Применение лазеров в связи и локации

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

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

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

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

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

Рисунок 1.10 – Приемник импульсных сигналов с АРУ

1.4 Световодные линии связи

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

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

1.4.1 Основные типы световодов

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

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

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

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

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

1.4.2 Световые лучеводы

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

Рисунок 1.11 – Основные типы лучеводов

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

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

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

1	2	3	4	5	6	7	8