Применение лазеров в связи и локации

метки: Лазерный, Сигнал, Оптический, Волна, Рисунок, Система, Частота, Поляризация

1.1 Системы связи оптического диапазона

В общем виде структурные схемы систем связи оптического диапазона и радиодиапазонов аналогичны. Как показано на рисунке 1.1, генератор оптического диапазона 1 вместе с модулятором 2 и генератором накачки 3 выполняет функции передатчика радиодиапазона. Излучатель 4 на передающей стороне и коллектор 5 на прием­ной служат передающей и приемной антеннами. Оптический кван­товый усилитель 6, преобразователь световых колебаний в электри­ческие сигналы информации 7 (модулирующий сигнал) и усилите­ли этих сигналов 8 образуют приемник. Устройства точного нацели­вания 9 служат для, совмещения оптической оси всех элементов линии. Источник передаваемой информации 10 и оконечное устройство 11, стоящее на выходе приёмника, могут быть любого типа. В оптических линиях связи могут применяться помехоустойчивые виды модуляции. Может быть построена и аппаратура уплотнения нескольких телевизионных каналов [1].

Рисунок 1.1 — Оптическая система связи

Недостаток оптической системы связи с амплитудной модуля­цией световой несущей состоит в значительных нелинейных искажениях, вызываемых работой оптического модулятора. Эти, иска­жения обусловлены нелинейностью модуляционных характеристик оптических модуляторов и практически неустранимы.

Предложена система связи с частотно-модулированной поднесущей, которая позволяет почти полностью избавиться от нелинейных искажений оптического модулятора . В этой системе связи используется частотная модуляция (ЧМ) передаваемым сиг­налом вспомогательной поднесущей. Частота поднесущей выби­рается в районе радиодиапазона или диапазона СВЧ. Полученный ЧМ — сигнал используется для амплитудной модуляции излучения лазера при помощи стандартного оптического модулятора.

На приемной стороне передаваемый сигнал детектируется фотодетектором, и после усиления подается на амплитудный ограничи­тель для устранения паразитной амплитудной модуляции. Далее полученный сигнал поступает на частотный детектор, на выходе ко­торого получается исходный сигнал. Нелинейность характеристики оптического модулятора практически не вызывает нелинейных ис­кажений передаваемого сигнала при применении ограничителя.

Для передачи информации на большие расстояния с целью уменьшения ослабления сигнала используют ре­трансляторы. Ретранслятор представляет собой фотоприем­ник, усилитель-ограничитель и лазер, излучение которого мо­дулируется сигналом с выхода усилителя-ограничителя. Ретрансля­торы повышают дальность оптической связи. Другой эффективный способ повышения дальности оптических линий связи — использо­вание световодов.

Волоконно-оптические системы

... падающее на него оптическое излучение в исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения. Рисунок 1.3 – Принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи. Внедрение ВОСП ...

Перспективными системами связи оптического диапазона явля­ются системы с импульсной модуляцией и импульсным режимом работы оптического квантового генератора. Такие системы по­зволяют с чрезвычайно высокой скоростью передавать информацию во время излучения каждого импульса. В рассматриваемой системе информация, подлежащая передаче, регистрируется в запоминающем входном устройстве и подводится к модулятору света, размещенному на пути светового пучка лазера и обеспечивающе­му импульсно-кодовую модуляцию. При этом соответствующие схе­мы синхронизируют передачу информации запоминающим устрой­ством от световых импульсов лазера.

Световые импульсы доходят до приемного устройства, детек­тируются фотодетектором и передаются демодулятору, который преобразует их в электрические сигналы, соответствующие сигна­лам, зарегистрированным в запоминающем устройстве. Это устрой­ство соединено со схемой синхронизации, а также читающими уст­ройствами.

Рисунок 1.2 — Оптическая система связи с импульсной модуляцией

Блок-схема системы связи с импульсной модуляцией показана на рисунке 1.2. Подлежащая передаче информация, представленная в виде звуковых или кодированных сигналов, преобразуется на пере­дающей станции в электрические импульсы, используемые для модуляции импульсов когерентного света, излучаемых лазером, с помощью модулятора 2.

Конечная аппаратура передающей и приемной станций уком­плектована стандартными кодирующими быстродействующими устройствами, поэтому промежуточные регистрирующие устройст­ва 3 и преобразователи 4 могут использоваться при передаче и при­еме. Блок 5 служит демодулятором.

В разработанной системе применялся рубиновый лазер с продолжительностью генерируемых импульсов приблизительно 0,0001 сек. Расхождение луча лазера составляет 0,05 град. Это позволяет установить устойчивую связь на большие расстояния между пунктами, расположенными на поверхности земли.

Импульсная оптическая система связи может применяться не только на расстоянии в пределах прямой видимости. Узкий свето­вой пучок отражается облаками с хорошо определенными конту­рами, сооружениями и спутниками при связи за пределами прямой видимости.

С помощью такой системы оптической связи можно установить связь и через газовую плазму, в то время как через нее электро­магнитные волны радиочастотного диапазона не проходят.

Система лазерной связи может так же использоваться для передачи информации через поверхность раздела воздух — море. Состояние поверхности моря, переменчивое из-за волн, характери­зуется составляющими, частота которых находится в диапазоне волн радиосвязи. Поэтому трудно передавать сигналы, используя в качестве несущей электромагнитную волну, так как отношение сигнал/шум передачи сильно уменьшается.

При использовании в качестве источников световой несущей рубиновых лазеров следует учитывать, что они имеют значительно больший уровень шумов, чем газовые лазеры непрерывного дейст­вия. Достоинство рассматриваемой системы в том, что благодаря использованию помехоустойчивой импульсно-кодовой модуляции она допускает значительно больший уровень шума как в передаю­щем, так и в приемном устройстве.

