Основы импульсной лазерной локации

ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ

Ñ å ð è ÿ

Ïðèêëàäíàÿ ýëåêòðîíèêà

Ïîä îáùåé ðåäàêöèåé
È.Á. ÔÅÄÎÐÎÂÀ

ÍÀÓ×ÍÎ-ÐÅÄÀÊÖÈÎÍÍÛÉ ÑÎÂÅÒ:

– ïðåäñåäàòåëü,
È.Á. Ôåäîðîâ
À.Ô. Àëåêñàíäðîâ, Ê.À. Âàëèåâ,
À.À. Îðëèêîâñêèé,
Þ.Ñ. Ïðîòàñîâ – çàì. ïðåäñåäàòåëÿ,
– çàì. ïðåäñåäàòåëÿ,
Â.Í. Ðîæäåñòâèí
À.À. Ðóõàäçå, Ï.Ñ. Ñòðåëêîâ,
Â.Å. Ôîðòîâ

Ðåêîìåíäîâàíî ÓÌÎ ïî îáðàçîâàíèþ
â îáëàñòè ïðèáîðîñòðîåíèÿ è îïòîòåõíèêè
â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ
äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé,
îáó÷àþùèõñÿ ïî íàïðàâëåíèþ ïîäãîòîâêè
Îïòîòåõíèêà
«
»
»
è ñïåöèàëüíîñòÿì
,
«Ëàçåðíàÿ òåõíèêà è ëàçåðíûå òåõíîëîãèè
,
»
«Ëàçåðíûå ñèñòåìû â ðàêåòíîé òåõíèêå è êîñìîíàâòèêå
»
«Îïòèêî-ýëåêòðîííûå ïðèáîðû è ñèñòåìû
íàïðàâëåíèÿ ïîäãîòîâêè
äèïëîìèðîâàííûõ ñïåöèàëèñòîâ
Îïòîòåõíèêà»
«

Ïîä ðåäàêöèåé Â.Í. Ðîæäåñòâèíà

Îñíîâû
èìïóëüñíîé
ëàçåðíîé
ëîêàöèè

Èçäàíèå âòîðîå, ïåðåðàáîòàííîå è äîïîëíåííîå

Ìîñêâà 2010

УДК 621.375(075.8) 
ББК 32.86-5 
 О-72 

Р е ц е н з е н т ы: 
кафедра «Оптико-электронные системы и дистанционное зондирование» 
Томского государственного университета  
(зав. кафедрой, д-р физ-мат. наук, проф. И.В. Самохвалов); 
д-р техн. наук, проф. И.Ю. Золотов; 

д-р техн. наук В.Н. Носов 

 

А в т о р ы:  
В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов, 
В.А. Городничев, Б.В. Стрелков 

 

О-72      
Основы импульсной лазерной локации : учеб. пособие / 
Козинцев,  и др.]; под ред. В. Н. Рождествина.  —  
 — М.: Изд-во  МГТУ им. Н. Э. Баумана ,  2010.  —  573, [3]  с. :  ил.  —
  (Электроника). 

 
    ISBN 978-5-7038-3436-7 

 
Изложены физические основы импульсной лазерной локации. Приведены сведения об оптических свойствах земной атмосферы, отражающих свойствах земной и 
морской поверхностей и объектов локации. Описаны эффекты, возникающие при распространении лазерных пучков в атмосфере. Рассмотрены методы расчета лазерных 
сигналов на трассе с отражением от неровной земной и взволнованной морской поверхностей, от светоотражателей и от объектов сложной формы. Описаны помехи в 
системах лазерной локации. Изложены теоретические основы приема лазерных сигналов. Приведены примеры лазерных локационных систем различного назначения и 
описаны их основные элементы. 
Второе издание (1-е — 2006 г.) дополнено материалом по современным лазерным локационным системам различного назначения. 
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который читают авторы в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов технических вузов, обучающихся по направлению «Оптотехника», а также для научных работников и инженеров приборостроительного профиля. 
 
УДК 621.375(075.8) 
ББК  32.86-5  
 

 

  
 
  
 
 Оформление. Издательство МГТУ  
ISBN 978-5-7038-3436-7      
  
 
     им. Н.Э. Баумана, 2010 
©

[В. И.
Изд. 2-е, перераб. и доп.  

