Читайте данную работу прямо на сайте или скачайте

Применение лазеров в связи и локации

Содержание

Стр.

1 Лазеры в технике связи.

1.1 Системы связи оптического диапазона.

1.2 Модуляционные стройства для оптической связи

1.2.1 Амплитудные модуляторы для внешней модуляции.

1.2.2 Амплитудные модуляторы для внутренней модуляции.

1.2.3 Методы частотной модуляции лазеров.

1.3 Приёмники излучения.

1.3.1 Детекторы оптического диапазона.

1.4 Световодные линии связи.

1.4.1 Основные типы световодов.

1.4.2 Световые лучеводы..

1.4.3 Волоконные волноводы..

1.4.4 Газовые волноводы..

1.4.5 Оптические микроволноводы..

2 Применение лазеров в радиолокационных системах.

Список использованных источников.

Введение

1 Лазеры в технике связи

1.1 Системы связи оптического диапазона

В общем виде структурные схемы систем связи оптического диапазона и радиодиапазонов аналогичны. Как показано на рисунке 1.1, генератор оптического диапазона 1 вместе с модулятором 2 и генератором накачки 3а

Рисунок 1.1 -а

Недостаток оптической системы связи с амплитудной модулянцией световой несущей состоит в значительных нелинейных искажениях, вызываемых работой оптического модулятора. Эти, исканжения обусловлены нелинейностью модуляционных характеристик оптических модуляторов и практически неустранимы.

Предложена система связи с частотно-модулированной поднесущей, которая позволяет почти полностью избавиться от нелинейных искажений оптического модулятора. В этой системе

На приемной стороне передаваемый сигнал детектируется фотодетектором, и после усиления подается на амплитудный ограничинтель для странения паразитной амплитудной модуляции. Далее полученный сигнал поступает на частотный детектор, на выходе кон

Для передачи информации на большие расстояния с целью меньшения ослабления сигнала используют рентрансляторы. Ретранслятор представляет собой фотоприемнник, усилитель-ограничитель и лазер, излучение которого мондулируется сигналом с выхода силителя-ограничителя. Ретранслянторы повышают дальность оптической связи. Другой эффективный способ повышения дальности оптических линий связи Ч использонвание световодов.

Перспективными системами связи оптического диапазона являнются системы с импульсной модуляцией и импульсным режимом работы оптического квантового генератора. Такие системы понзволяют с чрезвычайно высокой скоростью передавать информацию во время излучения каждого импульса. В рассматриваемой системе информация, подлежащая передаче, регистрируется в запоминающем входном стройстве и подводится к модулятору света, размещенному на пути светового пучка лазера и обеспечивающенму импульсно-кодовую модуляцию. При этом соответствующие схенмы синхронизируют передачу информации запоминающим стройнством от световых импульсов лазера.

Световые импульсы доходят до приемного стройства, детекнтируются фотодетектором и передаются демодулятору, который преобразует их в электрические сигналы, соответствующие сигнанлам, зарегистрированным в запоминающем стройстве. Это устройнство соединено со схемой синхронизации, также читающими стнройствами.

Рисунок 1.

Блок-схема системы связи с импульсной модуляцией показана на рисунке 1.2. Подлежащая передаче информация, представленная в виде звуковых или кодированных сигналов, преобразуется на перендающей станции в электрические импульсы, используемые для модуляции импульсов когерентного света,

Конечная аппаратура передающей и приемной станций комнплектована стандартными кодирующими быстродействующими стройствами, поэтому промежуточные регистрирующие стройстнва 3 и преобразователи 4 могут использоваться при передаче и принеме. Блок 5 служит демодулятором.

В разработанной системе применялся рубиновый лазер с продолжительностью генерируемых импульсов приблизительно 0,1 сек. Расхождение луча лазера составляет 0,05 град. Это позволяет становить стойчивую связь на большие расстояния между пунктами, расположенными на поверхности земли.

Импульсная оптическая система связи может применяться не только на расстоянии в пределах прямой видимости. зкий светонвой пучок отражается облаками с хорошо определенными контунрами, сооружениями и спутниками при связи за пределами прямой видимости.

