Оптическая локация
Активная оптическая локация
Может проводиться с использованием некогерентных и когерентных оптических сигналов. Прожекторная локация. Использовалась в период первой и второй мировых войн. Отраженные сигналы видимого диапазона наблюдались визуально. Некогерентность последнего ограничивала его угловую концентрацию. Прожекторы инфракрасного диапазона используются в современных системах ночного видения. Преобразователи ИК преобразуют принятые изображения в видимые.
Лазерная локация. Появилась в начале 60-х годов в результате создания источников когерентного излучения - лазеров. Лазерной локации присущ ряд важных особенностей:
> когерентность и малая длина волны излучения лазеров даже при небольших излучателях. При расходимости излучения в одну угловую секунду поперечный размер облучаемой области на дальности 200 км составляет всего 1 м, позволяя раздельно наблюдать элементы цели);
> временная и пространственная когерентности ихчучения лазеров обеспечивают стабильность частоты при высокой спектральной плотности их мощности. Наряду с остронаправленностью лазерного излучения это определяет помехозащищенность лазерных средств от действия естественных источников излучения.
У высокая частота колебаний приводит к большим доплеровским сдвигам частоты при взаимных перемещениях цели и локатора. Обеспечивая высокую точность измерения радиальной скорости, это требует расширения полосы приемных устройств;
У распространение волн оптического диапазона в газообразных и жидких средах сопровождается их значительным рассеянием.
Структурная схема и особенности построения лазерного локатора
Лазеры являются основными элементами лазерных локаторов. Используются лазеры:
• на двуокиси углерода С02;
• на ионах неодима;
• на рубине;
• на парах меди и др.
Газовые С02-лазеры обладают высокими средними выходными мощностями, высокой монохроматичностью, высоким КПД, работают как в непрерывном, так и в импульсном режимах, компактны. Твердотельные неодимовые и рубиновые лазеры используются в основном в импульсном режимах; энергия их излучения в импульсе - до единиц джоулей; КПД - единицы процентов. Лазеры на. парах меди обеспечивают высокую частоту повторения при средней мощности до 100Вт.
Формирующая оптическая система. Обеспечивает требуемое распределение потока лазерного излучения в пространстве Типичная ФОС включает неуправляемые зеркала 3, линзы и управляемые дефлекторы Д, обеспечивающие перемещение луча.
Приемный телескоп. Концентрирует отраженные от целей лазерные сигналы на фотоприемном устройстве.
Фотоприемное устройство. В нем используется либо прямое усиление видеосигналов после оптического детектирования, либо усиление радиосигналов на промежуточной частоты после оптического гетеродинирования. Видеочастотное усиление используется преимущественно в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, в которых имеются малошумящие приемники с внешним фотоэффектом. Радиочастотное усиление используется в ИК диапазоне, в котором внешний фотоэффект не реализуется из-за недостаточной энергии кванта излучения, зато гетеродинный прием снижает значимость шумов внутреннего фотоэффекта.
Особенности гетеродинного приема. В состав фотоприемного устройства вводят лазерный гетеродин и смеситель в виде полупрозрачного зеркала или светоде-лительной призмы. При этом в случае взаимной когерентности излучений лазерного гетеродина и передающего устройства возможна когерентная обработка принимаемого сигнала. Поэтому гетеродинный прием используется не только для подавления внутренних шумов в ИК диапазоне, но и для извлечения информации из фазовой структуры принимаемого поля в видимом, ИК и УФ диапазонах.
Вариант интерферометрического приема. На входе фотоприемного устройства суммируются поля от двух или нескольких пространственно-разнесенных точек плоскости приемной апертуры. По результату интерференции полей определяют их взаимную когерентность и фазовые соотношения. По набору измерений при различном разносе точек приема могут восстанавливать пространственное распределение амплитуды и фазы принимаемого поля. Интерферометрический прием используется в отсутствие гетеродина для извлечения информации из фазовой структуры принимаемого поля, а также для увеличения углового разрешения и синтезирования апертуры.
