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, позволяющего обнаруживать предметы на расстоянии свыше 100 м.

Впервые идея усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения или инициирования самовозбуждающихся колебаний была предложена В, Фабрикан­том и Д. Всбером в 1951 г., а реализована в 1954 г. Изготовленный Д. Гордоном, X. Цамгером и Ч. Таунсом прибор, работавший в диапазоне сантиметровых волн, по­лучил название мазер.

В качестве активной среды использовали аммиак. Идея о переводе излучения в Вади­мы и диапазон, предложенная в 1959 г. Л. Джаваном, Н. Басовым и др., привела к по­явлению первых лазеров — сначала твердотельного рубинового (в 1960 г. Т. Мейма- ном), а затем газового гелиево-неонового (в 1961 г. А. Джаваном, В. Беннстом и Д. Эрриотом). За работы в этой области несколько человек были удостоены Нобелев­ской премии, в том числе советские физики Н. Басов и А. Прохоров.

В основе 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 так называемой инверсией населенностей, когда число атомов на возбужденном энергетиче­ском уровне превышает число атомов на нижерасположенном уровне.

Для создания в активной среде инверсии населенностей применяют спе­циальные методы, например накачку оптическим генератором (лампой- вспышкой или другим источником). При многократном прохождении уси­ливаемого излучения между зеркалами оптического резонатора формирует­ся мощный когерентный поток электромагнитного излучения оптического диапазона, направленный перпендикулярно плоскости зеркал. Обычно из­лучение выводится наружу через одно из зеркал, которое делают частично прозрачным.

Схема простейшего лазерного излучателя, состоящего из активной сре­ды, в которой формируется лазерный луч, резонатора в виде системы зеркал и системы возбуждения (накачки), представлена на рис. Рассмотрим основные типы лазе­ров. Их подразделяют по следующим признакам.

По типу активной среды — га­зовые, жидкостные и твердотельные, в том числе полупроводниковые. Га­зовые, у которых активной средой является, например, Не—N0 или

достигает 2-10 Вт. Жидкостные ла­зеры в робототехнике не применяют. Твердотельные лазеры, использующие в качестве активной среды оптические монокристаллы и стекла, обладают наи­высшей пиковой мощностью излучения. В частности, для рубинового лазера с

длиной волны X = 0,6943 мкм она достигает 109 Вт в импульсе длительно­стью 30 не. Что касается полупроводниковых лазеров, самых миниатюрных и маломощных, то именно они в последние годы получили наибольшее приме­нение в робототехнике и мехатронике. В большинстве схем активной средой является система Са—А1—Аз.

По режиму излучения — непрерывные, однократные и импульсные.

По диаграмме направленности — лучевые (гелиево-неоновые, руби­новые и другие с углом диаграммы направленности < 0,01°) и секторные

(полупроводниковые с углом диаграммы направленности 1...40°).

По мощности излучения — малой, средней и пиковой мощности. В за­дачах локации обычно применяют лазеры малой и средней мощности (по­лупроводниковые и жидкостные с мощностью излучения 10~4 ...500 Вт). Лазеры большой и пиковой мощности используют в специальных задачах.

Например, рубиновый спектроскоп в импульсе длительностью 100 пс разви-

9

ваег мощность до 2 • 10 Вт.

В зависимости от типа лазера длина волны излучения изменяется от

10*4 до 0,8 мм, мощность — от 10 6 до 106 Вт, энергия в импульсе — от 0,1

до 106 Дж.

В последнее время получены очень высокие энергетические характери­стики лазерных установок. Так, достигнута интенсивность излучения

25 2

10 Вт/м . При такой интенсивности напряженность электрического поля 14

составляет 10 В/м, что на два порядка сильнее поля протона. Однако дли­тельность такого излучения очень мала и не превышает фемтосекунды (10 ^-15 с). Указанные обстоятельства позволили разработать лазеры, излу­чающие в рентгеновском (разеры) и у-диапазоне (гразеры). Длительность импульсов при этом составляет аттосекунды (10 ^-18с).

Наиболее распространенным применением лазеров в локации являются дальномеры. Промышленно выпускаются твердотельные импульсные ла­зерные дальномеры на основе алюмоиттриевого граната с неодимом. Прин­цип действия прибора основан на измерении временного интервала т между приемным и опорным импульсами. Схема такого дальномера, предназна­ченного для измерения расстояний от 1 до 30 км в телесном угле 60°, пред­ставлена на рис. Длительность импульсов варьируется от 10"15до —3

10 с, а энергия в импульсе — от 0,01 до 10 Дж. Поскольку лазерные даль­номеры обладают очень узкой диаграммой направленности (ширина главного максимума не превышает 0,05 ), относительная погрешность приборов достигает 10 %). Используются такие дальномеры преимущественно в военном деле.

Рис. 5.38. Схема импульсного сканирующего дальномера фирмы Leico

Наряду с твердотельными лазерами в дальномерах также применяют га­зовые инфракрасные лазеры с активной средой из Аг, Не—Nе и СО2, имею­щие высокий КПД, низкую чувствительность к фоновым излучениям и сла­бое затухание сигнала в воздушной среде.

