Оценка энергетических потерь в каналах зондирования лазерного дальномера Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 551.521

Б.С. Могильницкий

ФГУП СНИИМ, Новосибирск

ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В КАНАЛАХ ЗОНДИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА

Современные лазерные дальномерные системы уже оснащаются дальномерами 4-го поколения в которых локация ИСЗ производится на 2-х длинах волн. Так уже экспериментально опробирован излучатель с лазером на александрите, работающий на длинах волн 0.75 и 0.375 мкм [1]. Широко используемый УЛО:Кё-лазер весьма перспективен для метода двухволновой локации. Его работа достаточно легко реализуется на длинах волн основной с ^=1.06 и второй с Х=0.53 мкм гармониками. Представляет интерес сравнительная оценка потерь энергии зондирующего импульса на указнных каналах локации. Сравнительная оценка проводится по четырем параметрам: пропусканию атмосферы, величине энергии принимаемого эхо-сигнала, влиянию обратного рассеяния, отношению сигнал/шум приемников сигналов.

При распространении в земной атмосфере оптический сигнал претерпевает следующие изменения:

- Энергетическое ослабление, обусловленное поглощением атмосферными газами, молекулярным и аэрозольным рассеянием;

- Флуктуациями амплитуды и фазы волны, вызванные случайными неоднородностями показателя преломления воздуха;

- Рефракцией, вызванной вертикальной и горизонтальной неоднородностями атмосферы.

Энергетические потери оптического сигнала из-за аэрозольного и молекулярного рассеяния - один из главных факторов, определяющих искажение и ослабление эхо-сигнала.

Полное ослабление эхо-сигнала в атмосфере

Под незамутненной атмосферой понимают атмосферу, свободную от частиц аэрозолей.В природе такой атмосферы не существует. При наличии облаков и туманов доминирует аэрозольное рассеяние, молекулярным рассеянием можно пренебречь. В пределах спектра излучения лазера коэффициенты молекулярного и аэрозольного рассеяния слабо зависят от длины волны излучения лазера.

Под коэффициентом ослабления среды а{Х) понимают коэффициент пропорциональности в законе Бугера-Ламберта

1(А,)= 10(^)ехр[-а(Т)*Ь],

где а(Х)= ап+ ар+ак , а 10- начальная интенсивность сигнала, 1(А)-интенсивность ослабленнлго атмосферой сигнала, а(А,)- коэффициент

полного ослабления сигнала, ап- коэффициент молекулярного поглощения, ар- коэффициент аэрозольного рассеяния, ак- коэффициент молекулярного рассеяния, Ь- толщина слоя атмосферы.

Молекулярное поглощение в реальной атмосфере пренебрежимо мало по сравнению с молекулярным и аэрозольным рассеянием. Оценку его величины можно провести, используя детальные расчеты для разных длин волн [2]. Здесь лишь отметим, что величина ак в среднем примерно на два порядка меньше величины аэрозольного рассеяния ар. Таким образом, основной вклад в полное ослабление оптического сигнала вносит аэрозольное рассеяние.

Таблица 1

Длина волны, мкм Полное ослабление а(Х), км"1

0.53 0.38

1.06 0.18

Полное ослабление для дымок с наиболее вероятными значениями параметров микроструктуры а=(0.05-5) мкм, Л=4, L=10 км [3].

Турбулентность атмосферы

Турбулентное движение воздуха вызывает мелкомасштабные колебания температуры, влажности и давления, которые , в свою очередь, приводят к случайным флуктуациям показателя преломления воздуха. Это приводит к уменьшению когерентности излучения, изменению пространственновременных параметров пучка и состоянию его поляризации. Изменяется фаза волны, что является причиной изменения траектории луча - углового отклонения от первоначального направления. Происходит расширение пучка и искажение гауссового контура интенсивности. Непосредственное энергетическое ослабление турбулентностью пренебрежимо мало и только при определенных условиях может оказать заметный вклад: при малой апертуре приемной системы, необеспечивающей полного перехвата оптического луча.

Расчет энергии лазерного эхо-сигнала

Энергия сигнала, отраженного уголковыми отражателями, определяется из формулы дальности [5]. Для ее оценки удобно пользоваться выражением потока излучения, поступающего на фотоприемник

32 Ф So6 SBX.3p Роб "Спер ^пр cos (Р)

Фпр= ------------------------------------^exp[-2(r/0nep-L)2],

LV 02иер (1/dcosP + 5*10 6 л)2

1 2 где Ф - поток источника излучения (1ГВт) , S06 - площадь обьекта (0.75м ),

л

SBx.3p - площадь входного зрачка телескопической системы (0.28м ), роб -коэффициент диффузного отражения обьекта (0.5), тпер- коэффициент

1 В скобках указаны численные значения параметров, использованных при расчете.

