Описана схема оптического фотоприемника, предназначенного для приема светового сигнала, модулированного сигналом СВЧ. Он представляет собой настраиваемый волноводный резона­тор, состоящий из прямоугольного волновода. С одной стороны волновода помещен подвижной короткозамыкатель, а с другой — неподвижная стенка с отверстием связи, через которое в резона­тор подается сигнал от генератора СВЧ. Внутри резонатора в пуч­ности электрического поля находится фотоэлемент с внешним фото­эффектом, питаемый от источника входного сигнала. Устройство просто и надежно.

К детекторам с внутренним фотоэффектом относятся фотосопротивления, фотодиоды, фототриоды и детекторы с фотоэлектро­магнитным эффектом.

Особенность детекторов с внутренним фотоэффектом в том, что в них нет «красной» границы спектральной чувствительности. В инфракрасном диапазоне (ИК) частот могут работать фото­детекторы с p – n – переходами, поскольку существуют материалы с узкой запрещенной зоной. Фотодетекторы с р — n – переходами рас­считаны на прием слабых сигналов, в то время как фотосопротив­ления способны работать при больших мощностях падающего из­лучения. С другой стороны, постоянная времени фотосопротивле­ния велика, а фотодиоды и фототриоды могут принимать световой сигнал, модулированный СВЧ поднесущей, с частотой порядка не­скольких мегагерц. В то же время постоянная времени фотодио­дов меньше, чем фототриодов.

Для усиления слабых сигналов вместо фотодиодов можно при­менять фототриоды с внутренним усилением по току, но как было сказано выше, постоянная времени фототриодов больше, чем у фотодиодов. Это ограничивает применение фототриодов в систе­мах связи.

Предлагаются различные фоточувствительные приборы, спо­собные детектировать сигналы ИК – диапазона (вплоть до санти­метрового). Эти фотоприемники используют пленки сверхпро­водящих материалов, например Sn, Pb, A1 и пр. Детекторы представляют собой две тонкие пленки сверхпроводящего материала, разделенные тонким слоем диэлектрика (6 – 200 ангстрем). Детектирование осуществляется за счет генерации неравновесных носителей заряда, туннелирующих сквозь слой диэлектрика между пластин­ками и разделяющихся потенциальными барьерами.

При приеме слабых сигналов после фотодетектора необходимо ставить малошумящие усилители с большим коэффициентом уси­ления, например параметрические. Параметрические усилители на полупроводниковых диодах имеют ценные качества, которые по­зволяют успешно использовать их в системах связи. В последнее время получили дальнейшее развитие параметрические усилители, применяемые в оптических линиях связи. В этих усилителях полупроводниковый диод одновременно является и фотодетектором, и не­линейным реактивным элементом. Параметрические усилители с фотодиодом получили название фотопараметрических.

Развитие техники связи в оптическом диапазоне привело к со­зданию новых устройств для усиления слабых сигналов радиоча­стоты. Это новое устройство названо разером.

Подобно мазерам и лазерам в разере для получения эффекта усиления используется взаимодействие между электронами атомов и внешним магнитным полем. Однако в разере дополнительно про­исходит взаимодействие спинов атомных ядер с магнитным полем. В этом случае энергетические уровни располагаются достаточно близко друг от друга, что дает возможность усиливать радиосиг­налы. Разер состоит из проводящей цилиндрической полости, в ко­торой находится активный парамагнитный кристалл формы цилин­дра. В качестве подобного кристалла может применяться пара­магнитная соль La2Mg(N03)12*24H20, в которой 1% атомов лан­тана замещен атомами изотопов неодима. Кристалл вставлен в ин­дуктивную катушку, расположенную в полости. Для снижения уровня шумов усилителя полость погружена в гелиевый сосуд Дьюара. На определенной частоте в полость через волновод от гене­ратора СВЧ подается мощность накачки. В результате получают инверсию населенностей энергетических уровней спинов протонов. Усиливаемый сигнал подводится к катушке, которая настраивает­ся в резонанс с помощью переменного конденсатора, размещен­ного в сосуде Дьюара. Катушка может быть сделана из сверхпроводника. Это снижает собственные шумы усилителя. Такой может непрерывно перестраиваться по частоте в очень широком диапазоне.

