Е.И. Юревич, д.т.н., профессор

Изложены принципы действия и возможности фотонной техники, обеспечившей решение ряда сложных научно-технических задач, ранее широко не популяризировавшиеся.

Подобно тому, как классическая радиотехника началась в России с грозоотметчика А.С. Попова, символом фотонной техники как нового научно-технического направления стала система "Кактус" управления мягкой посадкой спускаемых космических аппаратов, созданная тоже в Петербурге (Ленинграде) в 1968 г. и тоже в вузе - политехническом институте (теперь университете) (рис. 1). Перспективность этого нового направления явилась первопричиной создания при нем ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК).

Фотонные системы основаны на использовании гамма- и рентгеновского диапазона электромагнитных излучений, длины волны которых (от единиц до сотенных долей ангстрема) на семь порядков короче излучений в радиодиапазоне. Однако в этом диапазоне излучения трактуются в виде не волн, а потока частиц - фотонов. Технические системы, основанные на таком жестком излучении, обладают принципиально новыми качествами, включая работоспособность через преграды (например, через обшивку аппарата, как в случае системы "Кактус"), абсолютную всепогодность и помехоустойчивость вплоть до условии атомного взрыва.

По способам генерации, приема, характеру распространения и взаимодействия с материальной средой фотонное излучение существенно отличается от освоенного в радиотехнике электромагнитного излучения. Источниками фотонного излучения являются радиоактивные источники, рентгеновские излучатели с энергией фотонов в доли МэВ и ускорители электронов с энергией фотонов до десятков МэВ.

Рис. 1. Система "Кактус": передатчик (справа) и приемник

Радиоизотопные источники имеют дискретный спектр (гамма-излучение). Направление излучения изотропно, а пространственные диаграммы направленности формируются с помощью защитных экранов. Рентгеновские источники фотонного излучения создают излучения со смешанным спектром - сплошным и дискретным. Диаграмма направленности излучения формируется конструкцией рентгеновской трубки и тоже путем коллимации излучения защитными экранами. Эти источники фотонного излучения являются управляемыми и могут работать в непрерывном и импульсном режимах генерации излучения с применением различных видов модуляция. Ускорители как источники фотонного излучения (бетатроны, линейные ускорители электронов) создают, как правило, импульсное фотонное излучение с узкой диаграммой направленности. Прием - регистрация фотонного излучения осуществляется детекторами, в которых акты взаимодействия фотонов с веществом детектора преобразуются в электрический выходной сигнал. Для регистрации фотонного излучения существует ряд типов детекторов - сцинтилляционные, полупроводниковые и др.

Распространение фотонного излучения в пространстве происходит прямолинейно и не подвержено воздействию каких-либо физических полей. Фотонное излучение с ростом энергии фотонов обладает все большей проникающей способностью, проходя через преграды, непреодолимые для электромагнитного излучения других участков спектра. Вместе с тем, при прохождении излучения через материальную среду в результате взаимодействия с нею происходят процессы поглощения и рассеяния фотонного излучения, а также генерации вторично-возбужденного излучения. Это приводит к изменению спектрального состава, интенсивности и диаграммы направленности излучения. Эти изменения определяются свойствами среды, что в свою очередь позволяет определять ее различные параметры по анализу фотонного излучения после его взаимодействия со средой. Рассеяние фотонного излучения средой определяет и, предельные возможности использования фотонных систем для передачи информации, определения координат и других задач, связанных с преодолением расстояния.

Фотонные системы нашли применение для измерения геометрических параметров (расстояний, углов, скоростей), управления движением, контроля различных физических и химических свойств сред и отдельных объектов. По принципу действия различают (рис. 2) фотонные системы, использующие (регистрирующие) прямое излучение от передатчика и отраженное (обратно-рассеянное) излучение. Последнее представляет собой вторичное излучение поверхностного слоя отражающей поверхности, инициированное воздействующим на нее первичным фотонным излучением. К системам этого типа относится названная выше система "Кактус", предназначенная для измерения высоты и вертикальной составляющей скорости. В последующем подобного типа системы были созданы в; ЦНИИ РТК для управления сверхнизколетящими аппаратами (ракетами, экранопланами, вертолетами), выпуска тормозного парашюта при посадке самолетов, измерения свойств подстилающей поверхности (параметров волн, толщины льда, плотности и т.п.). Одна из последующих подобных разработок - система управления мягкой посадкой космической станции на спутник Марса Фобос (рис. 3). Системы, основанные на отраженном излучении, используются для обнаружения пассивных преград и объектов, определения расстояния до них и их различных физико-химических свойств.

Рис. 2. Схемы фотонных систем:
а - на прямом, b – обратнорассеянном излучении

Измерение расстояний может осуществляться как обычными традиционными время-импульсным и частотно-импульсным методами, так и специфическим для фотонной техники интенсиметрическим методом, в котором используется известная закономерность изменения интенсивности излучения в зависимости от расстояния до источника.

Рис. 3. Рентгеновская система "Орион" измерения высоты и углов наклона космической станции "Фобос" при посадке

Измерение угловых координат осуществляется с помощью детекторов, чувствительность которых зависит от угла падения на них фотонного излучения, что может быть получено, например, частичным затенением детекторов или за счет придания им определенной формы. В системах, использующих импульсное излучение, угловые координаты могут измеряться и время-импульсным способом по разнице времени приема фотонного импульса двумя разнесенными детекторами. Измерение линейных и угловых скоростей осуществляется в фотонных системах путем дифференцирования по времени полученного сигнала соответственно по расстоянию и углу. Существенным достоинством фотонных систем при этом является практическое отсутствие в этих сигналах высокочастотной составляющей, что позволяет осуществлять их качественное и малоинерционное дифференцирование. Специфический для фотонной техники способ измерения относительных скоростей основан на эффекте Мёссбауэра, позволяющем измерять резонансным способом частоту доплеровского смещения фотонного излучения при чрезвычайно узкой полосе резонанса, что обеспечивает очень точное (до единиц мм/с) измерение скорости.