Адаптивный вариант современных лазерных локаторов. Используется для компенсации искажений волновых фронтов сигналов в атмосфере и средах лазерных генераторов.
Области применения лазерных локаторов:
• измерение дальности и угловых координат движущихся целей - кораблей, самолетов, искусственных спутников Земли и т.д.;
• высокоточные измерения скоростей перемещения целей и потоков жидкостей и газов;
• получение некоординатной информации о целях, включающей параметры поверхности, параметры вибрации и движения вокруг центра масс, изображения и др.;
• высокоточное наведение систем оружия;
• обеспечение стыковки космических аппаратов, посадки самолетов, судовождения;
• элементы технического зрения в автоматических и роботизированных системах;
• диагностика параметров и измерение вариаций характеристик окружающей среды, включая атмосферу, а также контроль ее загрязнения продуктами хозяйственной деятельности человека. Аббревиатура Lidar означает обнаружение света и определение дальности.
Пассивная оптическая локация
Использует собственное оптическое излучение нагретых участков поверхности цели или ионизированных образований в ее окрестности. Максимум излучения абсолютно черного тела при температуре Т приходится на длину волны 2898/71 мкм. Длина волны для реальных целей находится в инфракрасной области спектра: лишь при Т 4000 К максимум совпадает с красной видимого спектра, а при Т 5000 К - с желтой областью. Средства пассивной оптической локации обычно работают в ближнем ИК диапазоне. В число таких средств входят тепловые головки самонаведения, пассивные приборы ночного видения и др. Их используют также в системах ракетнокосмической обороны .
Полуактивная оптическая локация
Использует явление вторичного излучения целями оптических волн от источника естественного интенсивного первичного излучения. Чаще всего таким источником является Солнце. Средства полуактивной локации, основанные на этом принципе, называют оптико-электронными станциями. К средствам полуактивной оптической локации можно отнести также биологические зрительные системы. Несмотря на использование вторичного излучения, ОЭС часто относят к средствам пассивной оптической локации.
Примеры систем оптической локации
Приводимые примеры систем ОЛС, ОЛК подразделяются на примеры, относящиеся к пассивным системам, полуактивным системам, активным и комбинированным системам оптической локации. Деление условное: один и тот же дорогостоящий телескоп с течением времени часто получает более широкое, комбинированное предназначение. Примеры пассивных ОЛС и их комбинаций с полуактивными. К этим системам относится ряд систем контроля космического, воздушного и наземного пространства. Спутниковые системы MIDAS, DSP и SBIRS. Развиваются, начиная с 1960 г., для обнаружения стартов баллистических ракет в оптическом диапазоне по факелу двигательной установки. Спутники MIDAS работали в диапазоне длин волн 3... 5 мкм и были низкоорбитальными. На спутниках размещался телескоп с диаметром входного отверстия 0,9 м и мозаичное фотоприемное устройство. Начиная с 1970 г., пять более новых спутников DSP десятиметровой длины размещаются на геостационарных экваториальных орбитах. Оптическая аппаратура включает многоцелевой телескоп с диаметром 0,9 м и ряд приемных элементов в двух инфракрасных диапазонах. Каждый приемный элемент просматривает 6 тыс. секторов пространства, образующих пятно с диаметром 3 м на поверхности земли. Аппаратура вращается вокруг оси с периодом 5,7 с. Время обнаружения и подтверждения траектории ракеты составляет 2 мин. Данные передаются по радио через стационарные тихоокеанскую и австралийские наземные станции в штаб Norad. Планировалось создание 30 новых спутников для замены отслуживших и усиления группировки, а также наземных подвижных станций приема и объединения данных спутников. Последняя программа SBIRS предусматривает дополнительное формирование низкоорбитальной группировки спутников SBIRS Low с оптико-электронной аппаратурой, начиная с 2002 г., в интересах войск и флотов вне США. Начиная с 2004 г. планировалась замена спутников DSP спутниками SBIRS High. Оптико-электронная система AEOS. Система предназначена в основном для сопровождения и распознавания низкоорбитальных космических аппаратов в тени Земли и обладает для этого системой автоматического сопровождения малоразмерных объектов, перемещающихся с высокой угловой скоростью. Размещена на о. Мауи и используется ВВС США. Включает телескоп с рекордными диаметром первичного зеркала 3,67 м и массой 120 т, а также подсистему адаптивной компенсации искажений в турбулентной атмосфере. На расстоянии 400 км обеспечивает разрешающую способность 10 см в поперечной плоскости при поле обзора - 1 мрад. Может использоваться и как полуактивная система, работающая за счет солнечного подсвета дальних объектов в видимом диапазоне. Частично используется для астрономических наблюдений. Примеры полуактивных ОЛК и их комбинаций с пассивными. К этим комплексам относятся средства обнаружения, измерения координат, распознавания космических и воздушных объектов, метеообеспечения и экологического контроля окружающей среды.
