РЕМОНТ РАДИОПРИЁМНИКА ЛЕНИНГРАД
Есть ремонты халявные – замена предохранителя или обрыв провода, есть обычные – найти деталь, вышедшую из строя, а есть такие, за которые лучше не браться, ибо может затянуться такой ремонт на несколько недель. Именно к последней категории и относится эпопея с ремонтом советского радиоприёмника Ленинград-006 стерео. Но тут уже было дело чести – или я его починю, или падает мой рейтинг и престиж. Тем более аппарат высшего класа и ловит кроме ФМ все волны, включая УКВ.Приступаем к разборке. Сам приёмник оказался на редкость тяжёлым, прямо как тумбочка – еле донёс домой. А что вы хотите – он же собран на Усть-Ижорской мебельной фабрике:)
Форум по ремонту радиоаппаратуры
Форум по обсуждению материала РЕМОНТ РАДИОПРИЁМНИКА ЛЕНИНГРАД
Радиоприёмник Ленинград-002 | Радиодетали в приборах
Портативный транзисторный радиоприёмник “Ленинград-002” с осени 1974 года выпускал Ленинградский завод “Радиоприбор”. Первый отечественный переносной приёмник высшего класса ”Ленинград-002” обеспечивает высококачественное прослушивание программ радиостанций в стандартных диапазонах. Есть возможность зафиксировать настройку на три радиостанции в УКВ диапазоне. Имеются регуляторы тембров ВЧ и НЧ, переключатель речь-соло, стрелочный индикатор уровня сигнала и питания, две шкалы настройки. Есть гнёзда для подключения магнитофона на запись, электропроигрывателя, для прослушивания через усилитель приёмника, акустической системы, внешней антенны, а так же заземления и головных телефонов. Радиоприёмник собран на 36 транзисторах и одной микросхеме. Его деревянный корпус облицован шпоном ценных пород дерева, передняя и задняя стенки изготовлены из полистирола. Масса радиоприёмника без элементов питания 9 кг.
Технические характеристики радиоприёмника Ленинград-002
Диапазоны принимаемых волн (частот):
Длинные волны (ДВ) — 2000,0 … 735,3 м (150 … 408 кГц).
Средние волны (СВ 1) —571,4 … 230,0 м (525 … 1300 кГц).
Средние волны (СВ2) —230,0 … 186,9 м (1300 … 1605 кГц).
Короткие ВОЛНЫ (КВ1) —75,9 … 48,5 м (3,95 … 6,20 МГц).
Короткие волны (КВ2) —50,5 … 48,4 м (5,95 … 6,25 МГц).
Короткие волны (КВЗ) —42,5 … 40,6 м (7,07 … 7,38 МГц).
Короткие волны (КВ4) — 32.0 … 30,6 м (9,35 … 9,85 МГц).
Короткие волны (КВ5) —25,5 … 24,6 м (11,6 … 12,1 МГц).
Ультракороткие волны (УКВ)—4,56… 4,11 м (65,8…73,0 МГц).
Реальная чувствительность приемника при приеме на внутреннюю магнитную антенну, не хуже: в диапазоне ДВ — 0,8 мВ/м, в диапазонах СВ1, СВ2 — 0,5 мВ/м.
Реальная чувствительность приемника с выдвижной телескопической антенной, не хуже:
в диапазонах КВ1 … КВ5— 150 мкВ/м, в диапазоне УКВ— 10 мкВ/м.
Избирательность (при расстройке на -10 кГц), не менее 50 дБ.
Полоса воспроизведения звуковых частот при работе на внутренний громкоговоритель:
в диапазонах длинных, средних и коротких воли при включенной кнопке узкая полоса УП — 80 … 2400 Гц,
в диапазонах длинных, средних и коротких воли при включенной кнопке широкая полоса ШП — 80 … 4000 Гц,
в диапазонах длинных и средних волн при включенной кнопке местный прием МП —,80 … 6300 Гц,
в ультракоротковолновом диапазоне УКВ—80 … 12500 Гц.
Ценные радиодетали в радиоприёмнике Ленинград-002
Конденсаторы:
Конденсаторы КМ5 зеленые общая группа – 3,1 г;
Конденсаторы К10-7В флажки – 25,0 г.
Транзисторы:
Транзисторы КТ201 и аналоги желтые – 9 шт;
Транзисторы КТ315 – 7 шт.
Металлы:
Посеребренка – 5,5 г
Медь – 150 г
Алюминий – 1250 г
Сталь – 1500 г
Платы – 350 г
Содержание драгоценных металлов в радиоприёмнике Ленинград-002
Золото : 0,135;
Серебро : 0,428;
Платина : 0,000;
МПГ : 0,089.
Примечание : по справочнику: “Содержание драгоценных металлов в электротехнических изделиях, аппаратуре связи, контрольно-измерительных приборах, кабельной продукции, электронной и бытовой технике. Информационный справочник в шести частях. Часть 6. Электронная и бытовая техника. – 2-е изд., перераб. и доп. -М.: ООО “Связьоценка”, 2003″
Схема, техническое описание, инструкция по эксплуатации
Инструкции по эксплуатации радиоприёмника Ленинград-002
Инструкция по ремонту радиоприёмника Ленинград-002
Фотографии радиоприёмника Ленинград-002
Поделиться ссылкой:
Понравилось это:
Нравится Загрузка…
ПохожееЛенинград 010 стерео инструкция
Ленинград 010 стерео инструкция
Ленинград 002 с укв на fm диапазон!Ленинград-010 стерео руководство по эксплуатации.
Инструкция растворителя 646 ту pdf.Инструкция, руководство по эксплуатации для фотокамеры.
Принципиальные схемы бытовой радиоаппаратуры.
Чувствительность радиоприемника “ленинград 015 стерео” на.Радиоприёмник “ленинград-006-стерео” | radionic. Ru.
Радиоприемники, радиолы все для студента.
Leningrad 010 stereo.“ленинград 006-стерео”, або. Таємниця раритету. Youtube.
Скачать бесплатно схемы отечественной аудиоаппаратуры. Schémy a servisné návody prijímačov dovážaných zo zssr (ruské). Ленинград-010 cтерео схема. Ленинград-010-стерео. Бриг-001-стерео — википедия.Ленинград-006 стерео.
Инструкция руководство к радиоприемнику ленинград 010.
Ленинград 010 стерео.
Ленинград-010 стерео. Переносный стереофонический. Скачать far cry 4 торрент repack Elvin grey ты мое все скачать Схема проезда в крокус сити холл Скачать читы на антюрнед на вещи Майнкрафт 1.6.2. скачать игру
| ||||
историческая перспектива – с востока на запад
1.
Введение
Лазерный радар (также называемый ладаром для лазерного обнаружения и определения дальности лидар для обнаружения и определения дальности света или opdar для оптического обнаружения и определения дальности) начал большую часть своего развития в начале 1960-х годов, вскоре после изобретения лазера. До изобретения лазера лидары разрабатывались и раньше, но лазер был реальным инструментом.Лазерный радар стал относительно недорогим и надежным и обладает очень богатой феноменологией, что делает лазерный радар конкурентоспособным по сравнению с альтернативными сенсорными технологиями, такими как пассивные электронно-оптические датчики или микроволновые радары. Лазерный радар начал работать в видимом диапазоне (рубиновый лазер), а затем появился в ближнем инфракрасном диапазоне (Nd: YAG-лазеры) до теплового инфракрасного (CO2-лазер). Многие лазерные радары в настоящее время разрабатываются в безопасном для глаз коротковолновом инфракрасном диапазоне (~ 1,5 мкм).
Многочисленные публикации сопровождали развитие лазерных радаров, появление новых журналов, новых профессиональных встреч, симпозиумов и конференций, таких как «Технологии и приложения лазерных радаров», проводимых SPIE в рамках симпозиума по оборонному и коммерческому зондированию, который включает специальные курсы по лазерной локации для участников. 1 Лазерный радар стал темой новых фундаментальных книг 2 – 5 и отчетов, 6 , а также предмета, преподаваемого в университетах. 7 Появились новые технологии, основанные на принципах лазерного радара, такие как оптическая когерентная томография (ОКТ) и цифровая голография. Радиус действия большинства лазерных радаров составляет от 8 микрометров до десятков километров.
Обзоры по истории развития лазерных радаров появились в отношении Европы, 9 США, 10 бывшего Советского Союза (БСС), 11 , 12 Японии, 13 и Китая. 14 Этот документ объединяет и обновляет эти истории. Мы ограничили наши примеры выборкой методов и приложений лазерного радара вместо того, чтобы пытаться охватить всю область. Охватить всемирную историю лазерных радаров за более чем 50 лет остается сложной организационной задачей.
2.
Лазерные радары прямого обнаружения и указатели
2.1.
Первые шаги к дальномерам
Лазерный дальномер – это простейший вид лазерных радаров.Он использует один детектор для определения дальности до цели на основе времени прохождения лазерного импульса к объекту и от него. Поскольку мы знаем скорость света, мы можем вычислить дальность действия. Идея использовать короткие импульсы света для измерения расстояний была выдвинута Лебедевым. 15 Короткие импульсы обеспечивают отличное разрешение по дальности. В прототипе в 1936 г. использовался специально разработанный интерференционный модулятор для получения коротких световых импульсов. Дальность до 3,5 км измерялась с точностью от 2 до 3 м.В 1963–1964 годах лазерные дальномеры были разработаны с использованием рубина и арсенида галлия в той же лаборатории, которую Лебедев использовал в 1930-х годах, в Государственном оптическом институте имени Вавилова (ГОИ) в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург).
Дальномеры, бесконтактные взрыватели и наведение оружия были первыми военными лазерными системами в конце 1960-х – начале 1970-х годов. Первые рубиновые лазеры были дорогими, с низкой эффективностью и проблемами безопасности для глаз. Позже стали доступны короткие импульсные, высокоэнергетические и сильно коллимированные монохроматические лучи, поскольку лазеры с модуляцией добротности произвели революцию в возможностях лазерных радаров.
В Швеции лазерные исследования с использованием рубинового лазера начались в Шведском научно-исследовательском институте обороны (FOI) в 1961 году. В отрасли пионерами были ASEA и LM Ericsson. В 1968 году Эрикссон поставил лазерные дальномеры Шведской береговой артиллерии для оперативного использования. Bofors разработала лазерные дальномеры для пехотной машины IKV 91 и для системы BOFI в сотрудничестве с Hughes Aircraft. Позже ASEA разработала облачные высотомеры для гражданского и военного рынков. В начале 1970-х годов компания Bofors разработала успешную зенитную ракетную систему управления лучом RBS 70, которая позже была модифицирована в RBS 90 и продавалась по всему миру.Первая в мире ракета класса “земля-воздух” с лазерным лучом, поступившая на вооружение, была разработана в Bofors и содержала лазерное зондирование. В конце 1970-х годов Эрикссон разработал лазерные бесконтактные взрыватели для ракеты Sidewinder. Эрикссон также разработал систему лазерного слежения, но вскоре это лазерное приложение было вытеснено видеотрекерами.
В Норвегии Норвежское научно-исследовательское учреждение Министерства обороны передало свои знания компании Simrad Optronics, которая прославилась своим лазерным дальномером, встроенным в портативный бинокль.Совсем недавно компания разработала семейство дальномеров для определения местоположения цели и управления огнем.
В Великобритании компания Royal Signals and Radar Establishment (RSRE) стала пионером в разработке военных лазеров. Превосходный обзор первых разработок лазерных дальномеров был опубликован Forrester и Hulme. 16 Они утверждают, что рубиновый танковый лазерный прицел LF-2 был первой лазерной системой в мире, производимой в больших количествах. Он был разработан в первую очередь для использования с основным боевым танком Chieftain для британской армии, но широко использовался и на других танках, таких как Vickers MBT, Centurion, Scorpion и производные от Chieftain.Первоначально использованное оборудование представляло собой рубиновый лазер с вращающейся призмой Q-переключателем, хотя в более поздней версии использовался пассивный YAG-переключатель добротности (LF-11).
