Способ управления волновым фронтом зондирующего излучения

 

Изобретение относится к квантовой радиотехнике и может быть использовано в информационных и измерительных системах . Целью изобретения является повышение интенсивности улучшения на вращающемся протяженном объекте за счет уменьшения дисперсии фазовой ошибки. Цель изобретения Достигается тем, что отраженное от объекта излучение гетеродинируют с опорным пучком частоты f f0+fn, фильтруют и детектируют на частоте fn, причем частоту fn выбирают из условия шр fo/c+fmax, где а) - угловая скорость вращения объекта радиуса р с - скорость света; fnmax максимальная частота фазовой модуляции. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ, 2 (21) 4897148/22 (22) 25.12.90 (46) 23.04.93. Бюл. hh 15 (72) B. В. Клейменов

:: (56) Харди Дж, ТИИЭР т. 66, йв16, 1978, с. 48;

Адаптивная оптика/под ред. 3, Витриченко. М,: Мир, 1980,.с. 29 — 31. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВОЛНОВ6!М

ФРОНТОМ ЗОНДИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к квантовой радиотехнике и может быть использовано в информационных и измерительных систеИзобретение относится к квантовой ра. диотехнике и может быть использовано в информационных и. измерительных системах. . Наиболее близким к данному способу является способ управления волновым фронтом передаваемого излучения, основанный на апертурном зондировании оптических .каналов. Он основан на расщеплении исходного пучка частоты м=42л на N субпучков, введении в каждый иэ субпучков

: фаэовой модуляции на своей частоте излу.: чения, фильтрации сигналов на частотах фаэовой модуляции f1l f2...., fn, ...Ь их детектировании и во введении инвентиро.: ванных по знаку полученных сигналов коррекции в каждый из субпучков.

При введении фазовой модуляций в каждый из субпучков к комплексная амплитуда поля в некоторой точке (например, на точечном объекте) равна

E=A ) SXp) ttn+Un+ g>Sln tnnt+ иЬС (() п =1

„„59„„1810863 А1 (я)ю G 01 S 17/00, G 01 С 3/08 мах. Целью изобретения является повышение интенсивности улучшения на вращающемся протяженном объекте за счет уменьшения дисперсии фазовой ошибки, Цель изобретения Достигается тем, что отраженное от объекта излучение гетеродинируют с опорным пучком частоты f-10+1„, фильтруют и детектируют на частоте fn, причем частоту fn выбирают из условия

fn>2 вр fo/(:+fmax, где м- угловая скорость вращения объекта радиуса р; с — скорость света; fnmax. максимальная частота фазовой-модуляции. 2 ил. где А — амплитуда поля отдельного субпучка; ап — фаза субпучка на объекте; ф п вам=2 Nfn — коэффициент и частота фаэовой модуляций, вводимой в и-й субпучок (в начальный момент времени)(О =О);

1.4 — сигнал коррекции по фазе.

Тогда интенсивность излучения на мишени будет равна

N и

I=EE*=A g g COS(()t)n — Р(), nk =1 где (/)n=Pn+Qsin а))д, à Pn=an+Un

Использовав разложение БесселяФурье, получают известное выражение для отраженного сигнала

С0 г

i =А ()о (ф ) созф() — pk) 4!о(А!1(1/) х

nk =1 х g f sin tnn t x sin ()I -Ps) + 4 t (ф х

nk .=- 1 х l2 (tIJj 2, сов 2 соо с соя (о, — ))x) )+

nk =1

1810863

Е, процессе фильтрации гармонических составляющих на частотах фазовой модуляции аН, ..., вм выделяются сигналы коррекции, которые пропорциональны величине фазовой ошибке в данном оптическом канале (субпучке)

$порп Вп $!п(фп фпош) (4) где Bn — амплитудный коэффициент пропорциональности, в1пф

Bn out = агс я (- П ) . (5)

l = l

gcosPi опорная фаза для и субпучка.

В процессе адаптации достигается

Вп»Впо о и тем самым обеспечивается фазировка всех субпучков на объекте, в том числе и при наличии динамических возмущений на трассе распространения излучения (например, атмосферных турбулентных).

Данный способ устойчив при работе с точечным объектом. В случае неподвижной протяженной мишени происходит фокусировка на наиболее яркую "блестящую" точку, Однако в случае вращения объекта спекл-структура отраженного излучения перемешивается по приемной апертуре.