Оптико-электронный комплекс GEODSS. Иначе, Ground-Based Electro-Optical Deep Space Surveillance. Предназначен для обнаружения, распознавания и каталогизации космических аппаратов, астероидов и т.п. Разработан Масса-чусетским технологическим институтом и размещен в Сокорро. Важнейший элемент системы контроля космического пространства США. Оптико-электронные средства комплекса работают в видимом и ближнем ИК диапазонах. Он позволяет сопровождать объект с угловым размером 12". Телевизионная камера включает 4096x4096 элементов размером 15 мкм. Изображения звезд, вращающихся относительно Земли с постоянной скоростью, могут автоматически стираться. Дальность получения информации в ночных условиях оценивается величиной 40 тыс.км, в дневных - 9 тыс. км. Частично используется для астрономических наблюдений.
Оптико-электронная станция AMOS. Станция AMOS предназначена для обнаружения, сопровождения и получения координатной и некоординатной информации о космических объектах, находящихся на орбитах до 32 тыс. км в видимом диапазоне длин волн. Размещена на о. Мауи. Диаметры главных зеркал телескопов 155 и 122 см. Для распознавания объектов привлекаются фотометрические и спектрофотометрические характеристики изображений. При их получении используются методы компенсации влияния турбулентной атмосферы. Телевизионные оптические визиры зенитных ракетных комплексов. Используются в ЗРК малой и средней дальности США, Франции, России и т.д. для обнаружения и распознавания освещенных солнечным светом целей и наведения на них зенитных управляемых ракет. Дальность обнаружения в хороших метеоусловиях определяется дальностью прямой видимости.
Примеры активных лазерных ОЛС
Эти ОЛС используются для измерения угловых координат, дальностей и радиальных скоростей различных объектов, в том числе элементов воздушных масс, сбора некоординатной информации, наведения управляемого оружия, навигационного и метеообеспечения, контроля окружающей среды.
Лазерный локатор Firepond. Имеет прие-мо-передающий телескоп диаметром 1,2 м, обеспечивающий расходимость излучения до 2". Был создан Массачусетсом технологическим институтом для локации космических аппаратов, оснащенных уголковыми отражателями, на дальностях до 6000 км, а также земной стратосферы и мезосферы на высотах 100...300 км. Лазерное обеспечение изменяется в зависимости от решаемых задач. Для решения атмосферных задач лидар, оснащенный в середине 90-х годов NdrYAG-лазером со средней мощностью 25 Вт университета Клемсон. Он испускает луч с частотой следования импульсов 31,7 Гц диаметром около 10 мм. Лидар является в настоящее время элементом радиоастрономической обсерватории Millstone Hill вблизи Бостона, включающей РЛС некогерентного зондирования ионосферы, оптические спектрометры, интерферометры и т.д. В ранних версиях лидара использовался фотодетектор на основе HgCdTe, чувствительный к длине волны 10,6 мкм. По результатам проводок ИСЗ ошибка измерения радиальной скорости составила 1,3 мм/с. Вертолетная ОЛС Fiberiek 1.54. Обеспечивает огибание ландшафта и предотвращает столкновения с проводами и другими препятствиями без непосредственного представления изображений пилоту. Передающий неодимовый NdiYLF-лазер работает в относительно безопасном для глаза диапазоне 1,54 мкм, обеспечивая спиральное сканирование излучаемых импульсов длительностью 5 не с частотой следования 15 кГц при средней мощности 1 Вт. Для повышения чувствительности фотоприемника на основе InGaAs использовано термоэлектрическое охлаждение до -25° С. Исследовательская лазерный локатор Hercules. Включает неодимовый NdiYLF-лазер на длине волны 1,047 мкм при апертуре диаметром 4,8 см. Обеспечивается излучение импульсов длительностью 10 не с частотами следования 2 или 16 кГц и пиковыми мощностями 12 или 1,2 кВт. Матрица фотоприемников, состоящая из 256x256 элементов, при частоте следования 16 кГц просматривается за 4 с. Оптический фильтр с полосой пропускания 25нм ослабляет фоновое излучение. Направленность излучения 0,5 мрад, направленность приема 0,8 мрад.
