В статье представлен общий обзор технологии лазерного сканирования объектов в пространстве, рассмотрены устройства, реализующие эту технологию и применяющиеся в мобильных робототехнических комплексах.
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ LIDAR
Термин LIDAR (от англ. Light Detection and Ranging) относится к системам радиолокации, работающим в оптическом диапазоне и использующим в качестве источника излучения лазер. Часто в зарубежных источниках можно встретить аналогичные термины – LADAR (Laser Detection and Ranging) и Laser Radar. В мобильных наземных робототехнических комплексах и беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) эта технология играет очень важную роль: она используется для автоматического построения трёхмерной карты (сцены) окружающего пространства и пространственной ориентации аппарата. Существуют разные варианты систем LIDAR, но в общем случае все они включают следующие ключевые элементы, определяющие принцип работы системы: ● источник фотонов (чаще всего это лазер);
● детектор фотонов;
● тактирующая цепь;
● оптическая приёмопередающая часть .
Системы LIDAR времяпролётного типа (Time-of-Flight, ToF) используют короткие импульсы лазерного излучения, с высокой точностью фиксируя моменты их передачи и приёма откликов (отражённых сигналов), чтобы вычислить расстояния до объектов в окружающем пространстве или на поверхности земли (например, при топосъёмке с БПЛА). После объединения серии таких измерений с информацией о местоположении и ориентации аппарата, создаётся результирующая трёхмерная сцена интересующей области пространства. Чаще всего эта сцена сохраняется в виде массива координат (x, y, z), называемого облаком точек.
Несмотря на то, что существует множество устройств LIDAR для разных областей применения, все они состоят из похожего набора функциональных узлов (см. рис. 1), таких как:
● подсистема измерения расстояния (лазерный передатчик и приёмник);
● сканирующая подсистема;
● подсистема позиционирования и ориентации;
● система управления;
● хранилище данных.
ПОДСИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ
Принципиальные отличия отдельных устройств LIDAR заключаются в реализации функции измерения расстояния. Важнейший узел системы LIDAR – подсистема измерения расстояния – состоит, в свою очередь, из таких внутренних подсистем, как лазерный передатчик и электрооптический приёмник. Лазерный передатчик излучает энергию в виде сфокусированного луча, который до выхода из устройства про- ходит через ряд преобразовательных компонентов: переключатель приёмопередатчика, расширители луча, выходная телескопическая оптика и другое. В системе LIDAR могут использоваться различные типы лазеров, но чаще всего применяют твердотельный Nd:YAG-лазер, активной средой в котором выступает алюмо-иттриевый гранат (Y3Al5O12), легированный ионами неодима. Лазерные сканирующие дальномеры работают на различных длинах волн, но чаще других используются следующие:
● 1064 нм (ближний инфракрасный диапазон) – для топографических сканеров;
● 532 нм (зелёный) – для батиметрических (измеряющих глубину) сканеров;
● 600–1000 нм – для наземных устройств, предназначенных для коммерческого использования;
● ∼1500 нм – для наземных сканирующих систем, используемых в научных целях.
Выбор длины волны лазерного излучателя зависит от целого ряда факторов:
● отражающих свойств сканируемых объектов;
● характеристик окружающей среды;
● чувствительности используемого детектора;
● необходимой степени безопасности для глаз;
● требований к конструкции устройства.
Помимо длины волны излучения нужно также учитывать мощность лазера. Электрооптический приёмник получает энергию лазерного луча, отражённого или рассеянного целью, и фокусирует её на светочувствительном детекторе при помощи входной оптики.
Методы определения расстояния
Зафиксированные значения моментов передачи и приёма лазерного луча используются для расчёта времени, проведённого светом в пути, и, следовательно, расстояния до объекта, отразившего луч. В системе LIDAR обычно используется один из двух режимов, определяющих метод измерения расстояния: импульсный режим или режим непрерывной волны. В системах с импульсной модуляцией, также известных как время пролётные системы, лазером излучаются единичные световые импульсы с высокой частотой следования. Измеряется время, прошедшее c момента излучения импульсного сигнала до момента воз- врата отклика в приёмник. Расстояние до точки поверхности объекта, в которой произошло отражение лазерного луча, может быть вычислено по формуле: D = 0,5 × c × t, (1) где c – скорость света, t – полное время прохождения светом пути до точки отражения и обратно (раундтрип), D – искомое расстояние до точки отражения. В системах с непрерывной волной лазер излучает непрерывный сигнал, к которому затем применяется синусоидальная амплитудная модуляция. В этом случае время прохождения светом полного пути от передатчика до приёмника будет прямо пропорционально сдвигу фаз в излучённом и принятом сигналах: (2) где ϕ – фазовый сдвиг, T – период сигнала. После определения времени t про- хождения луча, расстояние D, как и в первом случае, вычисляется по формуле (1). Для снижения неопределённости может быть использована многотоновая синусоидальная модуляция. Также в системах с непрерывной волной используется альтернативный метод – с линейной частотной модуляцией. В таких системах переданный и принятый сигналы смешиваются, а для демодуляции и получения информации, содержащейся в несу- щей частоте, используется когерентный приёмник. Нужно отметить, что в уравнениях (1) и (2) предполагается, что детектор в течение времени t стационарен. Для случаев с передвигающимся детектором необходимо будет внести в уравнения соответствующие поправки.
Методы детекции
Обычно в системах LIDAR используется два способа детекции: прямая и когерентная. При прямой детекции приёмник преобразует сигнал непосредственно в напряжение или ток, который пропорционален входящей оптической мощности. Приёмники могут включать лавинные фотодиоды и фотоэлектронные умножители. LIDAR-детекторы также могут работать в режиме счёта фотонов. В этом режиме детектор способен регистрировать даже очень небольшое количество фотонов, а в режиме счётчика Гейгера становится чувствительным даже к отдельным фотонам. Электронная схема приёмника производит измерение генерируемого тока с поправкой на время пролёта фотонов в приёмнике, в результате чего получается прямое измерение момента приёма оптического отклика. При когерентной детекции полученный оптический сигнал смешивается с локальным осциллятором посредством гетеродина, и только после этого фокусируется на фоточувствительном элементе. При смешивании информация преобразуется в узкополосный сигнал, что снижает шум по сравнению с методом прямого детектирования, где используется оптический фильтр.
Бегущий луч и массив
Важно отметить, что описанные методы определения расстояния и способы детектирования требуют различной геометрии приёмников. В целом, большинство коммерческих систем LIDAR работают по принципу «бегущего луча», где для одного излучённого импульса фиксируется один или несколько (как правило, от 2 до 5) значений расстояния для оптических сигналов, вернувшихся вдоль одной и той же линии визирования (множественные возвраты). Для следующего импульса подсистема целеуказания изменяет направление линии визирования, и затем снова записывается несколько значений расстояния. Этот метод – метод точечного сканирования – обычно применяется в системах LIDAR, работающих в линейном режиме, при котором энергия лазера фокусируется на малой области исследуемой поверхности, и требуется достаточно сильный отражённый сигнал для записи отклика и расчёта дистанции. Однако существуют также системы LIDAR, которые используют лазерное излучение для засветки большой площади поверхности. При этом они оснащены покадровым матричным детектором с целью измерения значений расстояния для каждого пикселя в массиве. Этим системам с кадровой развёрткой требуется небольшая сила отражённо- го сигнала. Они записывают сотни или даже тысячи расстояний для излучённого импульса.
ПОДСИСТЕМА РАЗВЁРТКИ (СКАНИРОВАНИЯ)
В тех случаях, когда необходимо не просто определить расстояние до объекта, а сделать обзор целевой области, система LIDAR должна производить измерения во множестве точек. Для построения сцены целевой области пространства используется комбинация движения LIDAR-устройства в целом и работы подсистемы развёртки, через которую проходит излучаемый оптический сигнал. Распространённый вариант реализации подсистемы развёртки основан на использовании качающегося зеркала. Последовательное изменение направления линии визирования, вдоль которой излучается оптический сигнал, осуществляется с помощью подвижного зеркала. Это зеркало поворачивается на ограниченный угол (угол обзора) вокруг оси, лежащей на его плоскости и, как правило, параллельной направлению движения устройства. Качание зеркала позволяет сканировать целевую область пространства и формировать сцену нужной ширины, определяемой углом качания зеркала (см. рис. 2).
Рис. 2. Система развёртки с качающимсязеркалом
Подсистема на основе качающегося зеркала создаёт синусоидальную развёртку. При этом частота качания обратно пропорциональна задан- ному углу обзора (ширине сцены). Основной недостаток такого способа развёртки – непостоянная скорость движения зеркала. Дважды в течение рабочего цикла зеркало должно замедлиться, полностью остановиться, изменить направление движения на противоположное и вновь ускориться. В результате измерения, производимые с постоянной частотой, формируют сцену с неравномерной плотностью точек (меньше точек в середине полосы сканирования и больше по краям). Подсистема развёртки лазерного луча с помощью качающегося зеркала применяется, в частности, в лазерных сканерах фирм Leica и Optech . Альтернативный способ сканирования основан на использовании вращающейся призмы. В такой подсистеме развёртки многогранная призма с зеркальными гранями непрерывно вращается вокруг своей оси симметрии. Лазерный луч переходит от одной грани призмы к другой скачкообразно, в результате чего массив точек, формирующийся при движении устройства, состоит из ряда параллельных линий (см. рис. 3).
Рис. 3. Система развёртки с вращающейсяпризмой
Этот вариант лишён недостатков качающегося зеркала, однако он сложнее в реализации и в том, что касается обработки результатов измерений. Системы LIDAR с вращающейся призмой производит австрийская фирма Riegl . Третий вариант подсистемы сканирования использует вращающееся зеркало. Ось вращения в этом варианте расположена почти перпендикулярно к поверхности зеркала (см. рис. 4).