При работе лазерного импульсного дальномера большая часть энергии излучения посылается в среду в виде короткого импульса и лишь малая ее часть непосредственно подводится к приемнику, создавая опорный (маркер­ный) импульс. Этот импульс запускает измеритель временного интервала. Через некоторое время т = 2х$/с отраженный импульс достигает приемника

и после усиления и фильтрации останавливает счетчик измерителя времен­ного интервала.

Высокая частота и монохроматичность излучения позволили создать вы­сокоточные системы наведения и позиционирования. Лазерная головка яв­ляется важной частью таких систем, используемых как в специальных зада­чах, так и в промышленности. Характерным примером является система по­зиционирования лазерной головки в приводах оптических дисков.

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 перемещения головки по дорожке оптического диска, а так­же для точного поддержания заданного расстояния между ним и фокусирую­щей линзой. Это обеспечивается системой автофокусировки, которая позво­ляет отслеживать осевые биения диска в допускаемых пределах (± 0,5 мм).

Глубина резкости лазерной головки определяется зависимостью:

где NА — безразмерная величина, используемая для выражения разре­шающей способности высокоточных оптических систем.

Оптическая схема головки наведения работает следующим образом. Из­лучение лазера проходит через коллиматор, линейно поляризуется призмой (расщепителем), проходит сквозь четвертьволновой фильтр и отражается от поверхности оптического диска (рис. 5.39, а). При прохождении через чет­вертьволновой фильтр в обратном направлении характер распространения излучения лазера изменяется — на расщепитель попадет излучение с пер­пендикулярной поляризацией по отношению к исходной, которое уже не проходит сквозь призму, а отражается на фотоприемник в виде линейки из четырех фотодиодов.

В основе автофокусировки лежит метод Фуко (подобные схемы приме­няют в системах автоматического наведения на резкость в телекамерах). При начальной настройке оптической системы фотоприемник располагают таким образом, чтобы граница (контур) фокального пятна располагалась между наружными и внутренними фотодиодами (рис. 5.39, б). В этом случае сигналы со всех фотодиодов, а следовательно, и выходной сигнал

равны (рис. 5.39, д). Если плоскость наведения приближается к фокусирую­щей линзе (рис. 5.39, б?), то фокальное пятно увеличивается, его граница фиксируется наружными фотодиодами и сигнал Uвых становится отрица­тельным. При удалении плоскости наведения фокальное пятно уменьшает­ся, его граница фиксируется внутренними фотодиодами (рис. 5.39, г) и Uвых становится положительным. Лазерная головка перемещается к плоскости наведения или от нее в зависимости от знака сигнала Uвых

Лазерная головка:

д г

а — оптическая система: 1 — лазерный диод; 2 — коллиматоры; 3 — поляризующая призма; 4 — четвертьволновой фильтр; 5 — фокусирующая линза; 6 — плоскость наведения; 7 — фотоприемник; 8 — границы фокального пятна; б—г — принцип автофокусировки; д — схе­ма формирования сигнала управления

Разрешающая способность оптической системы определяется диаметром фокального пятна:

с!ф = Х!(2ЫА).

Из этой зависимости следует, что для повышения разрешающей способно­сти необходимо уменьшать длину волны и увеличивать числовую апертуру. Большинство лазерных диодов излучают инфракрасные волны с X = = 0,63...0,78 мкм. В конце XX в. были разработаны коротковолновые диоды, работающие в зеленой и голубой частях спектра. Что касается апертуры, то она выше у короткофокусных объективов, однако надежность таких схем ниже и поэтому в оптических системах выбирают компромиссное значение NА = 0,6.

К лазерным ОЛС специального назначения относятся лазерные микро­фоны, принятые на вооружение спецслужбами еще в 60-х годах XX в. На­пример, такие микрофоны регистрируют модулированные колебания вибри­рующих стекол.

Одним из основоположников этих разработок был Нобелевский лауреат 2000 г русский физик Ж. Алферов.

В заключение отметим основные достоинства оптронных и лазерных ОЛС: малая постоянная времени (до 50 не), широкий диапазон и высокая точность измерении, возможность измерения геометрических характеристик движу­щихся объектов, а также их скорое гей, высокая надежность и прочность кон­струкции. В то же время эти системы не лишены недостатков» наиболее суще­ственные из которых — низкая помехозащищенность и чувствительность к отражающим свойствам объектов, температурная зависимость светового пото­ка, для оптронных ОЛС также характерна малая оптическая мощность.

В табл. 5 10 дана сравнительная характеристика ОЛС.

Модель	Тип	Даль­	Быстро		Размеры, мм				т кг
		ность, м	действие,	е,%		/
			мс		й		Ь
РФ8422	Оптронный.	6	1	1	53	112	—	—	0,2
(Россия)	видимого диапазона
ДОБЦ-15	Оптронный,	0.05 8	2	1	8	28	—	—	03
(Россия)	инфракрас­ного лиапа зона
	То же	I	I	0,5	8	20	—	—	0,1
(Германия)
МН 10	»	20	Нд	5	• —	80	60	43	04
(Израиль)
ЫКТ 390	Лазерный,	500	Н.д.	001	25	8	—	—	Н.д
(Япония)	инфракрас­ною диапа юна
Гранат	То же	20 000	Н.д.	ю-4		410	330	330	15
(Россия)