Cтраница 1

Лазерная локация относится к дистанционным методам исследований.

Лазерной локацией в зарубежной печати называют область оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диа - пазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения.

Применение лазерной локации для исследований и контроля качества воздушного бассейна дает возможность оперативных измерений загрязнения атмосферы в неограниченно больших объемах, повышения точности и достоверности исходной информации для проектирования.

В лазерной локации, когда принимаемая информация имеет ярко выраженный статистический характер, подобный подход оказывается особенно оправданным. Действительно, в данном случае отдельные коэффициенты определяются лишь с некоторой точностью, так что увеличение их числа приводит к увеличению информации о регистрируемом сигнале лишь до некоторого предела, после которого прирост информации нивелируется возрастанием флук-туационных ошибок.

В лазерной локации модель полностью известного сиг-нала нереальна, так как знание отраженного сигнала с точностью до фазы равносильно знанию расстояния до цели с точностью до длины волны.

В методе лазерной локации используются уголковые отражатели.

С точки зрения лазерной локации все атмосферные эффекты могут быть (хотя в некоторых случаях и весьма условно) разделены на две группы. В первую группу входят те явления, которые вызывают изменение суммарной интенсивности направляющегося к цели светового потока. Во вторую - те, которые вызывают изменение геометрических параметров подсвечивающего пучка (его расширение и отклонение) и перераспределение энергии в зоне цели.

Изложена общая теория лазерной локации и принципы построения лазерных локационных средств, предназначенных для решения широкого круга практических задач. С единых позиций теории статистических решений рассмотрены основные вопросы оптимального приема лазерных локационных сигналов. Проанализированы методы обработки траекторных измерений, различные способы получения некоординатной информации, включая голо-графическую, интерферометрическую и адаптивную. На конкретных примерах рассмотрены основные принципы построения экспериментальных лазерных средств.

Помимо исследований общего характера для лазерной локации оказываются весьма важны исследования, относящиеся к Искажениям конкретных изображений. Это позволит, с одной стороны, приучить оператора к восприятию подобных изображений, а с другой - установить предельные параметры фазовых искажений, при которых качество изображений не выходит за рамки допустимых норм.

В монографии изложены общая теория лазерной локации и принципы построения лазерных локационных средств, предназначенных для решения широкого круга практических задач. С позиций теории статистических решений рассмотрены основные вопросы оптимального приема лазерных локационных сигналов, измерения параметров. Проанализированы методы обработки траекторных измерений, различные способы получения некоординатиой информации, включая голографическую, интерфе-рометрическую и адаптивную.

К началу 80 - х годов лазерная локация оформилась в самостоятельное научно-техническое направление.

Для большинства представляющих интерес с точки зрения лазерной локации длин волн коэффициенты молекулярного и корпускулярного рассеяния увеличиваются обратно пропорционально величине длины волны в четвертой степени. Молекулярное (релеев-ское) рассеяние света неизбежно имеет место и оно почти не меняется во времени, но практически не препятствует прохождению света видимых и инфракрасных длин волн. Например, излучение с длиной волны 0 5 мкм, направленное вертикально с уровня моря в зенит будет ослаблено в толще атмосферы за счет релеевского рассеяния всего на 13 %; в дальнем инфракрасном диапазоне (10 6 мкм) релеевским рассеянием вообще можно пренебречь.

Рассмотрим предварительно вопрос о нелинейных поправках в уравнении лазерной локации для традиционных схем аэрозольного зондирования.

Из всего большого класса твердотельных лазеров в современной лазерной локации наиболее широко используются три типа: лазеры на рубине, на стекле с неодимом и на гранате, работающие в импульсно-периодическом режиме. Первый тип дает излучение на длине волны Я-0 69 мкм, второй и третий - на К 1 06 мкм. Импульсные мощности, реализуемые этими лазерами, доходят до 109 Вт при длительности импульса 10 - 8 с и частоте следования импульсов до 10 Гц и выше.

Лазерная локация

Лазерной локацией в зарубежной печати называют область оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной локации могут стать танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и вооруженные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом.

В основе лазерной локации, так же как и в радиолокации лежат три основных свойства электромагнитных волн:

1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором она расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение.

Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору - чем короче волна, тем она выше. Поэтому-то и проявлялась по мере развития радиолокации тенденция к перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверх короткие радиоволны становилось все труднее и труднее, а затем вовсе и зашло в тупик. Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.

2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым проводится просмотр пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели) Это направление находят по расположению оси оптической системы, формирующей лазерное излучение. Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг.

Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности около 1.5, при использовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны.

Угловой раствор луча лазера, изготовленного с помощью твердотельного активного вещества, как известно составляет всего 1.0.1.5 градуса и при этом без дополнительных оптических систем.

Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогичного радиолокатора. Использование же незначительных по габаритам оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких угловых минут, если в этом возникнет необходимость.

3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение: L = ct/2, где L - расстояние до объекта, с - скорость распространения излучения, t - время прохождения импульса до цели и обратно.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем короче импульс, тем лучше.

Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них.

Прежде всего, зона действия. Под ней понимают область пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и минимальной дальностями действия и пределами обзора по углу места и азимуту. Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора.

Другим параметром является время обзора. Под ним понимается время, в течении которого лазерный луч производит однократный обзор заданного объема пространства.

Следующим параметром локатора является определяемые координаты.

Они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения местонахождения наземных и подводных объектов, то достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной точностью, которая зависит от систематических и случайных ошибок. Будем пользоваться таким понятием как разрешающая способность. Под разрешающей способностью понимается возможность раздельного определения координат близко расположенных целей.

Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме того, используется такая характеристика, как помехозащищенность. Это способность лазерного локатора работать в условиях естественных и искусственных помех. И весьма важной характеристикой локатора является надежность. Это свойство локатора сохранять свои характеристики в установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.

Физика ,

Лазеры

Угловая разрешающая способность – важнейшая характеристика любой телескопической системы. Оптика утверждает, что это разрешение однозначно связано с длиной волны, на которой осуществляется наблюдение, и с диаметром входной апертуры телескопа. С большими диаметрами, как известно, большая проблема. Вряд ли когда-нибудь будет построен телескоп больше этого .
Одним из способов значительного увеличения разрешающей способности является применяемый в радиоастрономии и радиолокации метод синтезирования больших и сверхбольших апертур. В миллиметровом диапазоне самую большую апертуру - 14 км - обещают формировать 66-ю антеннами проекта ALMA в Чили.

Перенос методов апертурного синтеза в оптическую область, где длины волн на несколько порядков меньше, чем у радиолокаторов, связан с развитием техники лазерного гетеродинирования .

1.Физические основы формирования изображений.

Не будет ошибкой сказать, что изображение в любом оптическом устройстве формируется дифракцией света на входной апертуре, и более ничем. Посмотрим на изображение объекта из центра апертуры. Угловое распределение яркости изображения бесконечно удаленного точечного источника света (как, впрочем, и любого другого) будет одинаково для линзы и камеры-обскуры равного диаметра. Отличие линзы от обскуры заключается лишь в том, что линза переносит формируемое своей апертурой изображение из бесконечности в свою фокальную плоскость. Или, говоря иначе, производит фазовое преобразование входного плоского волнового фронта в сферически сходящийся. Для удаленного точечного источника и круглой апертуры изображение - это всем известная картина Эйри с кольцами .

Угловой размер диска Эйри можно в принципе уменьшить и как будто увеличить разрешение (по рэлеевскому критерию), если задиафрагмировать апертуру специальным образом. Существует такое распределение пропускания по радиусу, при котором центральный диск теоретически можно сделать произвольно малым. Однако при этом световая энергия перераспределяется по кольцам и контраст сложного изображения падает до нуля.

С математической точки зрения процедура формирования дифракционного изображения сводится к двухмерному преобразованию Фурье от входного светового поля (в скалярном приближении поле описывается комплексной функцией координат и времени). Любое изображение, регистрируемое глазом, экраном, матрицей или другим квадратичным по интенсивности приемником – не что иное, как двухмерный амплитудный спектр ограниченного апертурой светового поля, испускаемого объектом. Легко получить ту же самую картинку Эйри, если взять квадратную матрицу из одинаковых комплексных чисел (имитирующих плоский волновой фронт от удаленной точки), «вырезать» из нее круглую «апертуру», обнулив края, и сделать Фурье-преобразование всей матрицы.

Короче говоря, если каким-то образом записать поле (синтезировать апертуру) на достаточно большой области без потери амплитудной и фазовой информации, то для получения изображения можно обойтись без гигантских зеркал современных телескопов и мегапиксельных матриц, просто вычисляя Фурье-образ полученного массива данных.

2. Локация спутников и сверхразрешение.

Будем наблюдать движущийся поперек луча зрения стабилизированный объект, подсвеченный непрерывным когерентным лазерным источником. Регистрация отраженного от него излучения производится гетеродинным фотоприемником с небольшой апертурой. Запись сигнала в течение времени t эквивалентна реализации одномерной апертуры длиной vt, где v – тангенциальная скорость движения объекта. Легко оценить потенциальную разрешающую способность такого метода. Посмотрим на околоземный спутник в верхней элонгации, летящий на высоте 500 км со скоростью 8 км/сек. За 0,1 секунды записи сигнала получим «одномерный телескоп» размером 800 метров, теоретически способный рассмотреть в видимом диапазоне детали спутника величиной в доли миллиметра. Неплохо для такого расстояния.