Рис. 4. Сканирующая система с вращающимсязеркалом
За счёт отклонения поверхности зеркала от плоскости, перпендикулярной к оси вращения, формируется развёртка отражённого лазерного луча в виде эллиптической кривой. Преимущество метода заключается в том, что каждая точка пространства сканируется дважды. Вместе с тем эллиптическая развёртка значительно усложняет обработку результатов сканирования, так как обработка двойных измерений является весьма сложной задачей. Кроме того, поскольку точки в одной и той же области получены с разных позиций (так как система движется и меняет ориентацию в пространстве), полученное таким способом облако точек может содержать большое количество «шумов» . Примерами систем, использующих развёртку лазерного луча с помощью вращающегося зеркала, являются сканеры Leica AHAB DragonEye. В качестве альтернативы механической развёртке в настоящее время существует применяемая в некоторых системах LIDAR оптоволоконная подсистема для направления лазерного луча на целевую область. При таком способе достигается более стабильная геометрия сканирования, благодаря фиксированным связям между оптоволоконными каналами и другими оптическими каналами устройства. Лазерный луч направляется с помощью оптоволоконного пучка, а направление сканирования для каждого импульса зависит от того, из какого оптоволоконного канала он излучается. Подобная система пучков используется и в приёмной оптике (см. рис. 5).
ПОДСИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ
Для практического использования информации, получаемой с помощью сканирующих лазерных дальномеров, одного только массива значений расстояния от устройства до объектов и величин относительных углов сканирования недостаточно. Достоверность данных об окружающем пространстве (получаемых в виде трёхмерного облака точек или двумерного изображения с данными о расстояниях) может быть достигнута только при условии, что для каждой точки измеряются абсолютные значения положения и ориентации несущей платформы системы LIDAR в пространстве в момент приёма отклика от импульса. Для таких измерений используется подсистема ориентации и позиционирования. Эта подсистема включает в себя два основных компонента: приёмный модуль системы глобального позиционирования (ГЛОНАСС или GPS) и блок инерциальной навигации (IMU). Данные GPS-приёмника используются для записи местоположений несущей платформы в определённые моменты времени. Из множества существующих методов уточнения GPS-координат, в системах LIDAR, как правило, применяется дифференциальная постобработка сигнала со стационарной базовой станции или дифференциальные обновления в реальном времени. Для получения более точных наборов данных накладываются строгие ограничения на размещение базовой станции относительно платформы лазерного дальномера. Ориентация платформы измеряется при помощи блока инерциального измерительного устройства, в котором используются гироскопы и акселерометры. Данные GPS и IMU записываются во время движения плат- формы и объединяются (обычно во время шага постобработки данных).
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ (СИСТЕМНЫЙ КОНТРОЛЛЕР)
Для генерации облака точек все подсистемы, составляющие систему LIDAR, должны работать совместно. Качество полученных данных напрямую зависит не только от параметров каждой подсистемы, но и от взаимосогласованности их работы. Выставление параметров сенсоров и контроль работы подсистем осуществляет системный контроллер лазерного дальномера.
ХРАНИЛИЩЕ ДАННЫХ
Конечные данные LIDAR представляют собой файлы со значениями координат GPS и IMU, с измеренными значениями расстояний и иногда с информацией от других подсистем. Поскольку системы LIDAR могут генерировать очень большие объёмы данных, в системе предусмотрен накопитель, на который данные сохраняются сразу после сбора.
ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР: VELODYNE HDL-64E
В качестве примера рассмотрим устройство лазерного сканирующего дальномера высокого разрешения HDL-64E, производимого компанией Velodyne. Именно этот 64-лучевой LIDAR с трёхмерным сканированием установлен на беспилотные автомобили, разработанные компанией Google. Лазерный дальномер стал одним из ключевых компонентов, позволившим сделать автомобиль по-настоящему автономным.
Устройство Velodyne, установленное на крыше беспилотного автомобиля (см. рис. 6), генерирует подробную трёхмерную карту окружающего пространства. Бортовой компьютер объединяет данные измерений, полученных с LIDAR, с картами высокого раз- решения, формируя различные модели данных, которые позволяют роботизированному автомобилю передвигаться самостоятельно, избегая столкновений с препятствиями и не нарушая правил дорожного движения . Модель дальномера HDL-64E имеет 64 пары излучатель-детектор, которые обеспечивают наличие равноотстоящих секторных полей обзора по 26,5°. Для обеспечения 360-градусного обзора по азимуту весь оптический блок закреплён на вращающемся основании (см. рис. 7) и вращается с частотой 600 оборотов в минуту.
Рис. 7. Внешний вид лазерного дальномераHDL-64E
При необходимости эта частота регулируется в диапазоне 300…900 об/мин путём передачи простой текстовой команды через последовательный интерфейс. Этот же последовательный порт может быть использован для обновления прошивки сканера. Дальномер Velodyne обладает максимальным диапазоном измерения расстояния – до 120 м с погрешностью не более 2 см . Независимо от частоты вращения оптического блока, устройство постоянно генерирует большой объём данных – 1 млн точек в секунду, что соответствует горизонтальному угловому разрешению 0,05°. Устройство статически и динами- чески сбалансировано, что сводит к минимуму воздействие вибрации и обеспечивает стабильное изображение сцены. Каждый лазер дальномера HDL-64E излучает оптический импульс продолжительностью 5 нс (на уровне 50% амплитуды с максимальной пиковой мощностью 60 Вт). Высокое напряжение, необходимое для создания пикового тока в излучателе на уровне 30 А, генерируется схемой обратноходового преобразователя, что позволяет использовать для питания лазерной установки низкие напряжения. Выход- ной лазерный луч фокусируется линза- ми. При попадании на цель часть излучения отражается обратно в направлении источника. Этот отражённый свет проходит через отдельную систему линз и УФ-фильтр, необходимый для снижения фоновой оптической засветки (увеличения отношения сигнал/шум). Линзы приёмной системы фокусируют отражённое излучение на лавинный фотодиод, генерирующий электрический сигнал, пропорциональный интенсивности оптического. Лазер и лавинный фотодиод юстируются на заводе-изготовителе для обеспечения максимальной чувствительности при минимизации перекрёстных сигнальных помех, образуя, таким образом, наиболее эффективную пару излучатель-детектор. В соответствии с силой отражённого сигнала, детектируемого лавинным фотодиодом и схемой усилителя, система изменяет амплитуду лазерного импульса, поддерживая минимальный необходимый уровень излучения. Эта автоматическая подстройка мощности лазера, во-первых, снижает нагрев оптического блока и повышает его надёжность, а во-вторых, не даёт детекторам войти в режим насыщения. В противном случае, при получении детектором слишком большого количества оптической энергии, наступал бы режим насыщения, для выхода из которого детектору требуется значительное время (если оно превышает период следования импульсов, это неизбежно приводит к искажению детектируемого сигнала). В-третьих, если уровень сигнала сопоставим с шумом, что усложняет его детектирование, система автоматически повышает уровень мощности лазерного излучения. Это может происходить, например, в случае приближения к порогу чувствительности (120 м) или при слабом отражении от чёрной матовой поверхности. Выходной сигнал усиливается и передаётся на аналого-цифровой преобразователь с частотой дискре- тизации 3 ГГц. Затем оцифрованный сигнал с детектора передаётся в циф- ровой сигнальный процессор (DSP), использующий собственный алго- ритм анализа данных и определения времени возврата сигнала. Использо- вание коротких оптических импуль- сов в сочетании с высокочастотной обработкой сигнала обеспечивают большую разрешающую способность системы. Пары излучатель-детектор поделены на две группы по 32 лазера. Одна группа расположена в верхней части модуля и направлена на верхнюю половину поля обзора, а вторая группа, находящаяся под первой, направлена на нижнюю половину поля обзора. Поскольку верхний оптический блок предназначен для измерения бо′льших расстояний, угловое расстояние между оптическими импульсами у него больше, чем в нижнем блоке, который проводит измерения на более коротких дистанциях. Устройство предоставляет данные пользователю через стандартный порт 100BaseT Ethernet. Информация непрерывно передаётся в виде кадров. Частота генерации кадров равна часто- те вращения оптического блока (при 600 об/мин – 10 Гц). Объём данных, переданных за секунду, может содержать более миллиона точек. В пакетах данных содержится информация о расстоянии и интенсивности излучения для каждой пары излучатель-детектор, а также соответствующая угловая координата. Эти данные могут быть собраны с помощью стандартной утилиты сбора Ethernet-пакетов, например Wireshark , и визуализированы в компьютерной программе, такой как Velodyne Digital Sensor Recorder. Также полученные данные могут быть обработаны автономной навигационной системой для создания оценочной кар- ты, которая затем может использоваться для выявления препятствий, поиска оптимального маршрута и, в конечном итоге, для вычислений, связанных с рулевым управлением, торможением и ускорением. На рисунке 8 показан пример кадра данных с устройства HDL-64E, полученного при помощи приложения Velodyne Digital Sensor Recorder. Вблизи центра изображения различима белая точка, указывающая на положение сенсора. Для каждой пары излучатель-детектор сгенерированное облако точек представлено отдельным цветом. Пространственное представление данных формируется объединением двухмерных облаков точек. При вращении модуля набор точек от одной пары излучатель-детектор образует на ровной поверхности непрерывную окружность. Приведённый пример относится к варианту установки дальномера на крыше кабины грузовика, поэтому на изображении ниже белой точки имеется тёмная область – кузов. Как видно на рисунке, впереди грузовика находятся два транспортных средства: другой грузовик, пытающийся повернуть налево, и легковой автомобиль, пересекающий перекрёсток. Кроме того, позади легкового автомобиля на изображении видны дорожное ограждение, земля и деревья. Слева и справа от сенсора видны волнистые области, соответствующие дорожному ограждению и тротуару и выделяющие проезжую часть в поле зрения. Вдоль троту- ара различим кустарник. Полученные данные также позволяют определить дорожную ситуацию позади сенсора – на изображении имеется транс- портное средство, находящееся за грузовиком. Важно, что в любом из облаков точек нет разрывов в круговых данных (вокруг грузовика). Этот факт показывает, что частоты следования лазерных импульсов для верхнего и нижнего блоков дальномера сконфигурированы правильно. Если бы частота следования импульсов была ниже, чем требуется, то каждая из окружностей состояла бы из пунктирных линий. Пустые области на изображении возникают из-за находящихся на оптическом пути препятствий, не позволяющих получить данные о пространстве за ними (эффект затенения). Например, так возникает чёрная полоса позади кузова грузовика. Следует отметить, что устройство LIDAR также может быть установлено под углом 90° к вертикальной оси для изменения области обзора. Такая схема установки может быть использована в геодезических и картографических приложениях. Рассмотренный лазерный дальномер Velodyne HDL-64E относится к классу 1M, то есть считается безопасным для глаз. Сенсор помещён в водонепроницаемый корпус, сохраняет работоспособность при экстремальных темпера- турах и оптимален для использования в автомобилях. Основные технические характеристики устройства приведены в таблице.