Одним из важных параметров системы оптической связи яв­ляется отношение сигнал/шум. На оптических частотах большое значение приобретают радиационные шумы внешней среды. В за­висимости от времени суток и погоды величина шумов меняется. Большое влияние на связь оказывает излучение солнца и звезд. Особенно заметно это влияние в локационных и навигационных системах, использующих сигналы оптических квантовых генера­торов.

Описывается автоматическая регулировка для приемника све­товых импульсов низкой частоты. Эта система предназначена для слежения   за   облачным покровом   и   применяется в системе наблюдения за метеорологической обстановкой в районе аэродро­мов.

Основная идея изобретения заключается в том, что амплитуда помехи на выходе усилителя приемника поддерживается постоян­ной. В этом случае при различной посторонней засветке на входе приемника амплитуда шумов на выходе постоянна и приемник бу­дет срабатывать только от световых импульсов лазера, отражен­ных от облаков, так как амплитуда импульсов превосходит по ве­личине постороннюю засветку.

В то же время днем, в хорошую погоду, приемник выключает­ся, поскольку отраженных импульсов нет, а «чистая» засветка мо­жет быть принята за облака. Принцип работы приемника световых импульсов заключается в том, что в нем применяется интегратор, регулирующий усиление приемника. Этот интегратор выдает сиг­нал, пропорциональный внешним радиационным шумам. Блок-схема приемника и диаграммы сигнала с шумами показаны на рисунке 1.10.

Приемник содержит собирательную линзу-антенну 1, фото­элемент 2. усилители 3, 4, 5, детектор 6. Цепь автоматической ре­гулировки усиления образована усилителем 5 и детектором. В слу­чае прихода сигнала 1, показанного на рисунке, с большими радиационными шумами, усиление приемника снижается и сигнал 3 на выходе получается примерно таким же, как и в отсут­ствие шумов. Таким образом, в этой системе при помощи автоматической регулировки удается повысить отношение сигнал/шум при различ­ных метеорологических условиях.

Рисунок 1.10 – Приемник импульсных сигналов с АРУ

1.4 Световодные линии связи

Оптические линии связи, в которых луч лазера между передат­чиком и приемником распространяется в окружающем их простран­стве, имеют ряд недостатков: значительное ослабление луча, силь­ное влияние окружающей среды на работу линии связи, ограни­чение дальности расстоянием прямой видимости. Для устранения этих недостатков в системах связи применяют оптические волно­воды - световоды.

Волноводы можно разделить на два класса. К первому отно­сятся волноводы, в которых электромагнитные волны распростра­няются благодаря многократным отражениям между двумя про­водящими поверхностями, ко второму — те, в которых распростра­нение происходит благодаря многократному отражению на грани­цах диэлектрической среды, обусловленному изменением коэффи­циента преломления. Конфокальные линзовые и зеркальные сис­темы не являются волноводами в указанном смысле, однако мы рассмотрим их, называя в дальнейшем «лучеводами».

1.4.1 Основные типы световодов

В волноводах первого класса лучи многократно отражаются от металлических стенок волновода, следуя по зигзагообразной траектории. Волновод обыч­но заполняется инертным газом с малыми потерями. Затухание определяется неполным отражением от стенок и зависит от состоя­ния металлических стенок, поляризации и угла скольжения. Для достижения наименьших потерь вектор электрического поля дол­жен быть тангенциален к отражающей поверхности, а угол сколь­жения — мал.

При определении угла скольжения образуется, поле волны со­ответствующего типа (мода). На оптических частотах эти моды не могут быть разделены, так как они связаны друг с другом по случайному закону из-за наличия малых неоднородностей на стен­ках волновода. Это явление ведет к искажению сигнала и накла­дывает определенные ограничения на характеристики волноводов.

В зависимости от допусков на точность механического изготов­ления устанавливают пределы применимости волноводов. Чем выше частота, тем жестче должны быть допуски. Во всех случаях при уменьшении диаметра волновода искажение сигнала из-за преобразования мод несколько уменьшается, но при этом сильно увеличиваются дисперсионные искажения и затухание.

