Системы оптической локации - лидары

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Системы оптической локации лидары



Лидары (лазерные локаторы, от LightDetectionandRanging) обладают огромными преимуществами по сравнению с обычными радиолокаторами и акустическими локаторами. Принцип действия лидаров не отличается от традиционных локаторов: регистрация отраженного сигнала, только не радио-или акустического, а светового. Поскольку скорость света известна, то по времени прихода отраженного сигнала можно определить расстояние до объекта исследования, а по самому отраженному сигналу характеристики этого объекта. У лидаров есть неоценимые преимущества по сравнению с обычными локаторами. Дело в том, что они работают и в воде (вода не прозрачна для радиосигналов), и в воздухе (дым и облака для радиосигналов, наоборот, совершенно прозрачны). Что же касается ультразвука, то для него серьезным препятствием оказывается мутная вода или пена. Для лидаров же такие среды не проблема.

Так появляется возможность строить системы, позволяющие быстро найти под водой движущийся объект, даже если вода мутная, площадь поиска тысячи квадратных километров, а сам объект поиска плывет не на поверхности, а спрятан в толще воды.

С помощью расположенного на борту самолета лидарного комплекса можно не только находить косяки рыбы,но и оценивать ее количество.

Океанологи, поставив лидарный комплекс на самолет, могут за несколько месяцев построить карты прозрачности и солености морской воды для моря среднего размера, вроде Карского, работа, на которую при традиционных методах надо потратить годы. Лидары используются в экологии для поиска на морской поверхности пятен нефти. С их помощью можно контролировать природные и техногенные атмосферные аэрозоли, дымы, промышленные выбросы в атмосферу, наконец, следить за тем, как соблюдают технологическую дисциплину предприятия повышенной экологической опасности.

Кроме того, в отличие от любых других локаторов, лидары способны “засечь” даже небольшой дымок и найти его источник, а значит, их можно использовать для раннего обнаружения лесных пожаров на территории в десятки тысяч гектаров.

Поляризационный авиационный лидар ПАЛ-1 используется для обследования акватории Белого и Баренцева морей.

Типы лидаров

Рамановский лидар применяется для исследования содержания водного пара в тропосфере на высотах от 0,5 до 5 км. Лидарные измерения проводятся в ночное время в автоматическом режиме и используются для экологического контроля и атмосферных исследований. Основные параметры приведены в табл. 1.

Таблица 1

Источник излучения	XeCl эксимерный с металло-керамической разрядной камерой. Выходная энергия 300 мДж
Рабочие длины волн	Сигнал упругого рассеяния 308 нм Рамановский сигнал от азота 331 нм Рамановский сигнал от водяного пара 347 нм
Приемный телескоп	Телескоп Кассегрена с апертурой 60 см
Регистрация	Аналоговая

Отношения рамановских сигналов от водяного пара и азота измерены в течение 2-х часов и приведены на рис. 23. Профили сдвинуты относительно друг друга на величину 0,1.

Рис. 23

Лидар для мониторинга воздушных бассейнов

оптический локация лидар

Автоматизированный передвижной лидарный комплекс, предназначенный для дистанционного оперативного анализа газового состава атмосферы, создан на базе одномодового CO2-лазера. Измерение распределения в пространстве концентрации веществ в многокомпонентных смесях в виде газов (паров) и аэрозолей обеспечивается воздушным гетеродинным СО2-лидаром наземного или бортового базирования,оптическая схема приведена на рис. 24. В состав аппаратуры входит ИК-гетеродинныйлидар дифференциального поглощения и рассеяния с парой или более непрерывных перестраиваемых в диапазоне 9….11 мкм одночастотных СО2-лазеров.

Излучение каждого из лазеров делится на два пучка: сигнальный и гетеродинный. Сигнальные пучки совмещаются в один канал и направляются в антенну. Гетеродинные пучки, получив частотный сдвиг в акустооптических модуляторах (АОМ), объединяются и направляются на смеситель, где смешиваются с отраженным излучением. После этого излучение поступает на криогенные фотоприемные устройства (ФПУ). Измерения проводятся в режиме синхронного детектирования, для чего в сигнальном канале устанавливается оптический модулятор (МОД).

Лидар обеспечивает непрерывный дистанционный мониторинг воздушного бассейна и подстилающих поверхностей, идентифицируя и измеряя интегральные содержания сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ), в том числе ОВ, как в газовой, так и в аэрозольной фазах (биоаэрозолей и радиоактивных аэрозолей).

