Основы импульсной лазерной локации

ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ

Ñ å ð è ÿ

Ïðèêëàäíàÿ ýëåêòðîíèêà

Ïîä îáùåé ðåäàêöèåé
È.Á. ÔÅÄÎÐÎÂÀ

ÍÀÓ×ÍÎ-ÐÅÄÀÊÖÈÎÍÍÛÉ ÑÎÂÅÒ:

– ïðåäñåäàòåëü,
È.Á. Ôåäîðîâ
À.Ô. Àëåêñàíäðîâ, Ê.À. Âàëèåâ,
À.À. Îðëèêîâñêèé,
Þ.Ñ. Ïðîòàñîâ – çàì. ïðåäñåäàòåëÿ,
– çàì. ïðåäñåäàòåëÿ,
Â.Í. Ðîæäåñòâèí
À.À. Ðóõàäçå, Ï.Ñ. Ñòðåëêîâ,
Â.Å. Ôîðòîâ

Ðåêîìåíäîâàíî ÓÌÎ ïî îáðàçîâàíèþ
â îáëàñòè ïðèáîðîñòðîåíèÿ è îïòîòåõíèêè
â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ
äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé,
îáó÷àþùèõñÿ ïî íàïðàâëåíèþ ïîäãîòîâêè
Îïòîòåõíèêà
«
»
»
è ñïåöèàëüíîñòÿì
,
«Ëàçåðíàÿ òåõíèêà è ëàçåðíûå òåõíîëîãèè
,
»
«Ëàçåðíûå ñèñòåìû â ðàêåòíîé òåõíèêå è êîñìîíàâòèêå
»
«Îïòèêî-ýëåêòðîííûå ïðèáîðû è ñèñòåìû
íàïðàâëåíèÿ ïîäãîòîâêè
äèïëîìèðîâàííûõ ñïåöèàëèñòîâ
Îïòîòåõíèêà»
«

Ïîä ðåäàêöèåé Â.Í. Ðîæäåñòâèíà

Îñíîâû
èìïóëüñíîé
ëàçåðíîé
ëîêàöèè

Èçäàíèå âòîðîå, ïåðåðàáîòàííîå è äîïîëíåííîå

Ìîñêâà 2010

УДК 621.375(075.8) 
ББК 32.86-5 
 О-72 

Р е ц е н з е н т ы: 
кафедра «Оптико-электронные системы и дистанционное зондирование» 
Томского государственного университета  
(зав. кафедрой, д-р физ-мат. наук, проф. И.В. Самохвалов); 
д-р техн. наук, проф. И.Ю. Золотов; 

д-р техн. наук В.Н. Носов 

 

А в т о р ы:  
В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов, 
В.А. Городничев, Б.В. Стрелков 

 

О-72      
Основы импульсной лазерной локации : учеб. пособие / 
Ко-
зинцев,  и др.]; под ред. В. Н. Рождествина.  —  
 — М.: Изд-во  МГТУ им. Н. Э. Баумана ,  2010.  —  573, [3]  с. :  ил.  —
  (Электроника). 

 
    ISBN 978-5-7038-3436-7 

 
Изложены физические основы импульсной лазерной локации. Приведены сведе-
ния об оптических свойствах земной атмосферы, отражающих свойствах земной и 
морской поверхностей и объектов локации. Описаны эффекты, возникающие при рас-
пространении лазерных пучков в атмосфере. Рассмотрены методы расчета лазерных 
сигналов на трассе с отражением от неровной земной и взволнованной морской по-
верхностей, от светоотражателей и от объектов сложной формы. Описаны помехи в 
системах лазерной локации. Изложены теоретические основы приема лазерных сиг-
налов. Приведены примеры лазерных локационных систем различного назначения и 
описаны их основные элементы. 
Второе издание (1-е — 2006 г.) дополнено материалом по современным лазер-
ным локационным системам различного назначения. 
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который читают ав-
торы в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов технических вузов, обучающихся по направлению «Оптотехни-
ка», а также для научных работников и инженеров приборостроительного профиля. 
 
УДК 621.375(075.8) 
ББК  32.86-5  
 

 

  
 
  
 
 Оформление. Издательство МГТУ  
ISBN 978-5-7038-3436-7      
  
 
     им. Н.Э. Баумана, 2010 
©

[В. И.
Изд. 2-е, перераб. и доп.  

ведущий научный сотрудник Института геохимии
и аналитической химии им. В.И. Вернадского