Второй класс волноводов включает в себя диэлектрический стержень и его варианты. В этих волноводах лучи также идут по зигзагообразному пути в результате многократного отражения от границы диэлектрика с воздухом. В случае применения обычных диэлектриков потери на отражение при падении под некоторым углом  значительно больше, чем в волноводах первого класса. Но при углах скольжения , меньше критического угла для этого ди­электрика, происходит полное внутреннее отражение. Именно та­кое распространение и рассматривается в волноводах второго клас­са. Затухание волн здесь происходит из-за потерь в самом диэлек­трике.

В диэлектрическом стержне, так же как и в волноводах пер­вого класса, возможно одномодовое и многомодовое распростране­ние сигнала. Многомодовое распространение наблюдается тогда, когда величина диаметра волновода составляет несколько длин волн. Уменьшение диаметра приводит к одномодовому режиму передачи.

1.4.2 Световые лучеводы

Световые лучеводы можно разделить на три типа, показанные на рисунке 1.11. На рисунке 1.11, а показана общая структура лучевода: 1 — источник; 2 — коллиматор; 3 — фа­зовые корректоры (на рисунке 1.11, б — диафрагменные лучеводы; на 1.11, в — линзовые лучеводы; на 1.11, г — зеркальные лучеводы). Прин­цип работы всех этих лучеводов почти одинаков, поэтому доста­точно рассмотреть линзовый лучевод, который исследован лучше других. Линзы производят преобразование фазы пучка лучей, кор­ректируя форму фазового фронта. Эта функция выполняется и диа­фрагмами (1.11, б) и соответствующими зеркалами (1.11, г).

Рисунок 1.11 – Основные типы лучеводов

В лучеводной системе может распространяться большое число различных волновых пучков мод, каждый из которых характери­зуется своей структурой распределения поля в поперечном сечении пучка.

Потери в лучеводах значительно меньше, чем в световодах. При применении фазовых корректоров лучеводы могут использо­ваться во всем диапазоне от видимого света до миллиметровых волн. Но в миллиметровом диапазоне они применяются ограниче­но, так как для достижения малых дифракционных потерь в этом случае требуются большие апертуры и малые расстояния между корректорами. Наименьший диаметр апертуры линз приблизитель­но равен среднему геометрическому от длины волны и расстояния между корректорами.

Дифракционные потери составляют только часть полных по­терь энергии при передаче сигнала. Не говоря о потерях возбуж­дения, сигнал в линии затухает также из-за потерь на отражение от поверхности линз и поглощение в материале линз. Потери на отражение могут быть значительно снижены просветлением линз, хотя это и увеличивает стоимость линии и сужает полосу переда­ваемых частот. Обычно потери на отражение и поглощение состав­ляют большую часть потерь. Увеличивая расстояния между лин­зами, можно потери уменьшить, но тогда нужно применять линзы большого диаметра для того, чтобы снизить возрастающие при этом дифракционные потери.

Необходимость использования линз и зеркал больших разме­ров значительно усложняет устройство оптических лучеводов и увеличивает их стоимость.

Предлагается более совершенный способ ориентации луча, по которому используется совокупность пар отражателей, имеющих цилиндрическую поверхность. В каждой паре отра­жатели расположены по отношению друг к другу таким образом, чтобы их фокальные плоскости были взаимно ортогональными. Каждая пара отражателей представляет собой длиннофокусную линзу, причем расстояние между соседними парами приблизитель­но равно сумме их фокусных расстояний. Угол поворота светового луча каждой парой отражателей определяется ориентацией дан­ной пары по отношению к некоторой плоскости. Такая система ха­рактеризуется весьма малыми потерями, широкополосностью и про­стотой конструкции.

1.4.3 Волоконные волноводы

Волоконный волновод явля­ется вариантом диэлектрического стержневого волновода.

В волноводах большого диаметра (10+100 мк) условия рас­пространения волн аналогичны условиям в отражающей трубе, за исключением того, что волокно может быть изогнуто на небольшой угол без существенного увеличения потерь. Распространение волн идет почти целиком внутри волокна, и затухание передаваемого сигнала определяется потерями в диэлектрике волокна. Такие многомодовые волоконные волноводы используются уже давно, но в связи со сравнительно большими потерями их применение огра­ничивается только короткими трактами передачи.