Конструкция и виды лазеров, реализованных на красителях

... для рубиновых лазеров. Перестраиваемый источник узкополосного излучения оптического диапазона при высокой когерентности этого излучения можно с успехом применять при решении многих задач, таких, как изучение химических реакций и молекулярной ...

Как уже отмечалось, на работу наземных оптических линий связи значительное влияние оказывают атмосферные условия, ухудшающие параметры оптических линий. Воздействие атмосфе­ры приводит к ослаблению энергии излучения и искажениям опти­ческих сигналов при передаче информации. Это выражается во флуктуациях амплитуды и фазы, искажениях фронта волны, изме­нениях поляризации и т. д.

Ослабление энергии излучения обусловлено рассеянием из-за оптических неоднородностей. В результате наблюдаются преломле­ние, отражение и дифракция оптических волн. Кроме того, газы и взвешенные частицы сами могут быть источниками излучения, что приводит к увеличению уровня шума. Существенное ослабление энергии излучения лазера происходит также из-за поглощения. Поглощение электромагнитных волн имеет избирательный характер. При этом даже в области прозрачности в отдельных участках спектра наблюдается значительное поглощение.

Известный метод повышения устойчивости оптических линий связи против метеорологических условий — дублирование переда­чи по нескольким направлениям. Эффективным методом борьбы с влиянием избирательного поглощения является одновременное использование для передачи информации лазерного излучения с раз­личными длинами волн, лежащих в «окнах» прозрачности атмос­феры. Для уменьшения избирательных поглощений, обусловленных тонкой структурой спектра, можно использовать близкие по часто­те световые несущие в пределах полосы частот «окна» прозрач­ности.

Весьма перспективно использование оптических линий связи в космосе.

При оптической связи на небольшие расстояния не обязательно расположение передатчика и приемника строго на одной линии. Это возможно при расширении апертуры луча. С этой целью в предлагаемой системе использован пассивный рефлектор-моду­лятор, который делает установку некритичной к направлению при­хода светового луча, т. е. позволяет устанавливать связь между двумя подвижными точками. Эта система связи устраняет возмож­ность перехвата сообщения и воздействия на него нежелательным абонентом и является надежным средством оперативной и аварий­ной связи.

Рассматриваемая система, изображенная на рисунке 1.3, состоит из блока линз 1 , лазера 2, расположенного в их фокальной плос­кости, рефлектора 3, модулирующего световой луч и отражающего его в обратном направлении, а также большого собирающего зер­кала 4 концентрирующего принятый луч на фотодетекторе 5. Реф­лектор представляет собой пассивный модулятор и состоит из трехгранного уголкового отражателя с зеркальными внутренними поверхностями, одна (или более) из которых является оптически отражающей подвижной диафрагмой. Деформация этой диафраг­мы под воздействием звуковых волн создает соответствующую модуляцию отражённого светового луча, благодаря которой модулирующий сигнал после усиления усилителем 6 выделяется на приёмной стороне приёмником 7.

Рисунок 1.3 — Оптическая система связи на малые расстояния

1.2 Модуляционные устройства для оптической связи

Модуляция — одна из центральных проблем при создании си­стем связи оптического диапазона, так как эффективность послед­них во многом зависит от создания достаточно эффективных и срав­нительно простых модуляторов когерентного света, получаемого от лазера. Чем шире полоса модуляции, тем больше объем передавае­мой информации. Основные требования, предъявляемые к модуля­торам когерентного света — широкополосность, линейность моду­ляционной характеристики, большой динамический диапазон и эко­номичность в потреблении энергии.

Реферат техник связи

... один аппарат с электрически разделёнными цепями приёма и передачи. Техника телеграфной связи. Любой буквенно-цифровой текст является дискретным: независимо от содержания его можно выразить ... о телефонных переговорах и т. п., поступающих на предприятия связи (городские и сельские отделения связи, районные узлы связи). При помощи абонентского телеграфа абоненты могут вести документированные переговоры ...

Методы модуляции излучения оптических квантовых генерато­ров делятся на два класса: методы внешней модуляции и методы внутренней модуляции.

Под внешней модуляцией подразумевается воздействие на из­лученный свет вне самого лазера, под внутренней — на луч лазера в процессе его генерации, т. е. воздействие на параметры автоко­лебательной системы — лазера. Методы модуляции можно класси­фицировать по изменяемому параметру модулируемого сигнала. В оптических системах возможны амплитудная, частотная, фазовая модуляции, модуляция поляризации оптической несущей сигнала, модуляция угла отклонения луча.

1.2.1 Амплитудные модуляторы для внешней модуляции

На рисунке 1.4 показана типовая блок-схема оптического модулятора. Он содержит среду 1 , вращающую плоскость поляризации луча 2 и поляризационные фильт­ры 3 и 4 (анализаторы).

Рисунок 1.4 — Типовая схема поляризационного оптического модулятора

Модулятор работает следующим образом. После прохожде­ния поляризационного фильтра 3 свет становится плоскополяризованным. Поляризационный фильтр 4 расположен так, что он про­пускает свет с поляризацией, перпендикулярной поляризации, со­здаваемой первым фильтром. Если при прохождении луча света через среду 1 вращения плоскости поляризации не происходит, то фильтры не пропускают свет. Если при прохождении среды плос­кость поляризации падающего света поворачивается, то на выходе модулятора появляется свет, интенсивность которого пропорцио­нальна величине поворота плоскости поляризации.

Для вращения плоскости поляризации используются газы, жид­кости, твердые тела, в которых под действием внешних факторов (магнитного, электрического полей и т. д.) возникает анизотропия диэлектрической проницаемости и связанного с ней коэффициента преломления.

Запатентованы амплитудные модуляторы света, основанные на использовании вращения плоскости поляризации под действием магнитного поля (эффект Фарадея).