С помощью такой системы оптической связи можно становить связь и через газовую плазму, в то время как через нее электронмагнитные волны радиочастотного диапазона не проходят.

Система лазерной связи может так же использоваться для передачи информации через поверхность раздела воздух - море. Состояние поверхности моря, переменчивое из-за волн, характеринзуется составляющими, частота которых находится в диапазоне волн радиосвязи. Поэтому трудно передавать сигналы, используя в качестве несущей электромагнитную волну, так как отношение сигнал/шум передачи сильно меньшается.

При использовании в качестве источников световой несущей рубиновых лазеров следует учитывать, что они имеют значительно больший ровень шумов, чем газовые лазеры непрерывного дейстнвия. Достоинство рассматриваемой системы в том, что благодаря использованию помехоустойчивой импульсно-кодовой модуляции она допускает значительно больший ровень шума как в передаюнщем, так и в приемном стройстве.

Как же отмечалось, на работу наземных оптических линий связи значительное влияние оказывают атмосферные словия, худшающие параметры оптических линий. Воздействие атмосфенры приводит к ослаблению энергии излучения и искажениям оптинческих сигналов при передаче информации. Это выражается во флуктуациях амплитуды и фазы, искажениях фронта волны, изменнениях поляризации и т. д.

Ослабление энергии излучения обусловлено рассеянием из-за оптических неоднородностей. В результате наблюдаются преломленние, отражение и дифракция оптических волн. Кроме того, газы и взвешенные частицы сами могут быть источниками излучения, что приводит к величению ровня шума. Существенное ослабление энергии излучения лазера происходит также из-за поглощения. Поглощение электромагнитных волн имеет избирательный характер. При этом даже в области прозрачности в отдельных частках спектра наблюдается значительное поглощение.

Известный метод повышения стойчивости оптических линий связи против метеорологических словий - дублирование переданчи по нескольким направлениям. Эффективным методом борьбы с влиянием избирательного поглощения является одновременное использование для передачи информации лазерного излучения с разнличными длинами волн, лежащих в локнах прозрачности атмоснферы. Для уменьшения избирательных поглощений, обусловленных тонкой структурой спектра, можно использовать близкие по частонте световые несущие в пределах полосы частот локна прозрачнности.

Весьма перспективно использование оптических линий связи в космосе.

При оптической связи на небольшие расстояния не обязательно расположение передатчика и приемника строго на одной линии. Это возможно при расширении апертуры луча. С этой целью в предлагаемой системе использован пассивный рефлектор-модунлятор, который делает становку некритичной к направлению принхода светового луча, т. е. позволяет станавливать связь между двумя подвижными точками. Эта система связи страняет возможнность перехвата сообщения и воздействия на него нежелательным абонентом и является надежным средством оперативной и аварийнной связи.

Рассматриваемая система, изображенная на рисунке 1.3, состоит из блока линз 1, лазера 2, расположенного в их фокальной плоснкости, рефлектора 3, модулирующего световой луч и отражающего его в обратном направлении, также большого собирающего зернкала 4 концентрирующего принятый луч на фотодетекторе 5. Рефнлектор представляет собой пассивный модулятор и состоит из трехгранного голкового отражателя с зеркальными внутренними поверхностями, одна (или более) из которых является оптически отражающей подвижной диафрагмой. Деформация этой диафрагнмы под воздействием звуковых волн создает соответствующую модуляцию отражённого светового луча, благодаря которой модулирующий сигнал после силения силителем 6 выделяется на приёмной стороне приёмником 7.

Рисунок 1.3 - Оптическая

1.2 Модуляционные стройства для оптической связи

Модуляция Ч одна из центральных проблем при создании синстем связи оптического диапазона, так как эффективность последнних во многом зависит от создания достаточно эффективных и сравннительно простых модуляторов когерентного света, получаемого от лазера. Чем шире полоса модуляции, тем больше объем передаваенмой информации. Основные требования, предъявляемые к модулянторам когерентного света - широкополосность, линейность модунляционной характеристики, большой динамический диапазон и эконномичность в потреблении энергии.