В 1968 году Ферранти (ныне Леонардо Финмекканика) разработал первую в мире полностью стабилизированную лазерную систему, включающую лазерный дальномер Nd: YAG и самонаводящуюся систему самонаведения. Наводитель маркирующей цели – это устройство на летательном аппарате, которое захватывает указанную лазерную цель. Это оборудование входило в состав систем прицеливания самолетов Jaguar, Harrier и Tornado.Мощность лазерного передатчика 1,06 мкм генерировалась Nd: YAG-лазером с электрооптической модуляцией добротности, способным работать с частотой повторения 10 или 20 Гц.
Один из первых советских лазерных дальномеров БД-1 (рис. 1) был описан в более поздней публикации SPIE. 17 Другой пример – КТД 2-2. Технология лазерных дальномеров и лазерных целеуказателей представлена многочисленными рабочими приборами, описанными в более поздней публикации. 18 Устанавливаются на самолеты СУ и МИГ, а также вертолеты (см. Рис.2). Во Франции компания Thales Research and Technology поставила Nd: YAG лазерный дальномер французским официальным службам в 1967 году. Лазерный дальномер был установлен на танке AMX 13 для полевых испытаний. 19 В 1970-х годах Томсон и Килас разработали бортовую систему подсветки целей, которая продемонстрировала возможность использования на одноместном истребителе, и позже она была преобразована в блок наведения ATLIS.
Рис. 1
Примеры первых разработок лазерных дальномеров (LRF).(а) испытательное оборудование для первого Ericsson LRF (1965 г.), (б) LRF для шведской береговой артиллерии (1968 г.), (в) ручной LP-7 Simrad, (г) LRF KTD 2-2 (Полюс, СССР), (д) LRF BD-1 (Институт № 801, СССР) и (f) Ferranti CO2 TEA LRF.
Рис. 2
Примеры советских / российских лазерных радаров с дальномером и целеуказателем: а – дальномер Самшит-50 для вертолета Ка-52, б – электрооптическая система 31Э-МК для Су-30. истребитель, (в) серия «Шквал» для Су-25Т, Су-25ТМ / Су-39 и Ка-50, и (г) установленная на капсуле «Сапсан-Э» для миссий класса «воздух-поверхность» на МиГ и Су.
Германия также разработала лазерные дальномеры и целеуказатели на базе лазера Nd: YAG производства Carl Zeiss и Eltro. Военные лазерные исследования проводились ФГАН-ФФО. Многие из их ранних публикаций были посвящены распространению лазерного излучения в атмосфере. 20
2.2.
дальномеры
Первый лазерный дальномер до Луны был выполнен лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института (MIT / LL) в 1962 году с использованием рубинового лазера 50 Дж / импульс. Затем в 1969 году в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, было выполнено точное лазерное определение местоположения Луны.В нем использовался ретрорефлектор, установленный на Луне астронавтами “Аполлона-11”. Посылая лазерные импульсы на отражатель с Земли, ученые смогли определить расстояние до этого места на Луне с точностью около 3 см. Дополнительные пакеты ретрорефлекторов были высажены НАСА на поверхность Луны во время миссий Аполлон-14 и Аполлон-15. Комплекты световозвращателей французского производства были мягко приземлены на поверхность Луны советскими спускаемыми аппаратами. 21
Комплект ретрорефлекторов также использовался в японском проекте «Ретрорефлектор в космосе» (RIS), установленном на спутнике ADEOS (Национальное агентство космического развития Японии, в настоящее время: Японское агентство аэрокосмических исследований) и запущенном в августе 1996 года.Ретрорефлектор имел изогнутую зеркальную поверхность для компенсации аберрации скорости из-за движения спутника. Наземная система передатчика-приемника использовала CO2-лазер при атмосферном давлении с поперечным возбуждением (TEA) и детектор HgCdTe с высокоточным отслеживающим телескопом диаметром 1,5 м в Лаборатории исследований связи (ныне Национальный институт информационных и коммуникационных технологий) ) в Кокубунджи, Токио. Спектры поглощения атмосферного озона были успешно измерены в диапазоне длин волн 10 мкм с использованием отражения от RIS. 22
В бывшем Советском Союзе дальние измерения с помощью лазеров были начаты в 1962 году ОКБ «Вымпел» в сотрудничестве с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева. Его первые эксперименты в 1967 году позволили провести лазерную локацию самолета Ту-134, оснащенного оптическими световозвращателями. 9 Десять лет спустя в Сары-Шагане была испытана гигантская лазерная РЛС ЛЭ-1, главной целью которой была противоракетная оборона. Он отслеживал спутник «Молния» и измерял расстояние до него без использования световозвращателя.
FSU LE-1 имел многоканальный передатчик (49 × 4) и многоканальный приемник с решеткой из 196 регулируемых по дальности фотоумножителей, каждый из которых имел свою оптическую систему. Переключатель представляет собой блок из четырех оптических клиньев, вращающихся с частотой 80 Гц. Многолучевая установка ЛЭ-1 управлялась с помощью скоростного двухмерного сканера, состоящего из двух зеркал, приводимых в действие шаговыми двигателями. Зеркала обеспечивали стабильность луча во время циклов передачи-приемника. Каждый лазер состоял из задающего генератора / усилителя мощности с идентичными кристаллами рубина и электрооптического переключателя KDP.Энергия выходного импульса составляла 1 Дж, частота следования импульсов (PRF) каждого лазера – 10 Гц, длительность импульса – 30 нс. Оптический поезд разработан ЦКБ «Геофизика» совместно с Оптическим институтом имени Вавилова. Телескоп Кассегрена с апертурой главного зеркала 1,2 м и полем обзора 21 угл. Мин. Обеспечивает отслеживание цели в верхней полусфере. Он был разработан и изготовлен ЛОМО. Телескоп осуществляет операцию с угловой скоростью до 5 град / с и угловым ускорением до 1.5 град / с2 с динамической ошибкой 5 ‘. Аберрация скорости компенсируется наклоном зеркала. Лазерный радар ЛЭ-1 мог обнаруживать цель площадью 1 м2 на расстоянии 400 км.
2.3.
Лазерные высотомеры
Измерение времени пролета является краеугольным камнем лазерных радарных высотомеров. Лазерный высотомер лунного орбитального аппарата (LOLA), созданный НАСА США, был разработан для определения характеристик мест посадки и обеспечения точной глобальной геодезической сетки на Луне. 23 Основное измерение LOLA – это топография поверхности.Инструмент обеспечивает дополнительные измерения уклона поверхности, шероховатости и отражательной способности. LOLA – это многолучевой лазерный высотомер, работающий на длине волны 1064,4 нм с частотой повторения импульсов 28 Гц. Одиночный лазерный луч разделяется дифракционным оптическим элементом на пять выходных лучей [рис. 3 (а)], каждая из которых имеет расходимость 100 мрад и освещает пятно диаметром 5 м с картографической орбиты, в результате чего общая частота дискретизации лунной поверхности составляет 140 измерений / с. Импульсы обратного рассеяния обнаруживаются приемником, который отображает пятиточечный узор на отдельных оптических волокнах, каждое из которых передает принятый сигнал на отдельный кремниевый лавинный фотодиодный детектор (APD).Пример лунных профилей показан на рис. 3 (б).
Рис. 3
(a) Лазерный высотомер лунного орбитального аппарата: пять выходных лучей, (b) лунные профили и (c) топографическая карта Луны.
Лазерные пятна образуют поперечный узор на поверхности Луны, причем каждый луч разделен на угол 500 мрад и повернут на 26 градусов вокруг оси надира по отношению к вектору прямой скорости космического корабля. Образец шаблона позволяет рассчитывать уклоны поверхности по диапазону азимутов. Топографическая карта Луны представлена на рис.3 (в).
Чтобы повысить чувствительность лазерных радаров для автомобильных приложений, Inoue et al. 24 от Toyota использовали волоконно-оптические усилители как для передатчика, так и для приемника, разработав прибор с сенсорной головкой размером 2 см2. Оптическая система передачи состоит из импульсного волоконного лазера. Пиковая выходная мощность 10 кВт, длительность импульса 4 нс. Диаметр сканирующего зеркала 10 мм. Оптоволоконный усилитель имеет промежуточный изолятор и полосовой фильтр для уменьшения спонтанного излучения и повышения эффективности преобразования и коэффициента шума. 25 Резонансная частота сканирующего зеркала составляет 100 Гц, а угол сканирования – 40 градусов.
Институт космоса и астронавтики (ISAS), Япония, разработал различные лазерные высотомеры для использования в космосе и космонавтике. На рисунке 4 показаны некоторые детали миссии Hayabusa с использованием лидара Hayabusa, запущенного в 2005 году. 26 , 27 Рисунок 4 (a) представляет собой изображение астероида Итокава (размер: 540 м × 270 м × 210 м) снято тепловизором, а на рис.4 (б) показана летная модель ISAS. Он работает на длине волны 1064 нм с 8 мДж, 1 Гц, апертурой 12,5 см, 3,7 кг, 24 см × 23 см × 25 см). На рисунке 4 (c) показана относительная высота, измеренная лазерным радаром Hayabusa. Он имеет разрешение по дальности ± 1 м. Точное измерение высоты астероида было первым в мире. Лазерный радар «Хаябуса-2» был запущен в 2015 году на сближающийся с Землей астероид 1999 Ju3.
Рис. 4
Миссия «Хаябуса» с лидаром Хаябуса. (а) Снимок астероида «Итокава», сделанный тепловизором, (б) модель полета и (в) относительная высота и горизонтальное расстояние, измеренные лидаром Хаябуса.
2.4.
Лазерные указатели
Первый лазерный указатель показан на рис. 5 (а). Он входит в серию бомб с лазерным наведением Paveway [рис. 5 (б)]. С момента своего создания в 1968 году Paveway произвела революцию в тактической войне класса “воздух-земля”. 8 Эти полуактивные боеприпасы с лазерным наведением, которые основываются на отраженной энергии, направленной от цели, не только резко сокращают количество боеприпасов, необходимых для поражения цели, но также обладают точностью, надежностью и экономичностью, недостижимыми ранее с обычным оружием.Силы НАТО успешно использовали Paveway во время операции Desert Fox и последующего патрулирования запретных для полетов зон над Ираком из-за его высокой точности и снижения вероятности сопутствующего ущерба. Paveway III – третье поколение, обеспечивающее оптимальную эксплуатационную гибкость за счет использования адаптивного цифрового автопилота, большого поля зрения и высокочувствительного искателя. Он приспосабливается к условиям выпуска, летит на соответствующем участке траектории и обеспечивает формирование траектории для повышения эффективности боеголовки.При использовании вместе с боеголовками-пенетраторами BLU-109 или BLU-113 Paveway оптимизирует не только траекторию и угол падения, но и угол атаки.
Рис. 5
(а) Первый лазерный целеуказатель (1969 г.) и (б) первая бомба с лазерным наведением.
2,5.