Перспективны модуляторы оптического диапазона, основанные на использовании эффекта Поккельса. Эти модуляторы находят широкое применение для модуляции на СВЧ.

Модулятор СВЧ с использованием эффекта Поккельса пред­ставляет собой резонатор СВЧ, возбуждаемый петлей. В пучности электрического поля резонатора размещается электрооптический кристалл. С помощью петли в резонаторе возбуждаются волны ти­па ТМ _ТП . Луч лазера подается вдоль оси резонатора, а модули­рующий сигнал — от источника по коаксиальному кабелю к петле.

Амплитудные модуляторы с вращателями плоскости поляриза­ции требуют значительного уровня модулирующего сигнала. Для уменьшения модулирующих напряжений предложено использовать резонатор Фабри—Перо. Оптическая длина резонатора меняется с помощью вещества, коэффициент преломления которого зависит от параметров внешнего модулирующего сигнала.

Недостаток модуляторов на эффекте Поккельса — наличие ча­стотной зависимости коэффициента модуляции, обусловленное пьезоэффектом. Предложен метод устранения этого недостатка при помощи вспомогательной несущей, которая модулируется переда­ваемым сигналом. Частота несущей выбирается такой, чтобы пьезоэффект практически не проявлялся.

Изобретение лазера в физике

... луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано. Лазер состоит из трех ... на принципе индуцированного излучения, получаемого при оптической накачке (например, воздействием импульсов света) термически неравновесной (активной) среды, в качестве которой служат диэлектрические кристаллы, ...

Основным достоинством модуляторов, использующих эффект Поккельса, является линейная зависимость сдвига фаз от приложенного напряжения, в результате чего для модуляций на высокой частоте требуется меньшая мощность, чем в модуля­торе, использующем эффект Керра.

Предлагается использовать ультразвуковую ячейку для полу­чения внешней амплитудной модуляции. Этот метод основан на зависимости интенсивности определенных типов колебаний на вы­ходе ультразвуковой ячейки от интенсивности бегущей ультразву­ковой волны, возбуждаемой модулирующим сигналом. Предусмот­рена возможность выбора тип колебаний, которые являются выход­ным сигналом модулятора.

Описан амплитудный модулятор, использующий нелинейные явления в оптическом диапазоне. Работа модулятора осно­вана на нелинейной зависимости поляризации от поля световой волны достаточно большой амплитуды.

При воздействии на нелинейную среду двух световых сигна­лов, один из которых несущий, а второй модулирующий, появляется сигнал, который содержит частоты с амплитудой, про­порциональной произведению амплитуд несущей и модулирующего сигнала. Поэтому возможно использование нелинейности среды для получения амплитудной модуляции.

Предложены амплитудные модуляторы, основанные на атом­ных и молекулярных взаимодействиях в веществе. Их ра­бота основана на изменениях поглощения света в веществе при изменении состояния атомов и молекул под действием различных внешних факторов (электрического и магнитного полей, темпера­туры, давления и т. д.).

Такие системы позволяют получить широ­кополосную модуляцию.

Работа полупроводникового СВЧ — модулятора света основана на том, что отражающие свойства поверхности полупроводника ме­няются при изменении концентрации носителей, причем поверхност­ную концентрацию можно менять с достаточной скоростью.

Описан амплитудный модулятор, работа которого основана на изменении поглощения света при перераспределении плотности энергетических уровней под действием модулирующего электромаг­нитного излучения. Особенность таких модуляторов состоит в том, что при использовании среды с инверсией населенности уров­ней, т. е. среды с отрицательной температурой, можно значительно уменьшить уровень мощности модулирующего сигнала, необходимый для амплитудной модуляции нужной глубины.

Предложен модулятор, позволяющий осуществить одновремен­но и модуляцию, и усиление света за счет создания в веществе от­рицательного поглощения. Предложение основано на том, что различные используемые для модуляции эффекты, наиболее ярко выраженные при резонансе, являются в то же время функцией раз­ности населенностей уровней, определяющих резонансную частоту.

Для модуляции светового потока используют квантовую систе­му, состоящую из атомов щелочных металлов, процессирующих под действием модулирующего магнитного поля. При этом возни­кает амплитудная модуляция с частотой процессии атомов.

Описаны однополосные амплитудные модуляторы оптического диапазона, работающие по фазовому методу. Эти модуля­торы позволяют сузить рабочий диапазон частот при, сохранении объема передаваемой информации.

1.2.2 Амплитудные модуляторы для внутренней модуляции.

В простейшем случае внутренняя AM осуществ­ляется путем изменения энергии накачки. Например, в газовом ла­зере внутреннюю модуляцию можно осуществить, изменяя величи­ну тока разряда через трубку. Недостатком такого метода AM яв­ляется узкополосность. Значительно большей рабочей полосой ча­стот обладают твердотельные лазеры с модулируемой накачкой.

Оптические рефлектометры

... принципиально нового типа оптического рефлектометра с возможностью перестройки длины волны оптического сигнала, на основе мощного ... преобразователь служит для приема и преобразования оптических сигналов обратного рассеяния в ... оптического рефлектометра В качестве источников зондирующих импульсов, в подавляющем большинстве рефлектометров, используются полупроводниковые лазеры с прямой модуляцией ...

Для осуществления внутренней амплитудной модуляции ис­пользуют электрооптическую ячейку, помещаемую внутрь резона­тора.

Управление коэффициентом усиления активной среды можно осуществить с помощью эффектов Зеемана и Штарка, обусловлен­ных соответственно действием магнитного и электрических полей.