ведущий научный сотрудник Института геохимии
и аналитической химии им. В.И. Вернадского

180-летию 
МГТУ им. Н.Э. Баумана 
посвящается 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Вторая половина XX в. ознаменовалась появлением и бурным развитием ряда новых отраслей науки и техники, среди которых одно из первых 
мест по праву занимает лазерная (оптическая) локация.  
Как самостоятельная область лазерная локация появилась только после разработки оптических квантовых генераторов. Рубин явился первым 
веществом, в котором в 1960 г. была осуществлена генерация лазерного 
излучения с длиной волны 0,69 мкм. Лазер на рубине и по сей день находит применение в лазерной локации. В 1961 г. была впервые показана возможность генерации лазерного излучения ионами неодима на длине волны 
1,06 мкм. В настоящее время лазеры этого типа широко используются в 
лазерных локационных системах различного назначения. В 1964 г. был 
создан лазер на CO2, работающий на длине волны 10,6 мкм. Высокие выходные мощности излучения, способность работать в непрерывном и импульсном режимах, а также высокая прозрачность атмосферы в этой области спектра делают лазер на CO2 и сейчас весьма перспективным для 
решения задач локации. 
За короткий промежуток времени с момента появления первого лазера 
было создано большое количество мощных источников когерентного света. 
Одновременно велись широкие исследования по разработке методов модуляции и демодуляции лазерного излучения.  
Превосходные характеристики даже первых лазеров на рубине (мощное 
излучение и коллимированность светового пучка) и развитие методов модуляции добротности позволили генерировать очень короткие лазерные импульсы и проводить пространственно разрешенные измерения подобно радарам: интервал между временем посылки лазерного импульса и временем 
прихода отраженного сигнала на приемник можно непосредственно связать 
(через скорость света) с расстоянием от лазерного передатчика до объекта, 
от которого произошло отражение.  

Предисловие 
———————————————————————————————————— 
6 

К началу 80-х годов XX в. лазерная локация сформировалась в самостоятельное научно-техническое направление. Значительные достижения 
квантовой электроники позволили не только создать уникальные по своим 
характеристикам лазерные локационные системы, но и эффективно их использовать в различных областях техники.  
С помощью лазерных локаторов осуществляют наблюдение за летательными аппаратами (самолетами, ракетами, искусственными спутниками 
Земли), исследуют состояние земной атмосферы, проводят локацию Луны. 
Лазерные локаторы используются для дальнометрии, при посадке самолетов, стыковке космических аппаратов, в военной области и т. п. 
При разработке лазерных локаторов очень важно иметь предварительную 
оценку их тактико-технических параметров — дальности действия, углового 
разрешения и др. Эта оценка позволяет заранее определить круг задач, которые можно решать с помощью локатора, а это, в свою очередь, оказывает 
влияние на его конструктивное и схемное построение. Предварительную 
оценку тактико-технических параметров локатора получают на основании 
расчета характеристик лазерных сигналов, регистрируемых приемником 
локатора. Такой расчет может служить основой для нахождения диапазона 
значений характеристик и их средних значений, а также ряда дополнительных данных о временных и пространственных характеристиках принимаемого сигнала. Следовательно, расчет характеристик принимаемых лазерных 
сигналов является одной из важных задач при проектировании лазерных 
локаторов, и ему уделено в книге особое внимание. 
Учебное пособие состоит из пяти частей. 
В первой части «Элементы теории светорассеяния» описываются элементы локационной схемы, оптические свойства земной атмосферы, отражающие свойства земной, морской поверхностей и объектов локации, распространение лазерных пучков в земной атмосфере. 
Вторая часть «Теоретические основы расчета импульсных лазерных локационных сигналов» посвящена вопросам расчета характеристик лазерных 
локационных сигналов от неровной земной и взволнованной морской поверхностей, от светоотражателей и от объектов сложной формы. 
В третьей части «Помехи в системах лазерной локации» рассматриваются вопросы расчета помех и флуктуационных характеристик сигналов в 
системах лазерной локации. 
В четвертой части «Теоретические основы приема импульсных лазерных локационных сигналов» описаны: особенности приема сигналов в оп

Предисловие  
———————————————————————————————————— 
7 

тическом диапазоне; статические характеристики сигнала, шума и их смеси 
на выходе фотодетектора; обнаружение сигнала в системах импульсной лазерной локации; определение дальности до объектов локации; измерение 
угловых координат объектов локации. 
В пятой части «Системы импульсной лазерной локации и их элементная 
база» описаны элементы лазерных локационных систем и примеры лазерных локационных систем слежения, наведения, дальнометрии, высотометрии и высокоточных геофизических измерений. 
Содержание учебного пособия не охватывает всех проблем лазерной 
локации. За текстом остались, в частности, лазерные локаторы, предназначенные для работы под водой или через границу раздела «воздух—вода», и 
лазерные локационные системы, использующие модулированное непрерывное лазерное излучение. Более того, даже при освещении рассматриваемых 
вопросов в ряде случаев авторы ограничиваются только наиболее существенными, по их мнению, положениями. 
При подготовке книги были использованы наиболее известные монографии, посвященные лазерной локации, работы авторов, а также многочисленные книги, статьи и сборники научных трудов, не вошедшие в краткий 
список литературы. 
Во втором издании учебного пособия значительно расширена последняя 
глава «Лазерные локационные системы слежения, наведения, дальнометрии, 
высотометрии и высокоточных геофизических измерений» описанием современных разработок в области лазерных импульсных дальномеров и высотомеров различного назначения и лазерных систем слежения за спутниками. 
Авторы признательны рецензентам — доктору технических наук, профессору И.Ю. Золотову, доктору технических наук В.Н. Носову и доктору физикоматематических наук, профессору И.В. Самохвалову — за ценные советы и 
замечания по содержанию книги и выражают глубокую благодарность доктору технических наук В.И. Воробьеву и кандидату технических наук 
А.И. Сенину за обсуждение материала и предложения, использованные при 
написании книги. 
 