Методы модуляции излучения оптических квантовых генератонров делятся на два класса: методы внешней модуляции и методы внутренней модуляции.

Под внешней модуляцией подразумевается воздействие на изнлученный свет вне самого лазера, под внутренней - на луч лазера в процессе его генерации, т. е. воздействие на параметры автоконлебательной системы - лазера. Методы модуляции можно классинфицировать по изменяемому параметру модулируемого сигнала. В оптических системах возможны амплитудная, частотная, фазовая модуляции, модуляция поляризации оптической несущей сигнала, модуляция гла отклонения луча.

1.2.1 Амплитудные модуляторы для внешней модуляции

На рисунке 1.4 показана типовая блок-схема оптического модулятора. Он содержит среду 1, вращающую плоскость поляризации луча 2 и поляризационные фильтнры 3 и 4 (анализаторы).

Рисунок 1.4 - Типовая схема поляризационного оптического модулятора

Модулятор работает следующим образом. После прохожденния поляризационного фильтра 3 свет становится плоскополяризованным. Поляризационный фильтр 4 расположен так, что он пронпускает свет с поляризацией, перпендикулярной поляризации, сонздаваемой первым фильтром. Если при прохождении луча света через среду 1 вращения плоскости поляризации не происходит, то фильтры не пропускают свет. Если при прохождении среды плоснкость поляризации падающего света поворачивается, то на выходе модулятора появляется свет, интенсивность которого пропорционнальна величине поворота плоскости поляризации.

Для вращения плоскости поляризации используются газы, жиднкости, твердые тела, в которых под действием внешних факторов (магнитного, электрического полей и т. д.) возникает анизотропия диэлектрической проницаемости и связанного с ней коэффициента преломления.

Запатентованы амплитудные модуляторы света, основанные на использовании вращения плоскости поляризации под действием магнитного поля

Недостаток оптических модуляторов на эффекте Фарадея Ч необходимость создания в них значительного по величине магнитнного поля в широкой полосе частот, что вызывает значительные технические трудности. Недостаток оптических модуляторов с ячейкой Керра - в значительных потерях света, ограниченном частотном диапазоне (до 10⁹ Гц), нелинейности модуляционной ханрактеристики.

Перспективны модуляторы оптического диапазона, основанные на использовании эффекта Поккельса. Эти модуляторы находят широкое применение для модуляции на СВЧ.

Модулятор СВЧ с использованием эффекта Поккельса преднставляет собой резонатор СВЧ, возбуждаемый петлей. В пучности электрического поля резонатора размещается электрооптический кристалл. С помощью петли в резонаторе возбуждаются волны тинпа ТМ_ТП. Луч лазера подается вдоль оси резонатора, модулинрующий сигнал - от источника по коаксиальному кабелю к петле.

мплитудные модуляторы с вращателями плоскости поляризанции требуют значительного ровня модулирующего сигнала. Для меньшения модулирующих напряжений предложено использовать резонатор ФабриПеро. Оптическая длина резонатора меняется с помощью вещества, коэффициент преломления которого зависит от параметров внешнего модулирующего сигнала.

Недостаток модуляторов на эффекте Поккельса - наличие чанстотной зависимости коэффициента модуляции, обусловленное пьезоэффектом. Предложен метод странения этого недостатка при помощи вспомогательной несущей, которая модулируется переданваемым сигналом. Частота несущей выбирается такой, чтобы пьезоэффект практически не проявлялся.

Основным достоинством модуляторов, использующих эффект Поккельса,

Предлагается использовать льтразвуковую ячейку для полунчения внешней амплитудной модуляции. Этот метод основан на

Описан амплитудный модулятор, использующий нелинейные явления в оптическом диапазоне. Работа модулятора оснонвана на нелинейной зависимости поляризации от поля световой волны достаточно большой амплитуды.

При воздействии на нелинейную среду двух световых сигнанлов, один из которых несущий, второй модулирующий, появляется сигнал, который содержит частоты

Предложены амплитудные модуляторы, основанные на атомнных и молекулярных взаимодействиях в веществе. Их ранбота основана на изменениях поглощения света в веществе при изменении состояния атомов и молекул под действием различных внешних факторов (электрического и магнитного полей, темперантуры, давления и т.