В волноводах малого диаметра (менее 0,1 мк) большая часть энергии идет снаружи волокна в виде поверхностной волны. В свя­зи с этим затухание волн невелико. Потери в этих одномодовых волноводах могли бы быть меньше 10 дб/км, но здесь возникают трудности их закрепления на большом протяжении. Малая вели­чина потерь может быть реализована только в том случае, если по­верхность волокна не имеет изъянов и точек соприкосновения с другими предметами. Для получения хорошего состояния поверх­ности стекло полируют па пламени. Волокно крепится методом плакировки, т. е. нанесением поверхности слоя, причем коэффи­циент преломления этого слоя должен быть меньше, чем самого волокна. Поверхностная волна, распространяясь в таком плаки­рующем, слое (толщиной в десятые доли микрона), уже не возмущается поддерживающими линию деталями.

1.4.4 Газовые волноводы

В волноводах второго класса нет необходимости делать резкую границу между диэлектриком и сво­бодным пространством. В этом случае можно применить плавное уменьшение величины диэлектрической проницаемости в попереч­ном сечении волновода. Такие волноводы можно получить, напри­мер, воздействием силовых полей с цилиндрической симметрией на трубку, например из двуокиси углерода. Очевидно, такие труб­ки могут служить эффективным оптическим волноводом.

Основное преимущество газовых волноводов заключается в ма­лом затухании, так как потери в таких газах ничтожны. Однако из-за малости коэффициента преломления эти волноводы не так эффективны при наличии изгибов, как волоконные.

1.4.5 Оптические микроволноводы

Принцип работы опти­ческого микроволновода основан на малости затухания при рас­пространении поверхностной волны (рисунок 1.12, а). В простейшем виде показан оптический микроволновод, который состоит из тон­кой Диэлектрической пленки 1, которая закреплена в поддерживающей системе 2. Микроволновод возбуждается параллельным пучком лучей так, что электрическое поле имеет поляризацию, перпен­дикулярную пленке. Толщина пленки составляет доли длины вол­ны (около 0,05 мк), а ширина пленки позволяет свободно пропус­тить весь пучок света, обычно 10 000 длин волн.

Рисунок   1.12 -  Типы   оптических   микроволноводов

Распространяющаяся по пленке мода является плоской поверх­ностной волной, симметричной средней плоскости пленки. Большая часть энергии идет снаружи пленки и только небольшая ее часть проходит внутри. Поэтому потери в линии сравнительно малы.

В плоскости, перпендикулярной поверхности пленки, микро­волновод можно изгибать без существенного   увеличения  потерь.

В плоскости, параллельной пленке, изгиб можно делать, только при­меняя скрутки на 90°, так как в этой плоскости волновод за собой «поле не ведет».

Внешнее конструктивное выполнение оптического микроволно­вода определяется технологическими соображениями. Оболочка не участвует в передаче волн и служит только для защиты и креп­ления пленки. Существует много способов крепления тонкой плен­ки. На рисунке 1.12, б показан пленочный волновод, поддерживаемый конфокальной системой линз, где 1 — тонкая пленка, 2 - миниатюрные линзы. Однако подобные структуры имеют большой недо­статок изгибы в них могут осуществляться только в одной плос­кости На рисунке 1.13, в изображен волновод в виде скрученной плен­ки. Здесь пленка в виде непрерывной скрутки помещена в гибкую защитную трубу. Такой волновод может иметь изгибы в любой плоскости при условии, что радиус изгиба велик по сравнению с пе­риодом скручивания.

Итак, имеется значительное количество типов световодов и лучеводов, каждый из которых имеет свои достоинства и не­достатки.

Основное достоинство световодов — их способность преодоле­вать неровности, изгибы, недостаток — сравнительно большое за­тухание.

Лучеводы имеют меньшее затухание, однако они чрезвычайно чувствительны к смещениям грунта, требуют высокоточной юстировки, плохо преодолевают плавные изгибы. Применение автома­тической юстировки уменьшает указанные недостатки. Однако при этом значительно возрастает сложность и стоимость системы.