Коэффициент усиления изменяется при расщеплении энерге­тических уровней из-за деформации электронных орбит атомов. Предложены амплитудные модуляторы для внутренней модуляции с использованием эффекта Зеемана. Для модуляции можно использовать как продольный, так и поперечный эффект Зеемана. Недостаток модуляторов, использующих эффекты Зеемана и Фарадея, в трудности получения большого магнитного поля в широком диапазоне частот модулирующего сигнала.

Для получения амплитудной модуляции может быть использо­анна ультразвуковая ячейка, помещенная внутри резонатора ла­зера. Ультразвуковая ячейка, также как и в случае внешней модуляции, используется в сочетании с диафрагмой, выделяющей требуемый тип колебаний. Модулирующий сигнал используется для создания бегущей волны в ультразвуковой ячейке.

Особенно эффективна внутренняя модуляция для резкого из­менения добротности резонатора, что широко используется для по­лучения «гигантских» импульсов излучения.

Для получения «гигантских» импульсов цепь обратной связи включается и выключается с помощью «оптических затворов». Рабо­та таких затворов основана на использовании электрических, маг­нитных, ультразвуковых эффектов и т. д. В качестве электроопти­ческого затвора предложено использовать особое стекло. Предложен оптический «рефракцион­ный затвор», основанный на отклонении светового луча при помощи ультразвуковой ячейки.

1.2.3 Методы частотной модуляции лазеров.

Часто­ту световой несущей можно регулировать за счет изменения резо­нансной частоты интерферометра Фабри—Перо. Это можно де­лать, например, с помощью пьезоэлементов, изменяющих оптиче­скую длину резонатора. Это изменение в такт с изменением моду­лирующего сигнала приводит к перемещению максимума прозрач­ности резонатора по спектру и, следовательно, к генерированию света с той или иной длиной волны.

Частотная модуляция света может быть осуществлена на осно­ве эффектов Зеемана и Штарка. Следует заметить, что модуляция с использованием этих эффектов обладает определенными недостатками. Прежде всего, для осуществления широкополосной модуляции требуются, очень сильные магнитные или электрические поля.

Для частотной модуляции может применяться ультразвуковая ячейка, помещенная внутрь резонатора лазера. Конструкция моду­лирующей ячейки аналогична конструкции амплитудного модуля­тора для внутренней AM.

1.3 Приёмники излучения

Существует два метода приема оптического излучения: коге­рентный и некогерентный.

Когерентный метод приема осуществляется за счет использо­вания дополнительного ОКГ, называемого гетеродинным или опор­ным ОКГ. При когерентном методе используются супергетеродин­ные, балансные и другие схемы приемных устройств. Некогерентный метод основан на приеме оптических сигналов без их предвари­тельной обработки до детектора.

Волоконно-оптические линии связи

... во внимание. Однако для затухания это не так. Оптический сигнал затухает во всех волокнах, со скоростью, зависящей от длины волны передатчиком источником света (Рис.3). Как упоминалось ранее, ... поэтому я выбираю ее для своей курсовой работы и считаю, то за ВОЛС будущее. 1. История создания Волоконная оптика хоть и является повсеместно используемым и ...

Рассмотрим схемы устройств приема оптических сигналов, при­меняемых в обоих методах.

Основная схема при некогерентном методе приема — схема прямого усиления. При этом сигнал усиливается до детектора или без усиления сразу подается на фотодетектор.

Для усиления луча используется оптический квантовый усили­тель (ОКУ).

При когерентном методе приема оптический сигнал подвергается дополнительной обработке до фото детектора. Когерентный метод приема отличается высокой чувствительностью и малыми шумами. При использовании этого метода облегчается задача фильтрации, по­скольку она осуществляется на микроволновых, а не на оптических частотах. В том случае, когда в схемах когерентного метода прие­ма используется местный гетеродинный ОКГ, предъявляются жест­кие требования к юстировке гетеродина и стабильности его часто­ты. Более того, при одновременной подаче на фоточувствительную поверхность двух когерентных оптических сигналов одинаковой поляризации фронты двух световых лучей должны иметь одинако­вую относительную фазу вдоль всего катода.

Блок-схема входной части супергетеродинного приемного уст­ройства показана на рисунке 1.5. Устройство состоит из собирательной линзы 1 для приема излучения лазера, местного гетеродинного ОКГ 2, полупрозрачного зеркала 3, фотодетектора 4 и радиотракта 5.

Рисунок 1.5 — Супергетеродинный приемник оптического диапазона

Приемлемое требование для степени не параллельности двух пучков света, падающих на детектор, может быть записано в виде

где — угол расхождения между двумя световыми пучками, — длина волны несущих колебаний, D — апертура собирающей оптики детектора.

Основным недостатком супергетеродинного приема является возможность приема помехи на зеркальной частоте, отличающейся от несущей на удвоенную промежуточную частоту.

Предлагается устройство для супергетеродинного приема оп­тического сигнала, содержащего, кроме несущей частоты, две боко­вые частоты — верхнюю и нижнюю, в которых и заключена полез­ная информация. Таким образом, по зеркальному каналу вме­сто помехи приемник может принять одновременно два полезных сигнала. Блок-схема устройства показана на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 — Супергетеродинный приемник со вспомогательными поднесущими

состоит из местного гетеродина — лазера 1 , полярои­дов 2, плоскость поляризации которых показана штриховкой, рас­щепителя луча 3 с полупрозрачным зеркалом 4, двух фотодетекторов 5, фазосдвигающей цепочки 6, выходного сумматора 7 и чет­вертьволновой пластинки 8, на которой стрелкой показано направ­ление поляризации, соответствующей наибольшей скорости распро­странения волны. Входной луч через первый поляроид 2 попадает на смеситель 3.

