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.