Akademik

ОПТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ

ОПТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ: совокупность методов обнаружения и измерения координат удалённых объектов, а также распознавания их формы с помощью эл.-магн. волн оптич. диапазона — от УФ до дальних ИК. Основой О. л. явл. метод измерения расстояний до объекта с помощью оптич. излучения (см. СВЕТОДАЛЬНОМЕТРИЯ). Этот метод был предложен А. А. Лебедевым ещё в 1934 и осуществлён в 1936 им же с сотрудниками. Однако создание оптич. локаторов с большой дальностью действия, высокими точностью и разрешающей способностью стало возможным только с появлением мощных источников когерентного оптич. излучения — лазеров.

В О. л. используются те же принципы определения координат, что и в радиолокации: измерение расстояний из неск. опорных точек или измерение расстояний и пеленга (азимута) из одной точки. Отражённый от объекта луч лазера улавливается зеркалом, фокусируется и направляется на матрицу фотоприёмника для определения угл. координат и одновременно на ФЭУ (или др. детектор) для определения дальности объекта. Электрич. сигналы с фотоприёмника подаются в следящую систему, управляющую положением передающей и приёмной оптич. систем локатора.

Осн. преимущества оптич. локаторов перед радиолокаторами — большая точность определения угл. координат объектов (по максимуму отражённого сигнала) и высокая разрешающая способность по дальности. Напр., при использовании лазерного луча с углом расходимости 10' погрешность определения угл. координат объекта составляет 1' (у радиолокаторов 25—30'); при длительности светового импульса 10 нс разрешение по дальности может достигать неск. см. Кроме того, оптич. локатор обладает высокой угл. разрешающей способностью, т. е. способностью различать два соседних равноудалённых объекта, обусловленной очень высокой направленностью излучения. Это даёт возможность решать задачу распознавания формы объектов. О. л. позволяет с высокой точностью (до неск. десятков см) производить картографирование земной поверхности, поверхности Луны, определять расстояние до облаков, самолётов, космических, надводных и подводных объектов, исследовать распределение инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере.

Существ. недостаток оптич. локаторов — затруднит. использование их в сложных метеорол. условиях (дождь, туман и т. п.) для локации объектов на далёких расстояниях.

ОПТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ

-обнаружение, определение координат и распознавание разл. объектов с помощьюэл.-магн. волн оптич. диапазона. О. л. как самостоят. область науки и техникивозникла и определилась с появлением лазеров в нач. 60-х гг.
Малая длина волны излучения оптич. диапазонаприводит к качеств. отличию О. л. от радиолокации. Применение лазеровпозволяет формировать узкую диаграмму направленности излучения (~10^-3 рад) при относительно небольших диаметрах коллимирующей оптики, что обеспечиваетбольшую точность определения угл. координат объектов, распознавания ихформы и высокую помехозащищённость. Оперативное высокоточное измерениекоординат объекта - гл. достоинство оптич. локационных систем при сравнительнонебольших габаритах, массе и энергопотреблении.
Параметры систем О. л. зависят от характеристикосн. используемых узлов: лазера, фотоприёмника, сканирующего устройства, модулятора и т. д. Наиб. широко в О. л. применяются лазеры, генерирующиев ИК-области спектра, - полупроводниковые, твердотельные, газовые. Полупроводниковыелазеры обеспечивают как непрерывный режим (до сотен мВт), так и импульсный(до сотен Вт) в ближней ИК-области спектра (

0,8- 0,9 мкм). Модуляция полупроводниковых лазеров, как правило, осуществляетсятоком накачки. Из твердотельных лазеров в О. л. используются лазеры наразл. матрицах, активированных ионами неодима, в частности на основе алюмоиттриевогограната (

= 1,06мкм). Лазер на гранате, обладающий низким порогом возбуждения и хорошейтеплопроводностью, может работать при больших частотах повторения импульсов, а также и в непрерывном режиме излучения при кпд до 3%. Предпочтительныв О. л. лазеры на двуокиси углерода (СО ₂ -лазеры) с

= 10,6 мкм, имеющие большой кпд (~10%), мощность излучения от единиц Втдо кВт в непрерывном и МВт в импульсном режимах, узкую линию излучения(неск. кГц).
Для поиска лоцируемого объекта и полученияего изображения применяются электромеханич. системы сканирования пучкаизлучения в виде зеркал, оптич. клиньев и т. д.; для быстрого сканированияиспользуются пьезоэлектрич. и акустооптич. дефлекторы с частотой сканированиядо единиц кГц.
Приём сигналов в видимой области спектра(

= 0,4 - 0,7мкм) обычно осуществляют фотоэлектронными умножителями, использование ихв области