На другую грань смесителя через второй поляриза­тор с плоскостью поляризации, повернутой на 90° относительно первого, падает луч лазера гетеродина 1 . На выходе смесителя по­лучают два луча, каждый из которых содержит две компоненты, соответствующие входному и гетеродинному сигналам. Первый луч проходит через третий поляризатор, поворачивающий плоскость поляризации по часовой стрелке на 45°, и затем на свой фотодетек­тор 5, а второй через четвертый поляризатор и дополнительно че­рез четвертьволновую пластинку 4 также на свой фотодетектор 5. После фотодетектирования на выходе каждого фотоэлемента по­лучают сигнал промежуточной частоты, содержащий верхнюю и нижнюю боковые частоты. Если электрический сигнал от второго фотоэлемента подать на фазосдвигающую цепь (90°), то на вы­ходе сумматора будут выделены два напряжения: на одной клемме напряжение, пропорциональное сумме обоих сигналов, а на вто­рой — пропорциональное разности. В другом варианте приемника четвертьволновая пластинка ставится на пути лазера-гетеродина; после смесителя и поляризаторов лучи с помощью призм полного внутреннего отражения попадают на разные точки фотокатода од­ного фотоэлемента.

Проектирование магистральной волоконно-оптической линии связи

... подводные солитонные оптические магистрали. Целью данного дипломного проекта является проектирование линии связи на основе волоконно-оптических кабелей. В связи с чем особое внимание уделено строительству волоконно-оптической линии связи. 1. Общая часть 1.1 Волоконно-оптические линии связи Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) - линии оптической связи, в ...

Данная схема позволяет принимать полезную информацию, передаваемую по основному и зеркальному каналам.

В приемниках с ЧМ особое значение приобретает стабилиза­ция местного гетеродина по частоте. Поскольку в настоящее время отсутствуют устройства для оптических частот аналогичные – частот­ным дискриминаторам на радиочастотах, то выделение информа­ции из ЧМ – сигнала осуществляется за счет биений, возникающих на нелинейном элементе при подаче на него ЧМ – сигнала и немодулированного и слегка сдвинутого по частоте сигнала лазера. Пред­ложен новый способ извлечения информации из частотно-модули­рованного оптического сигнала без применения гетеродинного метода приема. В такой системе вспомогательный немодулированный луч, частота которого сдвинута на некоторую величину, обра­зуется при расщеплении луча лазера – передатчика (рисунок 1.7).

На рисунке 1.7, а показана блок-схема передающей части системы, на рисунке 1.7, б — то же, приемной. Передающая часть системы содержит лазер-передатчик 1 , ячейку Керра 2, сдвигающую частоту излучения; собирательную линзу 3 ; генератор вспомога­тельной частоты 4; модулятор на ячейке Керра 5 и источник инфор­мации 6.

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/lazernaya-svyaz/

В приемную часть системы входят: собира­тельные линзы (антенны) 1, ФЭУ 2, сумматор 3, ограничитель 4, дискриминатор 5 и устройство воспроизведения 6. В месте приема информации оба луча совмещаются, и слож­ный луч направляется в приемник, где он попадает на не­линейный элемент. На выходе нелинейного элемента возни­кают сигналы со средней частотой, равной разности частот основного и вспомогательного лучей. Отклонение же от средней частоты определяется модулирующим сигналом.

Рисунок 1.7 – Приемник ЧМ – сигналов оптического диапазона

В результате все флуктуа­ции исходного источника света и наложенные на сложный луч во время движения его к приемнику оказываются скомпенсирован­ными.

Качество приема может быть значительно улучшено благодаря предварительному усилению света при помощи оптических кван­товых усилителей (ОКУ).

Из всех типов ОКУ наиболее перспек­тивными считаются ОКУ бегущей волны, обладающие высоким коэффициентом усиления и широкой полосой. Однако в настоящее время ОКУ работают еще не на всех освоенных частотах оптичес­кого диапазона.

Содержание Введение Энергия ветровых волн

... длина период крутизна (е) , (1) скорость волны фронт волны Рисунок 1. Основные элементы волны 2.2Скорость ветровых волн Ветровые волны характеризуются лишь незначительным горизонтальным перемещение воды. С ростом ... стран мира зарегистрировано более 1000 предложений по способам преобразования энергии волн, устройствам для их осуществления и отдельным узлам волновых энергетических установок. Проблема ...

Один из недостатков ОКУ бегущей волны — нестабильность коэффициента усиления. В обычных ОКУ прямая и обратная бегу­щие волны имеют одинаковые частоты и при соответствующей дли­не активного вещества усилителя обе волны могут оказаться в фа­зе, что приведет к возникновению колебаний внутри усилителя. Для устранения этого нежелательного эффекта предложена новая кон­струкция ОКУ бегущей волны. Принцип работы нового ОКУ заключается в том, что в активном веществе усилителя возбужда­ются акустические бегущие волны, которые представляют собой для электромагнитной волны большое число перемещающихся неоднородностей. В результате прямая и обратная волны несколько отличаются по частоте, а ОКУ стабилизируется по коэффициенту усиления.

На оптических частотах применяются также устройства для параметрического усиления световых волн с помощью нелинейного кристалла, размещенного в резонаторе. С целью получения эффек­та усиления требуется соблюдение параллельности лучей сигнала и накачки, так как сигнал и накачка взаимодействуют во всем объ­еме нелинейного материала. Это условие не всегда выполнимо. Кроме того, возникает проблема выделения усиленного сигнала из луча. Предложена структура для усиления световой волны, в ко­торой волны сигнала и накачки падают на нелинейный кристалл под различными углами и взаимодействуют лишь в ограниченном объеме. Блок-схема усилителя изображена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Параметрический усилитель оптического диапазона

Параметрический усилитель состоит из источника сигнала (ла­зера) 1 , резонаторов 2 и 3, настроенных на частоту входного сиг­нала, диэлектрических рефлекторов 4 частично пропускающих свет для ввода и вывода сигнала и концентрации его в объеме, где проявляется эффект усиления, устройства для оптической накач­ж 5 и выходного каскада 6.

