Адаптивная оптическая система апертурного зондирования

 

Использование: в информационных и измерительных системах. Сущность изобретения: устройство содержит источник коге- peflTHoro излучения 1 с фазовращателем 2, детектор 3, соединенный с амплитудным детектором 5 и последовательно соединенными ограничителем напряжения 4, синхронным детектором 6, фильтром 9 нижних частот, блоком 10 определения знака, выход которого соединен с входом перемножителя 11, а выход последнего - с входом сумматора 12, второй вход которого соединен с выходом модулирующего генератора 7. а выход с управляющим входом фазовращателя 2. Модулирующий генератор соединен с входом управляемой линии задержки 8. выход детектора соединен с входом последовательно соединенных второго полосового фильтра комбинационной частоты, усилителя-ограничителя 14 и фазового детектора 17, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 15, 1-2-3-16-14-17-8-6-9-10-11-12 1-2-3- 5-11-12-13-15-17 1-2-3-4-6-9-10-11-12. 1 ил. ел С

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я >5 G 01 С 3/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О 1 (21 4855611/10 (22 31.07,90 (46 07,02.93. Бюл. M 5 (72 И.B.ÆèBèöêèé (56 Авторское свидетельство СССР

N 1517483, кл. G 01 С 3/08, 1987, Авторское свидетельствс СССР

t+ 1633995, кл. 6 01 С 3/08, 1988, (54I АДАПТИВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМД АПЕРТУРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ (57) Использование: в информационных и измерительных системах. Сущность изобретеНия: устройство содержит источник когерентного излучения 1 с фазовращателем 2, детектор 3, соединенный с амплитудным дете тором 5 и последовательно соединенными, ограничителем напряжения 4, „„Я „„1793219 А1 синхронным детектором 6, фильтром 9 нижних частот, блоком 10 определения знака, выход которого соединен с входом перемножителя 11, а выход последнего — с входом сумматора 12, второй вход которого соединен с выходом модулирующего генератора

7, а выход с управляющим входом фазовращателя 2. Модулирующий генератор соединен с входом управляемой линии задержки

8, выход детектора соединен с входом последовательно соединенных второго полосового фильтра комбинационной частоты, усилителя-ограничителя 14 и фазового детектора 17, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 15, 1 — 2 — 3-16 — 14 — 17 — 8 — б — 9 — 10 — 11 — 12 1 — 2-3—

5 — 11 — 12 — 13 — 15 — 17 1 — 2 — 3 —.4 — 6 — 9 — 10 — 11 — 12.

1 ил.

1793219

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в информационных и измерительйых сйстемах, Известны различные устройства адаптивных оптических систем апертурного зондирования, в которых по отраженному сигналу происходит подстройка фаз когерентных излучателей.

В данных устройствах предлагается введение временной задержки в опорный сигнал, равной времени распространения излучения до мишени и обратно, Недостатком этих устройств является то, что ошибка в значении дальности до объекта приводит к ошибкам фазирования системы в целом, Наиболее близкой по технической сущности является адаптивная Оптическая система, содержащая источник когерентного излучения с фазовращателем, детектор, синхронный детектор, фильтр нижних частот, сумматор, модулирующий генератор, амплитудный детектор, ограничитель напряжения, управляемую линию задержки, блок определения знака; перемножитель. В процессе работы сигнал источника когерентного излучения проходит через фазовращатель, при этом фазовая модуляция отраженного излучения принимается детектором. Этот сигнал одновременно поступает на ограничитель напряжения и амплитудный детектор. Предварительно в линии задержки устанавливается величина задержки, соответствующая времени прохождения сигнала до мишени и обратно, На выходе синхронного детектора сигнал пропорционален разности фаз сигнала с выхо да ограничителя и линии задержки. В зависимости от знака выходного напряжения синхронного детектора формируется соответствующий сигнал фазовой коррекции, который суммируется в сумматоре с модулирующим сигналом для управления фаэовращателем. Тем самым обеспечивается уменьшение зависимости сигнала фазовой коррекции от ошибок измерения дальности, приводит к повышению точности фокусировки лазерного излучения источника на мишень.

Недостатком данного устройства является необходимость предварительного измерения дальности от объекта, что требует наличия дополнитеЛьной измерительной дальности системы, при этом каналы измерения оптической системы и дополнительной дальномерной системы требует точного углового совмещения, что приводит к существенному снижению надежности работы адаптивной системы в целом.

Целью изобретения является повышение точности, Эта цель достигается эа счет использования комбинационных частот фазовой модуляции для измерения дальности до цели.