Разумеется, отраженный сигнал на таких расстояниях ослабевает на много порядков. Однако гетеродинный прием (когерентное смешивание с опорным излучением) в значительной степени компенсирует это ослабление. Ведь, как известно, выходной фототок приемника в этом случае пропорционален произведению амплитуд опорного излучения и приходящего сигнала. Будем увеличивать долю опорного излучения и тем самым усиливать весь сигнал.

Можно посмотреть с другой стороны. Спектр записанного сигнала с фотоприемника представляет собой набор доплеровских компонент, каждая из которых есть сумма вкладов от всех точек объекта, имеющих одинаковую лучевую скорость. Одномерное распределение отражающих точек на объекте определяет распределение спектральных линий по частоте. Полученный спектр и является по сути одномерным «изображением» объекта по координате «доплеровский сдвиг». Две точки нашего спутника, расположенные на расстоянии 1 мм друг от друга в плоскости, перпендикулярной лучу зрения, имеют разность лучевых скоростей порядка 0,01-0,02 мм/сек. (Отношение этой разности к скорости спутника равно отношению расстояния между точками к расстоянию до спутника). Разность доплеровских частот этих точек для видимой длины волны 0,5 мк составит (f=2V/λ) порядка 100 Гц. Спектр (доплеровское изображение) от всего микроспутника, скажем, размером 10 см, уложится в диапазон 10 кГц. Вполне измеримая величина.

Можно посмотреть и с третьей стороны. Эта технология представляет собой не что иное, как запись голограммы, т.е. интерференционной картины, возникающей при смешивании опорного и сигнального полей. Она содержит в себе амплитудную и фазовую информацию, достаточную для восстановления полного изображения объекта.

Таким образом, подсвечивая спутник лазером, регистрируя отраженный сигнал и смешивая его с опорным лучом от того же лазера, получим на фотоприемнике фототок, зависимость которого от времени отражает структуру светового поля вдоль «одномерной апертуры», длину которой, как уже было сказано, можно сделать достаточно большой.

Двухмерная апертура, конечно, гораздо лучше и информативнее. Расставим равномерно несколько фотоприемников поперек движения спутника и запишем таким образом отраженное поле на площади vt*L, где L – расстояние между крайними фотоприемниками, которое в принципе ничем не ограничено. Например, те же 800 метров. Тем самым мы синтезируем апертуру «двухмерного телескопа» размером 800*800 метров. Разрешение по поперечной координате (L) будет зависеть от количества фотоприемников и расстояния между ними, по другой, «временной» координате (vt) – от ширины полосы излучения лазера и частоты оцифровки сигнала с фотоприемника.

Итак, мы имеем записанное световое поле на очень большой площади и можем делать с ним все, что угодно. Например, получить двухмерное изображение очень маленьких объектов на очень большом расстоянии без всяких телескопов. Или можно восстановить трехмерную структуру объекта путем цифровой перефокусировки по дальности.

Разумеется, реальная трехмерная конфигурация отражающих точек на объекте не всегда совпадает с их «доплеровским» распределением по лучевым скоростям. Совпадение будет, если эти точки находятся в одной плоскости. Но и в общем случае из «доплеровского изображения» можно извлечь много полезной информации.

3. Что было раньше.

Американская DARPA некоторое время назад финансировала программу , суть которой состояла в реализации подобной технологии. Предполагалось с летящего самолета лоцировать со сверхвысоким разрешением объекты на земле (танки, например), были получены некие обнадеживающие данные. Однако эту программу то ли закрыли, то ли засекретили в 2007 году и с тех пор про нее ничего не слышно. В России тоже кое-что делалось. Вот можно посмотреть картинку, полученную на длине волны 10,6 мк.

4.Трудности технической реализации на длине волны 1,5 мк.

По зрелом размышлении я решил здесь ничего не писать. Слишком много проблем.

5. Кое-какие первичные результаты.