Лазерные дальномеры и указатели как компоненты системы
После первоначальной разработки рубиновых и Nd: YAG лазерных дальномеров и целеуказателей были подняты вопросы о совместимости дальномеров с FLIR в диапазоне 8–12 мкм, а также проблема безопасности глаз.Требовалось измерить дальность действия любой цели, которую можно было бы различить с помощью тепловизора, включая, например, способность проникать сквозь туман и дым. Эти соображения привели к разработке импульсных дальномеров на основе импульсного СО2-ТЕА-лазера. Опытный образец дальномера CO2 TEA был разработан RSRE и Ferranti. 28
Дальномер CO2 TEA, однако, не имел успеха. Лишь очень немногие из них были введены в эксплуатацию из-за ряда проблем; Среди них «проблема с мокрой целью» означает потерю дальности полета от мокрых целей из-за низкой отражательной способности при 10.6 мкм, необходимость охлаждаемых детекторов, дорогая оптика и проблемы со сроком службы лазера. Основное внимание в военном лазерном дальномере вскоре было сосредоточено на длине волны 1,5 мкм с использованием генератора оптических параметров со смещением комбинационного рассеяния или газовой технологии высокого давления, смещающей Nd: YAG с 1,06 до 1,55 мкм. В других схемах использовалось эрбиевое стекло или другие материалы. Начиная с эффективного Nd: YAG-лазера в качестве источника накачки, была разработана концепция многофункциональных лазеров. 29 Идея заключалась в объединении 1.Обнаружение / обозначение расстояния 06 мкм с лазерным радаром, лазерными помехами, идентификацией поля боя «друг или враг» и другими функциями в компактной системе, сконцентрированной вокруг одного передатчика. На рис. 6 показаны примеры разработанных в бывшем Советском Союзе систем, включающих лазерные дальномеры и указатели.
Рис. 6
Электрооптические системы бывшего СССР с лазерными радарами. (а) Одно из двух бортовых приборов лазерной радиолокационной системы ВМФ (Квант, Киев), (б) многоканальная КМ с лазерной радиолокационной системой наблюдения и управления огнем (Квант, Киев) и (в) прецизионная дальнометрия и угловые измерения. система (Алтайский оптико-лазерный центр).
2.6.
Некогерентное измерение ветра
Измерения профиля ветра на малых высотах с помощью некогерентного лазерного дальномера были продемонстрированы с использованием простой системы слежения за воздушным шаром с небольшими (диаметром 0,25 м) легкими воздушными шарами. 30 Эксперименты с траекториями аэростата демонстрируют, что лазерное определение дальности (± 0,5 м) в сочетании с измерениями азимута и возвышения является простой, точной и недорогой альтернативой другим методам профилирования ветра. Для увеличения максимальной дальности обнаружения до 2200 м к аэростатам была прикреплена световозвращающая лента.Ночное слежение облегчили маломощные светодиоды (LED).
Другой пример некогерентного доплеровского измерения ветра продемонстрирован в статье Liu et al. 31 Лю из Океанического университета Циндао, Китай, а некоторые из его сотрудников – из Исследовательского центра НАСА в Лэнгли, Хэмптон, Вирджиния. Схема лидарного передатчика, приемника и регулятора частоты показана на рис. 7. Задающим генератором системы является одномодовый перестраиваемый Nd: YAG-лазер непрерывной волны (CW) с диодной накачкой.Выходной сигнал на длине волны 1064 нм используется для затравки импульсного лазера Continuum Powerlite 7000 Nd: YAG. Выходной сигнал затравочного лазера с длиной волны 532 нм направляется на йодный фильтр (ячейка 1) для управления и фиксации частоты затравочного лазера. При такой настройке точность частоты поддерживается в пределах 0,2 МГц, что соответствует погрешности измерения ветра 5,0 см / с.
Рис. 7
Принципиальная схема импульсного излучателя Nd: YAG-лазера с инжекционной затравкой и модуляцией добротности. 26
Мобильный доплеровский лидар прямого обнаружения методом рассеяния Рэлея (рис.8) был разработан Китайским университетом науки и технологий 32 , 33 для измерения полей ветра в диапазоне от 15 до 70 км с разрешением по высоте 0,2 км ниже 40 км и 1 км выше. Эта система без сканирования работает на безопасной для глаз длине волны 354,7 нм с использованием Nd: YAG-лазера с утроенной частотой 50 Гц. Тройной канал используется в качестве частотного дискриминатора для определения скорости ветра, два из которых являются двухсторонними каналами, расположенными в крыльях термически расширенного спектра сигнала обратного рассеяния молекул, а третий канал фиксирует частоту выходящего лазера на пересечении -точка двугранных швеллеров. 34 Система сканирования может обнаруживать горизонтальный ветер в четырех направлениях (север, юг, восток, запад) путем сканирования излучающей-приемной системы.
Рис. 8
Вид двух лидаров в перспективе. 28
3.
Когерентные лазерные радары
3.1.
Применение в воздухе
Когерентные лазерные радары используют свойства пространственной и временной когерентности лазерного излучения. Смешивая принятый сигнал с оптическим гетеродином, можно измерить все поле, включая информацию о фазе и амплитуде, по сравнению с прямым обнаружением, где мы измеряем только амплитуду (интенсивность) отраженного лазерного сигнала.Типичным применением когерентного лазерного радара является измерение скорости, потому что, измеряя фазу, мы можем напрямую измерить доплеровский сдвиг частоты.
Бортовые когерентные лазерные радары используются для получения изображений земли, предупреждения о препятствиях, отслеживания местности, а также для измерения ветра, включая измерения обратного рассеяния. CLARA была французско-британской системой, разработанной для измерения твердых целей (кабелей, поверхности земли и т. Д.). 35 Это оборудование последовало за успешными испытаниями «лазерной системы обнаружения препятствий и кабеля» с импульсным лазерным радаром на углекислом газе, совместно разработанным двумя группами в рамках бывшего GEC Marconi.В другом проекте Société française d’équipements pour la navigation aérienne во Франции был продемонстрирован частотно-модулированный лазерный радар непрерывного действия (FMCW) для отслеживания местности и предотвращения столкновения с ней боевыми самолетами. 36 Лидар LATAS, разработанный RSRE, в основном использовался для измерения истинной воздушной скорости и измерения обратного рассеяния в атмосфере на расстоянии 10,6 мкм, но также демонстрировал интенсивное отображение естественного ландшафта и искусственных объектов. 37
Другими приложениями, использующими когерентный лазерный радар, была точная навигация к назначенному месту посадки на Земле или к внеземным объектам, а сближение и стыковка с орбитальным космическим кораблем требуют точной информации об относительной скорости и высоте транспортного средства.Доплеровский лидар был разработан НАСА в рамках проекта ALHAT. 38 Данные лазерной точной векторной скорости позволили навигационной системе постоянно обновлять траекторию транспортного средства к месту посадки.
На рисунке 9 показана конфигурация полностью оптоволоконного лидара. Его форма волны генерируется волоконным лазером с очень узкой шириной линии, модулируется по частоте и направляется через одномодовое волокно на волоконный усилитель большой мощности. Выход волоконного усилителя делится на три компонента для распределения мощности по трем оптическим каналам, соответствующим компонентам вектора скорости (рис.10).
Рис. 9
Конфигурация доплеровской лидарной системы.
Рис. 10
Единичные векторы, описывающие геометрию датчика.
3.2.
Зондирование атмосферного ветра
Зондирование ветра – ценное приложение для когерентных лазерных радаров. 39 Измерения включают в себя различные наземные программы, такие как измерение местного поля ветра и исследование следовых вихрей на аэродромах (рис. 11). Бортовые системы используются для измерения истинной воздушной скорости, ошибки давления, предупреждения о сдвиге ветра и сбора данных об атмосферном обратном рассеянии над Северной и Южной Атлантикой.В 1990-х годах Европейская космическая энергетика поддержала лидар космического ветра в программе атмосферных лазерных доплеровских приборов. Новаторские работы с лидаром ветра в Европе были выполнены в RSRE (Соединенное Королевство), DLR (Германия) и в Лаборатории динамики метеорологии, Политехнической школе (Франция). Обзор ранних работ по когерентным лазерным радарам в Европе можно найти в статье Vaughan et al. 40 В книге Киллинджера и Мурадиана (редакторы) есть несколько статей, посвященных первым когерентным лазерным радарам в Соединенных Штатах. 41
Рис.11
Датчики ветра: (a) оптический датчик турбулентности воздуха NASA (2 мкм, 1 мДж, 1 кГц, апертура 5 см, охладитель), (b) предупреждение о турбулентности NASA ACLAIM (2 мкм, 8 до 10 мДж, 100 Гц, апертура 10 см, охладитель) и (c) MAG-1A WindTracer (2 мкм, 2 мДж, 500 Гц, апертура 10 см, теплообменник).
Когерентный доплеровский лидар (CDL) оказался полезным инструментом для измерения атмосферного ветра с земли, воздуха или космоса. CDL наблюдают за большими объемами атмосферы с высоким пространственным и временным разрешением, что делает эти данные важными для многих приложений.
О первом CDL сообщили Huffaker et al. № 42 для обнаружения вихрей в спутном следе в 1970 г. с помощью CW CO2-лазера с длиной волны 10,6 мкм. В конце 1990-х годов компания Mitsubishi Electric выпустила на рынок безопасные для глаз компактные лидары на оптоволоконной основе и ветровые лидары средней дальности (8 км) (рис.12), разработав мощный волоконный усилитель Er, Yb: стекло с мощностью 3,3 кВт. выходная мощность, ширина 580 нс, частота повторения 4 кГц. 43 Также с помощью этого усилителя был реализован ветровой лидар сверхдальнего действия, превышающий 30 км, с разрешением по дальности 300 м. 44 Цельноволоконный CDL также был разработан на основе новой концепции автоматического управления параметрами, адаптируемой к атмосферным условиям. Эти системы использовались в различных промышленных приложениях, таких как метеорологический мониторинг, ветровая съемка для выработки энергии ветра и безопасности полетов и так далее.
Рис. 12
(a) CDL, (b) отображаемые диаграммы шума сигнала и доплеровской скорости, (c) полностью волоконная доплеровская лидарная система и (d) блок отображения данных.
В конце 1990 – начале 2000 годов Coherent Technologies, Inc.(CTI) возглавил разработку датчиков ветра при спонсорской поддержке ВВС и НАСА. CTI также разработала коммерческие продукты, такие как трассировщик ветра. Несколько систем WindTracer были развернуты в аэропортах и исследовательских центрах для мониторинга сдвига ветра в районе аэропорта и для изучения вихрей в следе за самолетом.
Еще одним применением этой технологии в последнее время является мониторинг ветра для платформ, генерирующих энергию ветра. Эти блоки размещаются на башне и контролируют ветер и турбулентность для лучшей работы ветряных генераторов.Halo Photonics в Великобритании и Leosphere во Франции предлагают эти устройства на коммерческой основе.
ВВС США заинтересованы в обнаружении ветра для сбрасывания с воздуха, артиллерийского корабля и сбрасывания немых бомб. Летная версия баллистических ветров была запущена в прототипе C-130 Pod System. Это было 15 кубических футов и 1000 фунтов. В нем использовался твердотельный лазер на 15 мДж и 2 мкм.
3.3.
Добавление определения дальности к измерениям скорости
Когерентные лазерные радары могут использовать те же методы, что и в микроволновых радарах, для объединения определения дальности с доплеровским зондированием.Одна из концепций использует принцип сигнала FMCW. Примером может служить дальномер, разработанный в RSRE и описанный Hulme et al. 45 Лазер использует выходную мощность в несколько ватт. Он модулируется акустооптическим модулятором, генерирующим «чирп»-импульсы, известные в микроволновых радарах. Другие примеры приведены в работах. 4647. – 48. В FOI системы были разработаны 49 , 50 с использованием сигналов FMCW от CO2 и полупроводниковых лазеров.
3.4.
