Инфракрасное лазерное сканирующее устройство

 

Изобретение относится к телевизионным устройствам с оптико-механическим сканированием и может быть использовано в авиационных системах обзора местности. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно установленные инфракрасный лазер 1, коллиматор 2, первое 3 и второе 4 зеркала, первую четырехгранную призму 5 с отражающими гранями, а также двигатель 6, вторую четырехгранную призму 7 с отражающими гранями, первое 8 и второе 9 внеосевые параболические зеркала, фотоприемное устройство 10 на лавинном фотодиоде и дополнительное фотоприемное устройство 11 на лавинном фотодиоде, установленные соответственно в фокусах первого 8 и второго 9 параболических зеркал. Выходы фотоприемных устройств связаны через аналогово-цифровой сумматор с блоком обработки сигналов. 2 ил.

Изобретение относится к телевизионным устройствам с оптико-механическим сканированием и может быть использовано в авиационных системах обзора местности.

Известно оптико-механическое сканирующее устройство, в котором сканирование осуществляется четырехгранной зеркальной призмой, приводимой во вращение двигателем, а фокусировка принимаемого излучения на фотоприемное устройство осуществляется двумя внеосевыми параболическими зеркалами и зеркальной суммирующей призмой [1].

Но это устройство работает только в пассивном режиме, что ограничивает возможность его применения.

Наиболее близким к заявляемому решению является инфракрасное лазерное сканирующее устройство с построчным сканированием КА-98 [2]. В устройстве осуществляется подсветка местности инфракрасным лазерным излучением с малой угловой расходимостью, что позволяет получать информацию об объектах на местности ночью с высоким разрешением. Прием отраженного излучения осуществляется фотоприемным устройством на лавинном фотодиоде, которое в ближнем инфракрасном диапазоне обеспечивает наилучшее отношение сигнал/шум по сравнению с фотоприемными устройствами других типов. Инфракрасное лазерное сканирующее устройство КА-98 содержит последовательно расположенные инфракрасный лазер, коллиматор, первое передающее зеркало, второе передающее зеркало и передающий сканер, а также двигатель, приемный сканер, первое внеосевое параболическое зеркало, второе внеосевое параболическое зеркало, зеркальную суммирующую призму (оптический сумматор), фотоприемное устройство на лавинном фотодиоде, соединенное с входом блока обработки видеосигналов. Передающий и приемный сканеры выполнены в виде правильных четырехгранных зеркальных призм, расположенных на одной оси и механически соединенных с двигателем, параболические зеркала расположены по обе стороны от приемного сканера, а их оптическая ось перпендикулярна оси сканера, зеркальная суммирующая призма расположена над приемным сканером, причем сфокусированное параболическими зеркалами излучение сводится зеркальной суммирующей призмой в одну точку, в которой установлено фотоприемное устройство.

Недостатком данного технического решения является низкая разрешающая способность устройства по направлению полета из-за невысокой частоты сканирования, ограниченной смещением сфокусированного оптического излучения в фокальной плоскости и малыми размерами фоточувствительной области фотоприемного устройства на лавинном фотодиоде.

Целью изобретения является увеличение разрешающей способности устройства.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно расположенные инфракрасный лазер, коллиматор, первое зеркало, второе зеркало и первую четырехгранную призму с отражающими гранями, установленную на валу двигателя, а также вторую такую же призму, установленную на этом же валу, первое и второе внеосевые параболические зеркала, установленные по обе стороны от второй призмы оптическими осями перпендикулярно оси вращения призмы, фотоприемное устройство и блок обработки видеосигналов, введены дополнительное фотоприемное устройство и аналоговый сумматор, при этом фотоприемные устройства установлены в фокусах соответственно первого и второго внеосевых параболических зеркал, их выходы соединены с входами аналогового сумматора, выход которого соединен с входом блока обработки видеосигналов, а фокусное расстояние внеосевых параболических зеркал равно 1,5. ..4 ширины граней второй четырехгранной призмы.

При использовании устройства в авиационных системах обзора местности, где оптико-механическая развертка используется для сканирования в направлении, перпендикулярном направлению полета, а развертка по второй координате осуществляется за счет движения носителя, размер элемента разрешения по направлению полета L определяется скоростью носителя V и частотой сканирования f_cк : L = V/f_ск. При угле сканирования Θ , изменяющемуся от - Θ_м до + Θ_м ( Θ_м - максимальный угол сканирования; 2 Θ_м - угол обзора), оптическому излучению необходимо время Δt = 2 Н/с˙cos Θ, чтобы пройти путь от передающего сканера до объектов обзора и обратно до приемного сканера, где Н - высота полета; С - скорость света. За это время приемный сканер поворачивается на угол Δϕ = f_скΔt , а пятно принятого оптического излучения смещается в фокальной плоскости на Δl=F˙2 Δϕ , где F - фокусное расстояние параболических зеркал: Δl=2 π H˙F f_ск / c˙cos Θ .

В прототипе фокусное расстояние параболических зеркал больше расстояния от параболических зеркал до оси сканера. Величина смещения фокального пятна ограничивает частоту сканирования и разрешение устройства из-за малых размеров фоточувствительного элемента фотоприемного устройства на лавинном фотодиоде.

Введение второго фотоприемного устройства и аналогового сумматора позволяет сделать фокусное расстояние параболических зеркал меньше их расстояния от оси приемного сканера. За счет этого изобретение позволяет уменьшить в 2-4 раза фокусное расстояние параболических зеркал (до 1,5-4 ширины грани второй четырехгранной призмы), увеличить в 2-4 раза частоту сканирования и тем самым увеличить разрешающую способность устройства при выполнении условия, что смещение сфокусированных пятен в фокальных плоскостях не превышает размеров фоточувствительных областей лавинных фотодиодов.