Пока с трудом удалось «рассмотреть» с расстояния 300 метров детали плоского диффузно отражающего металлического объекта размером 6 на 3 мм. Это был кусочек какой-то печатной платы, вот фотка:

Объект вращался вокруг оси, перпендикулярной лучу зрения, регистрация отраженного сигнала происходила примерно в момент максимального отражения (блика). Пятно от лазера, освещающее объект, имело размер около 2 см. Использовались всего 4 фотоприемника, разнесенные на 0,5 метра. Размер синтезированной апертуры оценивается величиной 0,5 м на 10 м.
Собственно, на всякий случай сами записанные сигналы (слева) и их спектры (справа) в относительных единицах:

Из предыдущей фотки объекта фотошопом выделены только интересующие нас освещаемые и отражающие участки, которые требуется увидеть:

Изображение, восстановленное двухмерным фурье-преобразованием из 4 сигналов и смасштабированное для сравнения:

Эта картинка вообще-то состоит всего из 4 строк (и около 300 столбцов), вертикальное разрешение изображения, соответственно, около 0,5 мм, однако темный уголок и обе круглые дырки вроде как видны. Горизонтальное разрешение – 0,2 мм, такова ширина токопроводящих дорожек на плате, видны все пять штук. (Обычный телескоп должен быть двухметрового диаметра, чтобы увидеть их в ближнем ИК).

По правде говоря, полученное разрешение пока далеко от теоретического предела, так что неплохо бы довести до ума эту технологию. Дьявол, как известно, кроется в деталях, а деталей здесь очень много.

Спасибо за внимание.

Перспективность лазерных систем локации определяется большой шириной оптического диапазона (10 13 -10 15 Гц), в десятки раз превышающей ширину всего освоенного радиодиапазона, и высоким значением частоты оптической несущей. Благодаря этому можно формировать весьма узкие диаграммы излучения и использовать широкие спектры модулированных сигналов.

Поскольку в оптическом диапазоне частота колебаний примерно на 4 порядка выше, чем в СВЧ диапазоне, плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная телесному углу излучения, на заданном расстоянии и при заданных размерах «антенны» и мощности передатчика оказывается примерно в 10 раз выше, чем на СВЧ (при отсутствии поглощения на трассе). Поэтому, несмотря на принципиально худшую чувствительность оптических приемников (мощность порогового сигнала примерно пропорциональна частоте), мощность передатчика, необходимая для ведения разведки примерно на одинаковых расстояниях, может оказаться намного меньшей, чем на СВЧ. Однако указанные преимущества реализуются при локации в свободном пространстве (например, космическом). Наличие поглощения и рассеяния оптических волн в атмосфере при определенных условиях может резко уменьшить дальность слежения за целями.

Принципы построения и структурные схемы как аналоговых, так и дискретных приемных устройств оптической локации такие же, как и в радиодиапазоне.

Высокое значение несущей частоты позволяет использовать широкополосные зондирующие сигналы и, следовательно, обеспечить точное измерение дальности до цели и высокую разрешающую способность по дальности. Обеспечивается также высокая угловая разрешающая способность и хорошая точность определения угловых координат даже при малых размерах антенных устройств. Путем регистрации доплеровского сдвига частоты можно измерять не только большие и средние, но и малые значения скоростей сближения.

Как уже отмечалось выше, приемные устройства оптического диапазона имеют худшую пороговую чувствительность (энергия фотона в оптическом диапазоне велика и при приеме сигналов проявляются квантовые эффекты), а передающие устройства – более низкий к.п.д. (из-за рассеяния и поглощения в атмосфере). Эти особенности определили рациональные области использования оптической локации. Локационные системы оптического диапазона целесообразны в тех случаях, когда требования высокой разрешающей способности и точности определения координат доминируют и за счет априорной информации о местоположении цели путем высокой пространственной концентрации энергии зондирующего сигнала имеется возможность компенсировать худшие показатели приемных и передающих устройств. Так же отмечалось выше, что характеристики локационных систем оптического диапазона зависят от метеоусловий.

В качестве примера целесообразного использования систем оптического диапазона указывают на измерение дальности до различных объектов, обнаруживаемых визуально либо с помощью телевизионных или инфракрасных устройств разведки.

Вследствие высокой аппаратурной разрешающей способности оптических локаторов (обусловленной узкими диаграммами направленности антенн и малой длительностью зондирующих импульсов), как правило, определение координат производят с точностью до размеров объема разрешения, не измеряя положение цели внутри него. В этом случае энергетический потенциал системы определяет режим обнаружения.

Энергия излучения Е и при обнаружении «точечной цели» с эффективной отражающей поверхностью σ на расстоянии r в секторе обзора, ограниченном телесным углом Ω , находят из соотношения:

где Α – площадь раскрыва приемной оптики; η к - к.п.д. приемной оптики, учитывающий потери в оптической системе; Ε п - энергия порогового сигнала; е - коэффициент ослабления излучения в атмосфере.

Если размеры цели больше размеров сечения пучка излучения в районе цели (такой случай является типичным при измерении дальности до визуально наблюдаемых объектов), энергию излучения определяют по формуле:

где ρ – коэффициент отражения (альбедо) от цели.