Виброметрия
Одним из привлекательных приложений когерентного лазерного радара является виброметрия, основанная на эффекте Доплера. Дистанционные бесконтактные измерения открывают возможности для использования в гражданских и военных приборах. Виброметры обычно работают при 1,5, 2 или 10,6 мкм. Для получения вибрационной информации с пространственным разрешением используются сканирующие и многолучевые лазерные виброметры. Ссылка 51 сосредоточена на приложениях в области обороны и безопасности, таких как классификация и идентификация целей, включая замаскированные или частично скрытые цели, и обнаружение заглубленных наземных мин, с некоторыми примерами гражданских приложений средней дальности.Спектр вибрации цели был получен как важный и надежный признак, необходимый для целей классификации и идентификации. Маленькая цель на рис. 13 (а) – обычная черная резиновая лодка с подвесным двигателем. Лодка ∼4 × 2 × 2 м3. Дальность составила ∼1 км. Диаграмма посередине отображает частотный спектр. Частоты вибрации исходят от разных частей цели. Справа – соответствующая спектрограмма за 5 с.
Рис. 13
Измерения вибрации с резиновой лодки.(a) Видимое изображение с отмеченным лазерным лучом, (b) частотный спектр скорости и (c) частотный спектр во времени.
На основе подхода спектрограмм сигнатуры вибрации были получены со спутника LACE в ходе наземных лазерных радиолокационных измерений с использованием когерентного CO2-лазера. 52 – 54 Спутник был оборудован германиевыми ИК-световозвращателями на выдвижных / убирающихся стрелах для улучшения наземных измерений колебаний стрелы на орбите с помощью инфракрасного лазерного радара.Данные были получены во время и после одного из маневров (втягивание стрелы). Они указали на наличие сложной изменяющейся во времени структуры мод. Спектры мощности колебаний показаны в формате доплеровской зависимости интенсивности от времени на рис. 14 (б). Здесь спектры мощности выровнены и отображаются по вертикальной оси времени. Горизонтальная ось соответствует доплеровской частоте (т. Е. Скорости).
Рис. 14
(а) Спутник LACE. Относительная вибрация измерялась между германиевым ретрорефлектором, расположенным на корпусе сателлита, и ретрорефлектором, расположенным на конце стрелы ретрорефлектора.(b) Доплеровское представление данных как зависимости интенсивности от пикового значения.
Помимо CO2-лазеров на 10,6 мкм, ряд твердотельных лазерных источников на основе неодима 1,06 мкм, полупроводников или эрбиевого волокна 1,5 мкм и гольмия 2,1 мкм успешно использовались в качестве лазерных виброметров. Однако часто существуют условия окружающей среды, связанные с плохой видимостью, турбулентностью или высокой влажностью, когда может быть желательно работать в среднем ИК-диапазоне для улучшения характеристик системы.Такие условия не редкость на малых высотах и в морской среде. Когерентные лазерные радарные системы в среднем инфракрасном диапазоне длин волн могут иметь преимущества в условиях малых высот, поскольку они менее чувствительны к рассеянию, турбулентности и влажности, которые могут влиять на системы с более короткими или длинными волнами. Моностатический когерентный лазерный радар на 3,6 мкм на основе одночастотного параметрического оптического генератора описан в [4]. 55. Он действовал на коротких дистанциях на открытом воздухе, используя два разных стационарных грузовика с работающими двигателями в качестве целей.Система обеспечивала микродоплеровские измерения, которые обрабатывались для получения спектров поверхностной вибрации неподвижных, но движущихся грузовиков.
Для получения пространственного распределения колебаний на поверхности исследуемого объекта можно использовать сканирующий виброметр. Сканирующие лазерные виброметры позволяют анализировать структуру с очень точным пространственным разрешением, не изменяя ее динамическое поведение, сокращая время тестирования, если требуется большое количество точек измерения. Проблема измерений в полете была исследована с использованием сканирующего лазерного доплеровского виброметра для измерения вибраций внутри макета кабины Agusta A109MKII. 56 Вся просматриваемая область составляла 430 × 315 мм2. В тестах сканирования использовалась сетка 30 × 20. Также было проведено сравнение с виброграммами, измеренными при размещении виброметра вне макета. Рисунок 15 представляет собой сводку тестов при различных резонансах. Все они относятся к мгновенной амплитуде составляющей скорости на определенной частоте, ортогональной поверхности, с полосой пропускания ± 10 Гц для частот до 1000 Гц и ± 30 Гц для частот до 5000 Гц. Для обнаружения заглубленных мин было также исследовано зондирование вибрации. 57
Рис. 15
Частоты резонансных колебаний, зарегистрированные в кабине макета вертолета.
4.
Экологические лазерные радары (лидары)
4.1.
Первые шаги
Параллельно с военным лазерным зондированием сообщество исследователей лазерных радаров начало поиск приложений для зондирования атмосферы и океана. Например, лазерные радиолокационные наблюдения мезосферы были выполнены с помощью рубинового лазера еще в 1963 году Фиокко и Смуллиным. 58 Пространственное распределение аэрозолей в тропосфере было сообщено Collis et al. 59 В США изучали вертикальное распределение водяного пара 60 с помощью рубинового лазера с температурной настройкой; это был первый эксперимент с использованием лидара дифференциального поглощения (DIAL). В Японии впервые был разработан лазерный радар с рассеянием Ми, в котором использовался самодельный рубиновый лазер с модуляцией добротности. Основные соотношения рассеяния, поглощения и видимости были проанализированы в 1968 г. Инабой и др. 61 в Университете Тохоку. В бывшем Советском Союзе температуру атмосферы исследовали Аршинов и др. 62 Лазерное зондирование профиля влажности атмосферы исследовали Зуев и др. 63 Примеры лидарных систем 64 , 65 показаны на рис. 16. Как сообщили Ху и Цю, 66 первый китайский атмосферный лазерный радар был завершен в 1965 году. С тех пор были проведены экспериментальные исследования. проводится для исследования стратосферного аэрозоля и вулканического облака, профиля стратосферного озона, тропосферного аэрозоля (включая плотность дыма, коэффициент ослабления аэрозоля, атмосферную турбулентность), слоя натрия и рэлеевского рассеяния в средней атмосфере, температуры морской воды, нефтяных пятен на поверхности моря и т. д. на.Также были проведены многочисленные теоретические исследования. Сванберг 67 приводит множество примеров раннего лазерного радиолокационного мониторинга загрязняющих веществ. Лазерные радары атмосферы и океана включают в себя все виды лазеров и детекторов в зависимости от цели лазерного радара. Возможными целями могут быть зондирование аэрозоля или газа или зондирование океана, такое как профилирование дна или зондирование воды (мутность, планктон и т. Д.). Ограниченное пространство этой статьи не позволяет нам углубиться в разработку атмосферных и океанских лидаров.Вместо этого мы обратимся к учебникам и обзорам для дальнейшего чтения. 68 , 69 Можно сослаться на две другие книги, в которых обсуждается распространение лазерного излучения в водной среде. 70 , 71 Исследования экологических лазерных радаров в бывшем Советском Союзе привели к основополагающим монографиям Татарского 72 и Зуева о распространении лазерного излучения в атмосфере. 73 За ними последовали другие монографии томской научной школы. 74 , 75 Практические проблемы, связанные с приложениями в метеорологии, обсуждались в книге для метеорологов. 76 Достижения технологий CW FM описаны в книге Агишева. 77
Рис.16
Лидары для исследования атмосферы: (а) цельноволоконный когерентный многофункциональный лазерный радар непрерывного действия для измерения дальности, скорости, вибрации и ветра на 1,55 мкм (FOI, 2000), (b) автоматический лидар система дистанционного мониторинга загрязнения воздуха на крупных промышленных территориях (бывший Институт точного приборостроения, Москва) и (в) многофункциональная лидарная система (Корпорация Астрофизика, Москва).
4.2.
Многоволновые лидары
Университет штата Пенсильвания 78 , 79 добились значительного прогресса в разработке рамановских лазерных радаров. Они позволили проводить измерения оптических и метеорологических свойств атмосферы на основе колебательных и вращательных энергетических состояний молекулярных частиц, таких как водяной пар и озон, температура, оптическое поглощение, оптическое обратное рассеяние, многоволновое поглощение, отношение экстинкции / обратного рассеяния, аэрозольные слои и образование / рассеяние облака (рис.17). Метод углового рассеяния улучшает информацию путем измерения функции фазы рассеяния для аэрозолей, включая коэффициент поляризации функции фазы рассеяния, числовую плотность в зависимости от размера, распределение по размерам, идентификацию многокомпонентных аэрозолей, показатель преломления и т. Д. Мультистатический аэрозольный лазерный радар и многоволновый мультистатический лазерный радар являются хорошими кандидатами для перспективных исследований.
Рис. 17
(a) Лидар в Университете штата Пенсильвания и (b и c) динамика температуры и исчезновения.
4.3.
Лазерное радиолокационное зондирование в Китае
Изучение явлений желтой песчаной бури было одним из практических применений лазерного радара рассеяния Ми в Китае, мониторинга переноса пыли, профилей коэффициента затухания аэрозолей, регионального переноса загрязнителей воздуха и городского смешанного слоя . 80 – 82 Кроме того, Аньхойский институт оптики и точной механики (AIOFM) присоединился к национальным и международным проектам по лидарному мониторингу атмосферы. 83 , 84 Эти проекты включают в себя лидарное наблюдение за азиатской пылью NETwork, 85 Эксперимент с эоловой пылью по влиянию климата и т. Д. Был реализован лазерный радар Mie с двойной поляризацией, 86 и 12-летнее наблюдение аэрозоля в Хэфэй. 87
Первый лазерный радар рассеяния Ми был реализован для измерения стратосферного аэрозоля в 1980-х годах в Институте физики атмосферы (IAP). Увеличение стратосферного аэрозоля вулканами Эль-Чичон (1982) и Пинатубо (1991) отслеживалось в Пекине.В начале 1990-х годов AIOFM приступила к разработке лидара рассеяния Ми на основе Nd: YAG-лазера. Большой объем профильных данных вулканического облака Пинатубо был получен в Хэфэе и Пекине. 88
В 1992 году ИАП разработал многоволновый лазерный радар для наблюдения за озоном и аэрозолями в стратосфере, а также за облаками на большой высоте. В лазерном радаре использовались эксимерный XeCl-лазер и Nd: YAG-лазер, телескоп диаметром 1 м и многоканальный детектор. Лазер Nd: YAG имел выходную мощность 1 Дж, 300 мДж и 150 мДж на длинах волн 1064, 532 и 355 нм соответственно.Частота повторения импульсов составляла 10 Гц. Эксимерный лазер имел выходную мощность 140 мДж при 308 нм, а частота повторения импульсов составляла 100 Гц. 89 В 1994 году AIOFM также разработала лазерный радар, использующий вторую и третью гармоники Nd: YAG, и эксимерный лазер для мониторинга профиля стратосферного озона. 90 В AIOFM был разработан ДИСК для измерения загрязняющих газов, таких как SO2, O3, NO2. 91 , 92 Газовая ячейка Ch5 и D2 накачивалась четвертой гармоникой Nd: YAG.
Колебательно-вращательный рамановский лазерный радар был разработан в Сианьском технологическом университете. 93 Принципиальная схема колебательно-вращательного рамановского лазерного радара представлена на рис. 18. В системе используется импульсный Nd: YAG-лазер в качестве источника света, работающего на утроенной длине волны 354,7 нм с повторением 20 Гц. мощность и выход энергии 250 мДж при длительности импульса 9 нс. Возвращенные сигналы собираются с помощью 600-миллиметрового телескопа Newtonian, затем соединяются в многомодовое оптическое волокно и направляются в спектроскопический бокс. Лазерный радар использовался для измерения профилей отношения смеси водяного пара с помощью комбинационного рассеяния света, а также коэффициента ослабления аэрозоля по рассеянию Ми. 94 , 95 Температурные профили высокой точности могут быть достигнуты на высоте до 25 км. 96 Эффективное измерение водяного пара в атмосфере может быть достигнуто на высоте до 16 км. 97 Примеры профилей экстинкции и температуры приведены на рис. 18.