Пример комбинации активных ОЛС с полуактивными и пассивными
Исследовательский локатор TSLR. Предназначен для гибкого макетирования комбинаций лазерной, телевизионной и тепловой локации с высоким разрешением. Передающий С02 лазер активной части TSLR со средней мощностью 15 Вт, сопряженный с телескопом диаметром 17,8 см, обеспечивает программируемый обзор пространства и модуляцию колебаний по частоте, амплитуде и поляризации. Приемная система активной части TSLR включает длиннофокусный телескоп и матричный фотоприемник на основе InSb, состоящий из 256x256 элементов. Гетеродинным детектором служит фотодиод, охлаждаемый до 77°К. Часть элементов активной части TSLR используется в телевизионном и тепловом каналах.
Акустическая локация
Общие сведения
Особенно широкое применение акустическая локация получила в водной среде, акустические волны в которой затухают существенно медленнее электромагнитных, но она применяется и в воздушной среде. Пассивные акустические методы в воздушной среде используют в неконтактных акустических взрывателях средств поражения. Звукоулавливание и пеленгация объектов по создаваемым ими звукам предшествовали, наряду с инфракрасной пассивной локацией, радиолокации самолетов. Вынесенные акустические датчики совместно со средствами передачи информации могут и сейчас использоваться в многопозиционных локационных системах, обеспечивая информацию о закрытых для радиоволн участках местности.
Наряду с акустическими колебаниями звуковых частот используют колебания более высоких, ультразвуковых частот и более низких, инфразвуковых. Инфразвуковые колебания вызываются в толще суши, воды и атмосферы Земли землетрясениями, ураганами, а также взрывами и даже движением отдельных транспортных средств. Сейсмические волны могут распространяться в толще Земли со скоростью х 1С м/с и использоваться для обнаружения землетрясений, взрывов, геофизической разведки ископаемых. Ультразвуковую и звуковую активную и пассивную гидролокацию широко используют в морской навигации для обнаружения невидимых глазом подводных препятствий, в рыбном промысле для обнаружения косяков и крупных рыб, в гидрогеологии, океанографии для поиска полезных ископаемых и исследования морского дна, в военном деле для обнаружения и измерения координат подводных лодок, мин, надводных кораблей, наведения на них торпед и ракет. На акустические средства военного назначения распространяется идеология радиоэлектронной борьбы.
2.4.2. Особенности гидроакустических колебаний
Характерной особенностью гидроакустических колебаний является низкая скорость их распространения v 1,5-10' м/с, значительно меньшая скорости света в вакууме с 3-10 м/с. Это приводит к сокращению длин волн и обеспечению хороших разрешений по дальности активной локации даже при узких полосах частот. Хотя акустические колебания в воде затухают слабее электромагнитных, степень их затухания велика. Наименьшее затухание наблюдается в диапазоне звуковых частот 0,5...2 кГц. Дальность распространения волн средней интенсивности в одном направлении достигает при этом 15...20 км. В диапазоне ультразвуковых частот, больших 15...20 кГц, длина волны укорачивается и становится менее 10 см. Существенно возрастает затухание, особенно в поверхностном слое воды, содержащем ряд неоднородностей. Дальность распространения волн средней интенсивности снижается до 3...5 км. Наряду с явлением затухания сказываются явления рефракции и сверхрефракции. Рассеяние акустических колебаний неоднородностями приводит к образованию непреднамеренных гидролокационных пассивных помех. Удары волн о поверхность суши, шумы перекатываемой гальки, звуки, создаваемые рыбами - источники непреднамеренных активных помех.