Работа полупроводникового СВЧ - модулятора света основана на том, что отражающие свойства поверхности полупроводника менняются при изменении концентрации носителей, причем поверхностн

Описан амплитудный модулятор, работа которого основана на изменении поглощения света при перераспределении плотности энергетических уровней под действием модулирующего электромагннитного излучения. Особенность таких модуляторов состоит в том, что при использовании среды с инверсией населенности ровнней, т. е. среды с отрицательной температурой, можно значительно уменьшить ровень мощности модулирующего сигнала, необходимый

Предложен модулятор, позволяющий осуществить одновремео и модуляцию, и силение света за счет создания в веществе отнрицательного поглощения. Предложение основано на том, что различные используемые для модуляции эффекты, наиболее ярко выраженные при резонансе, являются в то же время функцией разнности населенностей ровней, определяющих резонансную частоту.

Для модуляции светового потока используют квантовую систенму,

Описаны однополосные амплитудные модуляторы оптического диапазона, работающие по фазовому методу. Эти модулянторы позволяют сузить рабочий диапазон частот при, сохранении объема передаваемой информации.

1.2.2 Амплитудные модуляторы для внутренней модуляции.

В простейшем случае внутренняя

Для осуществления внутренней амплитудной модуляции иснпользуют электрооптическую ячейку, помещаемую внутрь резонантора.

Управление коэффициентом силения активной среды можно осуществить с помощью эффектов Зеемана и Штарка, обусловлеых соответственно действием магнитного и электрических полей.

Коэффициент силения изменяется при расщеплении энергентических ровней из-за деформации электронных орбит атомов. Предложены амплитудные модуляторы для внутренней модуляции с использованием эффекта Зеемана. Для модуляции можно использовать как продольный, так и поперечный эффект Зеемана. Недостаток модуляторов, использующих эффекты Зеемана и Фарадея, в трудности получения большого магнитного поля в широком диапазоне частот модулирующего сигнала.

Для получения амплитудной модуляции может быть использонанна ультразвуковая ячейка, помещенная внутри резонатора ланзера. льтразвуковая ячейка, также как и в случае внешней модуляции, используется в сочетании с диафрагмой, выделяющей требуемый тип колебаний. Модулирующий сигнал используется для создания бегущей волны в льтразвуковой ячейке.

Особенно эффективна внутренняя модуляция для резкого изнменения добротности резонатора, что широко используется для понлучения гигантских импульсов излучения.

Для получения гигантских импульсов цепь обратной связи включается и выключается с помощью лоптических затворов. Рабонта таких затворов основана на использовании электрических, магннитных, льтразвуковых эффектов и т. д. В качестве электрооптинческого затвора предложено использовать особое стекло. Предложен оптический лрефракциоый затвор, основанный на отклонении светового луча при помощи льтразвуковой ячейки.

1.2.3 Методы частотной модуляции лазеров.

Частонту световой несущей можно регулировать за счет изменения резоннансной частоты интерферометра ФабриПеро. Это можно денлать, например, с помощью пьезоэлементов, изменяющих оптиченскую длину резонатора. Это изменение в такт с изменением модунлирующего сигнала приводит к перемещению максимума прозрачнности резонатора по спектру и, следовательно, к генерированию света с той или иной длиной волны.

Частотная модуляция света может быть осуществлена на оснонве эффектов Зеемана и Штарка. Следует заметить, что модуляция с использованием этих эффектов обладает определенными недостатками. Прежде всего, для осуществления широкополосной модуляции требуются, очень сильные магнитные или электрические поля.

Для частотной модуляции может применяться льтразвуковая ячейка, помещенная внутрь резонатора лазера. Конструкция модунлирующей ячейки аналогична конструкции амплитудного модулянтора для внутренней

1.3 Приёмники излучения

Существует два метода приема оптического излучения: когенрентный и некогерентный.

