Проектирование лазерных локационных изображающих систем

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

Н.В. Барышников, В.Б. Бокшанский, В.Е. Карасик 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ  
ИЗОБРАЖАЮЩИХ СИСТЕМ 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2010 

УДК 621.375(075.8) 
ББК 32.86-5 
Б26 
Рецензенты: В.И. Алехнович, В.Ф. Матюхин 

 
Барышников Н.В.  
  
 
       Проектирование лазерных локационных изображающих 
систем : учеб. пособие / Н.В. Барышников, В.Б. Бокшанский, 
В.Е. Карасик. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. — 
55, [1] с. : ил. 
 
Изложены принципы построения малогабаритных лазерных изображающих систем, приведены методика расчета передающего канала на основе матричного полупроводникового источника излучения и 
оптического интегратора, методика светоэнергетического расчета системы, предназначенной для дистанционного обнаружения световозвращателей. 
Для студентов, изучающих курсы «Проектирование лазерных оптико-электронных приборов», «Приемники излучения», а также другие курсы аналогичной направленности. 
УДК 621.375(075.8) 
ББК 32.86-5 
 
 
Учебное издание 

Барышников Николай Васильевич 
Бокшанский Василий Болеславович  
Карасик Валерий Ефимович 
 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ  
ИЗОБРАЖАЮЩИХ СИСТЕМ 
 
Редактор С.А. Серебрякова 
Корректор Р.В. Царева 
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой 

Подписано в печать 07.04.2010. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. 
Усл. печ. л. 3,26. Изд. № 141. Тираж 100 экз. Заказ .            . 
 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5. 
 

 
 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 

Б26 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время бурно развивается направление информационной техники, базирующееся на достижениях квантовой электроники и лазерной техники. Действительно, использование лазерного излучения в информационных системах позволяет 
значительно улучшить их основные характеристики. Например, 
лазерные локационные системы (ЛЛС) по сравнению с радиолокационными системами (РЛС) позволяют не только повысить пространственное, временное и частотное разрешение, т. е. повысить 
точность определения координат и скорости движения объекта, но 
и извлечь качественно новую информацию о форме и отражающих 
свойствах его поверхности. 
Неотъемлемой частью любой оптической информационной 
системы является приемное устройство, качественные показатели 
которого существенным образом влияют на рабочие характеристики всей системы в целом.  
Приемное устройство оптического диапазона представляет собой совокупность определенным образом соединенных между собой оптических и электронных узлов (блоков), с помощью которых выполняются следующие основные операции: 
– концентрация принимаемого оптического излучения и обеспечение пространственной и спектральной селекции фоновых помех; 
– преобразование оптического излучения в электрический сигнал; 
– обнаружение оптического сигнала на фоне внутренних и 
внешних шумов; 
– усиление электрического сигнала и его демодуляция, если 
полезная информация содержится в модулированной несущей; 
– обработка полезного сигнала для достижения требуемых рабочих характеристик приемного устройства. 
Рассмотрению указанных функций применительно к приемным 
устройствам прямого детектирования посвящено настоящее учебное пособие. 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛАЗЕРНЫХ  
ЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖАЮЩИХ СИСТЕМАХ 

1.1. Назначение и принцип действия 

Лазерные локационные изображающие системы (ЛЛИС) предназначены для формирования изображений удаленных объектов в 
целях их обнаружения и распознавания в условиях недостаточной 
освещенности или ночью. Они позволяют осуществлять наблюдение объектов при крайне низких уровнях освещенности и наличии 
помех различного рода, т. е. в условиях, когда невозможно получить изображение удовлетворительного качества с помощью прибора ночного видения или камеры низкоуровневого телевидения. 
Применение в качестве внешней подсветки традиционных инфракрасных прожекторов из-за слишком высоких уровней требуемой 
мощности неэффективно уже на дальностях, превышающих 
700…800 м. Кроме того, возникающая в канале распространения 
помеха обратного рассеяния создает значительные сложности при 
приеме слабого отраженного сигнала [1]. 
Лазерные локационные изображающие системы особенно эффективны при использовании их для обнаружения световозвращателей в рассеивающей среде на неравномерном фоне подстилающей поверхности и формирования на экране видеоконтрольного 
устройства отметок целей с указанием их характеристик, типа оптико-электронных систем (ОЭС), угловых координат, дальности и 
др. Принцип действия ЛЛИС связан с проявлением эффекта световозвращения, возникающего при лазерном подсвете инспектируемых ОЭС, в результате чего оператор наблюдает на фоне изображения светящиеся метки — блики. 
Этот эффект состоит в том, что независимо от угла подсвета 
цели зондирующим излучением отраженное излучение распро

страняется в направлении, близком к направлению его падения. 
При этом сама ОЭС выступает в роли световозвращателя. Такой 
характер отражения связан с автоколлимационным ходом лучей в 
типичной оптической системе облучаемого оптического прибора, 
в фокальной плоскости которого, как правило, находится какойлибо отражающий элемент (измерительная сетка, фотокатод 
электронно-оптического преобразователя, фотоприемник и др.). 
В результате после прохождения выходного зрачка ОЭС формируется индикатриса ретроотраженного излучения, угловой размер 
которой не превышает нескольких минут, а форма определяется 
конструкцией оптической системы и ее аберрационными характеристиками. 