Для этого в устройство-прототип дополни5 тельно введены усилитель-ограничитель, смеситель, два полосовых фильтра и фазовый компаратор. При этом первый вход смесителя соединен с выходом одного иэ модулирующих генераторов, а второй вход

"0 — с выходом другого модулирующего генератора, выход — с входом первого полосового фильтра, вход второго полосового фильтра соединен с выходом оптического детектора, а выход — с входом усилителя-ограничителя, 15 выход которого соединен со вторым входом фазового компаратора, первый вход которого coeдинен с выходом первого полосового фильтра, э выход — с входом управляемой линии задержки.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Разложим в ряд Бесселя-Фурье выражение для интенсивности отраженного от точечной цели сигнала

1 = (ч соз (o)p t +ð +ô sin Q! t))г, (1)

% где ч! — напряженность поля, создаваемая

30 l-ой субапертурой на объекте; во — частота оптического излучения;

p, — собственная фаза излучения i-ой субапертуры на объекте, содержащая собственную фазу генератора и геометрический

35 набег фазы от l-ой субапертуры до объекта; ф — индекс фазовой модуляции в i-ом канале;

И! — частота фазовой модуляции в i-ом канале.

40 При преобразовании выражения (1) учтем только низкочастотные составляющие ,вида

А!! = созе Л р + ф(8а И t — sin Q! t)) (2) где Ap =p — pj, ф=.ф =ф, 45 После преобразований выражение (2) легко переписать в виде (с учетом третьей и четвертой гармоник частот фазовой модуляции)

А!! = cos Лф !/lo + 21,1гсоз2 Qi t+ г

50 + 21оlгсоз 2 0! t + 2 lp 14 соз 4 Я! i +

+ 4 1г . cos 2 Q i t cos 2 op t + 4 1г 14 соз 2 х

xQ; t cos 4 И! t + ...) + sin Ьр! (2 1» ll sin

Q! t + 2 11 12 sin Q> t) Cos 2 Q< t +2 lgl4 sin хй! t соз 4 Q! t+2 !о1э sin 3 Q t+41г!эх

55 sin 3 Q! t cos2 0< + 2!о!! sin Q t+ 21!1г

sin Qi t cos 2 Q! t + ...), где li — функция Бесселя i-го порядка от индекса фазовой модуляции.

1793219

10 эом

25

35

50

Анализируя выражение (3) можно выделить члены вида

sin Лр> . 2 I > lz sjn Qi t cos 2 Qj t (4.1), slo Apj 2 i112 slrj QJ t cos 2.QI t(4,4) или„же со з Лр 4 I2 cos 2 Q t сов 2 Й t(4.3), cos Acpjj 4 11 sin Qq t sin Qj t (4.4) и 1.п.

В спектре сигналов (4) присутствуют комбинационные частоты, например, для вь|ражения (4.4)

cos Apj 2 112 (cos (Qj — Qj) t)— ! — (— сов (Q; + Q ) t) (5)

При распространении излучения от излучающей апертуры до объекта и обратно ка кдая частотная составляющая за счет задержки сигнала в кайале получит дополнительный фазовый сдвиг, пропорциональный дальности до объекта. Низкие рэзностные частоты позволяет однозначно измерить дальность до объекта.

На чертеже показана структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник 1 когерентного излучения, фазовращатель 2, детектор 3, ограничитель 4 напряжения, амплитудный детектор 5, синхронный детектор 6, модулирующий генератор 7, управляемая линия задержки 8, фильтр 9

I нижних частот, блок 10 определения знака, перемножитель 11, сумматор 12, смеситель

13, усилитель-ограничитель 14, первый полосовой фильтр 15 комбинационной частоть|, второй полосовой фил ьтр 16 комбинационной частоты, фазовый детектор 17.

Описание устройства в статике.

Источник 1 когерентного излучения оптически соединен с входом фазовращателя

2, выход которого оптически соединен через объект с входом детектора 3, выход которого одновременно соединен с входами амплитудного детектора 5, ограничителя напряжения 4 и входом второго полосового фильтра комбинационной частоты 16. Выход ограничителя напряжения 4 соединен с входом синхронного детектора 6, второй вход которого соединен с выходом управляемой линии задержки 8, а выход с входом фильтра нижних частот 9, выход которого соединен с входом блока определения знака 10, выход которого соединен с первым входом перемножителя 11, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 5, выход перемножителя 11 соединен с первым входом сумматора 12, второй вход которого соединен с выходом модулирующего генератора 7. а выход — с управляющим входом фазовращателя 2, первый и второй входы смесителя 13 соединены с выходами модулирующих генераторов 7 двух различных каналов устройства, а выход — с входом первого полосового фильтра комбинационной частоты 15, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 17, второй вход которого соеди-. нен с выходом усилителя ограничителя 14, вход которого соединен с выходом второго

nonocosoro фильтра комбинационной частоты 16. выход фазового детектора 17 соединен со входами управляемой линии задержки 8 всех каналов.

