Система импульсной лазерной локации

 

Изобретение относится к оптической локации. Система содержит импульсный лазер, формирующее устройство для передачи и формирующее устройство для приема отраженного лазерного излучения, фотоприемное устройство, сканирующее и вычислительное устройства. Новым в системе является объединение формирующих устройств в общий оптико-механический переключатель с единым оптическим трактом, через который проходит оптическая ось сканирующего устройства. Последнее выполнено в виде галилеевского телескопа, в сходящихся оптических лучах которого установлена с возможностью вращения и наклона относительно его оптической оси плоскопараллельная пластинка. Фотоприемное устройство смонтировано на корпусе переключателя, который снабжен обтюратором. Импульсный лазер имеет возможность регулирования расходимости импульсного излучения. Это позволяет создать компактную систему локации при обеспечении возможности адаптивной подстройки к априорно заданным задачам локации путем повышения чувствительности системы при фиксированной площади выходного зрачка локатора и расширения ее возможностей за счет сочетания сканирования пространства с управлением расходимостью индикатрис лазерного импульсного излучения в зависимости от дальности и закона движения отслеживаемого объекта. 6 ил.

Изобретение относится к области оптической локации и может быть использовано для поиска, обнаружения и автоматического сопровождения воздушных объектов с выдачей их пространственных координат.

Системы лазерной локации известны, например, из следующих источников: Б. Ф. Федоров. Лазеры. Основы устройства и применение. М. 1988, с.141-146; SU N 1649270 G 01 C 3/08; SU N 1751709 G 01 S 17/00; EP N 0395614 G 01 S 3/789; DE N 3935683 G 01 S 7/48, G01S17/00; US N 4231533 F 42 B 15/02.

Система импульсной лазерной локации, как правило, содержит источник электромагнитного излучения в виде лазера, работающего в импульсном режиме, оптическое формирующее устройство для передачи импульсного лазерного излучения в исследуемое пространство, отдельное оптическое формирующее устройство для приема отраженного от объекта исследования импульсного лазерного излучения, фотоприемное устройство отраженного от объекта импульсного лазерного излучения, сканирующее устройство и вычислительное устройство для обработки сигналов, выдачи пространственных координат объекта и управляющих команд.

Для изменения расходимости излучения в известных системах используются сложные оптические устройства, например, панкратическая оптика, набор переключающих оптических телескопов, которые дискретно изменяют угол расходимости излучения.

Повышению чувствительности известных систем при фиксированной площади выходного зрачка локатора препятствует наличие отдельных оптических трактов для передачи лазерного излучения и приема отраженного излучения, что приводит к потере площади приема примерно в 2 раза. Кроме того, при применении полупроводниковых фотоприемных устройств с внутренним лавинным умножением в таких системах наблюдается мощная обратная засветка, которая выводит приемный электронный тракт из действия на рабочем диапазоне времени приема.

Уменьшения влияния отмеченных факторов в системах оптической локации с помощью известных средств приводит к возрастанию сложности и громоздкости систем.

Из указанных источников за ближайший аналог выбирается изобретение SU N 1649270 G 01 C 3/08. Эта система оптической локации содержит лазер (поз.1), формирующее устройство для передачи лазерного излучения в пространство (в виде полупрозрачных зеркал 2 и 3, представляющих собой оптический делитель, и блока фокусировки 4), формирующее устройство для приема отраженной энергии (поз.2, 3, 4), сканирующее устройство (поз.5), фотоприемное устройство (поз. 11) и вычислительное устройство.

Эта система имеет те же вышеописанные недостатки.

Изобретение направлено на создание компактной системы импульсной лазерной локации при обеспечении возможности адаптивной подстройки к априорно заданным задачам локации путем повышения чувствительности системы при фиксированной площади выходного зрачка локатора и расширения ее возможностей за счет сочетания сканирования пространства с управлением расходимостью индикатрис лазерного излучения в зависимости от дальности и закона движения отслеживаемого объекта.