Рис.24

Программно-математическое обеспечение лидара содержит базу данных спектров поглощения и рассеяния на линиях излучения CO2-лазеров объектов контроля, мешающих примесей и подстилающих поверхностей, алгоритмы и программы обработки измерительной информации. Принципиальным отличием разработки является: использование различных спектральных методов в одном лидарном комплексе; применение в его конструкции оригинальных новейших разработок основных элементов комплекса (лазер, ФПУ, радиоэлектронный блок и др.); наличие спектральной базы данных и методик дистанционной диагностики; апробация методик и аппаратуры в натурных условиях.

Технические характеристики лидара:

Дальность действия лидара при работе по движущейся топографической мишени или по земле:

- в зависимости от состояния атмосферы: до 37 км;

- дополненный квантовыми излучателями: до 15 км;

- угловое разрешение: 0,25 - 1,0 мрад, при апертуре антенны 100 и 400 мм;

- угол обзора: 30о относительно линии полета;

- время измерения в одной точке, при работе по топографической мишени: не более 3 мс;

- масса и габариты: 30 кг, 0,25 м3;

- ожидаемая наработка на отказ: не менее 1000 ч.

Область применения:экологический дистанционный мониторинг воздушного бассейна.

Лидары комбинационного рассеяния

Для зондирования молекул газовых составляющих атмосферы наибольшее распространение получили лидары комбинационного рассеяния (КР), имеющие высокое пространственное и временное разрешение. Оптимизация подобных лидарных систем открывает большие возможности для экспериментальных исследований газовых молекул в атмосфере.

Мощность сигнала определяется лидарным уравнением

, (21)

где P(,R) мощность сигнала КР(на фотоприемнике при длине волны ), приходящего с расстояния R;

PL мощность лазера с длиной волны ;

K1 постоянная лидара;

шаг по расстоянию;

A0 площадь приемного телескопа;

T(L, R), T (, R) пропускание атмосферы соответственно на длине волны лазерного излучения и сигнала КР;

дифференциальное сечение КР исследуемой молекулы на длине волны лазера;

Na концентрация молекул.

Так как фоновое излучение Солнца оказывает сильное влияние на регистрируемую лидаром мощность КР, то параллельно были выполнены расчеты фоновой мощности на фотоприемнике

, (22)

где Sb() спектральная яркость солнечного излучения, Вт/м2стернм;

(R) телесный угол поля зрения приемного телескопа;

спектральная ширина приемного тракта, равная 1 нм.

Рассмотрено также влияние фоновой засветки на потенциальные возможности лидараКР для зондирования ароматических углеводородов в атмосфере.

По данным расчетов и экспериментов:

-для всех исследуемых молекул с увеличением расстояния сигнал КР уменьшается на два порядка на первом километре и еще на два на следующих пяти километрах;

-максимальный сигнал КР и наибольшее его превышение над фоном по всей трассе зондирования наблюдается для длины волны 271,2 нм, следовательно, использование в лидаре излучения лазера на парах меди с длиной волны 271,2 нм является оптимальным;

для постоянной времени увеличение частоты приводит к увеличению энергии КР, причем энергия фона растет в f1/2 раз медленнее, чем постоянная времени (так например, при частоте следования импульсов 1 кГц концентрацию исследуемых молекул порядка 1011 см-3 можно зарегистрировать на расстояниях до 1 км, а при частоте следования импульсов 500 кГц - на расстояниях до 5 км).

Исследуемые вещества можно зарегистрировать на следующих расстояниях от излучателя:

1. С концентрациями 1019 см-3:

- бензол (С6Н6) в выбранном диапазоне расстояний,

- толуол (С7Н8) до 5 км,

- пиридин (С5Н5N) до 4,7 км.

2. С концентрациями порядка 1011 см-3 (ПДК):

- бензол (С6Н6) - до 250 м,

- толуол (С7Н8) до 70 м,

- пиридин (С5Н5N) до 20 м.

Лазерные локационные станции (ЛЛС)

Лазерная локация - это обнаружение и определение местоположения объекта с помощью ЛИ. Технические средства, предназначенные для лазерной локации, называются лазерными локационными системами (ЛЛС).

Передатчики ЛЛС работают на частотах 31013 51014 Гц. Оптический диапазон излучения обусловливает наличие следующих особенностей лазерной локации:

-Пространственная распределенность целей для ЛЛС ввиду малой длительности зондирующего импульса и узости диаграммы направленности передающей и приемной оптических антенн.