Устройство работает следующим обраОптическое излучения источника 1 когерентного излучения проходит через фазовращатель 2, где приобретает в каждом канале дополнительный фазовый сдвиг, состоящий из фазы управления и фазовый сдвиг на частоте модуляции в канале. Излучение отдельных каналов достигает обьекта, где создается интерференционная картина излучения всей аппаратуры. Отрэженное от цели излучение принимается детектором 3, с выхода которого сигнал поступает на вход ограничителя напряжения 4 и амплитудного детектора 3, а также на вход второго полосового фильтра 16 комбинационной частоты. Ограничитель напряжения 4 позволяет исключить зависимость процедуры определения знака сигнала от его амплитуды, которая производится блоками 6, 9 и 10. Сигнал с выхода ограничителя напряжения 4 подается на вход синхронного детектора 6 на второй вход которого ïîдается сигнал с выхода модулирующего генератора 7 через управляемую линию задержки 8. Сигнал с выхода синхронного детектора подается на фильтр нижних частот

9, где выделяется низкочастотный сигнал, пропорциональный разности фаз принятогО и модулирующего колебаний на частоте дан- ного канала, Амплитудный детектор 5 выделяет величину отклонения фазы данного канала от опорной фазы, т.к. она пропорциональна амплитуде колебаний в отраженном сигнале на частоте данного канала, как зто известно из теории адаптивных систем апертурного зондирования (см. "Адаптивная оптика" сб. статей под ред. Вейриченко), Блок определения знака 10 определяет знак напряжения на выходе фильтра низких частот 9.

Сигнал с выхода блока определения знака 10 перемножается в перемножителе

12.с сигналом с выхода амплитудного детектора 5. B результате на выходе получаем сигнал коррекции фазы в данном канале.

1.793219

Составитель М.Терещенко

Техред М.Моргентал Корректор А.Мотыль

Редактор

Заказ 494 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5. Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул. Гагарина. 101

Сигнал с выхода перемножителя 11 складывается с модулирующим колебанием с выхода модулирующего генератора 7 в сумматоре 12, сигнал с выхода которого является управляющим для фазовращателя 2. 5

Можно считать, что канал определения знака сигнала коррекции, содержащий ограничитель напряжения 4, синхронный детектор 6, фильтр 9 нижних частот и блок 10 определения знака, реализует точное изме- 10 рение дальности до объекта в данном канале. Для реализации грубой шкалы измерения дальности измерения нужно проводить на низкой частоте, чтобы обеспечить однозначность измерений в диапазоне 15 .максимальных дальностей и ввести грубо значения временной задержки в управляе. мую линию задержки 8 во всех каналах одновременно. Для этого в устройстве выбираются два канала так, чтобы выполня- 20 лось условие

С/(Q > — 9;) D ax (6) где С вЂ” скорость света;

Й, Q — модулирующие частоты;

DMax — максимальная дальность работы 25 адаптивной оптической системы, Сигналы с выходов модулирующих генераторов 7 двух каналов, удовлетворяющих

Формула изобретения

Адаптивная оптическая система апертурного зондирования. содержащая источник когерентного излучения с фазовращателем, детектор, выход которого соединен с входом амплитудного детектора и последовательно соединенных ограничите.ля напряжения, синхронного детектора, фильтра нижних частот, блока определения знака, выход которого соединен с вторым входом перемножителя, первый вход которого соединен с входом управляемой линии задержки, вход которой соединен с вторым входом синхронного детектора и первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом переключателя, а выход — . с управляющим входом фаэовращателя, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышеусловию (6), поступают на входы смесителя

13. Сигнал с выхода смесителя 13 поступает на вход первого полосового фильтра 15 комбинационной частоты, настроенного на разностную частоту, Сигнал с выхода детектора

3 поступает на вход второго полосового фильтра 16 комбинационной частоты, настроенного на ту же частоту, что и первый, с выхода которого сигнал поступает на вход усилителя-ограничителя 14, который усиливает и ограничивает сигнал раэностной частоты для исключения зависимости выходного сигнала фазового детектора 17 от амплитуды сигнала комбинационной частоты. На выходе фазового детектора 17 сигнал пропорционален разности фаз колебаний комбинационных частот, формируемой смесителем 13 и выделенной иэ отраженного сигнала, которая пропорциональна дальности до объекта, Сигнал с выхода фазового детектора 17 поступает на управляющие входы управляемых линий задержки 8 всех каналов.

Таким образом, в управляемую линию задержки вводится информация о дальности, где и происходит компенсация временной задержки в канале распространения излучения. ния точностй работы устройства, дополнител ь но введен ы усилитель-огра ничител ь, смеситель, первый и второй полосовые фильтры комбинационной частоты, фазовый . детектор, причем выход детектора соединен с входом второго полосового фильтра комбинационной частоты, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, первый вход смесителя соединен с выходом модулирующего генератора i-го канала, а второй вход — с выходом модулирующего генератора j-го канала, выход смесителя соединен с входом первого полосового фильтра комбинационной частоты, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, выход которого соединен с управляющими входами управляемых линий задержки;