Площадь раскрыва А приемной оптики выбирают из конструктивных соображений. Коэффициент полезного действия приемной оптики с учетом потерь в интерференционном фильтре, стоящем на входе приемника, обычно лежит в пределах η к =30…50%.

Значение эффективной отражающей поверхности σ зависит от размеров, характера цели и используемой длины волны. Для большинства целей по порядку величины она совпадает со значением σ в радиодиапазоне. Коэффициент отражения ρ , как и σ , связан с характером цели. Значение ρ для длин волн используемых в настоящее время лазеров лежит в пределах 0,2…0,9.

Энергия порогового сигнала Ε п зависит от заданной надежности обнаружения (заданных значений вероятности правильного обнаружения и вероятности ложной тревоги), типа используемого приемника, рабочей длины волны, характера и интенсивности шумов.

В большинстве случаев (за исключением тех, когда необходимо измерять доплеровский сдвиг частоты) в локационных устройствах применяют приемники с непосредственным фотодетектированием. Для длин волн, лежащих в видимом и ближнем ИК диапазонах, основным физическим эффектом, используемым для регистрации сигнала, является внешний фотоэффект. При этом первичным наблюдаемым сигналом является последовательность эмиттированных с поверхности фотокатода фотоэлектронов. В средней ИК области используется внутренний фотоэффект и наблюдаемым сигналом являются переходы электронов из валентной области в зону проводимости.

Эмиттированным фотоэлектронам или актам переходов на выходе фотоприемников соответствуют последовательности одноэлектронных импульсов, имеющих тот же закон распределения.

Низкая частота повторения, характерная для большинства лазеров, привела к преимущественному развитию цифровых методов измерения.

На рисунке приведен один из возможных вариантов структурной схемы цифрового дальномерного канала.

Регистром сдвига в момент излучения зондирующего импульса записывается единица. Импульсом синхронизации включается также генератор тактовых импульсов, импульсы которого используются для перемещения единицы вдоль регистра через интервал дискретизации по времени, который соответствует интервалу разрешения. Число разрядов регистра равно числу элементов разрешения по дальности. Выход каждого разряда регистра подключен к одному из входов вентиля совпадения. К другому входу вентиля поступает сигнал с выхода приемного устройства. При срабатывании схемы совпадения сигнал в цифровой форме подается на индикаторное устройство или в систему вторичной обработки.

4. АКУСТИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА

4.1 Общие сведения

Акустическая (вибро-акустическая) разведка ведется путем приема и анализа акустических волн инфразвукового, звукового и ультразвукового диапазонов, распространяющихся в воздушной среде и звукопроводящих материалах, вызванных шумами работающих двигателей машин, агрегатов и различного оборудования, взрывами, выстрелами, речью и т.п.

Для перехвата и регистрации разговоров, ведущихся как на открытой местности, так и в помещениях, автомобилях и т.п. используются средства акустической разведки: микрофоны, направленные микрофоны, контактные микрофоны (стетоскопы), акустические закладки, лазерные системы акустической разведки и т.д.

Те или иные средства акустической разведки выбираются в зависимости от возможности доступа в контролируемое помещение или к лицам, ведущим разговоры на интересующую тему.

Современные микрофоны динамического, конденсаторного или электретного типов имеют чувствительность 20-30 мВ/Па и способны регистрировать голос человека нормальной громкости на расстоянии до 10-15 м, а некоторые образцы на расстоянии до 20 метров. Применение направленных микрофонов и специальных методов шумовой очистки сигналов позволяет вести разведку в городских условиях на расстояниях до 50 м, в прочих условиях (при малых акустических шумах) на расстояниях до 200 м. Использование лазерных микрофонов позволяет вести акустическую разведку помещений с расстояний до 1000 м. Стетоскопы способны улавливать звуковые колебания через бетонные стены толщиной 0,3-0,5 м., а также через двери и оконные рамы.

В случае если имеется доступ в контролируемое помещение, в нем могут быть установлены миниатюрные микрофоны, соединительные линии которых выводятся в специальные помещения, где находится агент и установлена регистрирующая или передающая аппаратура. Длина соединительного кабеля может достигать 5000 м. Такие системы перехвата акустической информации называют проводными системами.

Микрофоны, устанавливаемые в контролируемых помещениях, выпускаются в сверхминиатюрном исполнении (диаметр менее 2 мм). Для улучшения чувствительности некоторые микрофоны комплексируются с предусилителями.

Наиболее широко используются акустические закладки, передающие информацию по радиоканалу. Такие устройства называют радиозакладками (радиомикрофонами и радиостетоскопами). Могут использоваться микрофоны с передачей информации по ИК каналу.