Когерентный метод приема осуществляется за счет использонвания дополнительного ОКГ, называемого гетеродинным или опорнным ОКГ. При когерентном методе используются супергетеродиые, балансные и другие схемы приемных стройств. Некогерентный метод основан на приеме оптических сигналов без их предварин

Рассмотрим схемы стройств приема оптических сигналов, принменяемых в обоих методах.

Основная схема при некогерентном методе приема - схема прямого силения. При этом сигнал силивается до детектора или без силения сразу подается на фотодетектор.

Для усиления луча используется оптический квантовый силинтель (ОКУ).

При когерентном методе приема оптический сигнал подвергается

Блок-схема входной части супергетеродинного приемного стнройства показана на рисунке 1.5. Устройство состоит из собирательной линзы 1 для приема излучения лазера, местного гетеродинного ОКГ 2, полупрозрачного зеркала 3, фотодетектора 4 и радиотракта 5.

Рисунок 1.5 - Супергетеродинный приемник оптического диапазона

Приемлемое требование для степени не параллельности двух пучков света, падающих на детектор, может быть записано в виде

где

Основным недостатком супергетеродинного приема является возможность приема помехи на зеркальной частоте, отличающейся от несущей на двоенную промежуточную частоту.

Предлагается устройство для супергетеродинного приема опнтического сигнала, содержащего, кроме несущей частоты, две боконвые частоты - верхнюю и нижнюю, в которых и заключена полезнная информация. Таким образом, по зеркальному каналу вменсто помехи приемник может принять одновременно два полезных сигнала. Блок-схема устройства показана на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Супергетеродинныйа

Устройство состоит из местного гетеродина - лазера 1, поляроиндов 2, плоскость поляризации которых показана штриховкой, раснщепителя луча 3 с полупрозрачным зеркалом 4, двух фотодетекторов 5, фазосдвигающей цепочки 6, выходного сумматора 7 и четнвертьволновой пластинки 8, на которой стрелкой показано направнление поляризации, соответствующей наибольшей скорости распронстранения волны. Входной луч через первый поляроид 2 попадает на смеситель 3.

На другую грань смесителя через второй поляризантор с плоскостью поляризации, повернутой на 90

Данная схема позволяет

В приемниках с ЧМ особое значение приобретает стабилизанция местного гетеродина по частоте. Поскольку в настоящее время отсутствуют стройства для оптических частот аналогичные - частотнным дискриминаторам на радиочастотах, то выделение информанции из ЧМ - сигнала осуществляется за счет биений, возникающих на нелинейном элементе при подаче на него ЧМ - сигнала и немодулированного и слегка сдвинутого по частоте сигнала лазера. Преднложен новый способ извлечения информации из частотно-модулинрованного оптического сигнала без применения гетеродинного

На рисунке 1.7, показана блок-схема передающей части системы, на рисунке 1.7, б

Рисунок 1.7 - Приемник ЧМ - сигналов оптического диапазона

В результате все флуктуанции исходного источника света и наложенные на сложный луч во время движения его к приемнику оказываются скомпенсироваыми.

Качество приема может быть значительно лучшено благодаря предварительному силению света при помощи оптических кваннтовых силителей (ОКУ). Из всех типов ОКУ наиболее перспекнтивными считаются ОКУ бегущей волны, обладающие высоким коэффициентом усиления и широкой полосой. Однако в настоящее время ОКУ работают еще не на всех освоенных частотах оптичеснкого диапазона.

Один из недостатков ОКУ бегущей волны - нестабильность коэффициента силения. В обычных ОКУ прямая и обратная бегунщие волны имеют одинаковые частоты и при соответствующей длинне активного вещества силителя обе волны могут оказаться в фанзе, что приведет к возникновению колебаний внутри силителя. Для странения этого нежелательного эффекта предложена новая коннструкция ОКУ бегущей волны. Принцип работы нового ОКУ заключается в том, что в активном веществе силителя возбужданются акустические бегущие волны, которые представляют собой для электромагнитной волны большое число перемещающихся неоднородностей. В результате прямая и обратная волны несколько отличаются по частоте, ОКУ стабилизируется по коэффициенту силения.

