Giải pháp thiết kế hệ Ăng Ten thu cho thiết bị đo xa Laser

Tính toán, thiết kế hệ ăng ten thu phù hợp với chức năng và kỹ chiến thuật cho thiết bị đo xa laser như: thu được nhiều năng lượng laser, lọc được nhiễu tín hiệu, kích thước hạn chế, đồng thời giá thành giảm, đơn giản, dễ căn chỉnh là một trong những bài toán khó. Đặc biệt vấn đề nâng cao năng lượng thu đồng thời giảm kích thước hệ ăng ten. Trong bài báo, tác giả trình bày một giải pháp thiết kế hệ ăng ten thu cho thiết bị đo xa laser có thể đáp ứng được các yêu cầu nêu ra.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giải pháp thiết kế hệ Ăng Ten thu cho thiết bị đo xa Laser Vật lý GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ ĂNG TEN THU CHO THIẾT BỊ ĐO XA LASER Nguyễn Văn Thương1*, Lương Văn Cường1, Đặng Quốc Phong2 Tóm tắt: Tính toán, thiết kế hệ ăng ten thu phù hợp với chức năng và kỹ chiến thuật cho thiết bị đo xa laser như: thu được nhiều năng lượng laser, lọc được nhiễu tín hiệu, kích thước hạn chế, đồng thời giá thành giảm, đơn giản, dễ căn chỉnh là một trong những bài toán khó. Đặc biệt vấn đề nâng cao năng lượng thu đồng thời giảm kích thước hệ ăng ten. Trong bài báo, tác giả trình bày một giải pháp thiết kế hệ ăng ten thu cho thiết bị đo xa laser có thể đáp ứng được các yêu cầu nêu ra. Từ khóa: Ăng ten thu, Đo xa laser, Đầu thu xung, Phin lọc bức xạ laser. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu trong việc chế tạo thiết bị đo xa laser là thiết kế hệ ăng ten thu đảm bảo thu được nhiều năng lượng laser, lọc được nhiễu tín hiệu từ môi trường xung quanh và đảm bảo dễ dàng gia công căn chỉnh. Theo nguyên lý thiết kế các hệ quang cho các đầu thu quang nói chung và đầu thu cho đo xa laser nói riêng, cự ly nhạy phụ thuộc vào đường kính vật kính của ăng ten thu [1]. Đường kính vật kính của ăng ten thu càng lớn thì cự ly đo được càng xa. Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn tới chiều dài của hệ quang sẽ tăng lên, làm ảnh hưởng đến kích thước của thiết bị. Mặt khác, để đảm bảo việc xác định cự ly được chính xác, tránh ảnh hưởng của nhiễu sáng gây ra bởi môi trường xung quanh, điều bắt buộc phải đặt thêm một phin lọc giao thoa trong hệ quang (phin lọc này chỉ cho phép ánh sáng trong dải hẹp (o± 10nm) đi qua [2]). Giảm kích thước của phin lọc giao thoa trong hệ ăng ten thu cũng là một vấn đề công nghệ cần được quan tâm. Trong hệ quang ăng ten thu đơn giản (Hình 1), hệ quang chỉ bao gồm 2 hoặc 3 vật kính để hội tụ chùm tia laser vào đầu thu photodiode [3]: Hình 1. Hệ quang ăng ten thu đơn giản. 1 - phin lọc giao thoa, 2 - hệ vật kính, 3 - đầu thu photodiode. Nhằm tránh quang sai gây ra, phin lọc giao thoa 1 bắt buộc phải đặt ở trước hệ vật kính 2 [3]. Kích thước của phin lọc khi đó sẽ lớn (50mm). Để làm giảm kích thước của phin lọc, một số thiết bị đo xa laser như BD1, LPR1 sử dụng ăng ten thu có 2 thành phần: hệ chuẩn trực kepler để tạo chùm tia laser song song có vết nhỏ và hệ vật kính hội tụ [4]. Phin lọc giao thoa sẽ được đặt vào giữa hai hệ, ngay sau hệ kepler. Ưu điểm của phương pháp này là làm giảm được kích thước của phin lọc, tuy nhiên chiều dài của hệ vẫn rất lớn, lên tới 200mm (Hình 2) [3]. 