2.4.3. Пассивная гидролокация - шумопеленгование
Позволяет выявлять источники акустического излучения, классифицировать их, определять пеленги с точностью от 1...2° до десятых долей градуса. Методы пеленгации сходны с радиотехническими. Индикация чаще всего слуховая. Устройства пассивной гидролокации устанавливаются на надводных судах и подводных лодках. Используются прибрежные и донные преобразователи гидроакустических колебаний в электрические. Распространена установка гидроакустических буев. Информация снимается с помощью кабелей или по каналам радиосвязи, в том числе с использованием самолетов-ретрансляторов. Возможна многопозиционная корреляционная обработка сигналов.
2.4.4. Активная гидролокация
Активный гидролокатор сходен по структуре с активным радиолокатором. Излучает интенсивные немодулированные или модулированные по фазе импульсные или непрерывные колебания. Мощности лежат в пределах от сотен ватт до сотен киловатт в зависимости от выбранной максимальной дальности. Максимальная дальность ГЛС составляет от нескольких единиц до нескольких десятков километров в зависимости от типа ГЛС и текущих параметров среды. Несущую частоту выбирают, исходя из
• повышения направленности излучения и приема при увеличении частоты;
• снижения затухания при уменьшении частоты. Несущая, в связи с изложенным, чаще всего составляет от сотен герц до сотен килогерц.
Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют прямые и обратные пьезо- или же магнитострикционные эффекты. Наряду с гидроакустическими антеннами зеркального и рупорного типов получили распространение антенные решетки.
ГЛС могут быть важной составной частью гидроакустических комппексов военного назначения, решающих задачи обнаружения, измерения и классификации целей с выдачей информации для их поражения. Широкое распространение получают рыболокаторы вертикального и горизонтального действия. Разновидности ГЛС используются в морской геологии и обеспечивают подводные промыслы.
Созданы ГЛС бокового обзора с высоким разрешением. Разрабатываются ГЛС звуковидения со сверхвысоким разрешением.
Примеры гидроакустических локаторов FCV-1500
Активный гидролокатор для поиска рыбных косяков. Использует два независимых приемо-передатчика, обеспечивающих работу на двух частотах из ряда 15, 28, 38, 50, 88, 107, 200кГц. Мощность 1, 2 или 3кВт в зависимости от типа используемого преобразователя. Частота следования импульсов от 0,33 до 33 Гц. Длительность импульса в зависимости от частоты от 0,2 до 10 мс. Цветной 15" дисплей с максимальной шкалой дальности 4 тыс. футов с выбором метрической системы шкалы отображает отражения различного характера различными цветами для лучшего выделения косяков. Режимы отображения: эхо НЧ-локатора, ВЧ-локатора, совмещенное. Осуществляется автоматическая аудио-визуальная сигнализация обнаружения рыбы, уменьшения глубины до заданной. Низкочастотный сонар AN/AQS-22. Предназначен для обнаружения, классификации и сопровождения подводных лодок. Обеспечивает также подводную связь. Включает активно-пассивный погружаемый гидроакустический буй и систему обработки, размещенную на вертолете SH-60R. Буй опускается на кабеле длиной до 780 м. Формирует луч кардиоидной формы. Использует 5 частотных диапазонов в полосе от 10 Гц до 2,4 кГц или до 20 кГц в зависимости от типа. Генерируемые сигналы: непрерывный, импульсный с линейной и нелинейной частотной модуляцией. Уровень излучаемого сигнала не менее 200 дБ.
3.