Для достижения этого в системе импульсной лазерной локации формирующее устройство для передачи импульсного лазерного излучения и формирующее устройство для приема отраженного импульсного лазерного излучения выполнены в виде общего оптико-механического переключателя для передачи и приема импульсного лазерного излучения по единому оптическому тракту, на котором расположена оптическая ось сканирующего устройства, выполненного в виде галилеевского телескопа, в сходящихся оптических лучах которого установлена с возможностью вращения и наклона относительно его оптической оси плоскопараллельная пластинка, фотоприемное устройство смонтировано на корпусе указанного переключателя, который имеет обтюратор, при этом использован лазер с регулируемой расходимостью импульсного излучения.

При таком выполнении в системе локации создается единый приемо-передающий оптический тракт с одним зрачком локатора для излучения и приема оптической энергии, образованный упомянутыми оптико-механическим переключателем и сканирующим устройством.

Рациональное использование зрачка локатора в сочетании с обтюратором, позволяющим использовать одноплощадочный лавинный фотодиод, повышает чувствительность локатора при фиксированной площади выходного зрачка.

Применение сканирующего устройства указанной конструкции в сочетании с возможностью электронным способом изменять расходимость излучения лазера, позволяет оптимально настраивать систему для зондирования заданного пространства с отслеживаемым объектом. Изобретение поясняется примером.

На фиг.1 представлена функциональная схема патентуемой системы локации; на фиг.2 сканирующее устройство; на фиг.3 оптико-механический переключатель; на фиг.4 оптико-механический переключатель в разрезе по А-А; на фиг.5 функциональная схема импульсного лазера с регулируемой расходимостью излучения; на фиг.6 поля сканирования А, В, С; угловая расходимость индикатрис a, b, c.

Система импульсной лазерной локации (фиг.1) содержит стабилизированное управляемое по двум взаимно-перпендикулярным осям зеркало 1, дихроическое зеркало 2 для возможности комплексирования, сканирующее устройство 3, обеспечивающее отклонение индикатрисы излучения от центральной оси Х-Х и позволяющее динамически перестраивать траекторию сканирования, оптико-механический переключатель 4 для передачи и приема импульсного лазерного излучения по единому оптическому тракту, через который проходит центральная оптическая ось сканирующего устройства 3, импульсный лазер 5, блок 6 питания и управления лазером, фотоприемное устройство 7, блок 8 управления величиной угла расходимости индикатрисы излучения лазера, блок 9 синхронизации и управления сканирующим устройством для изменения траектории сканирования, вычислительное устройство 10 и блок 11 управления стабилизированным зеркалом 1.

Сканирующее устройство (фиг.2) выполнено в виде галилеевского телескопа и содержит корпус 12, положительную линзу 13 и отрицательную линзу 14 для формирования излучения и приема энергии и установленную в сходящихся оптических лучах подпружиненную плоскопараллельную пластинку 15, закрепленную в роторе 16 двигателя 17. С пластинкой 15 контактирует подающий шток 18, связанный с зубчатой гайкой 19, управляемой червяком 20 от двигателя 21. Сканирующее устройство имеет оптический кодовый лимб 22 и оптроны 23 и 24 для регулирования скорости вращения двигателя 17 и контроля угла поворота плоскопараллельной пластинки 15 вокруг центральной оси сканирующего устройства. Датчик 25 с шестерней 26 служит для контроля положения подающего штока 18 и контроля угла наклона пластинки 15 относительно оси Х-Х.

Оптико-механический переключатель (фиг. 3 и 4), объединяющий в себе формирующее устройство для передачи излучения в исследуемое пространство и формирующее устройство для приема отраженного от объекта излучения, содержит корпус 27, в котором на опорах качения установлен приводной ротор 28, несущий приемо-передающие призмы 29 и 30 и обтюратор 31. Призмы соединены между собой гипотенузными гранями с воздушной прослойкой 32, обеспечивающей эффект полного внутреннего отражения светового луча при определенных углах. На корпусе 27 размещена система преломления светового луча, выполненная в виде призмы 33 и пары линз 34 с полевой диафрагмой 35 между ними. На корпусе 27 и роторе 28 установлены датчики 36 и 37 углового положения ротора относительно корпуса.