1.2. Структурно-функциональная схема  
лазерной локационной изображающей системы 

 
При разработке функциональной схемы любой ОЭС, в том 
числе ЛЛИС, необходимо в первую очередь определить комплекс 
задач, решаемых с помощью данной системы. 
Развитие современных технологий и элементной базы в лазерной и оптико-электронной технике позволяет совершенствовать 
лазерные изображающие системы в направлении повышения их 
технических характеристик, расширения функциональных возможностей с одновременным уменьшением массогабаритных показателей и повышением надежности [3]. 
Лазерные локационные изображающие системы отличаются 
большим разнообразием как по назначению, так и по функциональным схемам. Основной задачей, решаемой ЛЛИС, является 
обнаружение и наблюдение удаленных объектов (в том числе световозвращающих) на фоне подстилающей поверхности в любое 
время суток и в различных условиях наблюдения, в том числе при 
недостаточной естественной освещенности и ночью [1].  
В ЛЛИС подсветка наблюдаемого объекта осуществляется с 
помощью лазерного источника излучения. Отраженное от объекта 
наблюдения излучение регистрируется приемником излучения.  
В соответствии с вышесказанным разрабатываемая ЛЛИС 
должна иметь два основных канала:  

− передающий канал, в котором в качестве источника подсвета 
используется лазерный излучатель; 
− приемный канал, построенный на базе матричного приемника излучения. 
По требованиям технического задания на проект разрабатываемая ЛЛИС должна быть малогабаритной и обеспечивать всепогодное круглосуточное наблюдение удаленных объектов за счет 
существенного повышения помехоустойчивости в результате устранения помехи обратного рассеяния. 
Проведенные исследования позволили сделать вывод о том, 
что наиболее эффективными являются ЛЛИС с импульсным подсветом. Структурно-функциональная схема ЛЛИС, реализующая 
указанный метод, представлена на рис. 1.1.  
Передающий канал формирует зондирующее лазерное излучение. Его основными элементами являются лазер и формирующая 
оптическая система для изменения угловой расходимости лазерного излучения. Драйвер лазерной решетки осуществляет питание и 
управление лазерным излучателем. 
Сформированное передатчиком зондирующее излучение проходит через среду распространения и подсвечивает объект. Отраженное от объекта излучение после обратного прохода через среду 
регистрируется приемным каналом, содержащим приемный объектив, фоточувствительный прибор с зарядовой связью (матричный ФПЗС-приемник излучения) и генератор тактовых импульсов. 
Генератор тактовых импульсов управляет процессами накопления 
и переноса зарядовых пакетов, а также определяет время накопления ФПЗС-матрицы. Блок измерения дальности предназначен для 
измерения дальности до объекта в целях оптимальной установки 
длительности импульса подсвета и времени включения ФПЗСматрицы. Быстродействующая микропроцессорная система управления обеспечивает согласованную работу ФПЗС-матрицы и лазерного источника излучения.  
Сформированное изображение световозвращателя на фоне подстилающей поверхности оператор наблюдает на экране видеомонитора. 

Генератор
временных
импульсов

ФПЗС
матрица
Усилитель с АРУ

Приемный
объектив

Приемный канал

Видеомонитор

Драйвер
импульсной
лазерной
решетки

Передающий канал

Быстродействующая
микропроцессорная
система управления

Структурно-функциональная схема лазерной локационной изображающей системы, основанная
на использовании режима фазовой манипуляции
Рис. 1.1 –

Видеосигнал

Сигнал дальности
Блок измерения дальности

Многоэлементная
решетка лазерных
излучателей

Оптическая
система
формирования
излучения

Генератор
временных
импульсов

ФПЗС
матрица
Усилитель с АРУ

Приемный
объектив

Приемный канал

Видеомонитор

Драйвер
импульсной
лазерной
решетки

Передающий канал

Быстродействующая
микропроцессорная
система управления

Структурно-функциональная схема лазерной локационной изображающей системы, основанная
на использовании режима фазовой манипуляции
Рис. 1.1 –

Видеосигнал

Сигнал дальности
Блок измерения дальности

Многоэлементная
решетка лазерных
излучателей

Оптическая
система
формирования
излучения

Рис. 1.1. Структурно-функциональная схема ЛЛИС, основанная на использовании режима  
фазовой манипуляции 

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕРЕДАЮЩЕГО КАНАЛА  
ПОДСВЕТА ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 

2.1. Анализ схем построения  
оптической системы формирования излучения  
и выбор ее оптимального варианта 