180-летию 
МГТУ им. Н.Э. Баумана 
посвящается 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Вторая половина XX в. ознаменовалась появлением и бурным развити-
ем ряда новых отраслей науки и техники, среди которых одно из первых 
мест по праву занимает лазерная (оптическая) локация.  
Как самостоятельная область лазерная локация появилась только по-
сле разработки оптических квантовых генераторов. Рубин явился первым 
веществом, в котором в 1960 г. была осуществлена генерация лазерного 
излучения с длиной волны 0,69 мкм. Лазер на рубине и по сей день нахо-
дит применение в лазерной локации. В 1961 г. была впервые показана воз-
можность генерации лазерного излучения ионами неодима на длине волны 
1,06 мкм. В настоящее время лазеры этого типа широко используются в 
лазерных локационных системах различного назначения. В 1964 г. был 
создан лазер на CO2, работающий на длине волны 10,6 мкм. Высокие выходные 
мощности излучения, способность работать в непрерывном и импульсном 
режимах, а также высокая прозрачность атмосферы в этой области 
спектра делают лазер на CO2 и сейчас весьма перспективным для 
решения задач локации. 
За короткий промежуток времени с момента появления первого лазера 
было создано большое количество мощных источников когерентного света. 
Одновременно велись широкие исследования по разработке методов модуляции 
и демодуляции лазерного излучения.  
Превосходные характеристики даже первых лазеров на рубине (мощное 
излучение и коллимированность светового пучка) и развитие методов модуляции 
добротности позволили генерировать очень короткие лазерные импульсы 
и проводить пространственно разрешенные измерения подобно радарам: 
интервал между временем посылки лазерного импульса и временем 
прихода отраженного сигнала на приемник можно непосредственно связать 
(через скорость света) с расстоянием от лазерного передатчика до объекта, 
от которого произошло отражение.  

Предисловие 
———————————————————————————————————— 
6 

К началу 80-х годов XX в. лазерная локация сформировалась в само-
стоятельное научно-техническое направление. Значительные достижения 
квантовой электроники позволили не только создать уникальные по своим 
характеристикам лазерные локационные системы, но и эффективно их ис-
пользовать в различных областях техники.  
С помощью лазерных локаторов осуществляют наблюдение за лета-
тельными аппаратами (самолетами, ракетами, искусственными спутниками 
Земли), исследуют состояние земной атмосферы, проводят локацию Луны. 
Лазерные локаторы используются для дальнометрии, при посадке самоле-
тов, стыковке космических аппаратов, в военной области и т. п. 
При разработке лазерных локаторов очень важно иметь предварительную 
оценку их тактико-технических параметров — дальности действия, углового 
разрешения и др. Эта оценка позволяет заранее определить круг задач, кото-
рые можно решать с помощью локатора, а это, в свою очередь, оказывает 
влияние на его конструктивное и схемное построение. Предварительную 
оценку тактико-технических параметров локатора получают на основании 
расчета характеристик лазерных сигналов, регистрируемых приемником 
локатора. Такой расчет может служить основой для нахождения диапазона 
значений характеристик и их средних значений, а также ряда дополнитель-
ных данных о временных и пространственных характеристиках принимае-
мого сигнала. Следовательно, расчет характеристик принимаемых лазерных 
сигналов является одной из важных задач при проектировании лазерных 
локаторов, и ему уделено в книге особое внимание. 
Учебное пособие состоит из пяти частей. 
В первой части «Элементы теории светорассеяния» описываются эле-
менты локационной схемы, оптические свойства земной атмосферы, отра-
жающие свойства земной, морской поверхностей и объектов локации, рас-
пространение лазерных пучков в земной атмосфере. 
Вторая часть «Теоретические основы расчета импульсных лазерных ло-
кационных сигналов» посвящена вопросам расчета характеристик лазерных 
локационных сигналов от неровной земной и взволнованной морской по-
верхностей, от светоотражателей и от объектов сложной формы. 
В третьей части «Помехи в системах лазерной локации» рассматриваются 
вопросы расчета помех и флуктуационных характеристик сигналов в 
системах лазерной локации. 
В четвертой части «Теоретические основы приема импульсных лазерных 
локационных сигналов» описаны: особенности приема сигналов в оп-

Предисловие  
———————————————————————————————————— 
7 

тическом диапазоне; статические характеристики сигнала, шума и их смеси 
на выходе фотодетектора; обнаружение сигнала в системах импульсной лазерной 
локации; определение дальности до объектов локации; измерение 
угловых координат объектов локации. 
В пятой части «Системы импульсной лазерной локации и их элементная 
база» описаны элементы лазерных локационных систем и примеры лазерных 
локационных систем слежения, наведения, дальнометрии, высотомет-
рии и высокоточных геофизических измерений. 
Содержание учебного пособия не охватывает всех проблем лазерной 
локации. За текстом остались, в частности, лазерные локаторы, предназначенные 
для работы под водой или через границу раздела «воздух—вода», и 
лазерные локационные системы, использующие модулированное непрерывное 
лазерное излучение. Более того, даже при освещении рассматриваемых 
вопросов в ряде случаев авторы ограничиваются только наиболее существенными, 
по их мнению, положениями. 
При подготовке книги были использованы наиболее известные монографии, 
посвященные лазерной локации, работы авторов, а также многочисленные 
книги, статьи и сборники научных трудов, не вошедшие в краткий 
список литературы. 
Во втором издании учебного пособия значительно расширена последняя 
глава «Лазерные локационные системы слежения, наведения, дальнометрии, 
высотометрии и высокоточных геофизических измерений» описанием современных 
разработок в области лазерных импульсных дальномеров и высотомеров 
различного назначения и лазерных систем слежения за спутниками. 
Авторы признательны рецензентам — доктору технических наук, профессору 
И.Ю. Золотову, доктору технических наук В.Н. Носову и доктору физико-
математических наук, профессору И.В. Самохвалову — за ценные советы и 
замечания по содержанию книги и выражают глубокую благодарность доктору 
технических наук В.И. Воробьеву и кандидату технических наук 
А.И. Сенину за обсуждение материала и предложения, использованные при 
написании книги. 
 