К фотонным системам на прямом излучении относятся система всепогодной посадки самолетов, система ручной стыковки космических аппаратов, измеряющая дальность, скорость, углы крена и тангажа (рис. 4), системы управления сверхтесным строем движущихся объектов (рис. 5), охраны особо важных объектов и государственной границы.

Рис. 4. Аппаратуры приемного устройства системы "Арс" ручной стыковки космических аппаратов. Слева - два приемника, справа - блок обработки информации (со снятым кожухом), сзади - пульт оператора

Рис 5. Система "Вектор-ТК" управления тесным строем морских кораблей

Основные отработанные компоненты фотонных систем получили применение в составе систем и комплексов другого принципа действия и назначения. К ним относятся системы радиационного мониторинга, контроля, поиска источников ионизирующих излучений (рис. 6).

Рис. 6. Радиоуправляемый робот разведчик (справа пульт управления) для поиска радиоактивных объектов, оборудованный гамма-локатором и манипулятором с детектором ионизирующего излучения и тремя телевизионными камерами

В целом, по сравнению с устройствами аналогичного назначения, использующими другие физические принципы (радиотехнические, лазерные, инфракрасные, ультразвуковые и т.д.), устройства фотонной техники обладают следующими достоинствами, которые непосредственно определяются свойствами самого фотонного излучения:

большой разрешающей способностью и точностью измерения координат;
полной всепогодностыо и способностью работы через плазму, растительность и другие преграды;
практической необнаруживаемостью и неподавляемостью;
возможностью создания высоконадежной аппаратуры с малыми весами, габаритными размерами и энергопотреблением.

Последнее свойство фотонной техники связано с простотой источников, детекторов и общих схем построения этого типа аппаратуры. Перечисленные свойства, присущие устройствам фотонной техники, делают их особенно перспективными для использования на ракетно-космических, авиационных и других подвижных объектах.

К недостаткам современных систем, использующих фотонное излучение, относятся ограниченная дальность действия, а также возможность вредного воздействия на организм человека и аппаратуру, подобного воздействию электромагнитного излучения СВЧ-диапазона. В космических условиях при отсутствии материальной среды, рассеивающей фотонное излучение, дальность действия фотонных систем в настоящее время составляет километры и может быть доведена до многих десятков километров. В приземных условиях из-за ослабляющего действия атмосферы она ограничена пока сотнями метров, что определяется ограниченной мощностью источников фотонного излучения. Фотонная техника сложилась в самостоятельное научно-техническое направление, имеющее свои физические принципы, теорию, методы расчета и конструирования, элементную базу. Теория и методы расчета фотонных систем определяются физическими свойствами фотонного излучения, особенностями математического описания этих свойств. Генерация фотонного излучения описывается как случайный процесс испускания фотонов, имеющий пуассоновский характер. Статистическое описание имеют и процессы взаимодействия фотонного излучения со средой и его регистрация. Аналитическое исследование этих процессов во многих случаях весьма сложно, так как приходится иметь дело с нестационарными многократными взаимодействиями фотонов со средой. Поэтому большое значение при создании фотонных систем имеют экспериментальные методы исследования на специальных динамических стендах с применением физического моделирования.

Основные определившиеся сегодня области применения фотонной техники:

высокоточные высотомеры малых высот и основанные на них всепогодные системы управления летательными аппаратами;
параметрические всевысотные высотомеры, неконтактные измерители воздушной скорости и углового положения летательных аппаратов относительно набегающего воздушного потока;
дальномеры, координаторы, локаторы и основанные на них системы управления движением, строем, стыковкой, посадкой и взлетом летательных аппаратов, неконтактные взрыватели;
системы навигации и ориентации, основанные на использовании фотонных маяков;
всепогодные системы ближней связи, работающие в радионепрозрачной среде, через плазму и другие препятствия;
всепогодные, работающие через растительность и другие преграды, системы поиска и селекции объектов по различным физико-химическим признакам, системы охраны;
системы видения в непрозрачных средах и через преграды, системы интроскопии;
системы неконтактного измерения массы, массового расхода жидкостей и многофазных потоков и основанные на них системы управления и контроля заправкой и опорожнением баков, работой двигателей и т.д.

Указанные выше конкретные системы представляют первое поколение фотонных систем, созданных ЦНИИ РТК на элементной базе общего назначения, прежде всего на генераторах фотонного излучения в виде источников изотопов и рентгеновских трубок и сцинтилляционных детекторов с ФЭУ. То, что уже на этой элементной базе удалось создать уникальные, не имеющие аналогов в мире, системы, показало перспективность этого нового научно-технического направления. Однако для полной реализации этих перспектив необходима новая элементная база, отличная от стандартной базы электроники общего применения и радиотехники. Это, в частности, твердотельные рентгеновские управляемые генераторы и детекторы. Создание этой новой элементной базы фотонной техники позволит на порядки улучшить ее массо-габаритные параметры, ресурс и надежность, существенно увеличить дальность, точность и откроет новые области их применения, в том числе в локации, интроскопии, телекоммуникациях, вычислительной технике. Распад СССР прервал эти работы. Их возобновление - одно из перспективных и приоритетных направлений отечественного приборостроения.