Фотоприемное устройство 7 смонтировано на корпусе 27 переключателя 4 и содержит одноплощадочный лавинный фотодиод, который в момент излучения импульсного лазера перекрывается обтюратором 31.

Импульсный лазер (фиг.5) твердотельный и содержит цилиндрический активный элемент 38, электро-оптический затвор 39, глухое зеркало 40, полупроницаемое зеркало 41, нагреватель в виде нанесенного на активный элемент токопроводящего покрытия 42 и кольцевых токопроводов 43, импульсную лампу 44 для накачки активного элемента и систему управления. Последняя содержит установленную со стороны выходного излучения лазера плоскопараллельную пластинку 45, оптически связанную с блоком 46 измерения величины угла расходимости индикатрисы лазерного излучения, выход которого соединен с входом блока 47 управления блоком 48 нагрева токопроводящего покрытия 42. Выходы блока 47 соединены со входами блока 49 питания импульсной лампы, блока 50 питания электро-оптического затвора и блока 51 системы охлаждения.

В блок 6 (фиг.1) входят блоки 49, 39 и 50. В блок 8 входят блоки 46, 47 и 48.

Система работает следующим образом.

В сканирующем устройстве двигателями 17 и 21 обеспечивается движение плоскопараллельной пластинки 15 в соответствии с заданным режимом сканирования пространства.

Лазер 5 работает в импульсном режиме. Перед включением импульсной лампы 44 для накачки активного элемента 38 включается нагреватель и создается градиент температуры в активном элементе.

В первом такте работы (фиг.6а) сигнал на излучение лазером подается (см. фиг. 1) из блока 10 в блок 9 синхронизации и в блок 6 питания и управления лазером. На второй вход блока 6 подаются синхроимпульсы из блока 9. Одновременно из блока 10 подается команда в блок 8 управления расходимостью излучения лазера на установку величины заданной расходимости на данный импульс излучения. Команда из блока 10 в блок 9 задает величину угла отклонения излучения от центральной оптической оси Х-Х сканирующего устройства 3. Импульсное излучение, через оптико-механический переключатель 4 и сканирующее устройство 3, отразившись от дихроического зеркала 2, попадает на управляемое зеркало 1 и выходит в исследуемое пространство под заданным от блока 10 углом отклонения от центральной оптической оси Х-Х. Отраженное от исследуемого объекта излучение (эхо-сигнал), попадает на управляемое зеркало 1, затем дихроическое зеркало 2 и через сканирующее устройство 3 и оптико-механический переключатель 4 на фотоприемное устройство 7. Нормированный эхо-сигнал из фотоприемного устройства поступает в цифровом виде в блок 10 и там запоминается.

Во втором такте работы (фиг.6b), сигналы из блока 10 подаются как в первом такте работы, только сигнал на разрешение излучения лазера в блоке 9 синхронизации вырабатывается с учетом закона сканирования в данном режиме работы и подается на второй вход блока 6 питания и управления лазером с необходимой задержкой, пропорциональной углу поворота плоскопараллельной пластинки 15 относительно центральной оси Х-Х сканирующего устройства. Эхо-сигнал, полученный во втором такте работы, также запоминается в блоке 10.

В третьем такте работы (фиг.6 с) последовательность работы повторяется. Эхо-сигнал третьего такта работы также запоминается в блоке 10.

По величинам запоминаемых эхо-сигналов от трех замеров, определяются величины рассогласований по двум взаимно-перпендикулярным осям управляемого зеркала 1 отслеживаемого объекта относительно центральной оси Х-Х. Полученные величины рассогласований из блока 10 подаются на вход блока 11 управления зеркалом, который вырабатывает сигналы для доворота зеркала 1 по двум взаимно перпендикулярным осям. Доворот зеркала 1 в процессе локации происходит до тех пор, пока эхо-сигналы, отраженные от исследуемого объекта, будут равны во всех трех тактах одного цикла работы системы.