Применяется оптический датчик - лидар (lidar от Light Detection and Ranging, дословно световое обнаружение и определение расстояния ). В датчике используются электромагнитные волны инфракрасного диапазона, с помощью которых определяется расстояние до находящегося впереди объекта (транспортного средства), а также его скорость. Лидар может использоваться для определения частиц влаги в атмосфере, линий дорожной разметки.
По своим функциям лидар выступает в качестве альтернативы автомобильного радара , поэтому другое его название лазерный радар . Преимуществами лидара являются меньший размер (можно установить в любом месте), большое угловое разрешение (порядка 180°), значительный радиус действия (до 250 м), сравнительно невысокая стоимость. Доказано, что инфракрасные лучи безопасны для человеческого глаза.
Вместе с тем, лазерный радар чувствителен к изменению рельефа дороги (лучи могут отражаться от поверхности дороги и искажать информацию). Эффективность лидара снижается в плохих погодных условиях (дождь, снег, туман), а также при загрязнении датчика.
Ведущими производителями лидаров являются компании Denso, Continental, Siemens, Hella. Лазерный радар используют в системе адаптивного круиз-контроля компании Nissan, Toyota, в активной системе ночного видения компании Mercedes-Benz, Toyota, в системе автоматического экстренного торможения компания Volvo (система City Safety).
Для повышения эффективности детектирования объектов лидар может применяться совместно с радаром, автомобильной видеокамерой . Разрабатываемые системы автоматического управления автомобилем также не обходятся без лидара.
Устройство лидара
Конструкция автомобильного лидара включает следующие элементы: передатчик, модулятор, приемник, оптический элемент, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор.
Роль передатчика выполняет лазерный диод, который служит для передачи инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение модулируется в модуляторе, который при необходимости изменяет его интенсивность. В зависимости от типа модуляции различают лидары непрерывного и импульсного действия. Более совершенна импульсная модуляция инфракрасного излучения. Для повышения эффективности измерений применяется многоимпульсная технология (передача нескольких импульсов одновременно).
Световой импульс, а затем и его отражения проходят через оптический элемент. Отраженный импульс принимается фотодиодом, где преобразуется в электрический сигнал. Далее сигнал усиливается усилителем, преобразуется в «цифру» с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя), а затем обрабатывается микропроцессором.
Несмотря на различия в конструкции принцип действия лидара аналогичен радару. Лидар направляет на цель инфракрасный свет. Свет частично отражается от цели, частично рассеивается. Отраженный импульс возвращается обратно, где воспринимается фотодиодом. Ток на фотодиоде пропорционален воздействующему свету. На основании принятого цифрового сигнала процессор определяет расстояние до впереди идущего транспортного средства и его скорость.
Высокое горизонтальное и вертикальное разрешение лидара достигается путем многолучевой конфигурации передатчика, которая достигается несколькими способами - использованием поворотного зеркала, перемещением передатчика.
Владельцы патента RU 2575766:
Изобретение относится к области лазерной локации и квантовой электроники и предназначено для использования в лазерных локационных системах и комплексах с целью обнаружения движущихся объектов и определения параметров их движения, включая пространственные координаты и скорость движения. Предлагаемое устройство может также быть использовано в системах лазерной космической связи для осуществления связи с космическим кораблем в ближнем или дальнем космосе, а также для осуществления связи с космическим кораблем при осуществлении его посадки на Землю через слой плазмы, окружающей космический корабль. Предлагаемое устройство относится к классу лазерных систем, использующих метод лазерного гетеродинирования при приеме и обработке лазерных локационных сигналов. Данный метод приема лазерных сигналов известен и исследован в научной литературе, где отмечены некоторые преимущества этого метода по сравнению с методом прямого фотодетектирования лазерных сигналов. Однако ряд недостатков при практической реализации лазерного гетеродинирования не позволял в полной мере использовать потенциальные возможности данного метода для создания эффективных лазерных локационных систем широкого применения. Основным техническим недостатком указанного метода лазерного гетеродинирования является необходимость высокоточного согласования волновых фронтов принимаемого лазерного излучения (ЛИ) и излучения лазерного гетеродина на фоточувствительной площадке приемного фотодетектора. В монографии на стр. 156 показано, что при наличии углового рассогласования величиной порядка 12 угловых минут принимаемого и гетеродинного лазерных излучений сигнал на выходе фотоприемника - фотосмесителя на промежуточной частоте уменьшается в пять раз по сравнению с уровнем сигнала при нулевом угловом рассогласовании. Такая зависимость уровня выходного сигнала приводит к сильным флуктуациям и периодическому полному пропаданию выходного сигнала, уменьшению вероятности обнаружения наблюдаемых объектов и снижению эффективности работы лазерной системы приема в реальных условиях слежения за быстро движущимися объектами.
Известен лазерный дальномер с гетеродинной схемой обработки по патенту Германии (з. №2819320) , содержащий лазер, генератор тактовых импульсов, приемо-передающую оптическую систему, лазерный гетеродин, оптический смеситель принимаемого лазерного излучения с излучением гетеродина, фотодетектор, блок усиления и обработки сигналов промежуточной частоты с выхода фото детектора, блок памяти и обработки информации. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую эффективность и невысокую обнаружительную способность устройства при его работе в реальных условиях наблюдения за движущимися объектами при наличии различных фоновых помех на входе приемной оптической системы. Указанные недостатки обусловлены значительной зависимостью уровня сигнала промежуточной частоты (сигнала фотосмешения) от согласования углов падения на площадку фотодетектора излучения гетеродина и принимаемого лазерного излучения. При осуществлении слежения за быстро движущимся объектом угол падения принимаемого лазерного излучения подвержен непрерывным изменениям, что приводит к значительным флуктуациям уровня величины сигнала промежуточной частоты на выходе фотодетектора и снижению этого уровня, вследствие чего уменьшается вероятность правильного обнаружения объекта, снижается точность определения параметров движения объекта и эффективность работы всего устройства в целом.
Известен лазерный локатор с гетеродинным методом приема лазерных сигналов разработки США, приведенный в книге Лазерная локация на стр. 230, содержащий приемо-передающий телескоп, лазерный передатчик с каскадами лазерного усиления, лазерный гетеродин, фотоприемный блок с блоком усиления, задающий лазерный генератор, второй фотодетектор, блок измерения и контроля частоты, блок обработки информации и управления. К недостаткам данного комплекса следует отнести низкую эффективность работы при значительной сложности комплекса. В комплексе отсутствуют средства, обеспечивающие непрерывное согласование углов падения на фотоприемный блок лазерного излучения гетеродина и принимаемого лазерного излучения, отраженного от сопровождаемого быстро движущегося объекта. В результате возможных изменений угла падения на площадку фотоприемника принимаемого лазерного излучения в рабочем режиме обнаружения и сопровождения объекта происходит динамическое рассогласование указанных углов падения, приводящее к сильным дополнительным флуктуациям уровня сигнала промежуточной частоты и к полному пропаданию сигнала и срыва обнаружения и сопровождения объекта. В данном комплексе использована система подстройки частоты генерации (длины волны) излучения задающего лазерного генератора (лазерного передатчика). Однако использованный метод подстройки длины волны генерации лазера с помощью внутрирезонаторного пьезокорректора не обладает необходимой точностью, что дополнительно снижает точность и эффективность работы лазерного локатора.
В качестве прототипа выбран лазерный локатор с импульсным режимом излучения, схема которого приведена в книге Лазерная локация на стр. 245. Данный лазерный локатор содержит приемный и передающий телескоп с блоком наведения (сканирования), объектив, фотоприемный блок, блок обработки сигналов и управления, лазерный передатчик, лазерный гетеродин, блок измерения частоты, фиксированные ослабители -поглотители излучения, светоделители. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую эффективность работы по реальным движущимся объектам, а также невысокую вероятность правильного обнаружения движущегося объекта вследствие наличия рассогласования углов падения на площадку фотоприемного блока принимаемого лазерного излучения и излучения гетеродина в режиме обнаружения и динамического сопровождения движущихся объектов.
Достигаемым техническим результатом является следующее: уменьшение зависимости уровня выходного сигнала от изменений угла прихода принимаемого лазерного излучения (ЛИ), повышение эффективности работы системы лазерной локации в условиях обнаружения и слежения за движущимися объектами и при наличии сильных фоновых засветок, повышение вероятности правильного обнаружения наблюдаемых объектов, реализация устойчивой лазерной связи с космическим кораблем через слой окружающей плазмы при входе в плотные слои атмосферы во время посадки космического корабля на Землю.
Новый технический результат достигается следующим образом.