Рис. 18
(a) Вибрационно-вращательная рамановская лидарная система, разработанная в Сианьском технологическом университете, и (b) профили экстинкции и температуры.
Фиг.19
(a) Ранние лидарные системы комбинационного рассеяния: в обсерватории Университета Тохоку и (b) мобильный сканирующий рамановский лидар.
Первый натриевый лазерный радар для средней атмосферы в Китае был разработан в 1996 году в Уханьском физико-математическом институте. 98 Рэлеевский и натриевый лидары были разработаны Уханьским университетом. 99 Лазерный радар излучает волны с длиной волны 532 и 589 нм и обнаруживает обратное рассеяние Рэлея, комбинационный сигнал N2 и h3O и флуоресценцию натрия.Аналогичные натриевые лазерные радары были также разработаны в Китайском университете науки и технологий, 100 и Уханьском университете. 101 Уханьский университет разработал железный лидар Больцмана для измерения температуры мезопаузы. 102 Национальный центр космических наук разработал доплеровский лидар флуоресценции натрия для наблюдения за температурой и ветром. 103 В настоящее время пять лазерных радаров (в Ухане, Хэфэе, Циндао, Пекине и Хайнане) работают для наблюдения за средней атмосферой.
4.4.
Лазерный радарный уровнемер в Японии
В Японии Инаба и Кобаяси из Университета Тохоку предложили лазерный радар комбинационного рассеяния для обнаружения загрязнения воздуха над японскими промышленными районами. Лазерные радары комбинационного рассеяния показаны на рис. 19. Для рамановского лазерного радара был разработан молекулярный азотный лазер с ультрафиолетовой длиной волны 337,1 нм. Спектры молекулярно-колебательного комбинационного рассеяния CO2, O2, N2 и h3O наблюдались в чистом воздухе, и впервые было показано, что основные молекулы воздуха могут быть обнаружены отдельно.Кроме того, различные молекулы, такие как O3, CO, Ch5, жидкий и парообразный h3O, были идентифицированы в выхлопных газах автомобилей в воздухе. После этого эксперимента Накахара и др. Разработали мобильную сканирующую рамановскую лазерную радарную систему. 105 в Mitsubishi Electric Co. Ltd. с использованием луча второй гармоники лазера Nd: YAG на длине волны 532 нм. Было показано, что молекулы SO2 в шлейфе сточных вод из дымовой трубы обнаруживаются с чувствительностью к концентрации 1000 ppm на наклонном расстоянии 220 м. Рамановский лазерный радар также использовался для измерения влажности с помощью спектроскопического обнаружения комбинационного рассеяния водяного пара и постепенно расширялся до определения коэффициентов экстинкции атмосферных аэрозолей путем одновременного измерения спектров комбинационного рассеяния света Ми и азота.
После демонстрации высокой чувствительности лазерного радара с резонансным рассеянием в 1969 году, 106 было разработано несколько лидаров резонансного рассеяния натрия (натрия), о которых Аруга и др. Доложили. 107 в Университете Тохоку и Nagasawa et al. 108 в университете Кюсю.
Стратосферный озон был измерен Uchino et al. 109 в Университете Кюсю в 1978 году с использованием XeCl-лазера с разрядной накачкой и длиной волны 308 нм, основанного на методе дифференциального поглощения.В 1988 году Метеорологический научно-исследовательский институт разработал мобильный лазерный радар для одновременного измерения озона, температуры и аэрозолей в стратосфере. 110 Они использовали три линии Стокса (276, 287 и 299 нм) вынужденного рамановского рассеяния от ячейки с углекислым газом, накачиваемой лазером Nd: YAG (266 нм). 111 Национальный институт экологических исследований (NIES) также разработал такой же тип озона DIAL.
Для выяснения механизмов потери озона в полярной стратосфере, известной как «озоновая дыра», был разработан эксимерный XeF-лазер с энергией импульса 200 мДж и частотой повторения 80 Гц на длинах волн 351 и 353 нм.Он был использован в 1986 году для наблюдения за молекулярной плотностью и температурой в диапазоне высот средней атмосферы T. Shibata et al. в университете Кюсю. 112
Для изучения потенциала рассеяния Ми в 1979 году в Национальном институте экологических исследований NIES в Японии был построен большой сканирующий лазерный радар с энергией импульса 400 мДж на длине волны 532 нм и частотой повторения 25 Гц. (Рис.20). Лазерный радар использовался в различных исследованиях по рассеянию Ми для измерения структуры атмосферного пограничного слоя, 113 , 114 распределения аэрозолей и оптических характеристик. 115
Рис. 20
Большая сканирующая лидарная система (NIES): (а) схематическая диаграмма, (б) фотография лидара и (в) структура фронта морского бриза.
5.
Лазерные радары с визуализацией
5.1.
Ранняя лазерная радиолокационная визуализация
Визуализирующие лазерные радиолокаторы обычно создают трехмерное облако точек области путем измерения дальности и времени пролета лазерных сигналов в большом количестве положений по азимуту и углу места. Для измерения дальности в большом количестве угловых положений изначально использовались сканеры.Совсем недавно стали доступны детекторные матрицы, позволяющие получать изображения со вспышкой. При съемке со вспышкой матрицы детекторов используются для одновременного получения данных о дальности в нескольких угловых точках. Лазерные радары с формированием изображений могут получать данные об отражательной способности, спектральных параметрах, поляризации, доплеровском сдвиге и трехмерных данных. Такой объем данных является причиной того, что мы обращаемся к богатой феноменологии лазерных радаров. Военные приложения и приложения безопасности включают распознавание целей, определение местоположения цели, выбор точки прицеливания, отслеживание и наведение оружия.Военный лазерный радар для получения изображений стал интересоваться в 1970-х и 1980-х годах. Важный вклад был сделан MIT / LL. 116 Испытательный стенд Infrared Airborne Radar (IRAR) MIT / LL был в первую очередь экспериментальной системой распознавания целей 117 , способной обнаруживать и распознавать бронированные тактические машины в зарегистрированном диапазоне и изображениях интенсивности, создаваемых импульсным, инфракрасным, углекислотным лазером прямого обзора радар, который был установлен на грузовике или на борту самолета.
Примеры изображений из MIT / LL показаны на рис.21. Левое – это изображение моста, полученное с помощью лазерного радара IRAR CO2 (10,59 мкм), в котором расстояние до каждого элемента изображения закодировано в цвете. Данные, собранные в исходном виде под углом, преобразуются в вид сверху, как показано на вставленном изображении. Возможность вращения – одно из преимуществ трехмерной визуализации. Этот вид может быть полезен для ракетных искателей, использующих для наведения на местности особенности местности. Затем изображение с доплеровской скоростью было получено с помощью радара с углекислотным лазером, перевозимого на грузовике. Доплеровский сдвиг каждого из ~ 16 000 пикселей изображения был извлечен процессором поверхностных акустических волн с частотой кадров 1 Гц.Скорость отображается в цвете. Способность обнаруживать движущиеся части транспортного средства является мощным средством отличить цели от беспорядка. Следующее изображение, полученное с помощью лазерного радара на основе GaAs (0,85 мкм), представляет собой угловое изображение танка, скрытого маскировочной сеткой. Лазерный радар использует высокоточную синусоидальную амплитудно-модулированную форму волны, наблюдая за танком в сценарии с видом сверху. Маскировочная сетка была легко закрыта с изображения, чтобы изображение танка оставалось под куполом. Крайнее правое изображение – это дальномерное доплеровское изображение спутника LAGEOS, полученное широкополосным лазерным радаром на углекислом газе.Это изображение было сделано с полосой пропускания 1 ГГц. Доплеровское разрешение по скорости ~ 30 см / с. Цвет на изображении представляет относительную амплитуду сигнала.
Рис. 21
Изображения с лазерных радиолокационных систем MIT / LL: (a) изображения моста с помощью лазера CO2 и радара, (b) изображение доплеровской скорости UH-1, (c) изображение лазера и радара танк, скрытый маскировочной сеткой, и (d) дальномерное доплеровское изображение спутника LAGEOS, полученное широкополосным лазерным радаром на углекислом газе в Firepond.
Первые радары с лазерным формированием изображений были выполнены в Raytheon. 118 , 119 Одним из примеров был трехсервисный лазерный радар, содержащий волноводный лазер на CO2 15 Вт и гальванометрический сканер, телевизор и ИК-камеру InSb. Эта система использовалась в многочисленных кампаниях по оценке технологий лазерных радаров. Параллельно с когерентными лазерными радарами, сканирующие лазерные радары прямого обнаружения стали более интересными из-за несколько лучшей производительности в регистрации интенсивности (меньше проблем со спеклами) и лучшей точности измерения дальности и разрешения.Примером сканирующих лазерных радаров прямого обнаружения в США в начале 1990-х годов был лазерный радар Hercules Defense Electronic Systems, 120 , который работал на длинах волн 1,047 и 1,319 мкм Nd: YLF. Сообщалось, что переход 1,319 мкм дает примерно на 6-8 дБ меньшую пиковую мощность, чем переход 1,047 мкм, но дает преимущество в виде значительно улучшенных характеристик безопасности для глаз. Другим примером является система лазерного радара для вертолетов (HLR) Fibertek, 121 , которая была разработана в первую очередь для отслеживания местности и предотвращения препятствий на тросах.Система HLR генерирует безопасное для глаз излучение 1,54 мкм с использованием передатчика Nd: YLF и KTP OPO. Nd: YLF-лазер генерирует импульсы длительностью 5 нс при частоте повторения импульсов до 15 кГц. Средняя мощность на длине волны 1,54 мкм составляла ~ 1,0 Вт.
Первые работы с лазерными радарами с визуализацией изображений в Европе включали когерентные системы на углекислом газе во Франции 122 и Швеции. 123 – 125 На рисунке 22 показан пример многофункциональной когерентной лазерной радиолокационной системы на углекислом газе, разработанной в 1980-х годах в FOI. В этой системе был построен импульсный лазерный радар с программируемым передатчиком для изучения совместных возможностей доплеровского и дальномерного изображения.Новый метод был исследован 126 для сегментации местности на основе данных о дальности. В основе подхода было моделирование значений диапазона, полученных при горизонтальном и вертикальном сканировании, как кусочно-постоянный (или линейный) сигнал в случайном шуме.
Рис. 22
Дальность и скорость изображения с помощью импульсного лазера на углекислом газе (FOI). (a) телевизионное изображение спрятанного резервуара, (b) телевизионное изображение с наложением изображения дальности от когерентного лазерного радара CO2, и (c) «доплеровские пиксели», наложенные на телевизионное изображение.
5.2.
Программы визуализации с регулируемым диапазоном
Программы визуализации с контролем дальнего действия были запущены в 1990-х годах. В ВВС США была программа под названием ERASER. 8 Идея заключалась в использовании целеуказателя уже на самолете для увеличения дальности распознавания. Обозначение имеет более короткую длину волны, чем тепловизор, и может обеспечить лучшее угловое разрешение, ограниченное дифракцией, и более длинные диапазоны ID, чем тепловизор. Система на основе лазера также обеспечивает собственное освещение, поэтому она не так подвержена изменениям времени суток, как переход в тепловизионном изображении.Визуализация с дистанционным управлением также дает очень хорошую цель для контраста фона, особенно если цель видна в режиме силуэта.