В качестве регистрирующей аппаратуры используются, как правило, магнитофоны и диктофоны с длительным временем записи. Для повышения качества и обеспечения возможности коррекции записанного разговора используются различные фильтры, микрофоны с узкой диаграммой направленности, специальные программно-аппаратные комплексы.

Для повышения скрытности при передаче перехваченного сигнала, например по радиоканалу, используются сложные сигналы (например, шумоподобные или с псевдослучайной перестройкой несущей частоты и т.п.) и различные способы кодирования информации (скремблирование, шифрование и т.д.). Для обеспечения более долговечной работы и энергетической скрытности используются управляемые средства съема. Включение таких закладок производится дистанционно, или, например, только в момент ведения разговоров при наличии акустического сигнала.

Говоря о направленных микрофонах, подразумевают, прежде всего, ситуации акустического контроля источников звука на открытом воздухе, когда эффектами так называемой реверберации акустических полей можно пренебречь. Для таких ситуаций решающим фактором оказывается удаленность источника звука от направленного микрофона, что приводит к значительному ослаблению уровня звукового поля. Кроме того, при большой дистанции становится заметным ослабление звука из-за разрушения пространственной когерентности поля вследствие наличия естественных рассеивателей энергии, например, средне- и крупномасштабных турбулентностей атмосферы, создающих помехи при ветре. Так на дистанции 100 м давление звука ослабляется на величину не менее 40 дБ (по сравнению с дистанцией 1 м), и тогда степень громкости обычного разговора в 60 дБ окажется в точке приема не более 20 дБ. Такое давление меньше уровня реальных внешних акустических помех и пороговой чувствительности обычных микрофонов.

В отличие от обычных, направленные микрофоны должны иметь:

Высокую пороговую акустическую чувствительность как гарантию того, что ослабленный звуковой сигнал превысит уровень собственных (в основном тепловых) шумов приемника. Даже при отсутствии внешних акустических полей это является необходимым условием контроля звука на значительном расстоянии от источника;

Высокую направленность действия как гарантию того, что ослабленный звуковой сигнал превысит уровень остаточных внешних помех. Под высокой направленностью действия понимается способность подавлять внешние акустические помехи с направлений, не совпадающих с направлением на источник звука.

Соблюсти эти требования в полном объеме на практике (для одного микрофона)- задача исключительно сложная. Более реальным стало решение частных задач, например создание слабонаправленного микрофона с высокой чувствительностью или, наоборот, создание высоконаправленного микрофона с малой чувствительностью, что привело к разнообразию видов направленных микрофонов. Рассмотрим некоторые из них.

Параболический микрофон представляет собой отражатель звука параболической формы, в фокусе которого расположен обычный микрофон.

Звуковые волны с осевого направления, отражаясь от параболического зеркала, суммируются в фазе в фокальной точке А. Возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр зеркала, тем большее усиление может обеспечить устройство. Если направление прихода звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн, приходящих в точку А, даст меньший результат, поскольку не все слагаемые будут в фазе. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Создается, таким образом, угловая избирательность по приему.

Отражатель изготавливается как из оптически непрозрачного, так и прозрачного (например, акриловая пластмасса) материала. Величина внешнего диаметра параболического зеркала может быть от 200 до 500 мм.

Параболический микрофон является типичным примером высокочувствительного, но слабонаправленного микрофона.

Плоские фазированные решетки реализуют идею одновременного приема звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука.

В этих точках (А1, А2 и т.д.) размещаются либо микрофоны, выходные сигналы которых суммируются электрически, либо, и чаще всего, открытые торцы звуководов, например трубки достаточно малого диаметра, которые обеспечивают синфазное сложение звуковых полей от источника в некотором акустическом сумматоре. К выходу сумматора подключен микрофон.

Если звук приходит с осевого направления, то все сигналы, распространяющиеся по звуководам, будут в фазе, и сложение в акустическом сумматоре даст максимальный результат. Если направление на источник звука не осевое, а под некоторым углом к оси, то сигналы от разных точек приемной плоскости будут разными по фазе и результат их сложения будет меньшим. Чем больше угол прихода звука, тем сильнее его ослабление.

Число приемных точек в таких решетках составляет несколько десятков.

Конструктивно плоские фазированные решетки встраиваются либо в переднюю стенку атташе-кейса, либо в майку-жилет, которая надевается под рубашку и т.п. Необходимые электронные блоки могут располагаться также в кейсе, либо под одеждой. Таким образом, плоские фазированные решетки с камуфляжем визуально более конспиративны по сравнению с параболическим микрофоном.

Микрофон – труба представляет собой трубчатую фазированную приемную акустическую антенну нагруженную на высокочувствительный микрофон или решетку микрофонов, включенных последовательно. В отличие от параболических микрофонов и плоских акустических решеток принимает звук не на плоскости, а вдоль некоторой линии, совпадающей с направлением на источник звука.