1. В лазерный локатор, содержащий последовательно установленные на первой оптической оси телескоп с блоком наведения, первый объектив, первый фотоприемный блок, выход которого подключен к блоку спектральных фильтров, выходами подсоединенный к блоку управления, лазерный передатчик, лазерный гетеродин и блок измерения частоты, выход лазерного передатчика оптически связан с телескопом и, посредством полупрозрачного и отражательного зеркал, с первым оптическим входом блока измерения частоты, второй оптический вход которого оптически связан посредством полупрозрачного зеркала с оптическим выходом лазерного гетеродина, управляющие входы лазерного передатчика, лазерного гетеродина и выход блока измерения частоты подключены к блоку управления, введены последовательно оптически связанные первый управляемый ослабитель, первый блок сдвига частоты лазерного излучения, первый блок сканирования лазерного излучения, оптический выход которого посредством отражательного и двух полупрозрачных зеркал оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, последовательно оптически связанные второй управляемый ослабитель, второй блок сдвига частоты лазерного излучения, второй блок сканирования лазерного излучения, оптический выход которого посредством двух полупрозрачных зеркал оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, оптические входы первого и второго управляемых ослабителей оптически связаны посредством полупрозрачных зеркал с оптическим выходом лазерного гетеродина, последовательно оптически связанные третий управляемый ослабитель, третий блок сдвига частоты лазерного излучения и третий блок сканирования лазерного излучения, последовательно установленные на второй оптической оси оптически связанные акустооптический модулятор с блоком управления, второй объектив, первое полупрозрачное зеркало, управляемый пространственный фильтр, третий объектив, второе полупрозрачное зеркало, второй фотоприемный блок, выход которого подсоединен к входу второго блока спектральных фильтров, подключенного к блоку управления, оптический вход акустооптического модулятора оптически связан посредством отражательного зеркала и полупрозрачного зеркала с оптическим выходом лазерного гетеродина, оптический выход третьего блока сканирования лазерного излучения оптически связан посредством отражательного зеркала и второго полупрозрачного зеркала с оптическим входом второго фотоприемного блока, оптический вход третьего управляемого ослабителя оптически связан с оптическим выходом лазерного гетеродина, третий фотоприемный блок, оптический вход которого связан посредством первого полупрозрачного зеркала с оптическим выходом второго объектива, а выход подсоединен к блоку управления фотоприемным блоком, подключенного к блоку управления, первое и второе выносные зеркала, механически связанные с блоком перемещения, управляющий вход которого подключен к блоку управления, динамический спектральный фильтр, оптический вход которого посредством первого сканирующего зеркала и первого выносного зеркала оптически связан с оптическим выходом телескопа, а оптический выход динамического спектрального фильтра посредством второго сканирующего зеркала и второго выносного зеркала оптически связан с оптическим входом первого объектива, управляющие электроды первого и второго сканирующих зеркал подсоединены к блоку управления сканирующими зеркалами, вход которого подключен к блоку управления, управляющий вход динамического спектрального фильтра подключен к блоку управления, выносной уголковый отражатель, оптически связанный с оптическим входом телескопа и механически связанный с блоком перемещения уголкового отражателя, подключенного к блоку управления, четвертый управляемый ослабитель, оптически связывающий оптический выход лазерного передатчика с телескопом, управляющие входы управляемых ослабителей подключены к блоку управления, управляющие входы блоков сдвига частоты лазерного излучения и блоков сканирования лазерного излучения подключены к блоку управления.
2. Блок сдвига частоты лазерного излучения содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, акустооптическую ячейку с блоком управления, первую линзу, точечную диафрагму, вторую линзу и выходную диафрагму, при этом управляющий электрод акустооптической ячейки подключен к блоку управления акустооптической ячейкой.
3. Блок сканирования лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, обеспечивающие изменение направления распространения лазерного излучения.
4. Динамический спектральный фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, взаимодействующие с проходящим через ячейку принимаемым лазерным излучением.
5. Лазерный передатчик и лазерный гетеродин выполнены на основе лазерных генераторов с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.
На фиг. 1 представлена блок-схема лазерного локатора. На фиг. 2 представлена блок-схема блока сдвига частоты лазерного излучения. На фиг. 3 и 4 представлены экспериментально полученные спектры принимаемых информационных сигналов, формируемых в системе лазерного локатора, а на фиг. 5 представлен спектр фонового помехового излучения.
На фиг. 1 цифрами обозначены следующие элементы лазерного локатора.
1. Телескоп.
2. Блок наведения.
3. Первый объектив.
4. Первый фотоприемный блок.
5. Блок спектральных фильтров.
6. Блок управления.
7. Лазерный передатчик.
8. Лазерный гетеродин.
10. Первый блок сдвига частоты лазерного излучения.
11. Первый блок сканирования лазерного излучения.
12. Второй блок сдвига частоты лазерного излучения.
13. Второй блок сканирования лазерного излучения.
14. Первый управляемый ослабитель.
15. Второй управляемый ослабитель.
16. Третий управляемый ослабитель.
17. Третий блок сдвига частоты лазерного излучения.
18. Третий блок сканирования лазерного излучения.
19. Акустооптический модулятор.
29. Блок управления акустооптического модулятора.
20. Второй объектив.
21. Первое полупрозрачное зеркало.
22. Управляемый пространственный фильтр.
23. Третий объектив.
24. Второе полупрозрачное зеркало.
25. Второй фотоприемный блок.
26. Второй блок спектральных фильтров.
27. Третий фотоприемный блок.
28. Блок управления третьим фотоприемным блоком.
29. Блок управления акустооптического модулятора поз. 19 (указан выше).
30. Динамический спектральный фильтр.
31. Блок управления сканирующими зеркалами поз. 35 и 36.
32, 33. Первое и второе выносные зеркала.
34. Блок перемещения.
35. Первое сканирующее зеркало.
36. Второе сканирующее зеркало.
37. Выносной уголковый отражатель.
38. Блок перемещения уголкового отражателя.
39. Полупрозрачное зеркало.
40. Отражательное зеркало.
41, 42, 43, 44. Полупрозрачные зеркала.
59. Отражательное зеркало.
45, 46. Отражательные зеркала.
47, 48. Полупрозрачные зеркала.
49. Отражательное зеркало, расположенное в оптической тени контррефлектора
50 телескопа поз. 1.
58. Четвертый управляемый ослабитель.
59. Отражательное зеркало.
На фиг. 2 обозначены следующие элементы.
51. Входная диафрагма.
52. Акустооптическая ячейка.
53. Блок управления акустооптической ячейкой.
54. Первая линза.
55. Диафрагма точечная.
56. Вторая линза.
57. Выходная диафрагма.
60. Пьезоэлемент.
Принцип действия лазерного локатора заключается в следующем.
Лазерный передатчик 7 генерирует импульсы лазерного излучения, подсвечивающего наблюдаемый объект. Телескоп 1 с помощью блока наведения 2 направляется в некоторую заданную область наблюдаемого пространства, в которой возможно нахождение и передвижение обнаруживаемого и наблюдаемого объекта. Отраженное от объекта лазерное излучение улавливается телескопом 1 и с выхода телескопа с помощью первого объектива 3 фокусируется на фоточувствительной площадке (оптическом входе) первого фотоприемного блока 4. При этом из оптического тракта телескопа 1 с помощью блока перемещения 38 вынесен уголковый отражатель 37, используемый в режиме тестирования и настройки лазерного локатора. Одновременно из оптического тракта приемного канала лазерного локатора убраны выносные зеркала 32 и 33 с помощью блока перемещения 34. При этом динамический спектральный фильтр 30, используемый при сильных внешних фоновых помехах, выключен из оптического тракта. Управляемый ослабитель 58 переведен в режим стандартного полного пропускания излучения лазерного передатчика 7 (режим нулевого ослабления). Лазерное излучение с выхода телескопа 1 поступает непосредственно на оптический вход первого объектива 3, который далее фокусирует принятое лазерное излучение, отраженное от объекта, на фоточувствительную площадку первого фотоприемного блока 4. Одновременно на фоточувствительную площадку поступает лазерное излучение, генерируемое лазерным гетеродином 8, через полупрозрачные зеркала 42, 43 и две ветви изменения параметров лазерного гетеродинного излучения поз. 14, 10, 11 - первая ветвь и поз. 15, 12, 13 - вторая ветвь. Указанные две ветви формируют два гетеродинных лазерных излучения, с помощью которых в первом фотоприемном блоке 4 реализуется режим гетеродинного лазерного приема (фотосмешения) принимаемого лазерного излучения на двух различающихся частотах гетеродинного лазерного излучения. Соответственно на выходе фотоприемного блока 4 формируются два электрических сигнала на двух различных промежуточных частотах f 1 и f 2 , поступающих далее на входы первого блока спектральных фильтров 5, в котором осуществляется раздельная фильтрация и усиление каждого из сформированных сигналов промежуточных частот. Сформированное лазерное гетеродинное излучение поступает на вход первого фотоприемного блока 4 через отражательное зеркало 46 и полупрозрачные зеркала 47, 48 с выходов 11 и 13. При этом первое лазерное гетеродинное излучение, сформированное элементами поз. 14, 10, 11 является основным, а второе лазерное гетеродинное излучение, сформированное элементами поз. 15, 12, 13 является дополнительным и служит для тестирования и функционального контроля работы лазерного локатора, а также для настройки и подстройки параметров функционирования лазерного локатора непосредственно в рабочем режиме обнаружения и сопровождения движущегося объекта. Первый 10 и второй 12 блоки сдвига частоты лазерного излучения (ЛИ) служат для компенсации доплеровского сдвига частоты принимаемого лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого движущегося объекта. Первый 11 и второй 13 блоки сканирования ЛИ обеспечивают компенсацию рассогласования волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений на оптическом входе первого фотоприемного блока 4. Следует отметить, что наличие двух гетеродинных излучений на входе первого фотоприемного блока 4 не приводит к снижению потенциала (чувствительности) приема лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта, так как величина амплитуды сигнала соответствующей промежуточной частоты (биений) на выходе фотоприемного блока 4 пропорциональна величине указанного принимаемого лазерного излучения и величине интенсивности лазерного гетеродинного излучения, задаваемого лазерным гетеродином 8. В результате одновременной регистрации фотоприемным блоком 4 принимаемого лазерного излучения, поступающего от телескопа 1, и лазерного излучения от лазерного гетеродина 8, поступающего через элементы основной ветви поз. 14, 10, 11, на выходе фотоприемного блока 4 формируется сигнал промежуточной частоты f 1 , который поступает в блок спектральных фильтров 5, где осуществляется фильтрация и усиление сигнала в соответствующей ячейке фильтра, настроенной на соответствующую величину промежуточной частоты электрического сигнала. Далее усиленный и оцифрованный сигнал с выхода блока 5 поступает в блок 6 для окончательной обработки и регистрации результата обнаружения отраженного лазерного излучения фотоприемным блоком 3 и фиксации величины промежуточной частоты f 1 по номеру ячейки фильтрации сигнала промежуточной частоты в блоке спектральных фильтров 5. При этом зафиксированная величина f 1 промежуточной частоты определяет величину радиальной скорости наблюдаемого объекта (по лучу визирования), так как