На оптических частотах применяются также стройства для параметрического силения световых волн с помощью нелинейного кристалла, размещенного в резонаторе. С целью получения эффекнта силения требуется соблюдение параллельности лучей сигнала и накачки, так как сигнал и накачка взаимодействуют во всем обънеме нелинейного материала. Это словие не всегда выполнимо. Кроме того, возникает проблема выделения силенного сигнала из луча. Предложена структура для силения световой волны, в конторой волны сигнала и накачки падают на нелинейный кристалл под различными глами и взаимодействуют лишь в ограниченном объеме. Блок-схема силителя изображена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Параметрический усилитель оптического диапазона

Параметрический силитель состоит из источника сигнала (ланзера) 1, резонаторов 2 и 3, настроенных на частоту входного сигннала, диэлектрических рефлекторов 4 частично пропускающих свет для ввода и вывода сигнала и концентрации его в объеме, где проявляется эффект силения, стройства для оптической накачнж 5 и выходного каскада 6.

Для величения напряжения на выходе на фотоприемнике коннцентрируют световой поток возможно большей площади. Для этого целесообразно использовать длиннофокусные линзы. Для снинжения потерь толщина линз выбирается минимальной. Изготовленние таких линз связано со значительными технологическими труднностями. В качестве тонких длиннофокусных линз применяют плоские стеклянные пластины, подвергающиеся механическому воздейнствию, в результате которого их поверхность приобретает форму поверхности синусоидального цилиндра. При использовании в системе оптической связи совокупности таких пластин, ориентинрованных друг относительно друга под глом Брюстера, потери на отражение практически исключаются и поглощение света из-за малой толщины пластин будет крайне незначительным. С технолонгической точки зрения изготовление таких пластин не представнляет серьезных трудностей.

1.3.1 Детекторы оптического диапазона

Все детекторы

Тепловые детекторы в системах связи использовать нельзя, поскольку они реагируют на суммарную падающую мощность и не могут выделить информацию из модулированного потока излучения.

К фотонным детекторам относятся фотодетекторы с внешним и внутренним фотоэффектами. К детекторам с внешним фотоэффектом относятся электростатические фотоэлектронные множители (ФЭУ), динамические ФЭУ со скрещенными полями, вакуумные фотоэлементы, фото - клистроны, фото - ЛБВ.

Большой интерес представляют фотодетекторы ЛБВ, в котонрых фотоэлемент совмещен с силителем бегущей волны. Эти принборы имеют широкую полосу и представляют собой весьма пернспективные демодуляторы оптических сигналов. Чувствительность их значительно выше, чем у других высокочастотных фотоэмиснсионных приемников. Поэтому большинство работ по фотоэмиснсионным приемникам посвящено именно фото - ЛБВ. Например, предлагается использовать фото - ЛБВ для когерентного приема опнтических сигналов. Схема приемного стройства показана на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Приемник оптического диапазона с ЛЬВ

Устройство содержит источник входного сигнала 1, фильтнры 2, отверстия 3 для ввода излучения на фотокатод 4, замедляюнщую систему 5, нагрузку фотоприемника 6, местный гетеродин оптического диапазона 7 и источники питания 8. Особенностью этого приемника является стройство фотокатода, выполненного в виде оптического резонатора. Фотокатод подвергается воздействию мондулированного сигнала, приходящего от внешнего источника, и сигнала местного гетеродина оптического диапазона. Поскольку характеристика фотокатода нелинейная, фототок содержит комнпоненты с комбинационными частотами, из которых в дальнейшем используются только компоненты разностной частоты. Фототок с помощью электронно-оптического устройства направляется во вторую секцию прибора, которая представляет собою обычную ЛБВ СВЧ - диапазона, где происходит силение сигнала разностнной частоты.

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

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

Особенность детекторов с внутренним фотоэффектом в том, что в них нет лкрасной границы спектральной чувствительности. В инфракрасном диапазоне (ИК) частот могут работать фотондетекторы с

Для силения слабых сигналов вместо фотодиодов можно принменять фототриоды с внутренним силением по току, но как было сказано выше, постоянная времени фототриодов больше, чем у фотодиодов. Это ограничивает применение фототриодов в систенмах связи.