-Зависимость точности многих локационных измерений при работе ЛЛС в приземном слое атмосферы (тропосфере) от условий распространения оптических волн в тропосфере.

-Сильное ослабление ЛИ и отраженных оптических сигналов во время дождя, снега и тумана (за счет рассеяния), что ограничивает дальность действия ЛЛС в наземных и приземных условиях.

-Большое время обзора и сложность наведения узких диаграмм направленности ЛЛС на цель.

-Ограниченная эффективность обнаружения оптических сигналов в ЛЛС не только из-за шумов (внутренних и внешних), но и за счет квантовой природы самих сигналов.

Преимущества ЛЛС по сравнению с РЛС:

- высокая точность измерения дальности, угловых координат и радиальной скорости;

- высокая разрешающая способность;

- способность измерять очень малые скорости цели;

- высокая помехозащищенность;

- небольшие масса и габариты.

Недостатки:

- рассеяние оптического излучения в атмосфере;

- трудность выделения полезного сигнала в фотоприемнике из-за обратного рассеяния;

- большое время обзора;

- сложность наведения ЛЛС на цель.

ЛЛС применяют в космической технике, геодезии, метеорологии. С помощью ЛЛС измеряют координаты искусственных спутников Земли, расстояние от Земли до Луны, высоту облаков, исследуют атмосферу.

Структурная схема ЛЛС изображена на рис. 25 и содержит:

- лазерное передающее устройство (ЛПУ);

- оптико-электронное приемное устройство (ОПУ);

- систему первичной обработки локационных данных;

- систему автоматического сопровождения цели по направлению (АСН);

- систему управления и наведения;

-оптико-механическая систему ручного нацеливания.

ЛПУ предназначено для генерации когерентных колебаний оптического диапазона волн, их модуляции по заданному закону и излучения зондирующего сигнала в требуемом направлении и определенном телесном угле, характеризующем направленность ЛПУ. Оно состоит из лазерного передатчика (ЛП) 1 и передающей оптической системы (ПОС), включающей в себя коллимирующий 2 и отклоняюще-сканирующий 3 блоки.

ЛП может работать в импульсном или непрерывном режиме. В его состав входят лазер, блок питания и управления, модулятор. Существует два способа модуляции лазерного излучения: путем непосредственного управления лазером (внутренняя модуляция) и с помощью воздействия на само излучение (внешняя модуляция).

Рис. 25

ЛЛС в режиме поиска и обнаружения цели

Вследствие низкой частоты посылки импульсов излучения твердотельных лазеров в импульсных ЛЛС применяется моноимпульсный метод измерения угловых координат цели. На рис. 26 изображена структурная схема моноимпульсной ЛЛС.

В передающем блоке этой станции используется полупроводниковый лазер на арсениде галлия, охлаждаемый жидким азотом. Измерение угловых координат цели в локаторе осуществляется приемным блоком с разделением принимаемых от цели сигналов по четырем каналам с помощью оптических призм-расщепителей. Разностный сигнал с выхода каждого канала после усиления поступает в соответствующую следящую систему для наведения ЛЛС по угловым координатам на цель. Дальность до цели определяется оператором визуально по индикатору.

Для расчета ЛЛС следует определить:

-эффективность обнаружителя сигнала, т.е. рассчитать минимальное число фотонов сигнала, при котором принимаемый оптический сигнал превышает пороговый уровень с заданной степенью надежности;

- пороговую мощность оптического сигнала Рпор (т.е. минимальную мощность сигнала Рс на входе приемника ЛЛС, при которой он может быть обнаружен с заданными вероятностями правильного обнаружения D и ложной тревоги F).

Рис. 26

Эффективность обнаружения оптического сигнала

Рассмотрим приемник оптических сигналов.

Для определения структуры оптимального приемника интервал наблюдения Т, равный длительности сигнала и, разбивается на ряд подынтервалов. Наблюдаемая выборка из реализаций в виде чисел фотоэлектронов n1, n2,… nN на выходе фотодетектора отождествляется с наличием сигнала в том случае, когда выполняется неравенство

, (23)

или с наличием шума, если <0. Здесь отношение правдоподобия; Рсш вероятность вылета совокупности n1, n2,…, nN фотоэлектронов смеси сигнала nc и шума nш; Рш вероятность вылета шумовых фотоэлектронов;0 - постоянная величина, которая выбирается так, чтобы вероятность выполнения неравенства 0 при отсутствии сигнала была равна значению вероятности ложного обнаружения.