Управление изменением угла в сканирующем устройстве осуществляется в функциональной зависимости от отношений U_c/U_ш (амплитуда сигнала/амплитуда шума) в эхо-сигнале, а также в зависимости от углового рассогласования лоцируемого объекта и центральной оси.

При поступлении управляющих сигналов из блока 9 в сканирующее устройство 3 для изменения траектории сканирования под действием двигателя 21 и червяка 20 поступательно перемещаются зубчатая гайка 19 и подающий шток 18, который изменяет наклон вращающейся плоскопараллельной пластинки 15, в результате чего изменяется угол между центральной осью Х-Х оптического тракта системы и направлением излучения индикатрисы.

Сканирующее устройство работает на передачу и прием излучения на единый оптический тракт оптико-механического переключателя. При вращении его ротора 28 обеспечивается последовательное распределение направления импульсного лазерного излучения и последовательный прием светового луча с каждого направления отраженного излучения через то же выходное отверстие. Поворот ротора с призмами 29 и 30 на угол, определяемый винитированием принимаемого отраженного излучения размерами катетной грани указанных призм, дает возможность в течение этого времени принимать это же отраженное излучение, синхронизация которого обеспечивается датчиками 36 и 37.

Перед излучением лазера из блока 10 поступает сигнал на нагрев активного элемента 38, в результате чего устанавливается стационарный, для заданной в блок 6 расходимости, тепловой поток в токопроводящем покрытии 42. Амплитуда и длительность тока, проходящего через покрытие 42 активного элемента, генерируются блоком 48 нагрева и регулируются блоком 47 по сигналам от блока 46.

Таким образом, в патентуемой системе импульсной лазерной локации обеспечивается единый приемо-передающий оптический тракт импульсного лазерного излучения и осуществляется оптическая локация объектов, отражающих излучение, от каждой сдвинутой последовательно в пространстве относительно центральной оси индикатрисы излучения, которая, в свою очередь, может изменять угол собственной расходимости, а также угол между центральной осью оптического тракта системы и направлением излучения индикатрисы.

Это позволяет создать компактную систему импульсной лазерной локации при обеспечении возможности адаптивной подстройки к априорно заданным задачам локации.

Формула изобретения

Система импульсной лазерной локации, содержащая импульсный лазер, формирующее устройство для образования потока импульсного лазерного излучения в требуемом направлении исследуемого пространства, формирующее приемное устройство, обеспечивающее передачу отраженного от объекта импульсного лазерного излучения к фотоприемному устройству, сканирующее устройство, обеспечивающее направление лазерного излучения в пространстве по закону сканирования, задаваемому вычислительным устройством, фотоприемное устройство, предназначенное для преобразования поступившей лучистой энергии в электрические сигналы для их передачи, и вычислительное устройство, извлекающее информацию из параметров поступающих электрических сигналов и обеспечивающее всю работу лазерного локатора, отличающаяся тем, что формирующее устройство для передачи импульсного лазерного излучения и формирующее устройство для приема отраженного импульсного лазерного излучения выполнены в виде оптико-механического переключателя для передачи и приема импульсного лазерного излучения по единому оптическому тракту, сканирующее устройство выполнено в виде галилеевского телескопа, в сходящихся оптических лучах которого установлена с возможностью вращения и наклона относительно общей оптической оси плоскопараллельная пластинка, позволяющая по сигналам из вычислительного устройства осуществлять сканирование исследуемого пространства по требуемому закону, фотоприемное устройство смонтировано на корпусе указанного переключателя, который снабжен обтюратором, защищающим фотоприемное устройство от излучения, рассеянного в момент его испускания, при этом импульсный лазер имеет возможность регулирования расходимости излучения адаптивно критериям, заложенным в алгоритм вычислительного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6