2 Применение лазеров в радиолокационных системах

Основные преимущества лазерных радиолокационных систем следующие: большая дальность действия при относительно малой потребляемой мощности, высокая точность измерения дальности и угловых координат, малые шумы в приемных устройствах, труд­ность создания помех, малые габариты и вес. Все это обеспечивает перспективность использования оптических радиолокационных сис­тем. Особенно перспективна оптическая локация в космосе при слежении за спутниками, для радиолокации планет и т. д.

Радиолокационная система для определения расстояния до цели содержит лазерный передатчик, триггерный механизм, оп­тический приемник с фильтром монохроматического света, отраженного от цели;   считывающее устройство,   связанное с оптическим приемником и триггерным устройством.

Рисунок 2.1 - Оптический локатор

На рисунке 2.1 изображена схема оптической радиолокационной системы. Лазер 1 представляет собой стержень 2 из активного ве­щества, например из рубина. Стержень окружен газоразрядной лампой 3, на которую поступают импульсы от источника энергии накачки 4. Синхронизатор 5 приводит в действие источник 4, кото­рый зажигает лампу 3, в результате чего лазер излучает луч 6 ко­герентного света по направлению к цели. Синхронизатор обеспечи­вает также горизонтальную развертку лучей двух осциллографов 7 и 8 — считывающих устройств системы. Выходной луч лазера фиксируется детектором 9, который подключен к осциллографу 7. На осциллографе появляется импульс 10, соответствующий момен­ту передачи выходного импульса лазера. Луч 6 лазера отражается от цели 11 и через некоторое время принимается оптическим при­емником 12. Отраженный от цели луч 13 попадает на параболичес­кий рефлектор 14 и фокусируется в фотоэлементе 15. Фотоэлемент подключен к осциллографу 8, который регистрирует принимаемый от цели световой импульс. Разница во времени между импульсами 10 и 16 па обоих осциллографах является мерой расстояния от системы до цели 11.

Предложена усовершенствованная радиолокационная система. Она позволяет обнаруживать подвижные объекты, точно изме­рять расстояние до них, угловые координаты и скорость их движе­ния.

Оптический локатор (рисунок 2.2, а) состоит из передающей части, в которую входит лазер 1 и система  отклонения 2, которая производит механическую или электрическую прерывистую развертку луча лазера.

Рисунок 2.2 – Усовершенствованная радиолокационная  система  оптического диапазона

Отклоненный луч проходит через оптическую систему 5 и осу­ществляет обзор пространства по азимуту и углу места. Передача светового сигнала не является  непрерывной,  и  начало  излучения каждого импульса происходит в строго определенный момент вре­мени. С этой целью при передаче модулятор прерывает свет на время, которое необходимо отклоняющему устройству для измене­ния положения луча в пространстве. Это позволяет точно измерить момент возврата отраженного луча и, следовательно, расстояние до цели. Электронное отклонение луча можно осуществить, напри­мер, с помощью ультразвуковой ячейки или другим способом. Об­ратный луч, отраженный различными точками зоны обзора, прини­мается оптической системой 4 и затем смешивается в микшере 5 с оптическим излучением лазера 6. Микшер создает световой луч, центральная частота которого равна частоте передачи и частота огибающей равна разности переданной и принятой приемником частот. Сигнал биений появляется только в том случае, если луч поступает от цели, имеющей определенную радиальную скорость по отношению к локатору. Частота этого сигнала пропорциональ­на доплеровской частоте объекта и, следовательно, радиальной скорости. Устройство 7 отклоняет луч с выхода микшера одновре­менно с разверткой так, что приемное устройство принимает толь­ко один луч, отраженный от цели. Такое устройство устраняет по­мехи, создаваемые солнцем, при освещении зоны обзора. Устрой­ство 7, обеспечивающее при приеме выбор полезных сигналов, не­сущих информацию, стоит на входе фотоумножителя. Система подавления помех (рисунок 2.2, б) состоит из фотокатода 1 и фотоумно­жителя 2, усиливающего электронный пучок и создающего на вы­ходе сигнал. Амплитуда сигнала пропорциональна энергии приня­того светового луча. Система содержит также устройство 3, вызы­вающее отклонение электронного пучка, и экран 4, непроницаемый для электронов с отверстием 5. Отклонение электронного пучка ре­гулируется одновременно с разверткой, осуществляемой при при­еме так, чтобы в момент, соответствующий строго определенному направлению, визирования, только часть электронного пучка, полу­чаемая из отраженных сигналов, была отклонена к отверстию и передана фотоумножителю. Устройство, вызывающее отклонение, управляется электрическим путем, например изменением напряже­ния на электродах отклоняющей системы. Фотоумножитель 8 (рисунок 2.2, а) на выходе создает электрический сигнал, частота которого равна частоте биений на выходе микшера 5 (рисунок 2.2, б) и, следова­тельно, пропорциональна скорости цели. Этот сигнал направляется затем к трем специальным устройствам системы 6, 9, 10. Устройство 10, осуществляющее грубую фильтрацию частоты сигнала, пере­дает его на осциллограф 1 по различным выходным каналам, в со­ответствии с диапазоном частот в котором он находится. Устрой­ство 10 состоит из трех фильтров, полосы пропускания которых смежны и перекрывают общий диапазон частот, возникающих в со­ответствии с диапазоном скоростей цели. Сигнал, поступающий от цели, скорость которой выходит за пределы этого диапазона, прак­тически подавляется системой фильтров. Выходы трех фильтров подключаются  ко входам, соответствующим  разным цветам луча многоцветного осциллографа 11, например трехцветного. На осцил­лографе получают изображение наблюдаемой зоны, при этом раз­вертка экрана осуществляется таким образом, что точки, изобра­жающие наблюдаемые цели, дают относительные угловые коорди­наты этих целей. Точки различных цветов соответствуют различ­ным скоростям целей. Цели со слишком малыми или слишком большими скоростями не появляются на экране осциллографа.