Алгоритм работы оптимального приемника определяется отношением правдоподобия , и следовательно, вероятностями Рсш и Рш.

Так как вылеты фотоэлектронов на отдельных подынтервалахi являются статистически независимыми, то логарифм отношения правдоподобия можно представить так:

. (24)

Оптимальный обнаружитель должен определять величину

, (25)

подсчитывать одноэлектронные импульсы сигнала и шума на каждом подынтервалеи, а затем результат умножить на . Полученные отсчеты суммируются и сумма сравнивается с пороговой величиной l0.

Поиск и захват цели лазерным локатором

Число зондирующих импульсов ЛЛС, попадающих на цель при однократном проходе просматриваемой области, зависит от угла расходимости ЛИ л, частоты повторения зондирующих импульсов Fп и угловой скорости обзора пространства лазерным пучком обз:

nц= лFп/обз, (26)

где л = в град; Fп - в Гц; обз - в град/с.

Время, необходимое для углового обзора заданной области пространства, зависит от дальности действия ЛЛС и угла расходимости лазерного пучка на выходе передающего устройства:

Tобз=2Rmax0/(сл),(27)

где 0,л - телесные углы обзора пространства и расходимости лазерного пучка.

Вероятность захвата цели определяется по формулам:

- правильный захват:

(28)

- ложный захват:

, (29)

где D - вероятность правильного обнаружения цели по одному импульсу; F вероятность ложной тревоги; число сочетаний из n по m.

Расчет средней вероятности присутствия цели в заданном пространстве производят для различных видов ячеек по формулам:

- круглая ячейка:

10,58u; 0u1;

0,42/u; u1,

- линейная ячейка:

10,5u; 0u1;

0,5/u; u1.

Сканирование пространства в области целеуказания

Наиболее распространенная траектория сканирования пространства в области целеуказания- спиральная, а основными параметрами спирального сканирования являются:

- шаг сканирования a;

- время обзора области целеуказанияTк;

- строчная и кадровая частоты сканирования Fс и Fк.

Шаг спирального сканирования равен

A= r/zв, (30)

где r - радиус области целеуказания;zв - число витков спирали сканирования.

Число элементов разложения, находящихся на витке спирали сканирования, равно

Nc= 2в/a = 2(в/r)zв, (31)

где в радиус витка спирали.

Время просмотра для каждого цикла сканирования

1/Fc= Tc= 2 /обз = Tк /zв = 1/(Fкzв),

где Fc = обз/2.

Число элементов, просматриваемых в единицу времени,

nэ=Nс /Tс=2(в/r)zв2.

Время просмотра одного элемента

tэ= nэ-1=[2(в/r)zв2]-1. (32)

Число зондирующих импульсов, приходящихся на время обзора одного элемента,

nи=Fпtц=лFп/обз, (33)

где Fп - число повторения зондирующих импульсов.

Расчет пороговой мощности оптического сигнала

Технические данные и параметры импульсной ЛЛС, работающей в условиях атмосферы:

-передатчик с лазером на кристалле рубина с длиной волны =0,6943 мкм;

-длительность зондирующего импульса = 30 нс;

-диаметр зеркала приемной антенны DA = 50 см;

-фокусное расстояние зеркала Fз = 20 см;

-полоса пропускания оптического фильтра перед приемным фотодетектором (типа ФЭУ-79) ф = 3,0 10-3 мкм;

-площадь приемной оптической антенны SA = 1,96103 см2;

-диаметр пятна, сфокусированного на фотокатод ФЭУ, принимаемый равным диаметру рабочего участка фотокатода (ФЭУ-79), т.е.6 мм;

-оптическая толщина слоя атмосферыа = 0,3;

-альбедо А = 0,2;

-метеорологическая дальность видимости RМ = 20 км;

-коэффициент распределения яркости по небосводу = 0,172;

-плотность потока солнечного излучения на верхней границе атмосферы I0() = I0(0,69) =0,148 Втсм-2мкм-1стер-1;

- зенитное расстояние Солнца = 40.

Условия локации: день.

Мощность дневного фонового излучения

Pф = B () SAф, (34)

где B() яркость дневного безоблачного неба,

= (dф2)/4Fз2 = 710-4стер - телесный угол поля зрения приемной системы.

Яркость дневного безоблачного неба

B() = I0()[cos/]. (35)



Отсюда получаем, что Pф/ =5,4 10-6 Вт.

Рассчитаем фоновое излучение (эффективность обнаружителя сигнала) через число фотоэлектронов в секунду.