На фиг.1 приведено инфракрасное лазерное сканирующее устройство, общий вид; на фиг. 2 показана электрическая принципиальная схема аналогового сумматора.

Примером конкретной реализации устройства является инфракрасное лазерное сканирующее устройство, содержащее последовательно расположенные инфракрасный лазер 1, коллиматор 2, первое зеркало 3, второе зеркало 4, первую четырехгранную призму 5 с отражающими гранями, а также двигатель 6, вторую четырехгранную призму 7 с отражающими гранями, первое внеосевое параболическое зеркало 8, второе внеосевое параболическое зеркало 9, фотоприемное устройство на лавинном фотодиоде 10, дополнительное фотоприемное устройство на лавинном фотодиоде 11, установленные соответственно в фокусах первого 8 и второго 9 параболических зеркал. Выходы фотоприемных устройств 10 и 11 соединены с входами аналогового сумматора 12, выход которого соединен с входом блока 13 обработки видеосигналов. Первая 5 и вторая 7 четырехгранные призмы расположены на одной оси и механически соединены с двигателем 6, параболические зеркала 8, 9 расположены по обе стороны от призмы 7, а фокусное расстояние параболических зеркал 8 и 9 равно 1,5 - 4 расстояния между противоположными зеркальными гранями призмы 7. При использовании в авиационных системах обзора местности устройство располагается на носителе так, что оптическая ось призм 5, 7 ориентируется по направлению полета. Второе фотоприемное устройство на лавинном фотодиоде выполнено аналогично первому фотоприемному устройству.

Аналоговый сумматор (фиг.2) состоит из трех усилителей, выполненных по схеме с общим эмиттером. Коэффициенты усиления каждого из каскадов равны единице, причем напряжение плюсового источника питания аналогового сумматора в 4-6 раз больше напряжения минусового источника питания. Первые два каскада собраны на транзисторах n-p-n-типа, которые работают на общую нагрузку и соединены с входом третьего каскада на транзисторе p-n-p-типа.

Устройство работает следующим образом.

При использовании в авиационных системах обзора местности за счет вращения четырехгранных призм осуществляется оптико-механическая развертка в направлении, перпендикулярном направлению полета, а развертка по второй координате осуществляется за счет движения носителя. В ночных условиях в устройстве осуществляется подсветка местности сколлимированным лазерным излучением ближнего инфракрасного диапазона (либо полупроводниковым лазером, λ = 0,86 мкм, либо АИГ: Nd-лазером, λ = 1,06 мкм) с расходимостью в несколько угловых минут. Сканирование лазерного излучения по местности в пределах углов от -Θ_м до +Θ_мосуществляется призмой 5, на одну из граней которой в течение строки падает излучение инфракрасного лазера 1, сколлимированное коллиматором 2 и направленное на призму 5 первым 3 и вторым 4 зеркалами. Призма 7 вращается двигателем 6 синхронно с призмой 5 и в любой момент времени отраженное от местности лазерное излучение отражается призмой 7 на первое 8 и второе 9 параболические зеркала и фокусируется соответственно на первое 10 и второе 11 дополнительные фотоприемные устройства на лавинных фотодиодах. Для приема отраженного лазерного излучения в течение строки используются две соседние зеркальные грани призмы 7, принимаемое излучение при этом отражается соответственно на первое 8 и второе 9 параболические зеркала. Принятое инфракрасное излучение, отраженное от местности и объектов на ней, преобразуется в фотоприемных устройствах на лавинных фотодиодах 10 и 11 в электрические сигналы, которые складываются на аналоговом сумматоре 12. Первые два каскада аналогового сумматора работают на общую нагрузку, чем достигается аналоговое суммирование сигналов, а его третий каскад используется для инвертирования просуммированных сигналов. Сигналы с аналогового сумматора 12 поступают на блок 13 обработки видеосигналов, где формируются видеосигналы, величина которых пропорциональна коэффициентам отражения лазерного излучения от местности. Сигналы с блока обработки видеосигналов в дальнейшем поступают либо на радиолинию, либо на систему отображения информации. В дневных условиях инфракрасное лазерное сканирующее устройство работает в пассивном режиме без подсветки местности лазерным излучением. Основное назначение инфракрасного лазерного сканирующего устройства - получение информации об объектах на местности ночью с высоким разрешением.

Формула изобретения

ИНФРАКРАСНОЕ ЛАЗЕРНОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее последовательно расположенные инфракрасный лазер, коллиматор, первое зеркало, второе зеркало и первую четырехгранную призму с отражающими гранями, установленную на валу двигателя, а также вторую такую же призму, установленную на этом же валу, первое и второе внеосевые параболические зеркала, установленные по обе стороны от второй призмы оптическими осями перпендикулярно к оси вращения призмы, фотоприемное устройство и блок обработки видеосигналов, отличающееся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности, оно снабжено дополнительным фотоприемным устройством и аналоговым сумматором, при этом фотоприемные устройства установлены в фокусах соответственно первого и второго внеосевых параболических зеркал и их выходы соединены с входами аналогового сумматора, выход которого соединен с входом блока обработки видеосигналов, а фокусное расстояние внеосевых параболических зеркал равно 1,5 - 4,0 ширинам граней второй четырехгранной призмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2