 0,05 мк), а ширина пленки позволяет свободно пропустить весь

пучок света, обычно 10 000 длин волн.

Рисунок 1.12 - Типы оптических микроволноводов

 

Распространяющаяся по пленке мода является плоской поверхностной  волной,

симметричной средней  плоскости пленки. Большая часть  энергии идет снаружи

пленки и только небольшая  ее часть проходит внутри. Поэтому  потери в линии

сравнительно малы.

В плоскости, перпендикулярной поверхности пленки, микроволновод можно

изгибать без существенного  увеличения потерь.

В плоскости, параллельной пленке, изгиб можно делать, только применяя скрутки

на 90°, так как в этой плоскости волновод за собой «поле  не ведет».

Внешнее конструктивное выполнение оптического микроволновода определяется

технологическими соображениями. Оболочка не участвует в передаче волн и

служит только для защиты и крепления пленки. Существует много  способов

крепления тонкой пленки. На рисунке 1.12, б показан пленочный  волновод,

поддерживаемый конфокальной системой линз, где 1 — тонкая пленка, 2 -

миниатюрные линзы. Однако подобные структуры имеют большой недостаток

изгибы в них могут  осуществляться только в одной плоскости На рисунке 1.13, в

изображен волновод в виде скрученной пленки. Здесь пленка в  виде непрерывной

скрутки помещена в гибкую защитную трубу. Такой волновод может иметь изгибы

в любой плоскости при  условии, что радиус изгиба велик  по сравнению с

периодом скручивания.

Итак, имеется значительное количество типов световодов и лучеводов, каждый из

которых имеет свои достоинства и недостатки.

Основное достоинство  световодов — их способность преодолевать неровности,

изгибы, недостаток — сравнительно большое затухание.

Лучеводы имеют меньшее затухание, однако они чрезвычайно чувствительны к

смещениям грунта, требуют  высокоточной юстировки, плохо преодолевают

плавные изгибы. Применение автоматической юстировки уменьшает указанные

недостатки. Однако при этом значительно возрастает сложность  и стоимость

системы.

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 сис-

тем. 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

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