pin-диоды, лавинныефотодиоды, МОП-диоды (см. Полевой транзистор) с квантовой эффективностью, достигающей 10%. Создание систем О. л. в диапазоне 10 мкм в значит, степенисвязано с разработкой высокочувствит. и быстродействующих фотодиодов наоснове тройных соединений (HgCdTe), работающих при охлаждении жидким азотом(77 К).
В видимой и ближней ИК-области спектрапороговая чувствительность фотоприёмников определяется квантовыми шумами, поэтому, как правило, применяется прямой метод приёма. В дальней ИК-областиспектра (10,6 мкм) для повышения пороговой чувствительности приёмниковдо чувствительности, ограниченной квантовыми шумами сигнала, применяютгетеродинный приём. В этом случае на фотоприёмник одновременно с принимаемымсигналом направляется излучение опорного лазера (гетеродина); в результатевзаимодействия возникают колебания комбинац. частот, одна из к-рых (какправило, это разность частот) фильтруется и усиливается. Этот метод приёмареализуется с СО ₂ -лазерами, обладающими высокой стабильностьючастоты излучения. При малом отношении сигнал/шум преимуществом обладаетгетеродинный метод приёма, однако более точный выбор метода приёма зависитот ряда факторов, связанных с практич. реализацией.
Локация объекта. Осн. задачей О. л., также как радиолокации, является определение дальности до объекта, к-рое производитсяпутём измерения задержки во времени прихода отражённого сигнала относительноизлучающего: дальность R вычисляется по ф-ле R = ct/2. Погрешностьизмерения R обусловлена ошибками в измерении временного интерваламежду зондирующим и отражённым импульсами, непостоянством показателя преломленияи турбулентностью атмосферы, а также изменением условий отражения излученияот объекта. Разброс величины временного интервала носит статистич. характериз-за наличия случайных помех на входе приёмника наряду с полезным сигналом. Погрешность считывания временного интервала цифровым измерителем можноуменьшить количеством измерений. Флуктуации интенсивности в импульсе вызываютпоявление случайной ошибки, к-рая ограничивает точность всей системы. Приодиночном измерении среднеквадратичная погрешность в определении дальностисоставляет 5 - 10м. В прецизионных импульсных оптич. дальномерных системахпогрешность может быть снижена до единиц см. Это достигается повышениемточности прогноза условий распространения излучения, применением методовстатистич. обработки серии измерений, уменьшением длительности импульсовдо единиц нс, измерением временного интервала по центру энергии импульса, введением временного стробиро-вания. Дальнейшее уменьшение погрешностиизмерения дальности до объекта возможно с помощью фазового метода (см. Обращениеволнового фронта, Адаптивная оптика), к-рый в основном применяетсяв геодезич. светодалъномерах. В ряде случаев используются уголковыеотражатели, позволяющие существенно повысить уровень принимаемого сигналаза счёт высокой направленности отражённого излучения и тем самым увеличитьдальность локации.
Обнаружить лоцируемый объект можно непосредственнооптич. локатором, для чего сканируют излучаемым пучком пространство предполагаемогонахождения объекта. Т. к. лазерный пучок имеет малый угол расходимости, то быстрый поиск целей в больших областях пространства затруднён, поэтомуоптич. локаторы часто применяются совместно с др. устройствами, осуществляющимибыстрый обзор больших областей пространства, обнаружение объектов и наведениена них оптич. оси приёмопередающей оптич. системы локатора. Для целеуказаниямогут быть использованы радио-техн. средства и пассивные оптико-электронныеприборы, оптич. или телевизионные визиры и теплопеленгаторы.
Для определения угл. координат объектаиспользуется либо зависимость амплитуды огибающей принятых импульсов отразности углов между направлением максимума результирующей диаграммы излученияи направлением прихода излучения, отражённого от объекта, либо зависимостьвеличины принимаемых импульсов от направления прихода излучения с помощьючетырёх-площадного координационно-чувствит. фотоприёмника. Напряжения, пропорц. величине отклонения изображения объекта вдоль координат х,y от оптич. оси, подаются на исполнительные блоки, к-рыми обычно являютсяэлектромеханич. устройства (электроприводы или гироскопы).
Обработка сигналов, отражённых от подвижныхобъектов, в общем случае отличается от обработки сигналов, отражённых отнеподвижных объектов. Осн. особенностью сигнала, отражённого от движущегосяобъекта, является изменение несущей частоты по сравнению с частотой излучаемогосигнала - Доплера эффект. Практически реализуются оитич. локаторыс импульсными и непрерывными доплеровскими сигналами, если излучаемые ипринимаемые световые колебания имеют достаточно высокую степень когерентности, а обработка сигналов производится при гетеродинном приёме.
Примерами систем О. л. могут служить лазерныесистемы автоматич. сопровождения, определения координат и траекторий ИСЗ, снабжённых уголковыми отражателями, системы стыковки космич. аппаратови т. д. Системы О. л. широко применяются для исследования распределенияаэрозолей в атмосфере, формы облаков, скорости ветра. Приборы для этихцелей наз. лидарами. Системы О. л. в процессе обзора заданной области пространствадают изображение объекта с большим разрешением, чем радиолокация.
В оптич. локационные системы встраиваютцифровые вычислит. средства с целью реализации сложных алгоритмов статистич. обработки сигнала, распознавания образов, реализации программы адаптацииоптич. локац. систем, работающих при существенно изменяющихся условияхэксплуатации, преобразования координат из одной системы в другую.
Существ. недостаток оптич. локаторов -затруднит. использование их в сложных метеорологич. условиях (дождь, тумани т. п.) для локации объектов на далёких расстояниях.

Лит.: Лазерные измерительные системы, под ред. Д. П. Лукьянова, М., 1981; Молебный В. В., Оптико-локационныесистемы, М., 1981; Малашин М. С., Каменский Р. П., Борисов Ю. Б., Основыпроектирования лазерных локационных систем, М., 1983; Лебедько Е. Г., ПорфирьевЛ. Ф., Xайтун Ф. И., Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронныхсистем, Л., 1984; Лазерная локация, под ред. Н. Д. Устинова, М., 1984.

Ю. В. Попов, В. Б. Волконский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.