Так, при вращении объекта вокруг оси у пространственная спектральная плотность мощности (СПМ) после детектирования определяется одномерным интегралом

So(f)» —, So(fx, fy)dfyfx»f/vx (6) ! х -оо где So(fx, fy) — пространственная СПМ интенсивности спекл-сигнала, прошедшего через приемную апертуру;

Vx»2R И вЂ” относительная скорость в направлении ьси Х на апертуре;

Q- тангенциальная составляЮщая скорости вращения мишени, т.е. проекция скорости, перпендикулярная оси, соединяющая апертуру и объект, точнее его центр вращения), Анализ устойчивости способа апертурного зондирования показывает в частности, что при скоростях вращения мишени, при которых спектр спекл-шума совпадает с диапазоном модулирующих частот fl, ..., fN, способ управления волновым фронтом излучения на основе апертурного зондирования каналов излучения приводит к увеличению дисперсии фазовой ошибки в канале адаптивной системы, что ведет к снижению интенсивности излучения на мишени.

В данном способе используется априорное значение параметров со ир объекта.

Известно,,что размер существующих и перспективных космических аппаратов не превышает 20 — 50 м, а угловая скорость их вращения составляет: для стабилизированных объектов 10 рад/с. а нестабилизированных - 10 2 рад/с. С учетом этих данных можно априорно сделать вывод о выборе частоты больше некоторого максимальйого прогнозирующего сдвига частоты, обусловленного вращением объекта, с

При неблагоприятных условиях наступает полная расфазировка пучков и данный способ становится неработоспособным, что является его существенным недостатком.

Целью изобретения является повышение интенсивности излучения на вращающемся протяжном объекте за счет уменьшения дисперсии фазовой ошибки.

На фиг, 1 представлен вид протяжного вращающегося объекта в заданной системе координат; на фиг; 2 — устройство, реализующее данный способ, где обозначено: 1— лазер; 2-1, ... 2-(И+1) — зеркала-делители;

3-1, ..., 3 — N — фазовые модуляторы-коррек15 торы; 4 — генератор опорной частоты; 5— частотносдвигающее устройство; 6 — полупрозрачное зеркало, 7 — оптический приемник; 8 — полосовой фильтр; 9 — фазовый детектор; 10 — полосовой фильтр: 11-1, ..., 1 1 —.N — фазовые детекторы; 12-1...„12-N— фильтры нижних частот; 13- 1, ..., 13-N— генераторы частот фазовой модуляции, 14—

1, „., 14-N - сумматоры.

Цель изобретейия достигается тем, что

25 исходный пучок частоты fo расщепляют на пучки, вводит в каждый из пучков фаэовую модуляцию на своей частоте f,, гетеродинируют отраженное от объекта излучение с опорным пучком частоты f»fo+fn, причем ча30 2й) fo стоты fn выбиРают из УсловиЯ fn> . о + с

+fmsx. где в — угловая скорость вращения объекта радиуса р; с — скорость света; fnmax — максимальная частота фазовой модуля35 ции, фильтруют и детектируют сигнал на частоте затем фильтруют и детектируют сигнал на частотах фаэовой модуляции и вводят инвентированные по знаку полученные сигналы (коррекции) в субпучки.

Сущность способа — гетеродинирование отраженного от объекта излучения с опорным пучком с частотой fo+fn, где частота передаваемого излучения, для того, чтобы перевести диапазон рабочих частот

45 из области частот, подверженной воздействию спекл помехи.

1810863

5 (14) «2аа 2 а с (9) 55

Общими операциями для заявляемого способа и прототипа является расщепление исходного пучка частоты fe на субпучки, введение в каждый из субпучков фазовой модуляции на частоте f>, фильтрация и детектирование сигналов на частотах фазовой модуляции, введение инвентированных flo знаку полученных сигналов в субпучки.

Поле, отраженное от протяженной мишени, рассматриваемой в виде совокупности из L ""блестящих" точек можно (с учетом выражения (1)) записать в виде суперпозиции полей, отраженных от L точек

Е = ) А! f ехр ров! +!Р в(о с!в t+

N=1

+ No t + ой t+ Age t + ф>тре ), (8) где йРве и Age — радиальная и тангенциальная составляющие доплеровского сдвига частоты излучения при отражении от 1-й точки; фотре — фазовый коэффициент отражения 1-й точки;

А! — амплитуда поля от 1-й точки с учетом ее амплитудного коэффициента отражения;

Рпе — набег n-ro субпучка до 1-й точки.