она равна разности частот принимаемого отраженного от объекта лазерного излучения и гетеродинного лазерного излучения, поступающего на вход фотоприемного блока 4 с выхода блока поз. 11 через зеркала 46, 47, 48. Данное (основное) гетеродинное излучение имеет величину частоты, равную сумме частоты излучения лазерного гетеродина 8 и дополнительного сдвига частоты лазерного излучения, осуществляемого первым блоком сдвига частоты лазерного излучения 10, работающего по сигналам управления с выхода блока управления 6. Величина разности частот лазерного излучения лазерного передатчика 7 и лазерного гетеродина 8 измеряется непрерывно блоком измерения частоты 9 и с его выхода поступает в блок управления 6, в котором образуется вся информация о величинах частот лазерных излучений, сформированных подсвечивающим объект лазерным передатчиком 7, лазерным гетеродином 8, а также информация о величине сигнала сдвига частоты лазерного излучения с помощью блока 10 и величине промежуточной частоты f 1 сигнала на выходе первого фотоприемного блока 4 (по номеру фильтра в блоке спектральных фильтров 6, осуществившего фильтрацию выходного сигнала от фотоприемного блока 4). По полученной указанной информации в блоке 6 непрерывно вычисляется величина сдвига частоты лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта по сравнению с частотой подсвечивающего лазерного излучения и вычисляется величина текущей радиальной скорости объекта по известной формуле Доплера. Таким образом, блок сдвига частоты лазерного излучения 10 осуществляет некоторый фиксированный сдвиг частоты лазерного излучения, сформированного лазерным гетеродином 8. Данная величина сдвига частоты задается блоком управления 6 и выбирается таким образом, чтобы промежуточная частота сигнала f 1 на выходе первого фотоприемного блока 4 попадала в сетку фиксированных частот блока фильтрации 5. При очень высокой скорости движения наблюдаемого объекта, например, при слежении за космическими объектами, величина сдвига частоты лазерного излучения выбирается достаточно большой (порядка нескольких Гигагерц), что обеспечивает эффективное слежение за быстро движущимися объектами. Блок сканирования лазерного излучения 11 обеспечивает установление оптимального угла падения пучка лазерного гетеродинного излучения на фоточувствительную площадку первого фотоприемного блока 4. Блок сканирования 11, а также аналогичные блоки поз. 13 и 18 выполнены на основе акустооптических быстродействующих сканеров и обеспечивают прецизионное двухкоординатное изменение направления распространения лазерного гетеродинного излучения на выходе блоков сканирования независимо в двух перпендикулярных друг к другу плоскостях, каждая из которых является также перпендикулярной к плоскости фоточувствительной площадки первого фотоприемного блока 4. Дополнительно можно отметить, что блоки сканирования 11 и 13 осуществляют изменение направления распространения гетеродинного лазерного излучения, падающего на фоточувствительную площадку фотоприемного блока 4, относительно первой оптической оси, нормальной к плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 4. Нормальное стандартное направление распространения лазерного гетеродинного излучения на выходе блока сканирования 11 и, соответственно, на входе фотоприемного блока 4, является параллельным и совпадающим с первой оптической осью, при котором гетеродинное лазерное излучение с выхода блока сканирования 11 падает нормально (перпендикулярно) на фоточувствительную площадку фотоприемного блока 4 после отражения от полупрозрачного зеркала 48. В блоке сканирования 11 в этот момент фиксируются управляющие параметры, обеспечивающие указанное нормальное падение гетеродинного лазерного излучения на фоточувствительную площадку фотоприемного блока 4. Одновременно в блоке сдвига частоты 10 фиксируются параметры управления от блока управления 6, обеспечивающие определенную установленную величину промежуточной частоты сигнала на выходе первого фотоприемного блока 4, поступающего на вход блока спектральных фильтров 5. Этим обеспечивается стандартный режим работы лазерного локатора на основе гетеродинного метода приема лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта. Одновременно с этим вторая ветвь формирования второго гетеродинного излучения, содержащая элементы поз. 15, 12 и 13 формирует второй сигнал гетеродинного лазерного излучения также на основе лазерного излучения, генерируемого лазерным гетеродином 8 и поступающего на вход указанных элементов с выхода лазерного гетеродина 8 через полупрозрачное зеркало 43. Второй блок сдвига частоты лазерного излучения 12 обеспечивает такую величину сдвига, при которой величина промежуточной частоты сигнала на выходе фотоприемного блока 4 равна некоторой величине f 2 и существенно отличается от первой промежуточной частоты f 1 , что позволяет обеспечить их раздельную фильтрацию в блоке фильтров 6 и последующую раздельную обработку в блоке управления 6. В блоке спектральных фильтров 5 предусмотрен набор электрических фильтров, для обеспечения фильтрации и последующего усиления сигналов промежуточной частоты в некотором спектральном диапазоне в районе второй промежуточной частоты f 2 . Данные спектральные электрические фильтры предназначены для приема и обработки указанных сигналов биений (фотосмешения) принимаемого лазерного излучения и второго гетеродинного лазерного излучения, сформированного второй ветвью элементов поз. 15, 12 и 13 и поступающего на фоточувствительную площадку первого фотоприемного блока 4 с выхода блока 13 через полупрозрачные зеркала 47 и 48. В момент приема лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта, с помощью второго блока сканирования лазерного излучения 13 по командам от блока управления 6 осуществляется периодическое изменение направления распространения указанного второго гетеродинного лазерного излучения относительно направления первой оптической оси, то есть относительно нормали к плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 4. Изменение направления распространения второго гетеродинного лазерного излучения осуществляется с помощью двухкоординатного сканера 13 в двух перпендикулярных направлениях относительно нормали к плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 4. В результате происходит периодическое изменение угла рассогласования между направлением (вектора) распространения принимаемого лазерного излучения и второго гетеродинного излучения при их падении на фоточувствительную площадку фотоприемного блока 4. В результате на выходе фотоприемного блока 4 образуется второй сигнал промежуточной частоты f 2 , амплитуда которого отражает непрерывное изменение угла рассогласования направления принимаемого лазерного излучения с направлением распространения второго лазерного гетеродинного излучения. При отсутствии такого рассогласования, то есть при нулевом угле указанного рассогласования и параллельности векторов распространения принимаемого и второго гетеродинного лазерных излучений уровень (амплитуда) сигнала второй промежуточной частоты на выходе фотоприемного блока 4 будет стремится к наибольшему значению. При этом величина уровня сигнала первой промежуточной частоты f 1 на выходе первого фотоприемного блока 4 остается неизменной вследствие того, что направление вектора распространения первого гетеродинного лазерного излучения на выходе первого блока сканирования 11 также неизменно и фиксировано вследствие фиксированного управляющего сигнала, поступающего на блок сканирования 11 с выхода блока управления 6. Соответственно является неизменным и угол рассогласования между векторами распространения принимаемого лазерного излучения и первого гетеродинного лазерного излучения, сформированного элементами первой ветви поз. 14, 10, 13. Таким образом, в блоке управления 6 непрерывно формируется информация о величинах сигналов двух промежуточных частот f 1 и f 2 , полученных на выходе первого фотоприемного блока 4 в результате взаимодействия (биений) принимаемого лазерного излучения и первого и второго гетеродинных лазерных излучений. Указанные два сигнала промежуточных частот f 1 и f 2 получены от одного и того же принимаемого лазерного излучения и различаются только характером изменения угла рассогласования между векторами принимаемого лазерного излучения и первого и второго гетеродинных лазерных излучений. В остальном параметры сигналов первой и второй промежуточных частот являются одинаковыми. Сигнал первой промежуточной частоты получен при неизменном направлении вектора распространения первого гетеродинного лазерного излучения и, соответственно, при неизменном указанном угле рассогласования. Величина этого первого сигнала промежуточной частоты принята за основу сравнения. Сигнал второй промежуточной частоты получен при условиях непрерывного изменения направления вектора распространения второго гетеродинного лазерного излучения, и, соответственно, при непрерывном изменении указанного угла рассогласования векторов принимаемого и второго гетеродинного лазерных излучений. В блоке управления 6 осуществляется непрерывное сравнение изменения амплитуды (уровня) сигнала второй промежуточной частоты относительно уровня сигнала первой промежуточной частоты в тот же момент времени при одном и том же принимаемом лазерном излучении и одинаковом уровне генерируемого излучения лазерного гетеродина. Различием условий получения сигналов первой и второй промежуточных частот является только различие в уровнях указанных углов рассогласования векторов принимаемого и гетеродинных лазерных излучений. Поэтому при превышении уровня сигнала второй промежуточной частоты над уровнем сигнала первой промежуточной частоты в некоторый момент времени и при некотором значении направления вектора распространения второго гетеродинного лазерного излучения в этот момент времени в блоке управления 6 выносится решение о достижении более точного согласования волновых фронтов принимаемого и второго гетеродинного лазерных излучений, в результате чего произошло относительное увеличение уровня сигнала второй промежуточной частоты на выходе первого фотоприемного блока 4. Далее блок управления 6 вырабатывает управляющий сигнал, поступающий в первый блок сканирования лазерного излучения 11, в результате которого блок сканирования 11 устанавливает направление вектора распространения лазерного излучения на выходе данного блока, аналогичное направлению вектора распространения второго гетеродинного лазерного излучения на выходе второго блока сканирования 13 в момент времени наибольшей величины уровня второго сигнала промежуточной частоты, относительно уровня сигнала первой промежуточной частоты. Данное новое найденное направление вектора первого гетеродинного лазерного излучения фиксируется в первом блоке сканирования лазерного излучения 11. Второй блок сканирования 13 лазерного излучения далее продолжает непрерывное изменение во времени направления вектора распространения лазерного излучения на выходе блока 13 относительно вновь найденного направления вектора распространения лазерного излучения в горизонтальном и вертикальном направлениях (плоскостях). Можно утверждать, что на основе двух ветвей формирования первого и второго гетеродинных лазерных излучений, первого фотоприемного блока 4 и блока управления 6 реализована система автоматического слежения и управления углом рассогласования векторов распространения принимаемого и гетеродинного лазерных излучений, устанавливающая оптимальный (минимальный) угол рассогласования в гетеродинном методе приема лазерных локационных сигналов. Указанное слежение за уровнем рассогласования принимаемого лазерного излучения и двух гетеродинных лазерных излучений осуществляется далее непрерывно и постоянно при приеме и слежении за движущимся наблюдаемым объектом. Первый и второй 14 и 15 управляемые ослабители служат для уравнивания величин (интенсивности) первого и второго гетеродинных лазерных излучений на фоточувствительной площадке первого фотоприемного блока 4.