Одновременно электрический сигнал с фотоумножителя под­водится к системам 6 и 9, измеряющим дальность и угловые коор­динаты цели, запеленгованной на экране осциллографа, а также скорость.

Измерение дальности производится способом, описанным вы­ше. Скорость измеряется устройством, которое состоит из фильт­ров, на общий вход которых подводится электрический сигнал от фотоумножителя. Фильтры имеют очень узкие полосы пропускания и смежные границы, при этом совокупность полос пропускания перекрывает тот же диапазон частот, что и совокупность трех фильтров. Эти фильтры разделяют входной сигнал, в соответствии с его частотой, что позволяет определить скорость цели. Точность, полученная при таком измерении скорости, определяется шириной полосы пропускания каждого фильтра. Доплеровские частоты, полученные при использовании рассматриваемого оптического ло­катора, достаточно высоки даже при относительно низких скоро­стях цели. Например, при длине волны в 1 мк доплеровские часто­ты цели, радиальная скорость которой расположена в пределах 3,5— 110 км/час, колеблются от 2 до 60 Мгц. В радиолокаторе, ра­ботающем на длине волны в 0,1 м, доплеровские частоты, полу­ченные при таких же скоростях цели, колеблются в пределах 20— 600 гц. Увеличение доплеровских частот цели улучшает рабочие характеристики локатора. Это одно из основных преимуществ та­кого оптического локатора по сравнению с обычными радиолока­торами.

Список использованных источников

1.     Мазуров М. Е., Обухов В. А. Лазеры в технике связи. – М.: Труды ИНИИПИ, 1969. – 48 с.

2.     Под ред. В. П. Тычинского. Применение лазеров. – М.:«Мир», 1974.

3.     И. Н. Матвеев. Лазерная локация. – М.: Машиностроение, 1984

4.      Отв. ред. Н. Г. Басов. Лазеры и их применение. – М.: «Наука», 1974. - 231 с.

5.     Тарасов Л. В. – Лазеры и их применение: Учебное пособие для студентов ПТУ. – М.: Радио и связь, 1983. – 152 с.

6.     Петровский В. И., Пожидаев О. А. Локаторы на лазерах. М.: Воениздат, 1969.

7.     Фёдоров Б.Ф. Лазеры и их применение. М.: ДОСААФ, 1973.

8.     Чернышёв В. Н. Лазеры в системах связи. М.: Связь, 1966.  

Страницы: 1, 2, 3