 

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 

A  
— альбедо подстилающей земной поверхности 

2
C   
— структурная характеристика диэлектрической проницаемости 
атмосферы 
с  
— скорость света в вакууме 
E  
— освещенность (облученность) 

и(
)
E
R   
— освещенность элементарной отражающей площадки, созда
ваемая излучением, падающим от источника 

f    
— фокусное расстояние приемного объектива 

( )
f t   
— форма зондирующего импульса  

и
F   
— радиус кривизны волнового фронта на источнике излучения 
h  
— постоянная Планка 

2
k

    
— волновое число 

( ,
)
L r n   
— яркость излучения в точке r в направлении n  

( , ,
)
L      — яркость на оптической глубине  под углами  и  

o( )
L T   
— спектральная яркость абсолютно черного тела  

,
L  L   
— яркости восходящего и нисходящего излучений 

и
п
,
L
L   
— расстояния от источника и приемника соответственно до цен
тра лазерного пятна подсвета и поля зрения приемника на поверхности 

o( )
M
T

  
— спектральная плотность светимости излучения абсолютно чер
ного тела 

и
п
,
m
m   — единичные векторы, характеризующие направления оптичес
ких осей источника и приемника излучения 
N(z)  
— концентрация поглощающих молекул в точке z трассы локации 

Список основных сокращений  
———————————————————————————————————— 
9 

n  
— единичный вектор направления 


n   
— проекция вектора n на плоскость, перпендикулярную оси z 

cn
  
— среднее число сигнальных фотоэлектронов 

ш
n   
— среднее число шумовых фотоэлектронов 

ф
n   
— среднее число фотоэлектронов фонового излучения 

т
n   
— среднее число темновых фотоэлектронов 

o
P   
— мощность излучения лазерного источника 
( )
P t   
— мощность принимаемого излучения 

( )
P t   
— средняя мощность принимаемого излучения 



P n W   — вероятность того, что под действием падающего на фотодетек
тор излучения с известной энергией W эмитируется n фотоэлектронов 

л.т
P
  
— вероятность ложной тревоги 

п.о
P
  
— вероятность правильного обнаружения 
r  
— радиус-вектор 


r   
— проекция радиус-векторов r на плоскость, перпендикулярную 
оси z 

иr   
— эффективный размер апертуры источника излучения  

пr   
— эффективный размер приемного объектива 

ф
ф
,
r
R   
— радиус-векторы в плоскости фотоприемника 

S  
— поверхность 

м
S   
— метеорологическая дальность видимости 

S

  
— солнечная постоянная 
Sп  
— площадь входного зрачка объектива приемного устройства 
Т  
— температура  

и,
T
 
п
T   
— коэффициенты пропускания передающей и приемной оптической системы 

a.и
a.п
,
T
T
  — коэффициенты пропускания атмосферы, вызванного поглоще
нием атмосферными газами, на трассах «источник—поверхность» и «приемник—поверхность» 
U  
— скорость приводного ветра 
(
)
U R   
— распределение поля 

V  
— френелевский амплитудный коэффициент отражения 

Список основных слкращений 
———————————————————————————————————— 
10

и
W   
— энергия импульса, излучаемого источником лидара 

, ( )
n m
W
x   — функция Уиттекера 

( ),
(
,
)
x
y
W
W



 — плотности распределения высот и наклонов морской 

поверхности 
 

и
2
,

 
п
2  — углы расходимости излучения лазерного источника и поля зрения приемной системы 
( )
    
— индикатриса рассеяния атмосферы 

o
   
— изотропная часть индикатрисы рассеяния атмосферы 

( ,
)
 k m   — локальная индикатриса отражения поверхности 


   
— излучательная способность подстилающей земной поверхности 
( )
x

  
— дельта-функция 

ф
   
— смещение плоскости фотоприемника относительно фокальной 

плоскости линзы 
  
— показатель ослабления 
  
— угол рассеяния 

2( )z
 
  — дисперсия угла отклонения луча при элементарном акте рас
сеяния в атмосфере 
{
,
}
x
y
 

γ
 — вектор наклонов неровной поверхности S 

2
γ ,x y   
— дисперсия наклонов взволнованной морской поверхности 

( )
k

  
— гамма-функция 

( ,
)
 R ρ   — пространственная функция когерентности 

  
— квантовый выход фотодетектора 

и
(
,
),
 m
R
 
п
(
,
)
 m
R  — ступенчатые функции, учитывающие затенения со 

стороны источника и приемника 
  
— азимут визирования 

o
   
— азимут Солнца 

( )
x

   
— интеграл вероятности 

  
— показатель поглощения 
  
— длина волны излучения  
  
— полоса пропускания интерференционного фильтра 
  
— параметр индикатрисы рассеяния