В ходе исследования, проведенного армией США, было проведено исследование ВВС США, инициировавшее работу по созданию двумерных изображений, а также моделирование и тестирование прототипа оборудования. 127 Производительность систем со стробированием по дальности ограничена параметрами датчика, а также спеклами, вызванными целью и атмосферой, блужданием луча и танцами изображения, 128 , 129 , потому что двухмерные формирователи изображения обычно спеклы прямого обнаружения, которые можно уменьшить, используя более широкую полосу пропускания лазера для усреднения спеклов.Близко к пределу диапазона дробовой шум ограничивает качество изображения. Кадровая интеграция часто используется для уменьшения эффектов мерцания и спеклов цели, и в этом случае важными становятся танец изображения и время атмосферной когерентности. Трехмерные изображения с разрешением по диапазону могут быть восстановлены из серии изображений со скользящим стробированием. 130
Стробируемая активная двухмерная визуализация изучалась ведущими оборонными исследовательскими лабораториями. Обзор изображений с дистанционным управлением в FOI, включая моделирование производительности, был недавно опубликован в SPIE. 131 Работа включала системы с диодным лазером, системы с длиной волны 532 нм и, в последнее время, безопасные для глаз 1,5 мкм с использованием технологии трубок Intevac. В более поздних публикациях 132 FOI и IOSB опубликовали результаты своих исследований как моно-, так и бистатических конфигураций с системами со стробированием диапазона 1,5 мкм. Примеры приложений с дистанционным управлением для морской среды включают идентификацию малых надводных судов 133 – 135 и водолазов. Стробируемый вид для подводной съемки был испытан в течение длительного времени 136 – 138 и недавно использовался со стробированием по дальности с субсантиметровой точностью. 139 Изучены системы сканирования для обнаружения подводных объектов перед кораблями. 140
5.3.
Трехмерные лазерные радары
Разработка трехмерных лазерных радаров со вспышкой с информацией об интенсивности и дальности в каждом пикселе, полученной из одного освещающего импульса, стимулировала исследования матричных детекторов фокальной плоскости. Массивы APD на основе HdCdTe представляют большой интерес и разрабатываются несколькими группами, такими как Raytheon, 141 DRS, Sofradir / Leti, 142 и Selex. 143 Помимо линейных массивов ЛФД, большое внимание уделяется детекторам счета фотонов ЛФД Гейгера (GMAPD). MIT / LL является пионером в разработке GMAPD для таких программ лазерных радаров, как Jigsaw. 144 , 145 Лазерные радары Jigsaw 3-D обладают способностью видеть сквозь прорехи в камуфляже и между листьями в растительности. MIT / LL разработал лазерный радар, который создавал трехмерные изображения с высоким разрешением с использованием коротких лазерных импульсов и матрицы из 32 × 32 GMAPD в фокальной плоскости с независимыми цифровыми схемами отсчета времени пролета в каждом пикселе. 146 , 147 На рисунке 23 показан пример результатов работы Jigsaw. Цели под деревьями можно увидеть после «обрезки диапазона» сгенерированного трехмерного облака точек с лазерного радара.
В 2010 году было продемонстрировано новое применение трехмерного лазерного радара для игровых приставок. Это был Kinect первого поколения, датчик движения, в котором расстояние определялось по принципу триангуляции. В 2012 году была выпущена версия Kinect для Windows, основанная на принципе времени пролета.Его датчики измеряют синхронизацию разностей фаз между излучаемыми и принимаемыми сигналами. Свет в ближнем инфракрасном диапазоне от светодиодов модулируется синусоидальной (или любой другой периодической) функцией. Каждый пиксель датчика измеряет количество света, отраженного сценой, четыре раза с равными интервалами для каждого периода, что позволяет проводить параллельное измерение его фазы. Этот метод фазовой демодуляции широко известен как «четырехконтурная» выборка, и он позволяет рассчитать расстояние до объекта. В качестве сенсора используется CMOS-чип, состоящий из так называемых интеллектуальных пикселей, каждый из которых измеряет индивидуальное расстояние до наблюдаемой сцены.Количество пикселей в изображениях составляет 176 × 144 в камерах Swissranger SR3000 и SR4000 и 204 × 204 в камере PMD CamCube. Для дальнейшего чтения рекомендуем см. Ref. 148.
Рис. 23
Пример данных Лобзика по обнаружению танковой цели под деревьями.
Сквозь листву изучали и в других лабораториях. Grönwall et al. 149 предложил последовательный подход для обнаружения и распознавания искусственных объектов в естественных лесных средах с использованием данных с лазерных трехмерных датчиков.В Armbruster , 150, обсуждается использование изображений дальности для примеров, взятых из полей избегания препятствий вертолетов, обнаружения объектов в приложениях наблюдения, распознавания объектов на больших расстояниях, слежения за несколькими объектами и повторной идентификации объектов в последовательностях изображений дальности. Он утверждает, что характеристики автоматического распознавания целей (ATR) объектов, обнаруженных трехмерными лазерными радарами, могут превосходить не только 2D ATR, но и возможности человеческого зрения.
Другой американской программой была программа SPI 3-D 151 , призванная «разработать и продемонстрировать способность обеспечивать точную геолокацию наземных целей в сочетании с трехмерными изображениями высокого разрешения на полезных дистанциях противостояния».Эти двойные возможности были обеспечены с помощью сенсорного блока, состоящего из имеющихся в продаже компонентов. Он был способен обеспечивать «точность оптического качества на дальностях без радиолокационного противодействия» и обладал способностью преодолевать ограниченное затемнение от воздействия оружия и проникать через умеренную листву.
5.4.
Визуализация для наведения оружия
Лазерные радары визуализации могут расширить возможности лазерного наведения оружия в полуактивном или лучевом режиме. Недостатком является повышенная сложность использования лазера как части искателя.Сканирующие лазерные радары интенсивно изучаются в Соединенных Штатах для применения в ракетах. Обнаружение целей и самонаведение также изучались для поисковиков “воздух-воздух” и в космосе в рамках программы SDI. Наибольшие инвестиции в технологию лазерных радиолокационных искателей были сделаны для искателей “воздух-земля”. Низкозатратная автономная система атаки (LOCAAS) была демонстрационной программой 152 , управляемой ВВС (Эглин, Флорида). Программа LOCAAS AFRL была прекращена в середине 2006 года, но производство не началось.ГСН был основан на сканирующем лазерном радаре, генерирующем 3-х мерное изображение целей с функцией ПВО и системой выбора точки прицеливания. «Барражирующая атакующая ракета» 153 была проектом в рамках американской передовой боевой системы, основанным на технологии лазерного радара, разработанной для LOCAAS. В статье Andressen et al. 154 дает некоторое представление об этой технологии.
5.5.
Приложения для предотвращения препятствий
В Европе интерес к технологии лазерного радиолокационного самонаведения с отображением изображений был более ограниченным по сравнению с США.Одним из примеров действующей системы обхода препятствий для вертолетов является немецкая система Hellas 155 , разработанная EADS. Система Hellas предназначена для своевременного предупреждения пилотов о препятствиях и обнаружения тонких проводов на расстоянии до 1 км от платформы. Он также имеет систему восстановления после отключения. Во время взлета и посадки вертолеты могут столкнуться с серьезными проблемами потемнения или побеления на пыльных, песчаных и заснеженных участках, поскольку поток лопастей несущего винта вниз создает облака пыли вокруг вертолета.С помощью лазерного радара пилоту предоставляется расширенное улучшенное синтетическое видение зоны приземления и окружающей среды на основе данных изображения дальности, а также информации альтиметрии и инерциальной справочной информации.
Другие лазерные радарные системы предотвращения препятствий были разработаны в Израиле и США. Трехмерная лазерная радиолокационная визуализация имеет потенциал для многих других приложений, включая робототехнику, визуализацию местности, расширенное зрение, разведку и т. Д. Были предложены и реализованы различные типы трехмерных лазерных сенсоров. 156 – 158 Для минимизации передаваемой энергии компания Mitsubishi Electric Corporation предложила импульсный трехмерный лазерный датчик с двухмерным сканированием передающего луча и безсканирующий приемник. 159 Конфигурация системы показана на рис. 24. Лазер представляет собой импульсный волоконный лазер с длиной волны 1,5 мкм с энергией импульса 2 мкДж и длительностью 10 нс. Диаметр пучка коллимированного пучка составляет около 1 мм. Диаметр апертуры приемной оптики – 15 мм. Угол обзора приемника составляет около 6 × 6 град.Процессор сигналов генерирует изображение интенсивности, изображение диапазона и, следовательно, трехмерное изображение путем объединения с информацией об угле для каждого пикселя. Чтобы позволить системе получать правильные трехмерные изображения, обработка включает в себя флаг обнаружения пика, указывающий, распознает ли детектор дальности и интенсивности принятый сигнал или нет.
Рис. 24
Системы предотвращения препятствий (Mitsubishi Electric Corporation).
5.6.
Лазерные радары со вспышкой
Большая часть исследований в области лазерных радаров сегодня сосредоточена на получении изображений со вспышкой.На данный момент технология основана в основном на двумерной визуализации со стробированием по дальности. Приложение в основном предназначено для нацеливания, то есть для распознавания целей на больших расстояниях, чем может обеспечить взаимодействующая ИК-камера, что позволяет увеличить дальность стрельбы для оружия. Другие приложения для получения изображений со вспышкой – это системы наблюдения и картографии, сочетающие в себе технологию трехмерной фокальной плоскости и сканирование (см. Упомянутую выше систему Jigsaw).
На рис. 25 показан бортовой лазерный радар со вспышкой, разработанный Northrop Grumman Aerospace Systems. 160 «Флэш-система» имела массив 128 × 128 пикселей со схемой считывания и интегрирования (ROIC), способной сохранять изображение каждые 0,5 нс. ROIC фиксирует 20 изображений с интервалом времени для каждого импульса. Это может обеспечить профиль в диапазоне в каждом угловом положении. Эти изображения с временной задержкой затем используются для расчета оценок дальности целевой области. Он использовал Nd: YAG OPO с ламповой накачкой на длине волны 1,57 мкм, с 50 мДж на импульс, шириной импульса 6,7 нс и частотой кадров 30 Гц. В каждом двумерном местоположении пикселя у нас есть 20 измерений положений диапазона, разделенных на 2.2 нс в диапазоне.
Рис. 25
Бортовой лазерный радар со вспышкой, разработанный Northrop Grumman Aerospace Systems: (а) общий вид и (б) объяснение принципа.
Обработка для просмотра с лазерным стробированием была разработана TNO Defense, Security and Safety (Нидерланды), 161 на основе системы просмотра с лазерным стробированием Intevac Livar 4000 (рис. 26). Использовали безопасный для глаз лазер 1,5 мкм и камеру EBCMOS для стробоскопического обзора (минимальный сдвиг строба: 1,0 м, минимальная ширина строба: 20 м).
Фиг.26
Просмотр с лазерным стробированием с помощью программы просмотра с лазерным стробированием Intevac Livar 4000.
Рис. 27
Слева: Принципы работы радара SAL. Справа: обработанные данные SAL, наблюдение за грузовиком сквозь листву. На этом изображении объединена информация из четырех отдельных представлений (Northrop Grumman).
Рис. 28
Пример сбора трехмерных городских данных с использованием лидара в режиме Гейгера. С веб-страницы Harris Corporation.
Рис. 29
Пример лидарной батиметрической системы (Hawk Eye III от Leica Geosystems).Цвет от зеленого до синего указывает на глубину воды.
5.7.