При разработке осветителей для активных оптико-электронных 
приборов наиболее серьезной проблемой является создание оптимальной оптической системы формирования излучения (ОСФИ). 
Эта система должна передавать энергию излучения в требуемом 
направлении с минимальными потерями, формировать пятно подсвета требуемой формы и размеров с однородным распределением 
энергетической яркости [2]. 
Для создания малогабаритных осветителей в качестве источника излучения целесообразно использовать полупроводниковые 
лазерные диоды. Это обусловлено в первую очередь тем, что по 
сравнению с лазерами других типов они обладают наибольшим 
КПД и соответственно минимальными массой, габаритами и энергопотреблением, имеют длительный срок службы, стойкость к механическим и климатическим нагрузкам.  
Особый интерес представляют многоэлементные полупроводниковые лазеры-решетки, не требующие охлаждения [3]. Эти источники излучают импульсы мощностью до 2500 Вт, длительностью порядка сотен наносекунд с частотой повторения до 
нескольких килогерц. Помимо присущего всем полупроводниковым источникам недостатка, такого как большая угловая расходимость, лазерные решетки имеют резко выраженную дискретную 
структуру тела свечения, что усложняет создание оптимальной 
ОСФИ. Действительно, для ОСФИ, построенной по схеме прожектора на основе обычных или анаморфотных проекционных объек

тивов, пятно подсвета в дальней зоне имеет дискретную структуру, свойственную телу свечения решетки.  
Наиболее эффективным методом получения гомогенного пятна подсвета при допустимых габаритах ОСФИ и минимальных 
энергетических потерях является ее исполнение в виде оптического смесителя — интегратора. 
На рис. 2.1 показана решетка импульсных лазерных полупроводниковых излучателей (ИЛПИ) 1, перед которой установлен интегратор 2. На его выходной торец сфокусирован проекционный 
объектив 3. Излучение ИЛПИ, распространяясь по интегратору и 
отражаясь от его внутренних поверхностей (эффект полного внутреннего отражения), создает на его выходном торце гомогенное 
распределение энергетической яркости за счет суммирования (интеграции) излучения элементарных лазерных диодов решетки 
ИЛПИ. Выходной торец интегратора непосредственно проецируется в область подсвета с помощью объектива. 

 

Рис. 2.1. Схема, поясняющая ход лучей в интеграторе: 
XYZ — система координат; 1 — ИЛПИ; 2 — интегратор; 3 — объектив формирования излучения 
 
Интегратор может быть выполнен в виде одножильного стеклянного световода с внешней оболочкой или без нее, а также в виде 
полого металлического световода с зеркально отражающими поверхностями. Форма и размеры поперечного сечения интегратора 
зависят от габаритных размеров тела свечения ИЛПИ, а также от 
требуемой формы и размеров пятна подсвета. Если изменять габариты тела свечения ИЛПИ не нужно, то используют интегратор постоянного сечения. Для изменения соотношения габаритных размеров тела свечения в целях получения требуемой формы пятна 
подсвета используют сужающийся или расширяющийся интегратор. 

Применение металлических полых интеграторов приводит к устранению френелевских потерь энергии излучения, возникающих при 
отражении от торцов, а также вследствие светопоглощения материала, что характерно для стеклянных световодов. Однако технология 
изготовления металлических интеграторов сложнее, чем стеклянных. 
Кроме того, возникает проблема защиты внутренних отражающих 
поверхностей интегратора от пыли. В связи с этим целесообразнее 
использовать стеклянные интеграторы с внешней оболочкой или без 
нее. При реальных продольных размерах интеграторов энергетические потери, связанные с отсутствием внешней оболочки, пренебрежимо малы. Снижение френелевских потерь на торцах интегратора 
может быть достигнуто в результате их просветления. 

2.2. Варианты построения оптической системы  
формирования излучения на основе оптического интегратора 

Рассмотрим основные варианты построения ОСФИ на основе оптического интегратора. В качестве источника излучения выберем 
отечественный матричный полупроводниковый лазер (рис. 2.2). Технические характеристики лазера представлены ниже:  
Выходная мощность 
500 Вт 
Длина волны 
808 нм 
Спектральная ширина 
меньше 4,0 нм 
Длина импульса 
до 0,4 мс 
Частота импульсов 
до 20 Гц 
Размеры излучающей площадки 
10×5 мм 
Шаг между линейками диодов 
0,5 мм (20 линеек) 
Шаг между отдельными излучателями в линейке 0,1 мм  
Расходимость по уровню 0,1: 
 
параллельно р−n-переходу 
10° 
перпендикулярно р−n-переходу 
30° 
КПД 
20…30 % 
Срок службы 
109 импульсов 
Габариты (ш×д×в) 
12×44×9 мм 
Поставим перед собой задачу спроектировать ОСФИ, которая 
должна концентрировать лазерное излучение в угле подсвета 2×4°, 
обеспечивая при этом коэффициент неравномерности распределения освещенности в пятне подсвета Kн не более 10 % и коэффициент использования излучения Kис не менее 90 %.