 

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 

A  
— альбедо подстилающей земной поверхности 

2
C   
— структурная характеристика диэлектрической проницаемости 
атмосферы 
с  
— скорость света в вакууме 
E  
— освещенность (облученность) 

и(
)
E
R   
— освещенность элементарной отражающей площадки, создаваемая 
излучением, падающим от источника 

f    
— фокусное расстояние приемного объектива 

( )
f t   
— форма зондирующего импульса  

и
F   
— радиус кривизны волнового фронта на источнике излучения 
h  
— постоянная Планка 

2
k

    
— волновое число 

( ,
)
L r n   
— яркость излучения в точке r в направлении n  

( , ,
)
L      — яркость на оптической глубине  под углами  и  

o( )
L T   
— спектральная яркость абсолютно черного тела  

,
L  L   
— яркости восходящего и нисходящего излучений 

и
п
,
L
L   
— расстояния от источника и приемника соответственно до центра 
лазерного пятна подсвета и поля зрения приемника на поверхности 


o( )
M
T

  
— спектральная плотность светимости излучения абсолютно чер-

ного тела 

и
п
,
m
m   — единичные векторы, характеризующие направления оптичес-

ких осей источника и приемника излучения 
N(z)  
— концентрация поглощающих молекул в точке z трассы локации 

Список основных сокращений  
———————————————————————————————————— 
9 

n  
— единичный вектор направления 


n   
— проекция вектора n на плоскость, перпендикулярную оси z 

cn
  
— среднее число сигнальных фотоэлектронов 

ш
n   
— среднее число шумовых фотоэлектронов 

ф
n   
— среднее число фотоэлектронов фонового излучения 

т
n   
— среднее число темновых фотоэлектронов 

o
P   
— мощность излучения лазерного источника 
( )
P t   
— мощность принимаемого излучения 

( )
P t   
— средняя мощность принимаемого излучения 



P n W   — вероятность того, что под действием падающего на фотодетек-

тор излучения с известной энергией W эмитируется n фото-
электронов 

л.т
P
  
— вероятность ложной тревоги 

п.о
P
  
— вероятность правильного обнаружения 
r  
— радиус-вектор 


r   
— проекция радиус-векторов r на плоскость, перпендикулярную 
оси z 

иr   
— эффективный размер апертуры источника излучения  

пr   
— эффективный размер приемного объектива 

ф
ф
,
r
R   
— радиус-векторы в плоскости фотоприемника 

S  
— поверхность 

м
S   
— метеорологическая дальность видимости 

S

  
— солнечная постоянная 
Sп  
— площадь входного зрачка объектива приемного устройства 
Т  
— температура  

и,
T
 
п
T   
— коэффициенты пропускания передающей и приемной оптиче-
ской системы 

a.и
a.п
,
T
T
  — коэффициенты пропускания атмосферы, вызванного поглоще-

нием атмосферными газами, на трассах «источник—поверх-
ность» и «приемник—поверхность» 
U  
— скорость приводного ветра 
(
)
U R   
— распределение поля 

V  
— френелевский амплитудный коэффициент отражения 

Список основных слкращений 
———————————————————————————————————— 
10

и
W   
— энергия импульса, излучаемого источником лидара 

, ( )
n m
W
x   — функция Уиттекера 

( ),
(
,
)
x
y
W
W



 — плотности распределения высот и наклонов морской 

поверхности 
 

и
2
,

 
п
2  — углы расходимости излучения лазерного источника и поля зре-
ния приемной системы 
( )
    
— индикатриса рассеяния атмосферы 

o
   
— изотропная часть индикатрисы рассеяния атмосферы 

( ,
)
 k m   — локальная индикатриса отражения поверхности 


   
— излучательная способность подстилающей земной поверхности 
( )
x

  
— дельта-функция 

ф
   
— смещение плоскости фотоприемника относительно фокальной 

плоскости линзы 
  
— показатель ослабления 
  
— угол рассеяния 

2( )z
 
  — дисперсия угла отклонения луча при элементарном акте рас-

сеяния в атмосфере 
{
,
}
x
y
 

γ
 — вектор наклонов неровной поверхности S 

2
γ ,x y   
— дисперсия наклонов взволнованной морской поверхности 

( )
k

  
— гамма-функция 

( ,
)
 R ρ   — пространственная функция когерентности 

  
— квантовый выход фотодетектора 

и
(
,
),
 m
R
 
п
(
,
)
 m
R  — ступенчатые функции, учитывающие затенения со 

стороны источника и приемника 
  
— азимут визирования 

o
   
— азимут Солнца 

( )
x

   
— интеграл вероятности 

  
— показатель поглощения 
  
— длина волны излучения  
  
— полоса пропускания интерференционного фильтра 
  
— параметр индикатрисы рассеяния