Если квантовая эффективность ФЭУ = 0,04, то

= 7,7 1011 с-1.

Для получения вероятности правильного обнаружения D=0,999 =10. Поэтому

=10-8 Вт, где =0,2. (36)

Условия локации: ночь.

Для расчета фонового излучения ночью нужно взять светимость ночного неба, определяемую излучением звезд. В этом случае мощность фонового излучения равна

Pф// =5,4 10-6 Вт; = 4,3 103 с-1. (37)

Число сигнальных фотоэлектронов Uc= 3,1; D = 0,999. Тогда

=10,4102; = 1,210-6 Вт. (38)



Библиографический список

1. Червяков Г.Г. Применение Электронных приборов и устройств. Ч.1. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. 60 с.(№2571).

2. Червяков Г.Г. Микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. 63 с.(№2571-2).

3. Червяков Г.Г. Электронные устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 165 с.(№2571-3).

4. Малышев В.А., Червяков Г.Г., Ганзий Д.Д. Нелинейные микроволновые полупроводниковые устройства. Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2001. 354 с.

5. Малышев В.А. Бортовые активные устройства сверхвысоких частот. Л.: Судостроение, 1990. 264 с.

6. Пении П. И., Филиппов Л. И. Радиотехнические системы передачи информации.М.: Радио и связь, 1984. 256 с.

7. Белавин О.В. Основы радионавигации: Учебное пособие для вузов. М.: Сов.радио, 1977.320 с.

8. Пестряков В.В., Кузенков В.Д. Радиотехнические системы: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1985.376 с.

9. Ширман Я.Д., Голиков В.Н. и др. Теоретические основы радиолокации. М.: Сов.радио, 1970. 364 с.

10. Кинкулькин В.Е. и др. Фазовые методы определения координат. М.: Сов.радио, 1977.280 с.

11. Теоретические основы радиолокации/ Под ред. В.А.Дулевича. М.: Сов.радио, 1978.607 с.

12. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. М.:Радио и связь, 1983.320 с.

13. Марков В.В. Радиорелейная связь. М.:Связь, 1979.198 с.

14. Ацеров Ю.С. Морская международная спутниковая система связи «Инморсат». М.: Электросвязь, 1982. №12.с.14 16.

15. Ярив А.Введение в оптическую электронику/Пер.с англ. Г.Л.Киселева; Под ред. О.В.Богданкевича. - М.: Высш.шк., 1983. 398 с.

16. Оптика и связь/А. Козанне, Ж. Флере, Г. Мэтр, М. Руссо: Пер. с франц.; Под ред. В. К. Соколова.М.: Мир, 1984. 502 с.

17. Оптическая связь: Пер. с англ.; Под ред. И. И. Теумина.М.: Радио и связь, 1984. 384 с.

18. Воронина Э.И., Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Расчет параметров лазерного дистанционного зондирования молекулярного водорода // РАН. Научное приборостроение. 1998. Т.8. № 12. С.6870.

19. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987. 550 с.

20. Оптические системы передачи: Уч.для вузов/Под ред. В.И.Иванова. -М.: Радио и связь, 1994. 224 с.

21. Обоимов А.Я., Деревянко С.А. Проблемы организации сети подвижной радиосвязи общего пользования // Электросвязь. 1991. №8.236с.

22. Adrew J. Viterbi. GDMA.Principles of Spread Communication.Addison-Wesley Wireless Communication Series. 1997.Р.148

23. DX200 GENERAL DESCRIBTION (MTX) NOKIA. Telecommunikations 1990.

24. Ли, УильямК. Техникаподвижныхсистемсвязи. М.: Радиоисвязь,1985.

25. Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. М.: Радио и связь, 1997.

26. Мухин А.М., Чайников Л.С. Энциклопедия мобильной связи. Системы подвижной службы общего пользования. СПб: Наука и техника, 2001. -201 с.

27. Палий А.М. Радиоэлектронная борьба. М.: Воениздат, 1974.250 с.

28. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Уч. пособие для вузов / В.С.Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю.Гринев и др.; Под ред.Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1994. 592 с.

29. Васин В.В., Степанов Б.М. Справочник-задачник по радиолокации.М.: Сов.радио, 1977.320 с.

30. Наивысшие параметры основных классов изделий электронной техники, достигнутые к 1988 г./ В.И. Генкин, Т.Г. Грачева, Т.М. Калякина и др. // Зарубежная электронная техника. М., 1988. Вып. 7. - с.27 28.

Размещено на Allbest.ru