Предлагаются различные фоточувствительные приборы, спонсобные детектировать сигналы ИК - диапазона (вплоть до сантинметрового). Эти фотоприемники используют пленки сверхпрон

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

Развитие техники связи в оптическом диапазоне привело к сонзданию новых устройств для силения слабых сигналов радиочанстоты. Это новое стройство названо разером.

Подобно мазерам и лазерам в разере для получения эффекта силения используется взаимодействие между электронами атомов и внешним магнитным полем. Однако в разере дополнительно пронисходит взаимодействие спинов атомных ядер с магнитным полем. В этом случае энергетические ровни располагаются достаточно близко друг от друга, что дает возможность силивать радиосигнналы. Разер состоит из проводящей цилиндрической полости, в конторой находится активный парамагнитный кристалл формы цилинндра. В качестве подобного кристалла может применяться паранмагнитная соль 2Mg3)12*2420, в которой 1% атомов ланнтана замещен атомами изотопов неодима. Кристалл вставлен в инндуктивную катушку, расположенную в полости. Для снижения ровня шумов силителя полость погружена в гелиевый сосуд Дьюара. На определенной частоте в полость через волновод от гененратора СВЧ подается мощность накачки. В результате получают инверсию населенностей энергетических уровней спинов протонов. силиваемый сигнал подводится к катушке, которая настраиваетнся в резонанс с помощью переменного конденсатора, размещеого в сосуде Дьюара. Катушка может быть сделана из сверхпроводника. Это снижает собственные шумы силителя. Такой может непрерывно перестраиваться по частоте в очень широком диапазоне.

Одним из важных параметров системы оптической связи явнляется отношение сигнал/шум. На оптических частотах большое значение приобретают радиационные шумы внешней среды. В занвисимости 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 генеранторов.

Описывается автоматическая регулировка для приемника свентовых импульсов низкой частоты. Эта система предназначена для слежения

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

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

Приемник содержит собирательную линзу-антенну 1, фотонэлемент 2. усилители 3, 4, 5, детектор 6. Цепь автоматической ренгулировки усиления образована силителем 5 и детектором. В слунчае прихода сигнала 1, показанного на рисунке

Рисунок 1.10 - Приемник импульсных сигналов с АРУ

1.4 Световодные линии связи

Оптические линии связи, в которых луч лазера между передатнчиком и приемником распространяется в окружающем их пространнстве, имеют ряд недостатков: значительное ослабление луча, сильнное влияние окружающей среды на работу линии связи, огранинчение дальности расстоянием прямой видимости. Для странения этих недостатков в системах связи применяют оптические волнонводы - световоды.

Волноводы можно разделить на два класса. К первому отнонсятся волноводы, в которых электромагнитные волны распространняются благодаря многократным отражениям между двумя пронводящими поверхностями, ко второму - те, в которых распространнение происходит благодаря многократному отражению на гранинцах диэлектрической среды, обусловленному изменением коэффинциента преломления. Конфокальные линзовые и зеркальные сиснтемы не являются волноводами в казанном 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 обычнно заполняется инертным газом с малыми потерями. Затухание определяется неполным отражением от стенок и зависит от состоянния металлических стенок, поляризации и гла скольжения. Для достижения наименьших потерь вектор электрического поля долнжен быть тангенциален к отражающей поверхности, гол скольнжения - мал.

При определении гла скольжения образуется, поле волны сонответствующего 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 стеннках волновода. Это явление ведет к искажению сигнала и накландывает определенные ограничения на характеристики волноводов.

В зависимости от допусков на точность механического изготовн

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 глом

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

1.4.2 Световые лучеводы

Световые лучеводы можно разде

Рисунок 1.11 - Основные типы лучеводов

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

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

Дифракционные потери составляют только часть полных понтерь энергии при передаче сигнала. Не говоря о потерях возбужндения, 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 переданваемых частот. Обычно потери на отражение и поглощение составнляют большую часть потерь. величивая расстояния между линнзами, можно потери меньшить, но тогда нужно применять линзы большого диаметра для того, чтобы снизить возрастающие при этом дифракционные потери.