Характерным представителем такого типа микрофонов является микрофон «Акустическое ружье».

Микрофон имеет несколько десятков тонких трубок длиной от нескольких сантиметров до метра и более. Длина трубок рассчитывается из условия резонанса на частотах присутствующих в акустических колебаниях создаваемых речью. Трубы собираются в пучок: длинные в центре, короткие по наружной поверхности пучка. Концы трубок с одной стороны образуют плоский срез, входящий в предкапсюльный объем микрофона. Звуковые волны, приходящие к приемнику по осевому направлению, через трубки поступают п предкапсюльный объем в одинаковой фазе, и их амплитуды складываются арифметически. Звуковые волны, приходящие под углом к оси, оказываются сдвинутыми по фазе, так как трубки имеют разную длину. Следовательно, их суммарная амплитуда будет значительно меньше. Дальность приема сигналов может быть увеличена за счет использования большего количества трубчатых элементов.

Трубчатые микрофоны «бегущей волны» также принимают звук вдоль линии, совпадающей с направлением на источник звука.

Основой микрофона является звуковод в виде жесткой полой трубки диаметром 10-30 мм со специальными щелевыми отверстиями, размещенными рядами по всей длине звуковода, с круговой геометрией расположения для каждого из рядов. Очевидно, что при приеме звука с осевого направления будет происходить сложение в фазе сигналов, проникающих в звуковод через все щелевые отверстия, поскольку скорости распространения звука вне трубки и внутри нее одинаковы. Когда же звук приходит под углом к оси микрофона, то это ведет к фазовому рассогласованию, так как скорость звука в трубке будет больше осевой составляющей скорости звука вне ее, вследствие чего снижается чувствительность приема. Обычно длина трубчатого микрофона от 15-200 мм до 1 м. Чем больше его длина, тем сильнее подавляются помехи с боковых и тыльного направлений.

Лазерные микрофоны используют для перехвата информации отраженный и промодулированный зондируемой поверхностью луч лазера.

Зондируемый объект- обычно оконное стекло- представляет собой своеобразную мембрану, которая колеблется со звуковой частотой, создавая фонограмму разговора. Генерируемое лазерным передатчиком излучение, распространяясь в атмосфере, отражается от поверхности оконного стекла и модулируется акустическим сигналом, а затем воспринимается фотоприемником, который и восстанавливает разведываемый сигнал.

В данной технологии принципиальное значение имеет процесс модуляции, который можно описать следующим образом.

Звуковая волна, генерируемая источником звукового сигнала, падает на границу раздела воздух- стекло и создает своего рода вибрацию, то есть отклонения поверхности стекла от исходного положения. Эти отклонения вызывают дифракцию света, отражающегося от границы. Если размеры падающего оптического пучка малы по сравнению с длиной «поверхностной» волны, то в суперпозиции различных компонент отраженного света будет доминировать дифракционный пучок нулевого порядка. В этом случае, во-первых, фаза световой волны оказывается промодулированной по времени с частотой звука и однородной по сечению пучка, а во-вторых, пучок «качается» с частотой звука вокруг направления зеркального отражения.

В качестве источника излучений может применяться, например, гелий-неоновый лазер. Наводка лазерного излучения на оконное стекло нужного помещения осуществляется с помощью телескопического визира. На сегодняшний день уже появились принципиальные возможности регистрации колебаний стекла на расстоянии до 10ˉ¹ - 10ˉ¹ м. Дальность ведения разведки составляет до 1000м.

В точке расположенной по нормали к оконному остекленению достаточно организация одного контрольного поста (КП). В противном случае необходимо организовывать два КП, место второго выбирается с учетом закона отражения светового луча φ1= φ2.

4.3 Обработка перехваченных речевых сигналов

Человеческому слуху, как известно, присуще свойство маскировки. Слабые звуки маскируются более сильными. Каждый звук, приведенный в таблице, мы услышим только в отсутствие более громких звуков.

Если прослушать записанную на улице магнитофонную запись, то основное, что мы услышим, это гул, в котором сольются множество непонятных звуков, попавших из акустического поля в микрофон. Кроме того, на электронную аппаратуру записи, передачи и воспроизведения речевого сигнала действуют разнообразные электрические и электромагнитные помехи, которые мы тоже слышим в наушниках.

Способы очистки речевых сигналов от пространственной помехи, источник которой расположен в стороне, заложены в конструкциях направленных микрофонов. Однако существуют акустические помехи расположенные на одной оси с источником речевого сигнала, либо помехи достаточно значительные, чтобы оказывать мешающее действие даже при использовании направленных микрофонов.