Величина радиальной составляющей доплеровского сдвига.при вращении объекта (рассмотрим случай вращения вокруг оси у, однако полученные выводы справедливы и для общего случая вращения) максимальна у точек 1 и 2, т.е. у точек пересечения оси х с поверхностью объекта (фиг. 1) и равна где Q — угловая скорость вращения объекта радиуса р, А=с/fe — длина волны излучения.

При этом (при показанном на фиг. 1) .направлении вращения объекта) частота сигнала, отраженного от точки 1 сигнала будет fo+. -у =, а от точки 2 f>- — =-.

2 Ял 2 ал

В точке 3, лежащей на пересечении поверхности объекта и оси, соединяющей центр вращения объекта с точкой наблюдения, fgaP =0, (10) в9 !9 (11) Поэтому можно считать, что для остальных точек, лежащих на поверхности объекта, 0< 1fg < fg 1.2 (12) Теперь задача заключается в выделении отраженного сигнала только от точки с нулевым доплеровским сдвигом, Гетеродинируют отраженное от протяженного объекта

5 излучение с опорной волной амплитуды Еп, сдвинутой по частоте относительно исходного субпучка на f(((о выборе ее величины

° будет сказано ниже).

Тогда после гетеродинирования получа10 ют сигнал, пропорциональный! Еп +Е +2ЕпЕсоз(й>о+ Мп (d о)в =

=Еп +Е +2ЕпЕсоз в t. (13) Или с учетом (8) и (11) ! Ев +E 2Ес g А! g сов(ох,— и=1

Оде )в+ 31п жпв Рпе фотре) 20

Выбирают частоту опорной волны сип=2

fn из условия

Г(Ь > A/max+ в(п от max (15)

25 т.е. больше суммы частоты максимально возможных доплеровского сдвига при вращении объекта и максимальной из частот фаЗОВОй МОДУЛЯЦИИ В,оДе2(, ВВОДИМОЙ В

30 субпучки.

Тогда в предположении, что после гетеродинирования осуществлена фильтрация сигнала на частоте вп, то все составляющие сигнала (14) с доплеровскими составляющими по частоте Ng(р будут отфильтрован ы (с точностью до ширины полосы пропускания. фильтра). В это равносильно тому, что все сигналы, отраженные от блестящих точек на поверхности вращающегося объекта и пол40 учивших доплеровский сдвиг по частоте by: дут отфильтрованы, кроме сигнала, отраженного от точки, у которой такого доплеровского сдвига не будет. Такой точкой является точка, лежащая на пересечении по45 верхности обьекта с линией, соединяющей точку приема отраженного сигнала и центр вращения объекта. Т.е. данная точка явится как бы опорной точкой для фокусировки излучения на поверхности вращающегося объ50 екта

После фильтрации сигнал (14) на частоте

fn его детектировании (например, фазовом детектировании) получил сигнал только от опорной точки объекта! 2елА 2 савв(+ !Рв>о овх! ((6! и =1 (фазовый коэффициент фотре опущен, так как отражение происходит лишь от одной

1810863 точки и, следовательно, он одинаков для всех сигналов).

Дальнейшая реализация способа аналогична прототипу. Действительно, переписывают (16) в виде 5

1 2ЕвА 2, (COSôïСОВ(1В В1С С1вв) и =1 — sin P sin y з1п co

Как и в прототипе, при малых 1/)(обычно ф

= 200-30О) можно считать, что соз(ф з! и wt)

=1.

Тогда после фильтрации сигнала (17) на 15 .частотах в1, .... вм и последующего детектирования получим сигналы ошибки, пропорциональные

$poj1 в 1/У З1П)01, ..., Soo2fg " ф 3!П pf4

После инвентирования по фазе в субпучки вводят сигналы коррекции

$кор1=$ош1", $корй= $oo1N

Результатом является p1= pz=...= ф =0; т.е, выравнивание фаз всех субпучков на опорной точке, что обеспечит фокусировку излучения. Данный способ работоспособен как при работе по точечному объекту, так и не- 30 вращающемуся протяженному (в этом случае,. как и в прототипе, фокусировка будет производиться на наиболее яркую блестящую точку, Устройство, реализующее данный спо- 35 соб, функционирует следующим образом..