116 N. V. Thương, L. V. Cường, Đ. Q. Phong, “Giải pháp thiết kế ăng ten thu… đo xa laser.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình 2. Hệ quang ăng ten thu của thiết bị BD1. 1 - Hệ kepler ; 2 - Hệ vật kính hội tụ ; 3 - Phin lọc giao thoa. Trong bài báo, tác giả đề xuất một phương pháp thiết kế hệ quang ăng ten thu có thể khắc phục được những khuyết điểm của các hệ quang nêu trên. 2. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP,TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ Nếu hai hệ chuẩn trực galile và kepler có cùng đường kính thông quang D, cùng hệ số phóng đại G, đều sử dụng hai thành phần thấu kính có tiêu cự f1 và f2 thì chiều dài tương ứng hai hệ sẽ được tính như sau:Lg = f1 - f2 và Lk = f1 + f2. Như vậy, hệ kepler sẽ dài hơn hệ galile một khoảng là Lk-Lg = 2f2. Với D = 50 mm ; G = 2 thì đường kính đồng tử ra: D’ = D/G = 25 mm. Theo điều kiện khẩu độ tương đối D’/f2 không vượt quá 1:3, tiêu cự của thành phần thứ 2 là f2 sẽ nằm trong khoảng từ (4070) mm. Như vậy, hệ kepler sẽ dài hơn hệ galile khoảng từ (80 140) mm. Trên cơ sở phân tích ở trên, qua nghiên cứu điều kiện công nghệ trong nước hiện nay và phân tích đánh giá các hệ cơ sở cho hệ ăng ten thu nói chung, nhóm tác giả đã đề xuất lựa chọn phương án thiết kế hệ quang ăng ten thu có 2 cụm thành phần gồm: hệ chuẩn trực galile 1 và hệ vật kính hội tụ 2 (hình 3). Trong đó, hệ chuẩn trực galile có ưu điểm so với hệ kepler được phân tích ở trên là có tác dụng thu nhỏ đường kính chùm tia, tạo chùm tia song song đồng thời rút ngắn được chiều dài hệ chuẩn trực. Hệ vật kính hội tụ sẽ hội tụ chùm tia song song vào mặt phẳng tiêu diện của đầu thu. Hình 3. Sơ đồ hệ quang ăng ten thu đề xuất. 1 - Hệ galile ; 2 - Hệ vật kính hội tụ ; 3 - Phin lọc giao thoa. Đường kính thông quang của hệ được xác định theo công thức sau [1]: E pr .m D pr  2 Lm  e Lm (1) E per    1  2   trong đó, E per là năng lượng đầu phát laser; Epr.m là năng lượng nhỏ nhất của chùm tia laser mà đầu thu có thể thu được đối với mỗi bước sóng và độ rộng xung cho trước;  1 ,  2 tương ứng là hệ số truyền qua của hệ ăng ten phát và thu. Dpr là Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 117  Vật lý đường kính thông quang của hệ ăng ten thu; Lm là cự ly đo; là hệ số suy hao trong khí quyển;  là hệ số phản xạ của mục tiêu;   Es / E0 là hệ số, được xác định bằng tỷ số giữa phần năng lượng chiếu lên mục tiêu Es với toàn bộ năng lượng của chùm tia laser E0 tới mục tiêu (năng lượng đi qua mặt phẳng đặt vuông góc với chùm tia laser tại vị trí đặt mục tiêu). Với một thiết bị đo xa laser quân sự có cự ly đo lên đến 20 km, sử dụng đầu phát là loại laser rắn AYG-Nd3+ với E per = 40 mJ; đầu thu photodiode là loại ФПУ-21ВА (Nga) có Epr.m = 1,2.10-15J ; các đại lượng τ1= 0,9; τ2= 0,8 ; α =0,5km-1;  = 0,2 ;  = 1 [1], theo công thức (1) D pr ≈ 54 mm. Sử dụng phần mềm Zemax để tối ưu hệ ăng ten thu, dữ liệu thiết kế hệ quang thu được như trong bảng 1. Bảng1. Dữ liệu thiết ...