Одновременно с осуществлением управления углом рассогласования принимаемого и гетеродинного лазерных излучений в лазерном локаторе осуществляется автоматическая подстройка и слежение за величиной промежуточной частоты биений, образующейся при взаимодействии принимаемого и гетеродинного лазерных излучений в первом фотоприемном блоке 4. Для выполнения указанной функции служит акустооптический модулятор 19, который совместно со вторым объективом 20 осуществляет в реальном масштабе времени спектральный анализ поступающих с выхода первого фотоприемного блока 4 электрических сигналов промежуточных частот в когерентном свете излучения, поступающего с выхода лазерного гетеродина 8 через полупрозрачное зеркало 44 и отражательное зеркало 59 на оптический вход акустооптического модулятора 19. Электрический сигнал с выхода первого фотоприемного блока 4 (с одного из центральных фоточувствительных элементов) поступает на управляющий электрод акустооптического модулятора 19 через блок управления этого модулятора 29. В акустооптическом модуляторе 19 возбуждается акустическая ультразвуковая волна под воздействием усиленного в блоке 29 электрического сигнала, поступившего с выхода фотоприемного блока 4 и содержащего сформированные сигналы первой и второй промежуточных частот. На оптический вход акустооптического модулятора 19 поступает монохроматический пучок лазерного излучения с выхода лазерного гетеродина 8 через полупрозрачное зеркало 44 и отражательное зеркало 59. В акустооптическом модуляторе 19 указанный лазерный пучок взаимодействует с возбужденной ультразвуковой волной, в результате чего на выходе акустооптического модулятора 19 и одновременно на входе второго объектива 20 образуется пучок лазерного излучения, промодулированный электрическим сигналом с выхода первого фотоприемного блока 4. Объектив 20 осуществляет оптическое Фурье-преобразование в когерентном свете лазерного излучения лазерного гетеродина 8 и формирует пространственный спектр модулированного лазерного пучка в фокальной плоскости объектива 20, совмещенной с плоскостью управляемого пространственного фильтра 22 и одновременно совмещенной с фоточувствительной площадкой третьего фотоприемного блока 27. Сформированный пространственный спектр считывается третьим фотоприемным блоком 27 и через его блок управления 28 поступает в блок управления 6. Одновременно осуществляется пространственная фильтрация сформированного пространственного спектра с помощью управляемого пространственного фильтра 22. Сформированный в реальном масштабе времени пространственный спектр модулированного лазерного пучка представляет собой два спектральных порядка, соответствующих двум сигналам промежуточных частот f 1 и f 2 , сформированным на выходе первого фотоприемного блока 4 в результате взаимодействия принимаемого лазерного излучения и двух гетеродинных лазерных излучений. Управляемый пространственный фильтр 22 по управляющим сигналам с выхода блока управления 6 пропускает на оптический вход третьего объектива 23 только распределение излучения какого либо одного спектрального порядка, соответствующего, например, сигналу первой промежуточной частоты f 1 . Возможна также фильтрация и исключение некоторых шумовых и помеховых составляющих, сопутствующих или содержащихся вблизи и вместе с сигналом первой промежуточной частоты. (Аналогично и для второй промежуточной частоты). Далее осуществляется операция обратного преобразования (превращения) отфильтрованного распределения излучения первой промежуточной частоты в электрический сигнал для ввода в блок управления 6, осуществляемое с помощью второго фотоприемного блока 25. Третий объектив 23 осуществляет обратное Фурье-преобразование в когерентном свете и формирует в фокальной плоскости объектива 23, распределение лазерного пучка, в котором отфильтрована с помощью управляемого пространственного фильтра 22 (исключена) вторая составляющая сигнала со второй промежуточной частотой, а также исключены некоторые помеховые и мешающие составляющие в сигнале первой промежуточной частоты. Управляемый пространственный фильтр 22 выполняет функцию динамической пропускающей диафрагмы (окна), которая пропускает распределение светового пучка, соответствующее сигналу первой промежуточной частоты f 1 . Одновременно на фоточувствительную площадку второго фотоприемного блока 25 поступает третий гетеродинный лазерный пучок с выхода лазерного гетеродина 8, дополнительно сформированный с помощью третьей ветви элементов формирования гетеродинного лазерного излучения поз. 16, 17, 18. Данный лазерный пучок поступает на оптический вход (фоточувствительную площадку) фотоприемного блока 25 через отражательное зеркало 45 и полупрозрачное зеркало 24. В результате взаимодействия (биений) сформированных на фоточувствительной площадке фотоприемного блока 25 лазерных пучков на выходе данного фотоприемного блока 25 образуется отфильтрованный в реальном масштабе времени электрический сигнал, содержащий информацию, соответствующую информации, содержащейся ранее в сигнале первой промежуточной частоты f 1 на выходе первого фотоприемного блока 4. При этом частота (центральная) этого сигнала определяется как величиной первой промежуточной частоты f 1 , так и величиной установленного сдвига частоты лазерного излучения f 3 в третьем блоке сдвига частоты ЛИ 17, который устанавливается по управляющему сигналу с выхода блока управления 6. Данная частота сигнала биений на выходе фотоприемного блока 25 равна сумме частот f 1 +f 3 , где f 3 - величина указанного устанавливаемого сдвига частоты лазерного излучения в блоке 17. В блоке управления 6 непрерывно образуется информация о текущей величине частоты сигнала первой промежуточной частоты, поступающего с выхода третьего фотоприемного блока 27 через его блок управления 28. Величина этой частоты равна расстоянию от центра фокальной плоскости (фокуса объектива 20) положения первого дифракционного порядка - отметки от сигнала промежуточной частоты в сформированном в плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 27 пространственного спектра принимаемого лазерного пучка, сформированного с помощью второго объектива 20. Положение в фокальной плоскости данного дифракционного порядка все время изменяется, что отражает изменение (флуктуации) скорости движения наблюдаемого объекта. Блок управления 6 непрерывно формирует по полученной указанной информации управляющий сигнал, поступающий в третий блок сдвига частоты ЛИ 17, обеспечивающий компенсацию текущих изменений частоты сигнала, отфильтрованного в управляемом пространственном фильтре 22 и преобразованном в электрический сигнал на выходе второго фотоприемного блока 25. В результате указанная частота сигнала на выходе второго фотоприемного блока 25 остается неизменной и равной величине рабочей частоте фильтрации f 4 в одном из узкополосных спектральных электрических фильтров во втором блоке спектральных фильтров 26.
f 1 +f 3 =f 4 =const.
