„Науката не е пиво: в уста не можеш да я налееш.’

За решаване на редица специални, изследователски и хидрографски задачи в райони, доминирани от вражески противолодъчни сили, е необходимо да се използват високоточни, скрити и шумоустойчиви средства за измерване на абсолютната скорост на подводен обект. За съжаление, съществуващите хидроакустични лагове не отговарят напълно на тези изисквания, особено по отношение на секретността на използване.

За да се разреши възникналия проблем, ще обосновем възможността за използване за тази цел на квантови оптични гемератори (КОГ), работещи в синьо-зеления диапазон.

Действието на лазерното забавяне се основава на ефекта на Доплер, чиято същност е следната: ако източникът или приемникът на лазерно лъчение се движат един спрямо друг, тогава честотата на получения сигнал се различава от честотата на излъчвания сигнал. По този начин действието на ефекта на Доплер върху параметрите на светлинна вълна води до същия резултат като движението на течност. Това дава възможност да се обоснове теорията на лазерния лаг, като се използват резултатите от анализа на звуковото поле в движеща се среда, както за хидроакустичен лаг, т.е. с помощта на формулата:

Да приемем, че преобразовател A (рис. 1) е инсталиран на подводен апарат (ПA), работещ като излъчвател и като приемник.

Рис. 1. Схема на работа на квантово-оптичен генератор на подводен апарат

Нека се излъчва светлинен импулс от синьо-зеления диапазон по посока на точката O на морското дъно. Нека определим честотата ω_о на падаща върху точка светлинна вълна като функция от честотата ω଴ на движещ се квантово-оптичен генератор A. За да се направи това, се използва формула (1), като се вземе предвид факта, че тя важи само за движеща се течност. В тази връзка ще направим предположението, че ПA не е подвижен и водата се движи със скорост

Тази техника е общоприета в механиката на флуидите и нейното използване не влияе на резултатите.
В точка O лазерният лъч се отразява без промяна на честотата и след това отива (връща се) към приемника. Следователно точка O може да се разглежда като неподвижен източник, излъчващ светлинни (лазерни) вълни с честота ω₁.
Израз (9) се нарича уравнение на еднолъчев лазерен лаг. Той позволява да се изчисли скоростта на ПA спрямо земята.

– доплерово изместване на честотата.
Недостатъците на еднолъчевия лаг липсват при двулъчевия лазерен лаг, при който сигналите на квантовите оптични генератори (КОГ) се излъчват по диаметралната равнина на ПA към носа и кърмата под същия ъгъл θ.
За доплеровата честота на лазерното излъчване към носа и кърмата може да се запише

− доплерово изместване на честотата между лазерните сигнали към носа и към кърмата.
Проучванията показват, че е възможно да се получи значително по-голямо количество информация, използвайки много лъчева система. Ще докажем това, като разгледаме принципа на работа на четирилъчев лазерен лаг (рис. 2).

Лазерните лъчи тук са насочени под ъгъл α଴ спрямо диаметралната равнина на ПA, който има ъгъл на дрейф χ.

Рис. 2. Схема на работа на многолъчев лазерен лаг (пояснения – в текста)

Така можем да разгледаме четири независими измерения. Анализът показва, че схемата с четири лъча позволява да се определи пълният вектор на земната скорост на ПA. Съответно с формулата е възможно да се изчисли ъгълът на дрейфа на ПA.
От съответните равенства могат да се получат формули за определяне на надлъжната и напречната скорост_, компоненти на скоростта на ПA:

Основните параметри на лазерния лаг.

Брой и ориентация на лъчите. Броят на лъчите от антена на лазерния лаг зависи от решаваните задачи. За да се измери само надлъжната компонента на скоростта на ПA е достатъчно да има антена с два лъча. Системата с четири лъча позволява измерване на вектора на пътевата скорост спрямо грунта и изчисляване на ъгъла на дрейфа на ПA.

Ориентацията на лазерните лъчи може да бъде диаметрална, Х-образна и др.

Формирането на четирилъчева антенна диаграма най-често се осигурява чрез поставяне в един корпус на четири отделни насочени излъчвателя, които са и приемници на лазерни сигнали. Изборът на тази или онази ориентация на лазерните лъчи води само до промяна в калкулатора на забавяне на лага и не е от фундаментално естество.

Ъгли на наклон на лазерните лъчи. Те се определят от два противоречиви фактора. От една страна, колкото по-голям е ъгълът θ, толкова по-голяма е амплитудата на получения сигнал. От друга страна, увеличаването на ъгъла ще намали чувствителността на лага, тъй като за всеки възел на скоростта ще има по-малко нарастване на честотата.

Широчината на Доплеровия честотен спектър може да се намери от израза:

където ∆θ е ширината на диаграмата на насоченост лазерния лъч.

От израз (16) следва, че колкото по-голям е ъгълът θ, толкова по-широк е спектърът на Доплеровата честота, а това означава намаляване на точността на лазерния лаг. В съвременните хидроакустични лагове ъглите на наклона на лъчите към равнината на хоризонта варират от 45 до 60º. Най-широко използваните антени са с наклон на лъча θ = 60º.
Честота на излъчваните вибрации.

Е също така се избира въз основа на противоречиви изисквания. От една страна, стойността трябва да бъде възможно най-малка. От друга страна, честотата трябва да попада в рамките на „прозореца на прозрачност“, което позволява на лазерния лъч да премине през водния стълб без значителни загуби.

С опростен метод за изчисляване на характеристиките на лазерен лаг е препоръчително да се изхожда от практическия опит. Като правило, в известните импулсни лазерни системи със зелен диапазон, работещи върху разпределени цели (т.е. във висотомери, батиметри), нивото на получения сигнал съответства на мощност Р_min = (1–10) нВт, като продължителността на импулса е в границите τ_imp = (2 –15) нс (като се вземе предвид разширяването на импулса при отражение от разпределена цел и при разпространение в разсейваща нехомогенна среда).

В нашия случай е препоръчително да се вземе E_min ≥ 2,5 10^-18 Дж (това е по-малко от шест сигнални фотона на входната зеница, т.е. огледалото или приемната леща).

Това е достатъчно, за да се отдели сигнала в фона на собствения шум на приемника, т.е. в тъмната част на денонощието и/или при дълбочини на потапяне над 100 m.

В този случай, за да се осигурят изчислените обхвати, е необходим лазерен предавател с енергия на излъчване в импулс (или сигнален пакет от импулси): Е_пер/ηп = Е_min·10¹⁸, Е_пер ≈ 3 Дж. Такава енергия може да се реализира в твърдотелни лазери, по-специално върху итриев алуминиев гранат (легиран с неодим, итербий и др.).

При едноимпулсен режим на измерване е възможно да се реализира лазер по схема с качествено превключване и диодно изпомпване. В този случай са постижими следните характеристики:
– импулсна енергия не по-малка от 3 Дж;
– продължителност на импулса (5–10) нс;
– честотата на повторение на импулса (1–5) Гц.

В случай на използване на обещаващи лазери на тънки дискове е възможно да се реализира измервателен сигнал под формата на пакет от няколко (десетки) импулса, в този случай:
– енергия на излъчване на импулс (0,1–1,3) Дж;
– продължителност на импулса (5–30) нс;
– честотата на повторение на импулса (30–500) Гц.