Техника - молодёжи 1993-03, страница 8

лее пассажиров, обязаны иметь на борту «какое-то» оборудование обнаружения сдвига ветра Некоторые владельцы согласились приобрести эти «реагирующие на обстоятельства» приборы, но ряд крупнейших авиакомпаний попросили отсрочки, чтобы обзавестись аппаратурой обнаружения микрозавихрений на расстоянии.

В принципе на это способны два типа устройств: радиолокатор и л ид ар, то есть лазерный локатор. О радиолокаторе мы поговорим позже, а пока обратимся к лидару. Представим себе, что управляемый лазер на борту самолета посылает вперед импульсы, а соответствующий приемник фиксирует отраженные сигналы на той же или почти той же длине волны. Откуда они берутся и какую информацию несут? В тропосфере воздух всегда насыщен мелкими аэрозольными частицами размером 1 — 10 мкм (пыль, дым, различные загрязнения), естественно, движущимися со скоростью ветра. Эти аэрозоли и рассеивают излучение, часть которого возвращается обратно и улавливается апертурой излучателя (поскольку тут она служит и приемной антенной). Конечно, принятые сигналы не имеют той же формы, что переданные. Такое было бы возможно, если сигнал отразился, скажем, от стены дома. Но наши отражатели равномерно распределены по всей линии распространения лазерного луча. Значит, и принятый импульс будет размытым: световое «эхо» от каждой частицы придет тем позже, чем дальше она находится. Кроме того, с ростом расстояния амплитуда сигнала затухает, пока не теряется в шуме аппаратуры.

Итак, если характерная длительность излучаемого импульса - порядка одной микросекунды, то у принятого (при хорошей погоде, когда лидар «видит» далеко вперед) она достигает 60 мкс. Поскольку время распространения света — около 3 мкс на километр, это значит, что самые дальние, еще видимые отражатели находятся на расстоянии 10 км от аппарата. Чтобы получить данные для более коротких расстояний, нужно рассматривать передние части импульса, вернувшиеся от более близких частиц. Таким образом, можно зондировать пространство по курсу на дальностях почти от нуля до 10 км. Если добавить к этому данные о скорости ветра на том же интервале, пилот сможет понять, все ли благополучно впереди, или его ждут какие-то аномалии скорости ветра, и где именно.

Измерение скорости в лидаре, как и в любом локаторе, основано на эффекте Доплера. Представим, что наш аппарат неподвижен и ветер дует от него. Так как отражающие частицы при этом удаляются, длина принимаемой волны возрастает: сигнал будет «краснее», чем посланный. Обратное произойдет, если ветер дует навстречу: принятый сигнал «посинеет». Таким образом, знак и величина изменения длины волны (вернее, частоты) несут инфор

мацию о направлении и скорости ветра вдоль линии распространения лазерного луча.

Читатель, наверное, понял, что для практического применения описанного метода надо решить две задачи. Во-первых — постоянно учитывать собственную скорость самолета, а значит, и передатчика-приемника относительно земной поверхности, чтобы в расчеты не вкралась грубая ошибка. Во-вторых, поскольку реальные скорости ветра (и самолета) вызывают изменения частоты принятого сигнала порядка 1 — 10 МГц, требуется излучение очень большой спектральной чистоты, вернее, просто монохроматическое. И первая, и вторая задачи сейчас успешно решены.

Но это далеко не все. Система должна работать и при сравнительно неблагоприятных атмосферных условиях, например, в довольно сильный дождь. Значит, она должна обладать хорошей чувствительностью.

Кроме того, скорость ветра в микрозавихрениях не очень велика — в среднем 30 км/ч. И когда при посадке встречный ветер вдруг меняется на попутный, перепад составляет всего 60 км/ч. Но даже такое сравнительно небольшое изменение нередко и ведет к• аварии. Так что, хотя ветер не столь уж силен, измерять его скорость требуется довольно точно. Нужная точность достигается соответственной точностью

определения доплеровского частотного сдвига. Оценки показывают, что последняя должна составлять здесь не менее 10"⁸ - 10"⁹.

Указанную чувствительность и точность обеспечивает когерентный гетеродинный прием оптических сигналов Измерение ведется не впрямую, а путем наблюдения интерференции принятого сигнала с излучением эталонного лазера (гетеродина). Происходит она прямо на поверхности оптического детектора. Частота результирующих электромагнитных колебаний равна разности частот принятого сигнала и гетеродина. Чтобы узнать, «покраснело» или «посинело» рассеянное излучение, частоту гетеродина сдвигают по отношению к лазеру-передатчику на 10 — 20 МГц. Таким образом мы переходим из диапазона оптических частот в радиочастотный, где и достигается нужная точность.

В принципе данный метод приема способен обеспечить теоретическую (квантовую) чувствительность. Мощный гетеродин создает в детекторе шум, полностью доминирующий над другими помехами. Так что остальными шумами, например, фоновым, можно пренебречь. А мощность принятого сигнала умножается на гетеродинную, значительно усиливаясь при этом. В результате исключается вклад всех источников помех, кроме теоретически неизбежного квантового шума.

6