Таким образом, реализуется система автоматического управления и слежения за изменениями частоты принимаемого сигнала, обусловленными доплеровскими смещениями частоты принимаемого лазерного излучения. Такая система позволяет осуществить стабилизацию в необходимых пределах частоты принятого информационного сигнала и обеспечить дальнейшую фильтрацию и обработку этого сигнала с помощью узкополосного фильтра во втором блоке спектральных фильтров 26, в который поступает текущий принимаемый сигнал со стабилизированной центральной частотой с выхода считывающего этот сигнал второго фотоприемного блока 25. Отфильтрованный в узкополосном электрическом фильтре 26 сигнал поступает далее на вход блока управления 6 для дальнейшего анализа. Использование указанной системы слежения и стабилизации промежуточной частоты принятого информационного сигнала позволяет осуществить фильтрацию сигналов во втором блоке спектральных фильтров 26 с помощью специальных узкополосных электрических фильтров, применение которых было бы невозможно без данной системы отслеживания текущих изменений промежуточной частоты принимаемого информационного сигнала. Это позволяет повысить вероятность правильного обнаружения (обнаружительную способность) при окончательной обработке и анализе полученной информации в блоке управления 6. Во время осуществления слежения за частотой принимаемого информационного сигнала с помощью изменения (управления) величиной сдвига частоты лазерного излучения в блоке сдвига частоты ЛИ 17 в третьем блоке сканирования ЛИ 18 осуществляется изменение направления вектора распространения лазерного излучения для согласования волновых фронтов лазерных излучений, падающих на фоточувствительную площадку второго фотоприемного блока 25, а именно: промодулированного лазерного излучения с выхода акустооптического модулятора 19 и третьего гетеродинного лазерного излучения с выхода блока 18. Информация о необходимой величине оптимального угла падения указанного третьего гетеродинного лазерного излучения получается в блоке управления 6 на основе величины смещения дифракционного порядка от сигнала первой промежуточной частоты относительно центра плоскости управляемого пространственного фильтра 22 и, соответственно, центра фоточувствительной площадки третьего фотоприемного блока 27. Данная информация считывается третьим фотоприемным блоком 27 и далее непрерывно поступает с выхода его блока управления 28 в блок управления 6, в котором вырабатываются необходимые управляющие сигналы, поступающие в третий блок сканирования лазерного излучения 18. В предлагаемом лазерном локаторе возможно также осуществление другого метода слежения и компенсации изменений величины промежуточной частоты принимаемого информационного сигнала, при котором сформированный в блоке управления 6 сигнал обратной связи для управления и компенсации вариаций частоты подается на управляющий вход первого блока сдвига частоты лазерного излучения 10, в результате чего осуществляется стабилизация первой промежуточной частоты принимаемого сигнала на выходе первого фотоприемного блока 4. При этом величина сигнала управления сдвигом частоты определяется в блоке управления 6 на основе измерения изменений текущей величины второй промежуточной частоты по информации, поступающей в блок управления 6 от третьего фотоприемного блока 27. Возможно также одновременное отслеживание изменений величины промежуточной частоты принимаемого информационного сигнала путем подачи управляющего сигнала с выхода блока управления 6 на управляющий вход первого блока сдвига частоты ЛИ 10 и на управляющий вход третьего блока сдвига частоты ЛИ 17. В этом случае реализуется двухконтурная система динамической компенсации изменений промежуточной частоты, позволяющая обеспечить особо высокую точность слежения и компенсации флуктуаций частоты принимаемого информационного сигнала на входе второго блока спектральных фильтров 26, что позволяет использовать в данном блоке специальные узкополосные фильтры и повысить обнаружительную способность и эффективность работы лазерного локатора в условиях внешних фоновых засветок и помех. Следует отметить, что формируемый в блоке управления 6 сигнал управления сдвигом частоты лазерного излучения, поступающий на управляющий вход третьего блока сдвига частоты ЛИ 17, содержит важную информацию о динамике изменения скорости движения наблюдаемого космического объекта и может быть использован для анализа состояния и характера движения данного объекта на космической орбите. Акустооптический модулятор 19 и объектив 20 при формировании на фоточувствительной площадке третьего фотоприемного блока 27 пространственного спектра информационного сигнала с выхода первого фотоприемного блока 4 осуществляют одновременно важную функцию тестирования и контроля режима работы приемного канала лазерного локатора, к которому относятся собственно первый фотоприемный блок 4 и элементы формирования первого и второго гетеродинных лазерных излучений поз. 8, 10-13. Это обусловлено тем, что на выходе фотоприемного блока 4 помимо информационных сигналов первой и второй промежуточных частот, образуется также сигнал биений (фотосмешения) первого и второго гетеродинных лазерных излучений, частота которого равна разности частот указанных первого и второго гетеродинных ЛИ. Спектральная отметка от данного сигнала биений двух лазерных гетеродинных излучений в виде дополнительного дифракционного порядка, сформированного объективом 20, считывается третьим фотоприемным блоком 27 и через блок 28 поступает в блок управления 6 для последующего непрерывного контроля указанной частоты биений, равной расстоянию этого дифракционного порядка от центра дифракционной картины спектра, совпадающей с центром фоточувствительной площадки фотоприемного блока 27. Уровень данного дифракционного порядка пропорционален интенсивностям первого и второго гетеродинных лазерных излучений. При изменении угла между векторами распространения первого и второго гетеродинных излучений данный уровень изменяется. При этом величины частот первого и второго гетеродинных лазерных излучений на выходах блоков сдвига частоты ЛИ 10 и 12 подбираются такими, чтобы их разность была меньше получаемых на выходе первого фотоприемного блока 4 первой и второй промежуточных частот во избежание наложения сигналов указанных биений от лазерных гетеродинных излучений и сигналов указанных первой и второй промежуточных частот. Практически такое условие легко выполняется соответствующим выбором величин сдвига лазерных гетеродинных излучений в блоках сдвига частоты ЛИ 10 и 12. Таким образом, в блоке управления 6 в рабочем режиме лазерного локатора осуществляется непрерывный функциональный контроль и тестирование приемного канала лазерного локатора на основе анализа сигналов фотосмешения, не связанных с принимаемым лазерным излучением от наблюдаемого объекта и не требующих наличия отраженных сигналов от объекта для определения состояния нормального функционирования лазерного локатора. Это является важным фактором повышения эффективности и надежности работы лазерного локатора. В предлагаемом лазерном локаторе предусмотрена дополнительная возможность увеличения помехозащищенности и повышения эффективности работы в условиях высокого уровня внешних фоновых помех и засветок, возникающих при работе в дневное время вблизи мощного источника оптического излучения, например, при слежении за объектом, изображение которого находится вблизи солнечного диска. Вначале при работе в дневное время с помощью акустооптического модулятора 19, объектива 20 и третьего фотоприемного блока 27 осуществляется формирование пространственного спектра общего фона на входе телескопа 1, направленного в заданную область пространства с помощью блока наведения 2. Спектр фона формируется в плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 27, совмещенной с фокальной плоскостью объектива 20 посредством первого полупрозрачного зеркала 21. При этом прием сигналов с выхода первого фотоприемного блока 4 осуществляется в диапазоне ранее выбранных первой и второй промежуточных частот при соответствующих величинах частот первого и второго гетеродинных лазерных излучений, сформированных первым 10 и вторым 12 блоками сдвига ЛИ. Следует отметить, что частотами этих гетеродинных Лазерных излучений и выбранными промежуточными частотами при пространственной фильтрации в блоке управляемого пространственного фильтра 22, а также общим суммарным рабочим диапазоном модулирующих входных частот в акустооптическом модуляторе 19 определяется спектральный диапазон входного лазерного излучения, регистрируемого в режиме гетеродинного приема фотоприемным блоком 4 и соответствующего длине волны (диапазону) подсвечивающего лазерного излучения, генерируемого лазерным передатчиком 7. Информация о суммарном спектре фонового излучения в указанном диапазоне выбранных рабочих частот лазерного передатчика поступает с выхода третьего фотоприемного блока 27 через блок 28 в блок управления 6, где осуществляется анализ уровня фоновых шумов и принимается решение об использовании дополнительного динамического спектрального фильтра поз.30, осуществляющего узкополосную фильтрацию принимаемого телескопом 1 лазерного излучения до поступления этого излучения на оптический вход (фоточувствительную площадку) первого фотоприемного блока 4. Для этого по командам от блока управления 6 блок перемещения 34 осуществляет введение первого и второго выносных зеркал 32 и 33 в оптический тракт так, как это показано на фиг. 1. При этом лазерное излучение с оптического выхода телескопа 1 теперь попадает на вход первого объектива 1 не напрямую, а после прохождения через динамический спектральный фильтр 30. В результате отражения от зеркал 32 и 35 лазерное принимаемое излучение проходит на вход динамического спектрального фильтра 30. После узкополосной спектральной фильтрации ЛИ с выхода спектрального фильтра 30 излучение попадает на вход объектива 3 после отражения от зеркал 36 и 33. Длина волны (частота) узкополосной фильтрации принимаемого лазерного излучения в динамическом спектральном фильтре 30 управляется по сигналу с выхода блока управления 6 и соответствует длине волны лазерного излучения, генерируемого лазерным передатчиком 7, с учетом возможных изменений на величину доплеровского смещения частоты отраженного от движущегося объекта лазерного излучения. В результате узкополосной фильтрации принимаемого лазерного излучения в динамическом спектральном фильтре 30 происходит отсечка фонового помехового излучения и снижение уровня интермодуляционных шумовых помех на выходе первого фотоприемного блока 4 при его работе в режиме гетеродинного приема лазерного излучения, отраженного от объекта, подсвеченного лазерным излучением лазерного передатчика 7, что обеспечивает увеличение вероятности правильного обнаружения и повышение эффективности работы лазерного локатора в условия высокого уровня внешних фоновых помех. Одновременно динамический спектральный фильтр 30 осуществляет блокирование полосы приема зеркального частотного канала, который в оптическом гетеродинном приемнике образуется также как и в супергетеродинном приемнике радиодиапазона. Исключение приема фоновых шумов зеркальной частоты приема дополнительно повышает помехозащищенность и эффективность работы предлагаемого лазерного локатора. Первое и второе сканирующие зеркала 35 и 36 обеспечивают точное провешивание оптической оси при введении динамического спектрального фильтра 30 в приемный оптический тракт лазерного локатора. Для этого под воздействием управляющих сигналов, поступающих на указанные зеркала от блока управления 31 сканирующими зеркалами, последние изменяют в небольших пределах направления отраженных от зеркал излучений для точного установления направления выходного излучения от телескопа на вход фильтра 30 и выходного излучения от фильтра 30 на вход объектива 3. При этом точная юстировка приемного оптического канала и оптических элементов, обеспечивающих прием лазерного излучения, отраженного от объекта, осуществляют в специальном режиме настройки лазерного локатора, при котором осуществляется ввод в оптический приемо-передающий тракт выносного уголкового отражателя 37 с помощью блока перемещения уголкового отражателя 38, как это показано на фиг. 1. В этом случае лазерный передатчик 7 переводится в режим генерации излучения минимального уровня. Одновременно управляемый ослабитель 58 осуществляет дополнительное ослабление лазерного излучения от передатчика 7 до уровня, позволяющего зарегистрировать излучение без перегрузки первого фотоприемного блока 4. Уголковый отражатель 37 осуществляет возвращение на вход телескопа 1 части генерируемого лазерного излучения точно по направлению оси диаграммы направленности этого излучения, направленного телескопом 1 с помощью блока наведения в сторону наблюдаемого объекта. Далее сформированное уголковым отражателем 37 контрольное лазерное излучение регистрируется фотоприемным блоком 4, имеющим четырехэлементную фоточувствительную площадку. С помощью первого и второго сканирующих зеркал 35, 36 осуществляется наведение оси сформированного контрольного лазерного излучения в центр фоточувствительной площадки первого фотоприемного блока 4. Одновременно в блоках сканирования лазерного излучения 11 и 13 по командам от блока управления 6 устанавливается нормальный угол падения формируемых гетеродинных лазерных излучений на фоточувствительную площадку фотоприемного блока 4. На этом заканчивается этап настройки введенного в приемный тракт лазерного локатора динамического спектрального фильтра 30. Аналогичным образом с помощью введения на входе телескопа 1 выносного уголкового отражателя 37 осуществляется тестирование и настройка стандартного режима работы лазерного локатора без введения в оптический тракт динамического спектрального фильтра 30.
