Техника - молодёжи 1993-03, страница 9
Я родился в 1926 году в Мозыре, Белоруссия, а вырос в Одессе и Киеве. Во время немецкой оккупации был увезен в Германию; после войны принят в Геттинген-ский университет. При материальном содействии английских властей четыре года учился в Геттингене на физическом факультете. В 1951 эмигрировал в США и продолжил образование в Калифорнийском университете (город Беркли). В 1956-м, получив степень доктора по физике, я поступил в научно-исследовательскую лабораторию компании Локхид в городе Пало Альто, Калифорния, где состою в должности консультанта и сейчас. Мне довелось работать в разных областях прикладной физики: магнитный резонанс, физика твердого тела, высокочастотная акустика, электрические разряды в газах, лазеры и оптоэлектроника. Вадим ДОБРОЕ Однако преимущества оптического гетеродинного приема не достигаются «бесплатно». Оба интерферирующих луча должны удовлетворять строгим условиям пространственной когерентности, иначе на детекторе произойдет не усиление, а затухание. Другими словами, лучи должны иметь одинаковую поляризацию, очень точную взаимную угловую ориентацию, хорошее совмещение на детекторе и сходное пространственное распределение амплитуд. Недавно все эти проблемы были впервые решены. В созданной экспериментальной, но уже и практически полезной системе применялся лазер на углекислом газе. Это понятно: уровень развития техники С02-лазеров сравнительно высок; кроме того, работать на длинных волнах с оптической гетеродинной системой гораздо легче, чем на коротких, а длина волны С02-лазера составляет 10 мкм — наибольшая у всех, ныне действующих. Хорошо технически освоен также твердотельный лазер, работающий на атомных уровнях неодима в иттриевом гранате (Nd:YAG), с длиной волны около микрона. И, несмотря на упомянутую трудность использования гетеродинных систем на коротких волнах, Nd:YAG был бы очень привлекателен, если бы не один его существенный недостаток: одномикронное излучение почти не поглощается тканями зрительных органов человека. Поэтому даже при малой интенсивности оно может серьезно повредить зрение. Конечно, глазу опасен любой лазер, но на более длинных волнах вредный эффект связан именно с поглощением, то есть просто с тепловым ожогом. А для этого нужны в десятки и сотни раз большие мощности, чем для непосредственного действия фотонов на чувствительные элементы сетчатки. Поглощение же резко увеличивается на длинах волн свыше 1,5 мкм. Так что ли-дар, работающий на двухмикронных волнах (их можно получить, заменив примесь неодима на тулий или гол-мий — Tm:YAG или Ho:YAG), считается уже безопасным. Если преодолеть технические проблемы (а они вполне решаемы, хотя их и тут немало), то, скажем, Tm:YAG-лидар был бы на практике гораздо привлекательнее, чем на С02. Детекторы последнего требуют охлаждения почти до температуры жидкого азота, а твердотельный лидар работает при комнатной Его кристаллическая субстанция не подвергается химическим изменениям, как углекислый газ после многократных импульсных электроразрядов. Главное же — вся установка гораздо компактнее. Апертура (диаметр) приемно-передающей системы самолетного С02-лидара достигает 15 — 20 см, а при использованииТш:-YAG или Ho:YAG этот размер всего лишь около 7 см. Ведь обычно чем больше длина рабочей волны, тем больше и размеры антенны Это, в свою очередь, ведет к увеличению габаритов других частей, например, сканирующей подсистемы. Сканирование (азимутальное) требуется для надежного обнаружения сдвига ветра впереди по курсу. На рис. 3 приведена схема размещения лазерной системы в грузовом отсеке самолета. В условно изображенной структуре сигнала показано также, что лидар зафиксировал резкую перемену ветра: темный цвет (встречный ветер) внезапно меняется на светлый (попутный ветер). Двухмикронное излучение лучше рассеивается в обратном направлении, чем десятимикронное; кроме того, его затухание из-за атмосферных условий сравнительно невелико. Среднегаба-ритный Но^АО-лидар предупредит пилота об опасности за минуту даже в дождь, а при интенсивности дождевых осадков 8 см в час — за 15 с (в расчете на предпосадочную скорость самолета, то есть около 250 км/ч). Вернемся теперь к радиолокационным системам. Практика показала, что доплеровский радиолокатор, работающий на сантиметровых волнах, также можно использовать для дистанционного обнаружения сдвига ветра. Но в этом отношении у него есть два недостатка по сравнению с лидаром: 1 Главный и боковые лепестки его излучения имеют гораздо большую угловую ширину, чем у лазерного устройства. Поэтому отражения от зданий, холмов и т.п. становятся при посадке серьезной помехой, затрудняющей обнаружение сравнительно слабого сигнала, обязанного сдвигу ветра. 2. Длина волны доплеровского сантиметрового радиолокатора слишком велика, чтобы ее рассеивали частицы микронной величины; для этого нужны капли воды, то есть хоть какой-нибудь дождь. А дождя-то иногда в нужном месте не оказывается. Вообще говоря, микрозавихрения всегда порождаются осадками, которые при некоторых условиях могут охладить сравнительно узкий воздушный поток. Став из-за этого плотнее окружающего воздуха, он устремляется вниз, а достигнув земли, растекается во все стороны. Так и возникает микрозавихрение, показанное на рис. 1. Но если процесс начинается на значительной высоте, то сами капли иногда испаряются (опять-таки охлаждая при этом воздух). И тогда не только на земле, но и на средней высоте никакого дождя нет, хотя микрозавихрение развивается обычным образом. В таких случаях наиболее эффективным средством обнаружения остается лидар. С другой стороны, экономические соображения, безусловно, на стороне радиообнаружения. Ведь все пассажирские реактивные самолеты и без того имеют радиолокаторы, а превратить их в доплеровскую версию не так уж дорого (главные изменения нужно внести в схему обработки сигнала). Но, кроме упомянутых преимуществ лидара, есть и другие. Например, иногда самолет подвергается сильной и неожиданной встряске. Это не сдвиг ветра, так как курс в данном случае не меняется. Здесь мы имеем дело с турбулентностью, вызванной пространственной неоднородностью плотности воздуха. Обнаружить ее при заведомом отсутствии каких-либо осадков бортовой сантиметровый радиолокатор не в состоянии. Однако вариации плотности воздуха меняют показатель преломления света, что может заранее обнаружить лидар. Говоря о летной безопасности, нужно учесть, что уже сейчас запроектированы и, наверное, к концу столетия будут построены лайнеры, вмещающие 600 и даже 800 пассажиров. Естественно, проблема безопасности встанет еще острее. И можно достаточно уверенно сказать, что в ее решении лазерные приборы сыграют свою роль. Соответствующее экспериментальное оборудование с лидаром на С02(твердотельный еще дорабатывается) показано на рис.4. Там же — фотография самолета, предоставленного NASA и совершающего сейчас испытательные полеты. Автор благодарит NASA за разрешение использовать рис.2, а также журнал «Laser Focus World» за разрешение заимствовать рис. 4 из выпуска за апрель 1992 года. 7 |
