Проектирование лазерных локационных изображающих систем
Проектирование лазерных локационных изображающих систем: обзор и методология
Данное учебное пособие, разработанное в МГТУ им. Н.Э. Баумана, посвящено проектированию лазерных локационных изображающих систем (ЛЛИС). Эти системы предназначены для формирования изображений удаленных объектов, особенно в условиях низкой освещенности или ночью, когда традиционные методы, такие как приборы ночного видения, неэффективны. Основное преимущество ЛЛИС заключается в возможности обнаружения и распознавания объектов, в том числе световозвращателей, на фоне помех, что делает их полезными в различных областях, включая наблюдение и распознавание целей.
Принципы работы и структура ЛЛИС
ЛЛИС функционируют на основе принципа лазерного зондирования, при котором лазерный луч подсвечивает объект, а отраженное излучение регистрируется приемником. Ключевым элементом является световозвращатель, который отражает свет обратно к источнику, обеспечивая формирование яркого блика на изображении. Структурно ЛЛИС состоит из передающего и приемного каналов. Передающий канал включает в себя лазерный излучатель и оптическую систему формирования излучения (ОСФИ), которая определяет форму и размеры пятна подсветки. Приемный канал содержит приемный объектив и матричный приемник излучения, преобразующий оптический сигнал в электрический.
Проектирование передающего канала
Оптимальная ОСФИ является критическим компонентом ЛЛИС. В качестве источника излучения предпочтительно использование полупроводниковых лазерных диодов из-за их высокой эффективности и компактности. Рассматриваются различные варианты построения ОСФИ, включая использование оптических интеграторов. Интеграторы обеспечивают гомогенное распределение энергии излучения и могут быть выполнены в виде световодов или полых металлических конструкций. При проектировании ОСФИ необходимо учитывать такие параметры, как угловая расходимость лазерного излучения, форма и размеры пятна подсветки, а также коэффициент использования излучения. Для достижения требуемых характеристик используются программные комплексы, такие как Zemax, позволяющие моделировать и оптимизировать оптические системы.
Светоэнергетический расчет и обнаружительные характеристики
Важным аспектом проектирования ЛЛИС является светоэнергетический расчет, который позволяет определить обнаружительные характеристики системы. Методика расчета основана на анализе отношения сигнал/шум (ОСШ) на выходе приемного канала. ОСШ определяет вероятность обнаружения световозвращателя оператором. Для расчета ОСШ необходимо учитывать параметры лазера подсветки, приемного канала, а также характеристики световозвращателя и фона. Рассматриваются различные источники шума, включая фотонный и темновые шумы, а также влияние диффузно-отраженного излучения. Методика позволяет определить предельные дальности обнаружения и обосновать требования к светотехническим параметрам канала подсветки.
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.
Похожие