Применение лазеров в технологических процессах
сферы) и под
водой (где слоя ряда волн оптического диапазона существуют окна
прозрачности).
В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три
основных свойства электромагнитных волн:
1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором она
расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное
излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от
леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры
которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из
основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина
волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае
излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени.
Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная
способность, чем радиолокатору - чем, короче волна, тем она выше. Поэтому-
то проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода от длинных
волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона,
излучающих сверх короткие радиоволны, становилось все более трудным делом,
а затем и зашло в тупик.
Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.
2. Способность распространяться прямолинейно. Использование
узконаправленного лазерного луча, которым производиться просмотр
пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели).
Это направление находят по расположению оси оптической системы,
формирующей лазерное излучение (в радиолокации - по направлению антенны).
Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг.
Определим коэффициент направленного действия, и диаметр антенны по
следующей простой формуле,
G = 4п * S
/ 2
где G - коэффициент направленного действия, S - площадь антенны, м2, /
- длина волны излучения мкм.
Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности
около 1,5 при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь
антенну диаметром около 10м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем
более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно
использовать более короткие волны.
Угловой раствор луча лазера, изготовленного с использованием
твердотельного активного вещества, как известно, составляет всего 1,0 - 1,5
градуса и при этом без дополнительных оптических фокусирующих систем
(антенн). Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно
меньше, чем аналогического радиолокатора. Использование же незначительных
по габаритам оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких
угловых минут, если в этом возникнет необходимость.
3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной
скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так. при
импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:
L = ct и
2
где L - расстояние до объекта, км, С - скорость распространения
излучения км/с, t и - время прохождения импульса до цели и обратно, с.
Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность
измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения
импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем, короче
импульс, тем лучше (при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят
радисты). Но нам уже известно, что самой физикой лазерного излучения
заложена возможность получения импульсов с длительностью 10-7 - 10-8 с.
А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.
Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его
паспортные данные?
Прежде всего зона действия. Под ней понимают область пространства, в
которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и
минимальной дальности действия и пределами обзора по углу места и азимуту.
Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора.
Другим параметром локатора является время обзора. Под ним понимается
время, в течение которого лазерный луч приводит однократный обзор заданного
объема пространства.
Следующим параметром локатора являются определяемые координаты. они
зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения
местонахождения наземных и надводных объектов, то достаточно измерять две
координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами
нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной
точностью, которая зависит от систематических и случайных ошибок. Их
рассмотрение выходит за рамки данной книги. Однако будем пользоваться таким
понятием, как разрешающая способность. Под разрешающей способностью
понимается возможность раздельного определения координат близко
расположенных целей. Каждой координате соответствует своя разрешающая
способность. Кроме того, используется такая характеристика, как
помехозащищенность. Это способность лазерного локатора работать в условиях
естественных (Солнце, Луна) и искусственных помех.
И весьма важной характеристикой локатора является надежность. Это
свойство локатора сохранять свои характеристики и установленных пределах
в заданных условиях эксплуатации.
Схема лазерного локатора, предназначенного для измерения четырех
основных параметров объекта (дальности, азимута, угла места и скорости).
Хорошо видно, что конструктивно такой локатор состоит из трех блоков:
передающего, приемного и индикаторного. Основное назначение передающего
локатора - генерирование лазерного излучения, формирование его в
пространстве, во времени и направлении в район объекта. Передающий блок
состоит из лазера с источником возбуждения, модулятора добротности,
сканирующего устройства, обеспечивающего посылку энергии в заданной зоне по
заданному закону сканирования, а также передающей оптической системы.
Основное назначение приемного блока - прием излучения отраженного
объектом, преобразование его в электрический сигнал и обработка для
выделения информации об объекте. Оно состоит из приемной оптической
системы, интерференционного фильтра, приемника излучения, а также блоков
измерения дальности, скорости и угловых координат.
Индикаторный блок служит для указания в цифровой форме информации о
параметрах цели.
В зависимости от того, для какой цели служит локатор, различают:
дальномеры, измерители скорости (доплеровские локаторы), собственно
локаторы (дальность, азимут, и угол места).
Наземные лазерные дальномеры. Лазерная дальнометрия является одной из
первых областей практического применения лазеров в зарубежной военной
технике. Первые опыты относятся к 1961 году, а сейчас лазерные дальномеры
используются и в наземной военной технике (артиллерийские, таковые), и в
авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели), и на флоте. Эта техника
прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время
ряд дальномеров принят на вооружение во многих армиях мира.
Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к
измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и
сигналом, отражения от цели. Различают три метода измерения дальности в
зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения
используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазово-импульсный.
Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к
объекту посылается зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик
в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то
он останавливает работу счетчика. По временному интервалу автоматически
высвечивается перед оператором расстояние до объекта. Используя ранее
рассмотренную формулу, оценим точность такого метода дальнометрирования,
если известно, что точность измерения интервала времени между зондирующим и
отраженным сигналами соответствует 10-9 с. Поскольку можно считать, что
скорость света равна 3*1010 см/с, получим погрешность в изменении
расстояния около 30 см. Специалисты считают, что для решения ряда
практических задач этого вполне достаточно.
При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется
по синусоидальному закону. При этом интенсивность излучения меняется в
значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется
фаза сигнала, упавшего на объект. Отраженный от объекта сигнал придет на
приемное устройство также с определенной фазой, зависящей от расстояния.
Это хорошо показано в разделе геодезических дальномеров. Оценим погрешность
фазового дальномера, пригодного работать в полевых условиях. Специалисты
утверждают, что оператору (не очень квалифицированному солдату) не сложно
определить фазу с ошибкой не более одного градуса. Если же частота
модуляции лазерного излучения составляет 10 Мгц, то тогда погрешность
измерения расстояния составит около 5 см.
Первый лазерный дальномер ХМ-23 прошел испытания, и был принят на
вооружение армий. Он рассчитан на использование в передовых наблюдательных
пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем является лазер на
рубине с выходной мощностью 2.5 Вт и длительностью импульса 30нс. В
конструкции дальномера широко используются интегральные схемы. Излу
| |  скачать работу |
Применение лазеров в технологических процессах |
