Сканирующее устройство оптического типа

На разработку систем построения изображений когерентно-оптического типа существенным образом влияют требования по быстродействию и практическое назначение устройства [1-2]. В устройствах радиовидения миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, предназначенных для контроля трехмерного объема в реальном времени, применение механических сканирующих систем вряд ли возможно по требованиям быстродействия [2]. В тоже время в ряде систем, где требования работы в реальном времени не играют решающей роли, например, при досмотре багажа, писем, контроля подлинности купюр и т.п. [2], применение механических сканирующих систем может быть целесообразно. Ниже рассмотрен один из вариантов сканирующей системы оптического типа, предназначенной для работы в миллиметровом диапазоне длин волн.

Принцип работы сканирующей системы

Из всех возможных систем механического сканирования диаграммой направленности миллиметровой антенны диэлектрический двухклиновый сканер наилучшим образом вписывается в конструкцию антенны [3]. На рис. 1 схематически представлен двухклиновый сканер, рис. 1а и 1б иллюстрируют, соответственно, максимальное и нулевое отклонение луча. На рис. 1в показаны принятые обозначения углов для случая максимального отклонения, т.е. 9 3 9 _max, где 9 - отклонение от оси антенны.

Соотношения между углами определяются формулами:

sin(91 -5) = n sin5, sin (92-5) = — sin (91 -5),                  (1)

n sin 93 = n sin 92.

При n 5 <<1 для оценок можно пользоваться формулой:

9 = 25(n -1), где n – коэффициент преломления материала диэлектрика, 5 - угол при вершине клина.

Если клинья вращать на углы ф1 и ф2, то направление волнового вектора будет отклоняться на углы 9 и ф, где ф - отклонение в плоскости, перпендикулярной оси антенны (азимутальный угол). Примем ф1=ф2=0 - соответствует рис. 1б, при этом 9=0. Обозначим единичные волновые векторы в различных областях преломляющей системы ri в соответствии с рис. 1в. Преломление «луча» описы- вается системой уравнений (векторная форма закона Снеллиуса):

n ( r ₂ х M ) = ( r ₁ х N ) ,

n (r 2 х z о где: N – единичная нормаль наклонной поверхности клина 2 (верхний клин рис. 1); z0 - единичный вектор оси.

Примем следующий порядок обозначений направляющих углов для г, и N :

^r 1 ⁽⁹ 1 , Ф 1 ) ; ^r 2 ⁽⁹ 2 , ф 2 ) ; ^r з ⁽⁹ з , Ф з ) ; N ^{(5 ,} Ф 2 ) .

Очевидно, что sin ( 9 ₁ + 5 ) = n sin 5 , ф ₁ = ф ₁.

Рис. 1. Оптическая схема сканера

Решение системы уравнений (2) имеет вид:

n sin 9 2 sin ф ₂ + n cos 9 2 tg 5 =

= sin 91sin ф1 + cos 91sin 92 tg5, n sin 92 cos ф 2 + n cos 92 tg5 =                 (3)

= sin 9 ₁cos ф ₁ + cos 9 ₁cos 9 2 tg 5 , sin 9 = n sin 9 2 , ф = ф ₂.

Для уменьшения веса и инерционности клина целесообразно провести его зонирование. Зонирование клина иллюстрирует рис. 2. Условием зонирования является равенство А = Х 0, где Х0 - средняя длина волны. Исходя из этого равенства, в соответствии с обозначениями на рис. 2, имеем:

Рис. 2. Схема зонирования.

Толщина зонированного клина равна сумме толщин «технологической подложки» q и клина h , т.е. d «Х 0 /( n -1)+ q . Форма ступенек, изображенная на рис. 2, более технологична пилообразной формы. Протяженность паразитного участка клина S , где нарушаются условия преломления, и поле является дифракционным, имеет примерно ту же величину, что и пила: n tg 5 . Для улучшения согласования клина с воздухом и уменьшения френелевских потерь на отражение, возможно нанесения согласующего покрытия на поверхность клина. Согласующее покрытие накладывается на плоские поверхности, что также увеличивает технологичность его изготовления.

ществ, по сравнению с зеркальными механическими и электронными сканерами:

• 1.    хорошая конструктивная сочетаемость с облучателем и линзой антенны;

• 2.    реализация сканирования при сравнительно простом приводе вращения клина, наиболее просто реализуется спиральное сканирование;

• 3.    высокая технологичность изготовления клиньев и линз сканера;

• 4.    при соответствующем выборе диэлектрического материала обеспечиваются малые потери и высокая надежность сканера;

• 5.    применение согласующих слоев обеспечивает малый уровень кроссполяризации.

Для достижения высоких электродинамических параметров при угле сканирования порядка 30⁰ целесообразно использовать клинья из диэлектрического материала с коэффициентом преломления n ® (3-4). Внешний вид зонированных клиньев показан на рис. 3.

Результаты экспериментальных исследований сканера

В экспериментальной установке применялся рупорный облучатель, дополненный фазовым корректором в виде четырехуровневой зонной пластиной [2] с фокусным расстоянием 150 м. Фазовый корректор помещался вблизи грани входного клина сканера. Исследования проводились на длине волны 8 мм, применялись две пары клиньев с углами 60 и 150. Материал диэлектрика – оргстекло с показателем преломления 1,59. Схема экспериментальной установки показана на рис. 4.

Рис. 3. Зонированные клинья сканирующего устройства

Управление направлением основного лепестка диаграммы направленности антенны с помощью пары диэлектрических клиньев имеет ряд преиму-

Рис. 4. Схема экспериментальной установки:

1 – генератор СВЧ, 2 – излучающий рупор,

3 – дифракционный фазовый корректор,

4,5 – диэлектрические клинья с возможностью вращения, 6 – приемный рупор, 7 – каретка, 8 – детектор, 9 – индикатор

Рупорный облучатель (2) помещался в фокусе фокусирующего корректора (3). Расстояние от сканера до приемного рупора 6 составляло около 700 мм при апертуре сканера 100 мм. Установка элементов и юстировка осуществлялись с помощью лазерного луча. Проверка работы сканера заключалась в оценке отклонения максимума излучения от оси. Оценка положения максимума уточнялась методом вилки при перемещении кареткой (7) приемного рупора (6) в направлении, перпендикулярном оптической оси. Линейное сканирование осуществлялось вращением клиньев с одинаковой скоростью в противоположных направлениях. Полуширина диаграммы направленности системы составляла около 2,5-30.

Оценка уровня кроссполяризации проводилась путем взаимного поворота на 900 рупоров (2) и (6). При различных взаимных поворотах клиньев уровень кроссполяризации не превышал величину –12 дБ для клина с углом 6 градусов и –8 дБ для клина с углом 150. При этом не принималось мер по согласованию волновых импедансов клиньев и уменьшению облучения краев клиньев и оправы.

Была проведена оценка возможности совмещения сканера с моноимпульсным облучателем путем изучения возможности смещения максимума излучения на величину около 2,50 (ширину диаграммы направленности) за счет поперечного смещения облучателя в фокусе. Эксперименты показали возможность применения разработанного сканирующего устройства в системах с моноимпульсным облучателем.

Таким образом, в работе кратко рассмотрено сканирующее устройство оптического типа на основе двух зонированных вращающихся клиньев. Показано, что применение такого сканирующего устройства позволяет механическим путем осуществить двумерное спиральное сканирование диаграммой направленности антенны в миллиметровом диапазоне длин волн.