Лазерные радары с синтезированной апертурой
Радары с синтезированной апертурой (SAR) – это зрелая область, которая была разработана для восстановления микроволновых изображений высокого разрешения с использованием антенн разумного размера. Их принцип основан на накоплении полевой информации по мере движения радара относительно цели. Тогда становится доступна большая область полнопольной информации в плоскости зрачка. Для микроволнового радара информация поля плоскости зрачка позволяет моделировать синтетическую апертуру длиной в несколько километров в одном направлении.Поскольку информация поля содержит как фазу, так и интенсивность, мы можем преобразовать Фурье это изображение в плоскости большого зрачка, чтобы получить изображение с высоким угловым разрешением в измерении с длинной синтетической апертурой. Если SAR имеет широкую полосу пропускания, он также может обеспечить высокое разрешение по дальности. Таким образом, SAR может обеспечивать высокое угловое разрешение в одном измерении и разрешение высокого диапазона во втором измерении, обеспечивая изображение с высоким разрешением. Таким образом, метод SAR применим при относительном поперечном движении между радаром и целью, при этом улучшение разрешения достигается за счет увеличения эффективного размера апертуры в направлении движения.SAR работают на микроволновых и миллиметровых длинах волн и широко используются для улучшения пространственного разрешения в дальней зоне по сравнению с обычными радарами с ограничением дифракции. Поскольку микроволновые радары имеют ограниченное реальное разрешение луча, возник большой стимул к разработке SAR; длины микроволновых волн также относительно велики, что позволяет компенсировать движение до доли длины волны.
Этот метод был расширен до оптических / инфракрасных длин волн с использованием источников CO2-лазера, 162 , 163 и лазеров Nd: YAG. 164 , 165 Поскольку разница в длине волны синтетических апертур может быть намного меньше в оптических длинах волн, компенсация движения все равно должна компенсировать любые фазовые изменения, превышающие долю длины волны. Если ваша длина волны составляет 3 см, как в SAR, вы должны компенсировать изменения до <3 мм. Если ваша длина волны составляет 10 мкм, вам нужно будет компенсировать изменения <1 мкм, а для лазерного радара 1 мкм вам нужно будет компенсировать изменения <0.1 мкм. Технико-экономическое обоснование продолжалось после тех первоначальных исследований лидара с синтезированной апертурой, лазера с синтезированной апертурой (SAL) без перерыва. 166 – 168 Возможность высокого разрешения SAL может использоваться как преимущество не только для приложений на больших расстояниях (например, для получения изображений из космоса), но и для малых расстояний, если требуется очень высокое угловое разрешение. Примеры изображений SAL с высоким разрешением показаны на рис. 27. Поскольку фокусировкой SAL можно управлять, регулируя предполагаемый диапазон в фильтре сжатия импульсов, цели с вариациями дальности могут быть отображены без ухудшения разрешения вдоль трека.Примером такого краткосрочного применения является контроль качества продукции, когда объект имеет переменный рельеф поверхности.
6.
Картографические лазерные радары
6.1.
Картографирование местности
Сканирующие лазерные радарные системы хорошо зарекомендовали себя для картографирования местности и зондирования глубины. Гражданский рынок лидирует в этой области последние 20 лет. Как космические, так и воздушные лазерные радары, а также наземные лазерные радары были разработаны несколькими различными поставщиками.Большое количество публикаций и приложений, а также быстрое развитие аппаратного обеспечения свидетельствуют о большом интересе к этой технологии. Книга, дающая хороший обзор методов топографического лазерного сканирования, была опубликована Шаном и Тотом. 169
Многие военные приложения совпадают с гражданскими. Основное различие заключается в способах обработки и использования данных. Военные системы часто имеют более высокую потребность в зоне покрытия, скорости и / или пространственном разрешении, и им, возможно, придется работать на больших высотах и в ночное время и быть более скрытными.Военные картографические системы также могут нуждаться в многофункциональной работе. Тактическое картографирование можно комбинировать с возможностями наблюдения и целеуказания. Также растет тенденция к тому, что военные лазерные радиолокационные системы работают с беспилотных платформ [таких как беспилотный наземный транспорт (UGV), например, автономный автомобиль; беспилотный летательный аппарат (БПЛА), широко известный как «дрон», автономный подводный аппарат для работы под водой), подчеркивая потребность в малом размере, весе и потребляемой мощности.
Системы воздушного картографирования большой площади, использующие обычное сканирование и линейные APD, были разработаны несколькими компаниями (Optech / Teledyne, Riegl, Leica).Они могут летать на высоте от 5 до 6 км и иметь частоту повторения импульсов до 1 МГц. Последние тенденции заключаются в том, чтобы сделать системы небольшими и компактными, а также объединить лазерное сканирование с цифровыми и гиперспектральными камерами. Примером компактной системы является Dragon Eye, разработанный AHAB 170 в Швеции (теперь Leica GeoSystems). Он имеет лазерную частоту повторения импульсов до 1 МГц и работает на высоте до 15 600 м. Головка датчика весит 37 кг, а блок управления – 53 кг.
Технология счета фотонов GMAPD позволяет еще быстрее собирать данные.Это связано с военными разработками ВВС США и DARPA. Сенсор, предлагаемый Harris Corporation 171 , как утверждается, позволяет выполнять картографирование большей площади, чем было возможно до сих пор, и собирать данные до 10 раз быстрее и с 10-кратным разрешением по сравнению с линейными лидарными датчиками. Датчик Харриса представляет собой лазерный радар со вспышкой, использующий большую решетку фокальной плоскости GMAPD. На рисунке 28 показаны изображения, полученные с этого лазерного 3D-радара.
Лазерные сканеры используются на UGV для навигации и объезда препятствий.Наиболее распространенной демонстрацией успеха лазерных сканеров была модель UGV112, где лазерные сканеры были ключевыми датчиками. Системы от Teledyne Optech 172 и Velodyne Lidar 173 являются примерами коммерческих лазерных радаров для картографирования дорог со многими потенциальными военными приложениями (например, создание синтетических сред, обнаружение самодельных взрывных устройств и т. Д.). Утверждается, что точность составляет порядка сантиметров на максимальном диапазоне от 100 до 250 м.Скорость измерения составляет от 1 до 2 миллионов точек в секунду. Это позволяет расстояние между точками 6 см на расстоянии 10 м при скорости автомобиля 43 км / ч.
Автомобильный лазерный радар становится очень важным датчиком для беспилотных автомобилей. Это может быть первым широко распространенным коммерческим применением технологии лазерного радара. Это заставит технологию быть маленькой и компактной по цене в несколько сотен долларов за лазерный радар.
6.2.
Лазерная батиметрия
Воздушная лазерная батиметрия или гидрография – это метод измерения глубин относительно неглубоких прибрежных вод. 174 Типичные области применения включают батиметрическую съемку федеральных судоходных каналов, крупных морских районов, портов и гаваней, проекты по защите берега, такие как причалы и волнорезы, коралловые рифы, пляжи, береговые линии и места захоронения земснарядов. 175 , 176 Топографические исследования над водной поверхностью могут проводиться одновременно. Данные могут быть получены для моделирования штормовых нагонов и для мониторинга песка как местного ресурса. В обзорном документе 177 философия проектирования аппаратного и программного обеспечения обсуждается в соответствии с критическими соображениями проектирования и историей развития батиметрии с использованием бортовых лидаров.На рис.29 показан пример батиметрического лазерного радара.
Примеры стран, которые разработали и использовали лазерную радиолокационную батиметрию, включают США, Австралию, Швецию, Канаду и Россию. В 1990-х годах системы начали работать в Австралии (LADS 178 ), США (SHOALS 179 ) и Швеции (Hawk Eye 180 ). Практический диапазон глубин для картирования дна составляет примерно 3 глубины по Секки, то есть от 5 до 40 м в прибрежных водах.
7.
Лазерные микрорадары
7.1.
Оптическая когерентная томография
Метод, получивший название OCT 181 , представляет собой комбинацию измерения времени пролета и интерферометрии. Это было реализовано с помощью интерферометра Майкельсона путем замены одного из зеркал на тестируемый объект (рис. 30). Используется источник света с короткой длиной когерентности; поэтому более правильным термином была бы оптическая низкокогерентная томография. Референтное зеркало, расположенное в плоскости R, а плоскость объекта изображаются на детектор, который фокусируется на плоскости R ‘.Плоскости R и R ‘находятся на одинаковом расстоянии от источника света.
Рис. 30
(a) Базовая установка оптического микрорадара, (b) 3-D реконструкция изображения монеты и (c) томограммы дна глаза.
На изображение объекта накладывается эталонная волна. Помехи можно наблюдать локально, где пути света от эталона и объекта примерно равны. Измерение основано на помехах. Из-за малой длины когерентности интерференция происходит только внутри тех пятен, которые соответствуют элементам поверхности, близким к плоскости R ‘.Эти области обнаруживаются и сохраняются, пока объект медленно перемещается по оси z. Таким же образом эталонное зеркало может перемещаться, когда объект неподвижен. Пример профиля, реконструированного этим методом с использованием дополнительного (x, y) сканирования, представлен на рис. 31, на котором изображена монета.
Рис. 31
Поместив человеческий глаз в плоскость R ‘как объект исследования, перемещая плоскость R в осевом направлении z, можно получить профиль обратного рассеяния от тканей и поверхностей глаза.Обеспечивая сканирование в x-y направлениях, можно реконструировать трехмерное изображение [Рис. 30 (c)]. За последние десятилетия появились сотни публикаций о многочисленных модификациях ОКТ и их применении в различных областях, особенно в медицине: строение глаза, трехмерная визуализация кровеносных сосудов, кровоток в сосудах, и не только в офтальмологии, но и в медицине. также в исследованиях сердечно-сосудистой системы, васкуляризации черепа и т. д. В нашей короткой статье нет места, чтобы охватить все варианты ОКТ и его применения, поэтому мы обращаемся к читателям к книгам в энциклопедическом стиле. 182 – 184
7.2.
Капиллярная велосиметрия
Чтобы продемонстрировать применение ОКТ-капиллярной велосиметрии в исследованиях сосудов головного мозга, для получения изображений коры головного мозга крысы in vivo использовали спектральный / Фурье-домен ОКТ-микроскоп с длиной волны 1310 нм. 185 Источник света состоял из двух суперлюминесцентных диодов, обеспечивающих спектральную ширину полосы 170 нм. Осевое (глубина) и поперечное разрешение в ткани составляло 3,6 мкм, полная ширина на полувысоте, а скорость визуализации составляла 47000 осевых сканирований в секунду (17.Время экспозиции 3 мкс), достигаемое камерой линейного сканирования InGaAs. Капиллярную велосиметрию и ее визуализацию проводили во время гиперкапнического заражения крысе. Пример такой визуализации представлен на рис. 31.
Был представлен другой томографический метод, основанный на лазерном спекл-контрасте. 186 , который позволяет реконструировать трехмерное распределение кровотока в глубоких тканях. В экспериментальной установке используется непрерывный лазерный диод с контролируемой температурой (785 нм, 90 мВт) для исследования образца.Пара зеркал с гальваническим управлением используется для сканирования точечного лазерного источника. Источник света фокусируется на нижней части образца, а полученные спекл-структуры отображаются сверху с помощью монохромной CMOS-камеры с временем экспозиции 1 мс. Горизонтальное поле зрения около 4 см, диаметр пикселя 3 × 10–4 см. Лазер устанавливался в каждом положении в течение 0,5 с для получения 35 изображений интенсивности. Пример трехмерного среза восстановленной скорости потока для исходной скорости 3.18 см / с показано на Рис. 32.
Рис. 32
Срезы распределения скорости потока.
7.3.
Обнаружение волнового фронта
В ответ на развитие методов коррекции зрения Molebny et al. В 1996–1998 годах были разработаны три типа приборов для измерения неоднородности рефракции человеческого глаза: однолучевая трассировка лучей с прямым обнаружением, 187 двухлучевая когерентная трассировка лучей, 188 и зондирование Хартмана – Шака с голографической линзовой решеткой. 189 Аберрометрия с однолучевым трассированием лучей основана на принципе лазерного радара: лазерный луч проецируется в глаз параллельно оптической оси, а позиционно-чувствительный детектор измеряет положение проекции луча на сетчатке. Лицензия была передана компании Tracey Technologies, Техас, США, и прибор iTrace сейчас находится в серийном производстве как один из лучших клинических аберрометров (рис. 33).