Посредством зеркал-делителей 2-1, ..., 2-N исходный пучок частоты fo от лазера 1 рас.щепляется на Nсубпучков,,в каждый иэ которых с помощью фазовых модуляторов-. 40 корректоров 3 — 1, ..., 3-N, управляемых генераторами частот фаэовой модуляции 13-1, ..., 13-N вводится фаэовая модуляция на частотах в1, ..., ви.

Отраженное от объекта излучение1 ада- 45 ет через полупрозрачное зеркало 6 на оптический приемник 7. Часть излучения от лазера 1 проходит через частотосдвигающее устройство.5 (например, ячейку Брегга), управляемое генератором опорной частоты 50

4. В результате опорная волна частоты f f> через зеркало 6 падает на вход оптического приемника 7, где гетеродинирует с излучением, отраженным от объекта, После гетеродинирования на выходе приемника 55 сигнал проходит через полосовой фильтр 8, настроенный на частоту fo, и затем на фазовый детектор 9. Полосовой фильтр 10 выделяет сигнал (см. выражение 16), который поступает на фаэовые детекторы 11-1,...,11N, на вторые входы которых поступают опорные напряжения на частотах в1, „., вы от генераторов частот фаэовой модуляции

13-1, ..., 13-N от генераторов частот фаэовой модуляции 13-1, ..., 13 — N и затем через фильтры нижних частот 12 — 1,..., 12-N на сумматоры 14-1, .;., 14-N. Таким образом, полученные сигналы коррекции подаются на фазовые модуляторы-корректоры. Результатом является фокусировка излучения на опорной точке протяженного объекта, Технико-зкономическая эффективность данного способа заключается в следующем.

Пример 1. Пусть длина волны излучения А=1 мкм. объект радиусом р-5 м находится на расстоянии R=100 км и период его обращения Т=60 с, т,е. в =2 а /Т=

= г/30(рад/с), Тогда сигналы, отраженные от

"блестящих" точек объекта, приобретут доплеровские сдвиги до

Иа 314 5

fgmax = 2 — - = 2 = 1,05 мГц.

3g, 1Р-6

Очевидно, что при сравнительно малой угловой скорости вращения объекта радиальная составляющая доплеровского сдвига по частоте довольно велика (105 МГц) и сигналы с такими частотами и меньше будут легко отфильтрованы после гетеродинирования, Доплеровский сдвиг для точек, лежащих относительно опорной точки не более, чем на р «10см, будете рlро=50 раз меньше, т.е. составит порядка 20 кГц, t.е. по величине соизмерим с диапазоном модулирующих частот (обычно Л1мод=10 — 30 кГц).

Т.е, можно ожидать, что область фокусировки составит пятно порядка 20 см.

Учитывая, что в адаптивных оптических системах при работе по протяженным вращающимся объектам, как правило не удается сжать луч меньше, чем размера объекта, то использование данного способа управления при соответствующих размерах апертуры позволит увеличить интенсивность порядка в 650 =2500 раз, Другим достоинством данного способа является то, что данная опорная точка принадлежит объекту и, следовательно при реализации данного способа будет осуществляться режим прецизионного слежения за цепью.

Формула изобретения

Способ управления волновым фронтом зондирующего.излучения, основанный на расщеплении исходного пучка излучения с

1810863 сигналы на частоте Ь, причем частоту f< выбирают из условия

©яfo

fn>2 + пмэкс, с

Апертура

Фиг1

Составитель M. Раевская

Техред М.Моргентал Корректор С, Лисина

Редактор

Заказ 14ФБ 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 частотой f< íà N субпучков, фазовой модуляции каждого из N субпучков на частоте f<, направлении излучения на объект, приеме отраженного излучения, фильтрации сигналов на частотах фазовой модуляции, детектировании сигналов и инвертировании сигналов по фазе и введении полученных сигналов в субпучки, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности излучения на вращающемся протяженном объекте эа счет уменьшения дисперсии фазовой ошибки, отраженное от объекта излучения гетероди ируют с опорным пучком с частотой f=fo+fn, фильтруют и детектируют где а — максимально возможная угловая скорость вращения объекта; р — максимально возможный радиус

10 вращающегося объекта; с — скорость света; пмакс максимальная частота фазовой модуляции,