Необходимость использования линз и зеркал больших разменров значительно сложняет стройство оптических лучеводов и величивает их стоимость.

Предлагается более совершенный способ ориентации луча, по которому используется совокупность пар отражателей, имеющих цилиндрическую поверхность. В каждой паре отранжатели расположены по отношению друг к другу таким образом, чтобы их фокальные плоскости были взаимно ортогональными. Каждая пара отражателей представляет собой длиннофокусную линзу, причем расстояние между соседними парами приблизительнно равно сумме их фокусных расстояний. гол поворота светового луча каждой парой отражателей определяется ориентацией даой пары по отношению к некоторой плоскости. Такая система хан

1.4.3 Волоконные волноводы

Волоконный волновод являн

В волноводах большого диаметра (10+100

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

1.4.4 Газовые волноводы

В волноводах второго класса нет

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

1.4.5 Оптические микроволноводы

Принцип работы оптин

Рисунок

Распространяющаяся по пленке мода является плоской поверхнностной волной, симметричной средней плоскости пленки. Большая

В плоскости, перпендикулярной поверхности пленки, микронволновод можно изгибать без существенного

В плоскости, параллельной пленке, изгиб можно делать, только принменяя скрутки на 90

Внешнее конструктивное выполнение оптического микроволнонвода определяется технологическими соображениями. Оболочка не частвует в передаче волн и служит только для защиты и крепнления пленки. Существует много способов крепления тонкой пленнки. На рисунке 1.12, б показан пленочный волновод, поддерживаемый конфокальной системой линз, где 1 - тонкая пленка, 2 - миниатюрные линзы. Однако подобные структуры имеют большой недон

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

Основное достоинство световодов - их способность преодоленвать неровности, изгибы, недостаток - сравнительно большое зантухание.

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

2 Применение лазеров в радиолокационных системах

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

Радиолокационная система для определения расстояния до цели содержит лазерный передатчик, триггерный механизм, опнтический приемник с фильтром монохроматического света, отраженного от цели;

Рисунок 2.1 - Оптический локатор

На рисунке 2.1 изображена схема оптической радиолокационной системы. Лазер 1 представляет собой стержень 2 из активного венщества, например из рубина. Стержень окружен газоразрядной лампой 3, на которую поступают импульсы от источника энергии накачки 4. Синхронизатор 5 приводит в действие источник 4, котонрый зажигает лампу 3, в результате чего лазер излучает луч 6 конгерентного света по направлению к цели. Синхронизатор обеспечинвает также горизонтальную развертку лучей двух осциллографов 7

Предложена усовершенствованная радиолокационная система. Она позволяет обнаруживать подвижные объекты, точно изменрять расстояние до них, гловые координаты и скорость их движенния.

Оптический локатор (рисунок 2.2, а) состоит из передающей части, в которую входит лазер 1 и систем

Рисунок 2.2 - совершенствованная радиолокационная

Отклоненный луч проходит через оптическую систему 5 и осун

Одновременно электрический сигнал с фотоумножителя поднводится к системам 6 и 9, измеряющим дальность и гловые коорндинаты цели, запеленгованной на экране осциллографа, а также скорость.

Измерение дальности производится способом, описанным вынше. Скорость измеряется стройством, которое состоит из фильтнров, на общий вход которых подводится электрический сигнал от фотоумножителя. Фильтры имеют очень зкие полосы пропускания и смежные границы, при этом совокупность полос пропускания перекрывает тот же диапазон частот, что и совокупность трех фильтров. Эти фильтры разделяют входной сигнал, в соответствии с его частотой, что позволяет определить скорость цели. Точность, полученная при таком измерении скорости, определяется шириной полосы пропускания каждого фильтра. Доплеровские частоты, полученные при использовании рассматриваемого оптического лонкатора, достаточно высоки даже при относительно низких скоронстях цели. Например, при длине волны в 1 мк доплеровские частонты цели, радиальная скорость которой расположена в пределах 3,Ч 110 км/час, колеблются от 2 до 60 Мгц. В радиолокаторе, ран

Список использованных источников

1.    

2.    

3.    

4.    

5.    

6.    

7.    

8.