л

пропускания передающей оптической системы (0.7), т с- коэффициент пропускания среды оценивается по модели эквивалентной среды, в которой вся толща атмосферы считается однородной по объему и равна 10км [6] (^=1.06мкм: 0.0196, ^=0.53мкм: 0.0016), тпр- коэффициент пропускания приемной оптической системы (0.2), собР - косинус угла между направлением падающего луча и нормалью к облучаемой поверхности(0°), Ь

-5

- расстояние до ИСЗ(6-10 км), 0пер- расходимость лазерного пучка (^=1.06мкм:0.0582, ^=0.53мкм:0.0289), (1 - линейный размер входной грани блока уголкового отражателя(Юсм), ц - значение расходимости из-за неточного изготовления призм катафота в угловых сек (1.8) [4],

г- расстояние от центра обьекта до оси пучка (0.5м).

Исходные и вычисленные значения мощности и энергии световых потоков на двух длинах волн генерации представлены в табл. 2.

Таблица 2

Длина волны излучения, мкм М О Щ Н О С Т Ь Э Н Е Р Г И Я

Нач.поток, Поток на ФП Вт Вт Нач.поток Поток на ФП Дж Дж

1.06 109 5.9*10-4 1 5.8*10-14

0.53 0.5*109 1.79*10-4 0.5 1.79*10-14

Из приведенных данных видно, что величина эхо-сигнала при прохождении в атмосфере двойного пути до ИСЗ испытывает сильное ослабление около 14 порядков (140 дБ).

Расчет величин потоков обратного рассеяния

Расчет величин обратного рассеяния зондирующего излучения весьма трудоемкая и объемная задача [7]. Наша оценка степени влияния обратного рассеяния на величину эхо-сигнала показывает, что помехи, обусловленные обратным сигналом на А,=1.06 мкм в 14 раз меньше чем на ^=0.53мкм. В целом величина потока обратного рассеяния на 4-5 порядков меньше величины эхо-сигнала.

Расчет отношения сигнал/шум фотоприемников

Для сравнительного анализа выбран тип фотоприемника оптимальный для указанных длин волн. Для приема импульсных световых потоков малой интенсивности более всего подходят ФЭУ типа ЭЛУ К ФЭУ предъявлялись требования минимального значения темнового тока при максимуме спектральной чувствительности. Этим требованиям удовлетворяет ФЭУ типа 31 ЭЛУ-ФК. Расчет и сравнение отношений сигнал/шум фотоприемников Ц=1с/1т на каналах локации дает значительное преимущество на л=0.53мкм, где р,0.5з=770000, по сравнению с щ 06=2300 на А,=1.06 мкм . Здесь 1с - ток на выходе ФЭУ, 1т - величина темнового тока. В целом ц на указанных длинах волн достаточно велико и обеспечивает уверенную регистрацию эхо-сигнала.

Результаты сравнения двух каналов локации представлены в табл. 3.

Таблица З

Параметр сравнения Оценка сравнения А,і.обАю.53

Затухание в атмосфере меньше в 2 раза

Величина эхо-сигнала лучше в 3 раза

Фон обратного рассеяния меньше в 14 раз

Сравнение по 3-ом параметрам канал с Хі.об лучше в 500 раз с Хо.53

Отношение сигнал/шум ФП хуже в 300 раз

Сравнение по четырем параметрам показывает, что канал с ?ц.об примерно в 1.5 раза более прозрачен чем канал с ^0.5з- Необходимо учитывать некую условность нашей оценки при задании начальных потоков излучения по каналам локации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кравченко И.И. и др. Зарубежная радиоэлектроника- 1985,№12,с.59

2. Rendorff R.I. et al. Opt.Soc.Am.-1987, v.47, p.176

3. Хинкли Э.Д. Лазерный контроль атмосферы.-1979

4. Кокурин Ю.Л. Лазерная локация Луны. Труды ФИЛИ- 1977,т.91

5. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами.-1978

6. Гуди P.M. Атмосферная радиация. Ч1.Основные теории.- 1966

7. Донченко В.Л.и др. Рассеяние оптических волн дисперсными средами.-1983.

© Б.С. Могильницкий, 2006