Для повышения качества и обеспечения возможности коррекции записанного разговора используются стереомагнитофоны и эквалайзеры. Стереомагнитофоны позволяют за счет стереоэффекта дифференцировать и отделять от информативной разговорной речи такие помехи, как шумы бытовых приборов, внешние уличные шумы и т.д. Эквалайзеры представляют собой устройства с набором различных фильтров: фильтров верхних и нижних частот, полосовых, октавных, чебышевских и других. Эти фильтры включаются по определенной программе в зависимости от характера искажений сигнала и помех. Наряду с эквалайзерами для повышения разборчивости речи используются специальные программно-аппаратные комплексы.

В качестве примера шумовой очистки речевого сигнала рассмотрим использование адаптивного фильтра (АФ).

По способу, различения помехи от сигнала, АФ подразделяются на одноканальные (АФ1) и двухканальные (АФ2). Одноканальный фильтр имеет только основной вход, а двухканальный дополнительно опорный вход.

В АФ1 сигнал помехи «предсказывается» фильтром линейного предсказания (ФЛП) на основании анализа поступающего на вход зашумленного речевого (РС) сигнала и затем вычитается из этого сигнала. Принцип работы такого фильтра основан на том, что РС является случайным процессом и предсказан быть не может, а все что можно предсказать – это помеха. АФ1 используется для подавления периодических и узкополосных помех, например, наводки от сети переменного тока, шума кондиционера, «гудения» механизмов и т.п. АФ1 не может избавиться от широкополосных шумовых помех: музыки, речи, гула большого помещения и т.п.

АФ2 имеет два входа: на основной (ОСН) вход поступает зашумленный РС, на опорный (ОП) – сигнал помехи. Все, что находится «похожего» в этих каналах, вычитается из зашумленного сигнала. АФ2 используется для подавления периодических, узкополосных и широкополосных помех вплоть до разделения двух разговоров.

Работу АФ можно представить как «вычитание» спектра помехи из спектра зашумленного сигнала. АФ1 практически полностью устраняет мощные гармонические составляющие из зашумленного РС. При использовании АФ2 эффективность определяется способом получения опорного сигнала. Отношение сигнал/помеха (SNR) на выходе АФ2 определяется только отношением SNR на опорном входе:

Таким образом, чем больше помеха и меньше сигнал на ОП входе, тем лучше отношение SNR на выходе АФ2. В идеальном случае, когда на ОП входе присутствует только помеха, она подавляется практически полностью. Например, при зашумлении полезного РС «шумом» радиопередачи, следует подключить опорный вход АФ2 к электрическому сигналу радиоприемника, принимающего ту же программу. Если оба канала принимаются с помощью микрофонов из акустического поля, то микрофон ОП входа необходимо расположить вблизи источника помехи.

Точно по такому же принципу осуществляют шумоочистку речевого сигнала при использовании, например, активной виброакустической помехи.

Один датчик стереостетоскопа располагается на стене в непосредственной близости от электроакустического преобразователя системы защиты, где уровень помехи максимален (точка 1), второй – в точке с минимальным соотношением сигнал / помеха (точка 2). В паузах между разговорами рассчитывается коэффициент ослабления шума вибрации при его распространении по защищаемой конструкции. Соответствующая поправка задается в компенсаторе

Далее, в момент беседы, происходит регистрация сигналов, и, с учетом поправки (ослабления сигнала) вносимой компенсатором, на вход сумматора подаются два смешанных сигнала, составляющая помехи у которых одинакова, а составляющая разведываемого сигнала различна по амплитуде. После вычитания на выходе сумматора получается, хотя и ослабленный по амплитуде, абсолютно очищенный речевой сигнал.

Введение

К настоящему времени сложились основные направления, по которым идет внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениями являются:

1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная) .
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные системы.
4. Лазерное оружие.
5. Лазерные системы ПРО и ПКО.

Ускоренными темпами идет внедрение лазеров в военную технику США, Франции, Англии, Японии, Германии, Швейцарии. Государственные учреждения этих стран всемерно поддерживают и финансируют работы в данной области.

ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ

Лазерной локацией в зарубежной печати называют область оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной локации могут стать танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и вооруженные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом.

В основе лазерной локации, так же как и в радиолокации лежат три основных свойства электромагнитных волн:

Угловой раствор луча лазера, изготовленного с помощью твердотельного активного вещества, как известно составляет всего 1.0... 1.5 градуса и при этом без дополнительных оптических систем.

Следующим параметром локатора является определяемые координаты.

Лазерная локация луны. Способ лазерной локации. Расчет точности измерения дальности

Лазерная локация

В основе лазерной локации, так же как и в радиолокации лежат три основных свойства электромагнитных волн:

Введение

ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