Для увеличения напряжения на выходе на фотоприемнике кон­центрируют световой поток возможно большей площади. Для этого целесообразно использовать длиннофокусные линзы. Для сни­жения потерь толщина линз выбирается минимальной. Изготовле­ние таких линз связано со значительными технологическими труд­ностями. В качестве тонких длиннофокусных линз применяют плоские стеклянные пластины, подвергающиеся механическому воздей­ствию, в результате которого их поверхность приобретает форму поверхности синусоидального цилиндра. При использовании в системе оптической связи совокупности таких пластин, ориенти­рованных друг относительно друга под углом Брюстера, потери на отражение практически исключаются и поглощение света из-за малой толщины пластин будет крайне незначительным. С техноло­гической точки зрения изготовление таких пластин не представ­ляет серьезных трудностей.

1.3.1 Детекторы оптического диапазона

Все детекторы можно подразделить на тепловые, реагирующие на суммарную мощность падающего излучения и фотонные.

Тепловые детекторы в системах связи использовать нельзя, поскольку они реагируют на суммарную падающую мощность и не могут выделить информацию из модулированного потока излучения.

К фотонным детекторам относятся фотодетекторы с внешним и внутренним фотоэффектами. К детекторам с внешним фотоэффектом относятся электростатические фотоэлектронные умножители (ФЭУ), динамические ФЭУ со скрещенными полями, вакуумные фотоэлементы, фото – клистроны, фото – ЛБВ.

Большой интерес представляют фотодетекторы ЛБВ, в кото­рых фотоэлемент совмещен с усилителем бегущей волны. Эти при­боры имеют широкую полосу и представляют собой весьма пер­спективные демодуляторы оптических сигналов. Чувствительность их значительно выше, чем у других высокочастотных фотоэмис­сионных приемников. Поэтому большинство работ по фотоэмис­сионным приемникам посвящено именно фото – ЛБВ. Например, предлагается использовать фото – ЛБВ для когерентного приема оп­тических сигналов. Схема приемного устройства показана на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 – Приемник оптического диапазона с ЛЬВ

Устройство содержит источник входного сигнала 1, фильт­ры 2, отверстия 3 для ввода излучения на фотокатод 4, замедляю­щую систему 5 , нагрузку фотоприемника 6, местный гетеродин оптического диапазона 7 и источники питания 8.

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/lazernaya-svyaz/

Особенностью этого приемника является устройство фотокатода, выполненного в виде оптического резонатора. Фотокатод подвергается воздействию мо­дулированного сигнала, приходящего от внешнего источника, и сигнала местного гетеродина оптического диапазона. Поскольку характеристика фотокатода нелинейная, фототок содержит ком­поненты с комбинационными частотами, из которых в дальнейшем используются только компоненты разностной частоты. Фототок с помощью электронно-оптического устройства направляется во вторую секцию прибора, которая представляет собою обычную ЛБВ СВЧ – диапазона, где происходит усиление сигнала разност­ной частоты.

Описана схема оптического фотоприемника, предназначенного для приема светового сигнала, модулированного сигналом СВЧ. Он представляет собой настраиваемый волноводный резона­тор, состоящий из прямоугольного волновода. С одной стороны волновода помещен подвижной короткозамыкатель, а с другой — неподвижная стенка с отверстием связи, через которое в резона­тор подается сигнал от генератора СВЧ. Внутри резонатора в пуч­ности электрического поля находится фотоэлемент с внешним фото­эффектом, питаемый от источника входного сигнала. Устройство просто и надежно.

К детекторам с внутренним фотоэффектом относятся фотосопротивления, фотодиоды, фототриоды и детекторы с фотоэлектро­магнитным эффектом.

Особенность детекторов с внутренним фотоэффектом в том, что в них нет «красной» границы спектральной чувствительности. В инфракрасном диапазоне (ИК) частот могут работать фото­детекторы с p – n – переходами, поскольку существуют материалы с узкой запрещенной зоной. Фотодетекторы с р — n – переходами рас­считаны на прием слабых сигналов, в то время как фотосопротив­ления способны работать при больших мощностях падающего из­лучения. С другой стороны, постоянная времени фотосопротивле­ния велика, а фотодиоды и фототриоды могут принимать световой сигнал, модулированный СВЧ поднесущей, с частотой порядка не­скольких мегагерц. В то же время постоянная времени фотодио­дов меньше, чем фототриодов.

Предлагаются различные фоточувствительные приборы, спо­собные детектировать сигналы ИК – диапазона (вплоть до санти­метрового).

Эти фотоприемники используют пленки сверхпро­водящих материалов, например Sn, Pb, A1 и пр. Детекторы представляют собой две тонкие пленки сверхпроводящего материала, разделенные тонким слоем диэлектрика (6 – 200 ангстрем).

Детектирование осуществляется за счет генерации неравновесных носителей заряда, туннелирующих сквозь слой диэлектрика между пластин­ками и разделяющихся потенциальными барьерами.

При приеме слабых сигналов после фотодетектора необходимо ставить малошумящие усилители с большим коэффициентом уси­ления, например параметрические. Параметрические усилители на полупроводниковых диодах имеют ценные качества, которые по­зволяют успешно использовать их в системах связи. В последнее время получили дальнейшее развитие параметрические усилители, применяемые в оптических линиях связи. В этих усилителях полупроводниковый диод одновременно является и фотодетектором, и не­линейным реактивным элементом. Параметрические усилители с фотодиодом получили название фотопараметрических.

Развитие техники связи в оптическом диапазоне привело к со­зданию новых устройств для усиления слабых сигналов радиоча­стоты. Это новое устройство названо разером.