Рис. 33
(a) Аберрометр трассировки лучей iTrace и (b) отображаемые данные.
В 1999 году Navarro и Moreno-Barriuso 190 опубликовали свои результаты по трассировке лазерных лучей на основе электромеханического сканирования с неутешительными выводами: трассировка лучей не подходит для исследований живым глазом, поскольку для одного измерения требуется несколько секунд. В iTrace выходная мощность непрерывного лазерного диода составляет около 1 мВт, а продолжительность проецирования в одной точке составляет 1 мс или меньше. Акустооптический дефлектор переключает положение луча с переходным временем <10 мкс. Пример отображаемых данных представлен на рис.33.
8.
Призрачные лазерные радары
Лидар с призрачным изображением – это метод, требующий сравнения информации из двух каналов (например, получение изображений с когерентным освещением, например голография или ОКТ). Идея состоит в том, чтобы восстановить изображение с высоким разрешением, используя фазовый поиск. Он был описан в 1990 году. 191 Матрица точечных детекторов измеряет интенсивность оптического поля в плоскости большой апертуры [Рис. 34 (а)]. Делитель луча после телескопа с малой апертурой позволяет одновременно регистрировать интенсивность в двух плоскостях: в обычной фокальной плоскости, где существует ограниченное дифракцией изображение объекта, и преобразование Фурье его плоскости с малой апертурой.На рисунке 34 (b) представлена блок-схема, показывающая, как эти три измерения интенсивности используются для восстановления фазы по большой апертуре и восстановления изображения с высоким разрешением.
Рис. 34
(a) Принцип восстановления фазы с использованием изображения с низким разрешением, (b) восстановление изображения с высоким разрешением на основе измерений интенсивности, и (c) архитектура построения фантомных изображений.
Термин «фантомное изображение», который был введен вскоре после первоначальных экспериментов, подчеркивает тот факт, что ни один канал не является достаточным для получения целевого изображения.Только сопоставив два фототока, вы получите достаточно сигнала для создания изображения. Из-за интенсивных поисков теоретиками лучшего решения создание фантомных изображений было названо «темой с вариациями». 192
Сообщалось о многих экспериментах по визуализации фантомных изображений, как для передачи 193 – 196 , так и для противостоящего отражения. 197 – 199 Эксперименты предполагают, что два коррелированных оптических луча проходят разные пути и падают на два пространственно разделенных фотодетектора: один луч взаимодействует с целью, а затем освещает однопиксельный детектор, не обеспечивающий пространственного разрешения (опорный канал), в то время как другой луч проходит независимый путь и падает на сканирующий детектор-обскуры или камеру высокого разрешения (канал сигнала) без какого-либо взаимодействия с целью.Изображение получается путем сопоставления выходных фототоков от этих фотоприемников [рис. 34 (c) показывает пример архитектуры для случая передачи изображения].
Последующая теоретическая работа была посвящена влиянию атмосферной турбулентности 200 и турбулентности в сочетании с лазерными спеклами 201 на характеристики создания фантомных изображений. Эти исследования и связанные с ними экспериментальные работы, 177 очертили условия, при которых пространственное разрешение фантомных изображений ограничивается турбулентностью, а не дифракцией.
Обычный лазерный радар, который освещает поле зрения потоком, имеет предел турбулентности пространственного разрешения, установленный длиной атмосферной когерентности во входном зрачке приемника. С другой стороны, визуализатор-призрак для той же среды имеет предел турбулентности пространственного разрешения, установленный длиной атмосферной когерентности в выходном зрачке его структурированного осветителя. 178 Следовательно, для бистатической конфигурации, когда длина атмосферной когерентности в выходном зрачке передатчика значительно больше, чем во входном зрачке приемника, формирователь изображений с призрачным изображением обеспечит лучшее пространственное разрешение с ограничением турбулентности, чем обычный лазерный радар.
9.
Заключение
Лазерные радары прошли через много этапов развития с момента первых попыток использования лазеров для определения дальности, что привело к широкому военному применению для определения дальности и наведения оружия, особенно для обозначения лазерного обозначения, формы бистатического лазерного радара. . Дальнейшие исследования привели к разработке систем лазерной визуализации, основанных на двумерном стробированном просмотре, а затем на трехмерной визуализации, которая находится в процессе внедрения. Системы визуализации находятся в стадии интенсивной разработки, включая более высокую дальность и поперечное разрешение, однофотонные чувствительные матрицы, мультиспектральные или широкоспектральные излучающие лазеры для множества новых возможностей, таких как лучшая погодная проницаемость, возможность смотреть сквозь растительность, сквозь плотную среду, для распознавания целей. и другие приложения.
Что касается гражданского и двойного использования, мы обнаружили, что экологические лазерные радары хорошо зарекомендовали себя в дистанционных исследованиях атмосферы и океана, в то время как лазерные радары с трехмерным картированием достигли рабочего состояния с трехмерным картированием больших территорий многие страны. Лазеры становятся все более эффективными, становятся все меньше и дешевле для потенциального использования в автомобилях или беспилотных транспортных средствах. Использование лазеров в беспилотных автомобилях, вероятно, станет первым широко распространенным коммерческим применением лазерных радаров.Это значительно уменьшит размер, вес и стоимость лазерных радаров. Это также позволит широко использовать лазерные радары в беспилотных летательных аппаратах, поскольку они находят широкое применение в коммерческих и военных целях.
Технология лазерных радаров находит множество применений в медицине. Одним из примеров является оптическая низкокогерентная томография, возникшая на основе лидарной интерференционной рефлектометрии с ее широким использованием в офтальмологии для исследования глаз с трехмерной реконструкцией ее структур, для трехмерных эндоскопических исследований кровеносных сосудов, усиленных с помощью допплеровской 3- D велосиметрия.Другой замечательный пример – картирование рефракции человеческого глаза, называемое аберрометрией.
Новые технологии и методы, которые необходимо изучить в лазерных радиолокационных системах, включают многоапертурные и синтетические апертуры, бистатический режим, многоволновые или широкоспектральные излучающие лазеры, счет фотонов и передовые квантовые методы, а также комбинированные пассивные и активные системы и сочетание микроволнового и лазерного излучения. радары. Мы ожидаем, что использование когерентных лазерных радаров будет увеличиваться, поскольку люди найдут дополнительные методы для использования полных полевых данных, включая информацию о фазе.Что касается компонентов, мы предвидим эффективные универсальные лазерные источники, компактные твердотельные лазерные сканеры для немеханического управления лучом и формирования луча, чувствительные и большие решетки фокальной плоскости для прямого и когерентного обнаружения в сочетании с эффективным оборудованием и алгоритмами для обработки лазерного радара. информация и высокие скорости передачи данных.
Сравнение достижений в технологиях лазерных радаров, разработанных за последние 50 лет по всему миру, показывает повсеместную привлекательность технологии лазерных радаров и их приложений.
Битва за беспроводную связь
Сьюзан Олдридж
ЭТО год для столетних годовщин. Например, рентгеновские снимки и первый публичный показ проецируемых фильмов датируются 1895 годом, когда умер великий Луи Пастер. Также прошло сто лет с тех пор, как русский физик Александр Попов, преподаватель физики в Морском инженерном училище в Кронштадте, недалеко от Санкт-Петербурга, впервые продемонстрировал радиоприемник своим коллегам-ученым.Граждане бывшего Советского Союза выросли с идеей, что радио родилось 7 мая 1895 года. Но западные ученые всегда считали Гульельмо Маркони отцом радио. Мнение о том, что титул действительно принадлежит Попову, рассматривается на Западе как часть сталинской пропаганды, от которой следовало отказаться с приходом гласности.
Маркони и Попов в 1895 году экспериментировали с радиоприемниками. 21-летний Маркони уже использовал свою установку для отправки и получения сообщений в особняке своего отца недалеко от Болоньи и вокруг него.Где-то в том же году он рано разбудил свою мать, чтобы стать свидетелем первой демонстрации радиопередачи. Он набрал сообщение азбукой Морзе на передатчике, который он построил в своей лаборатории на чердаке, и в дальнем конце комнаты зазвонил звонок, прикрепленный к приемнику. Радиосвязь была установлена. Маркони переехал в Лондон в 1896 году и в июне подал заявку на патент на свое изобретение. На рубеже веков он установил первые международные и трансатлантические радиосвязи. В 1909 году ему была присуждена Нобелевская премия.Неужто его место в истории как изобретателя радио было обеспечено?
7 мая 1945 года уважаемая публика, в том числе и дочь Попова, собралась в Большом театре в Москве, чтобы услышать, что эта дата в будущем будет отмечаться как «День радио» в честь Попова. С тех пор на русском языке появилось несколько биографий и статей, подтверждающих приоритет Попова над Маркони. Есть даже учебник И. Жеребцова «Основы радио», изданный на английском языке для развивающихся стран.В издании книги, датированном 1963 годом, Маркони даже не упоминается, и утверждается, что Попов был первым человеком в мире, который применил антенну.
Нет никаких сомнений в том, что Попов внес вклад в развитие радио. Он был талантливым универсалом, на которого, как и на Маркони, большое влияние оказали труды Оливера Лоджа и Генриха Герца; учёные, заложившие основы радиосвязи. 7 мая 1895 года он продемонстрировал свой радиоприемник Русскому физико-химическому обществу, но только для того, чтобы улавливать электрические помехи, а не сообщения Морзе.Позже в том же году Попов установил приемник в качестве детектора шторма в метеорологической обсерватории Института лесного хозяйства в Санкт-Петербурге. Нет никаких доказательств того, что он отправлял и получал сообщения в 1895 году. Разница между работой двух мужчин в течение этого года имеет решающее значение, потому что большинство людей признают, что радиосвязь – это все, что нужно для передачи сообщений.
Объявление
Также никто не предполагал, что Попов когда-либо претендовал на приоритет над Маркони.Двое мужчин встретились в 1902 году и стали друзьями. Попов даже прислал Маркони свадебные подарки – самовар и тюленькую шубу. После смерти Попова в 1905 году Русское физическое общество начало рассматривать этот приоритетный вопрос, открывая его для растущего радиосообщества. Ответа было мало, так что вопрос оставался в покое на несколько лет.
Затем, в 1925 году, Виктор Габель, ученый из Советского управления мер и весов, написал в британском журнале Wireless World (том 16, стр. 410), что передача Попова перед Российским физико-химическим обществом 24 марта 1896 года может толковаться как «интеллект».Очевидно, Попов дал сигнал «Генрих Герц» на морзе, и слова были записаны на доске. Если это было правдой, то это делает Попова официальным изобретателем радио, потому что передача предшествовала патенту, на который Маркони подал заявку 2 июня того же года (он был выдан в июле). Редактор Wireless World потребовал у Габеля более подробностей. Почему письменный отчет о встрече был таким кратким? Была ли какая-либо проверка того, что сообщение было отправлено? Габель обвинил российский флот, заявив, что они пытались помешать Попову опубликовать его работы.Это было немного, но достаточно для сталинской пропагандистской машины, чтобы ухватиться за нее в 1945 году, когда 7 мая был учрежден День радио в ознаменование демонстрации Попова.
Сталин победил нацистов – но только при огромной технологической и финансовой поддержке Запада. В науке и технологиях Советский Союз отставал от своего Запада. Сталин начал кампанию, чтобы скрыть это от общественности. Попову приписывают не только изобретение радио, но и говорят, что российские ученые изобрели телевидение и самолет.