Подобно мазерам и лазерам в разере для получения эффекта усиления используется взаимодействие между электронами атомов и внешним магнитным полем. Однако в разере дополнительно про­исходит взаимодействие спинов атомных ядер с магнитным полем. В этом случае энергетические уровни располагаются достаточно близко друг от друга, что дает возможность усиливать радиосиг­налы. Разер состоит из проводящей цилиндрической полости, в ко­торой находится активный парамагнитный кристалл формы цилин­дра. В качестве подобного кристалла может применяться пара­магнитная соль La ₂ Mg(N0₃ )12*24H₂ 0, в которой 1% атомов лан­тана замещен атомами изотопов неодима. Кристалл вставлен в ин­дуктивную катушку, расположенную в полости. Для снижения уровня шумов усилителя полость погружена в гелиевый сосуд Дьюара. На определенной частоте в полость через волновод от гене­ратора СВЧ подается мощность накачки. В результате получают инверсию населенностей энергетических уровней спинов протонов. Усиливаемый сигнал подводится к катушке, которая настраивает­ся в резонанс с помощью переменного конденсатора, размещен­ного в сосуде Дьюара. Катушка может быть сделана из сверхпроводника. Это снижает собственные шумы усилителя. Такой может непрерывно перестраиваться по частоте в очень широком диапазоне.

Одним из важных параметров системы оптической связи яв­ляется отношение сигнал/шум. На оптических частотах большое значение приобретают радиационные шумы внешней среды. В за­висимости от времени суток и погоды величина шумов меняется. Большое влияние на связь оказывает излучение солнца и звезд. Особенно заметно это влияние в локационных и навигационных системах, использующих сигналы оптических квантовых генера­торов.

Описывается автоматическая регулировка для приемника све­товых импульсов низкой частоты. Эта система предназначена для слежения за облачным покровом и применяется в системе наблюдения за метеорологической обстановкой в районе аэродро­мов.

Основная идея изобретения заключается в том, что амплитуда помехи на выходе усилителя приемника поддерживается постоян­ной. В этом случае при различной посторонней засветке на входе приемника амплитуда шумов на выходе постоянна и приемник бу­дет срабатывать только от световых импульсов лазера, отражен­ных от облаков, так как амплитуда импульсов превосходит по ве­личине постороннюю засветку.

В то же время днем, в хорошую погоду, приемник выключает­ся, поскольку отраженных импульсов нет, а «чистая» засветка мо­жет быть принята за облака. Принцип работы приемника световых импульсов заключается в том, что в нем применяется интегратор, регулирующий усиление приемника. Этот интегратор выдает сиг­нал, пропорциональный внешним радиационным шумам. Блок-схема приемника и диаграммы сигнала с шумами показаны на рисунке 1.10.

Приемник содержит собирательную линзу-антенну 1, фото­элемент 2. усилители 3, 4, 5, детектор 6. Цепь автоматической ре­гулировки усиления образована усилителем 5 и детектором. В слу­чае прихода сигнала 1, показанного на рисунке, с большими радиационными шумами, усиление приемника снижается и сигнал 3 на выходе получается примерно таким же, как и в отсут­ствие шумов. Таким образом, в этой системе при помощи автоматической регулировки удается повысить отношение сигнал/шум при различ­ных метеорологических условиях.

Рисунок 1.10 – Приемник импульсных сигналов с АРУ

1.4 Световодные линии связи

Оптические линии связи, в которых луч лазера между передат­чиком и приемником распространяется в окружающем их простран­стве, имеют ряд недостатков: значительное ослабление луча, силь­ное влияние окружающей среды на работу линии связи, ограни­чение дальности расстоянием прямой видимости. Для устранения этих недостатков в системах связи применяют оптические волно­воды — световоды.

Волноводы можно разделить на два класса. К первому отно­сятся волноводы, в которых электромагнитные волны распростра­няются благодаря многократным отражениям между двумя про­водящими поверхностями, ко второму — те, в которых распростра­нение происходит благодаря многократному отражению на грани­цах диэлектрической среды, обусловленному изменением коэффи­циента преломления. Конфокальные линзовые и зеркальные сис­темы не являются волноводами в указанном смысле, однако мы рассмотрим их, называя в дальнейшем «лучеводами».

1.4.1 Основные типы световодов

В волноводах первого класса лучи многократно отражаются от металлических стенок волновода, следуя по зигзагообразной траектории. Волновод обыч­но заполняется инертным газом с малыми потерями. Затухание определяется неполным отражением от стенок и зависит от состоя­ния металлических стенок, поляризации и угла скольжения. Для достижения наименьших потерь вектор электрического поля дол­жен быть тангенциален к отражающей поверхности, а угол сколь­жения — мал.

При определении угла скольжения образуется, поле волны со­ответствующего типа (мода).

На оптических частотах эти моды не могут быть разделены, так как они связаны друг с другом по случайному закону из-за наличия малых неоднородностей на стен­ках волновода. Это явление ведет к искажению сигнала и накла­дывает определенные ограничения на характеристики волноводов.

В зависимости от допусков на точность механического изготов­ления устанавливают пределы применимости волноводов. Чем выше частота, тем жестче должны быть допуски. Во всех случаях при уменьшении диаметра волновода искажение сигнала из-за преобразования мод несколько уменьшается, но при этом сильно увеличиваются дисперсионные искажения и затухание.

Второй класс волноводов включает в себя диэлектрический стержень и его варианты. В этих волноводах лучи также идут по зигзагообразному пути в результате многократного отражения от границы диэлектрика с воздухом. В случае применения обычных диэлектриков потери на отражение при падении под некоторым углом значительно больше, чем в волноводах первого класса. Но при углах скольжения , меньше критического угла для этого ди­электрика, происходит полное внутреннее отражение. Именно та­кое распространение и рассматривается в волноводах второго клас­са. Затухание волн здесь происходит из-за потерь в самом диэлек­трике.

В диэлектрическом стержне, так же как и в волноводах пер­вого класса, возможно одномодовое и многомодовое распростране­ние сигнала. Многомодовое распространение наблюдается тогда, когда величина диаметра волновода составляет несколько длин волн. Уменьшение диаметра приводит к одномодовому режиму передачи.

1.4.2 Световые лучеводы

Световые лучеводы можно разделить на три типа, показанные на рисунке 1.11. На рисунке 1.11, а показана общая структура лучевода: 1 — источник; 2

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/lazernaya-svyaz/

— коллиматор; 3 — фа­зовые корректоры (на рисунке 1.11, б — диафрагменные лучеводы; на 1.11, в — линзовые лучеводы; на 1.11, г — зеркальные лучеводы).

Прин­цип работы всех этих лучеводов почти одинаков, поэтому доста­точно рассмотреть линзовый лучевод, который исследован лучше других. Линзы производят преобразование фазы пучка лучей, кор­ректируя форму фазового фронта. Эта функция выполняется и диа­фрагмами (1.11, б) и соответствующими зеркалами (1.11, г).

Рисунок 1.11 – Основные типы лучеводов

В лучеводной системе может распространяться большое число различных волновых пучков мод, каждый из которых характери­зуется своей структурой распределения поля в поперечном сечении пучка.

Потери в лучеводах значительно меньше, чем в световодах. При применении фазовых корректоров лучеводы могут использо­ваться во всем диапазоне от видимого света до миллиметровых волн. Но в миллиметровом диапазоне они применяются ограниче­но, так как для достижения малых дифракционных потерь в этом случае требуются большие апертуры и малые расстояния между корректорами. Наименьший диаметр апертуры линз приблизитель­но равен среднему геометрическому от длины волны и расстояния между корректорами.

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 сис­тем. 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,

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/lazernaya-svyaz/

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 прерывает 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 в момент, соответствующий строго определенному направлению, визирования, только часть электронного пучка, полу­чаемая из отраженных сигналов, была отклонена к отверстию и передана фотоумножителю. Устройство, вызывающее отклонение, управляется электрическим путем, например изменением напряже­ния на электродах отклоняющей системы. Фотоумножитель 8 (рисунок 2.2, а) на выходе создает электрический сигнал, частота которого равна частоте биений на выходе микшера 5 (рисунок 2.2, б) и, следова­тельно, пропорциональна скорости цели. Этот сигнал направляется затем к трем специальным устройствам системы 6, 9, 10. Устройство 10, осуществляющее грубую фильтрацию частоты сигнала, пере­дает его на осциллограф 1 по различным выходным каналам, в со­ответствии с диапазоном частот в котором он находится. Устрой­ство 10 состоит из трех фильтров, полосы пропускания которых смежны и перекрывают общий диапазон частот, возникающих в со­ответствии с диапазоном скоростей цели. Сигнал, поступающий от цели, скорость которой выходит за пределы этого диапазона, прак­тически подавляется системой фильтров. Выходы трех фильтров подключаются ко входам, соответствующим разным цветам луча многоцветного осциллографа 11 , например трехцветного. На осцил­лографе получают изображение наблюдаемой зоны, при этом раз­вертка экрана осуществляется таким образом, что точки, изобра­жающие наблюдаемые цели, дают относительные угловые коорди­наты этих целей. Точки различных цветов соответствуют различ­ным скоростям целей. Цели со слишком малыми или слишком большими скоростями не появляются на экране осциллографа.

Одновременно электрический сигнал с фотоумножителя под­водится к системам 6 и 9, измеряющим дальность и угловые коор­динаты цели, запеленгованной на экране осциллографа, а также скорость.

Измерение дальности производится способом, описанным вы­ше. Скорость измеряется устройством, которое состоит из фильт­ров, на общий вход которых подводится электрический сигнал от фотоумножителя. Фильтры имеют очень узкие полосы пропускания и смежные границы, при этом совокупность полос пропускания перекрывает тот же диапазон частот, что и совокупность трех фильтров. Эти фильтры разделяют входной сигнал, в соответствии с его частотой, что позволяет определить скорость цели. Точность, полученная при таком измерении скорости, определяется шириной полосы пропускания каждого фильтра. Доплеровские частоты, полученные при использовании рассматриваемого оптического ло­катора, достаточно высоки даже при относительно низких скоро­стях цели. Например, при длине волны в 1 мк доплеровские часто­ты цели, радиальная скорость которой расположена в пределах 3,5— 110 км/час, колеблются от 2 до 60 Мгц. В радиолокаторе, ра­ботающем на длине волны в 0,1 м, доплеровские частоты, полу­ченные при таких же скоростях цели, колеблются в пределах 20— 600 гц. Увеличение доплеровских частот цели улучшает рабочие характеристики локатора. Это одно из основных преимуществ та­кого оптического локатора по сравнению с обычными радиолока­торами.

Список использованных источников

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/lazernaya-svyaz/

1. Мазуров М. Е., Обухов В. А. Лазеры в технике связи. – М.: Труды ИНИИПИ, 1969. – 48 с.

2. Под ред. В. П. Тычинского. Применение лазеров. – М.:«Мир», 1974.

3. И. Н. Матвеев. Лазерная локация. – М.: Машиностроение, 1984

4. Отв. ред. Н. Г. Басов. Лазеры и их применение. – М.: «Наука», 1974. — 231 с.

5. Тарасов Л. В. – Лазеры и их применение: Учебное пособие для студентов ПТУ. – М.: Радио и связь, 1983. – 152 с.

6. Петровский В. И., Пожидаев О. А. Локаторы на лазерах. М.: Воениздат, 1969.

7. Фёдоров Б.Ф. Лазеры и их применение. М.: ДОСААФ, 1973.