При обнаружении в указанном выше режиме анализа фоновой обстановки значительного уровня фоновых помех в диапазоне лазерного излучения, генерируемого лазерным передатчиком 7, в предлагаемом лазерном локаторе возможен переход на другую длину волны или другой диапазон длин волн, для чего возможно использовать лазерный передатчик и лазерный гетеродин с перестройкой генерируемых длин волн лазерных излучений. При этом одновременно с перестройкой длин волн лазерных излучений, генерируемых в лазерном передатчике и лазерном гетеродине, осуществляется соответствующая динамическая перестройка длины волны полосы фильтрации и приема в динамическом спектральном фильтре 30, а также выбор и установление необходимых сдвигов частоты в блоках сдвига частоты ЛИ 10 и 12 и установление необходимых углов падения гетеродинных лазерных излучений на фоточувствительную площадку первого фотоприемного блока 4. Этим реализуется оптимальный наиболее эффективный режим работы лазерного локатора в выбранном диапазоне приема лазерных локационных сигналов и излучений с минимальным уровнем внешних фоновых засветок и помех.
В предлагаемом лазерном локаторе одну из важных функций выполняют блоки сдвига частоты лазерного излучения поз. 10, 12 и 17. На фиг. 2 представлена блок-схема такого блока сдвига частоты лазерного излучения, выполненного на основе акустооптической ячейки 52, осуществляющей модуляцию проходящего через ячейку лазерного излучения. На оптический вход акустооптической ячейки 52 (фиг. 2) через входную диафрагму 51 поступает лазерное излучение, генерируемое лазерным гетеродином 8 и поступающее (см. фиг. 1) через полупрозрачное зеркало 42 и первый управляемый ослабитель 14 на вход блока сдвига частоты ЛИ поз. 10. При прохождении через акустооптическую ячейку 52 лазерное излучение взаимодействует с ультразвуковой волной определенной частоты, возбужденной в этой ячейке посредством специального пьезоэлемента 60, находящегося в контакте с кристаллом акустооптической ячейки 52. В результате указанного взаимодействия на выходе акустооптической ячейки 52 образуется пучок лазерного излучения, частота которого сдвинута на величину частоты ультразвуковой волны в акустооптической ячейке, частота которой определена и задана в блоке управления 53 данной акустооптической ячейкой. С помощью первой линзы 54 сформированный лазерный пучок со сдвинутой частотой на заданную величину, определяемую в блоке 53 по командам от блока управления 6, направляется в плоскость точечной диафрагмы 55, расположенной строго на оптической оси данного блока сдвига частоты ЛИ. Данная точечная диафрагма имеет диаметр пропускающего отверстия равный 0,2-0,4 миллиметра. Термин «точечная» является условным и отражает малую величину диаметра отверстия диафрагмы. Вторая линза 56 осуществляет расширение пучка лазерного излучения, отфильтрованного осевой точечной диафрагмой 55, до выходной диафрагмы 57. Диафрагма 55 находится в передней фокальной плоскости линзы 56. В результате на выходе данного блока сдвига частоты ЛИ после выходной диафрагмы 57 образуется пучок лазерного излучения, распространяющийся строго вдоль оптической оси блока и имеющий частоту лазерного излучения, сдвинутую точно на величину частоты ультразвуковой волны, которая задана в блоке управления 53 акустооптической ячейкой по управляющему сигналу, поступающему от блока управления 6. Таким образом в блоках сдвига частоты ЛИ, осуществляется управляемый сдвиг частоты проходящего лазерного излучения на заданную в блоке управления 6 величину сдвига без изменения направления распространения этого излучения. Акустооптическая ячейка 52 работает в режиме дифракции Брэгга, при котором на выходе ячейки образуется только один дифрагированный лазерный пучок, в который перекачивается вся энергия поступающего на ячейку лазерного излучения. При осуществлении взаимодействия лазерного излучения с акустооптической ультразвуковой волной в ячейке 52 изменяется направление распространения выходящего из ячейки лазерного пучка. Поэтому диафрагма 55 смещена от точки фокуса первой линзы 54, в результате чего в диафрагму всегда попадает часть сформированного излучения со сдвинутой частотой лазерного излучения. Для исключения влияния изменения направления распространения лазерного излучения, при сдвиге его частоты возможно также использование диффузного отражателя, формирующего широкую диаграмму направленности падающего лазерного излучения со смещенной частотой излучения, из которого затем с помощью точечной диафрагмы выделяется излучение, распространяющееся строго вдоль оптической оси блока сдвига частоты ЛИ. Подробно работа акустооптической ячейки, в которой реализуется сдвиг частоты лазерного излучения, изложена в монографии . Сдвиг частоты лазерного излучения может быть осуществлен как в положительную, так и в отрицательную сторону. Следует отметить, что использованный в блоках сдвига частоты ЛИ метод сдвига частоты на основе акустооптического взаимодействия лазерного излучения в акустооптической ячейке обладает высокой точностью, так как величина сдвига определяется непосредственно величиной частоты управляющего сигнала в блоке управления 53 акустооптической ячейкой, в котором указанная частота задается с высокой точностью с помощью специального синтезатора частоты, входящего в состав данного блока управления 53. Также следует отметить высокое быстродействие данного метода, позволяющее осуществлять сдвиг частоты ЛИ с частотой повторения импульсов лазерного передатчика и осуществлять отслеживание изменения промежуточной частоты на выходе первого фотоприемного блока 4 при наблюдении за быстро движущимися космическими объектами. Следует отметить возможность использования для сдвига частоты ЛИ различных физических эффектов, например, можно использовать нелинейное взаимодействие оптических излучений в нелинейных оптических кристаллах. Важную функцию в предлагаемом лазерном локаторе выполняют блоки сканирования лазерного излучения поз. 11, 13 и 18. Данные блоки выполнены на основе акустооптических отклоняющих лазерное излучение ячеек - прецизионных сканаторов лазерного излучения . Высокая точность отклонения достигается в акустооптических сканаторах вследствие того, что управляющим сигналом, определяющим угол отклонения лазерного излучения, здесь является возбуждающий акустическую волну в ячейке электрический сигнал, частота которого с высокой точностью задается с помощью синтезатора частоты, входящего в состав данного блока сканирования лазерного излучения. Одновременно блоки сканирования на основе акустооптических ячеек обладают высоким быстродействием, определяемым высокой скоростью распространения акустической волны через акустооптическую ячейку. Следует отметить, что при изменении направления угла распространения лазерного излучения через блок сканирования ЛИ 11, 13 и18 происходит некоторый сдвиг частоты лазерного излучения, определяемый частотой поданного на акустооптическую ячейку данного блока сканирования управляющего сигнала. Для компенсации этого смещения частоты отклоняемого лазерного излучения в предшествующем блоке сдвига частоты (например, блок 10 перед блоком сканирования 11) осуществляется дополнительный упреждающий сдвиг частоты, или основной сдвиг частоты ЛИ в блоке сдвига частоты 10 осуществляется с имеющимся или устанавливаемым дополнительным сдвигом частоты в последующем блоке сканирования лазерного излучения 11. Таким образом, последовательно установленные блок сдвига частоты лазерного излучения 10 и блок сканирования 11 лазерного излучения, выполненные на основе акустооптических ячеек, работают как единый блок (элемент) сдвига частоты и сканирования лазерного излучения под управлением сигналов, поступающих от блока управления 6 и обеспечивающих высокую точность изменения частоты и направления распространения лазерного излучения в заданных пределах. В настоящее время разработаны акустооитические ячейки, работающие от ближнего ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазонов длин волн, обеспечивающие сдвиг длины волны лазерного излучения на величину порядка 2 (двух) Гигагерц, а при использовании нескольких каскадов взаимодействия ЛИ с акустической волной обеспечивают сдвиг частоты ЛИ до 10 Гигагерц, что достаточно для компенсации доплеровского сдвига при слежении и осуществлении лазерной связи с космическими объектами. В качестве блоков сканирования лазерного излучения возможно также использование сканирующих зеркал с управляющими пьезоэлементами, аналогично используемым сканирующим зеркалам поз. 35 и 36.
В лазерном локаторе динамический спектральный фильтр 30 реализован на основе акустооптической ячейки и пьезоэлемента, возбуждающего в акустооптической ячейке ультразвуковые волны, определенной частоты и интенсивности. В результате на оптический выход блока 30 проходит только лазерное излучение в заданном узком спектральном диапазоне, определяемом частотой управляющего сигнала, сформированного с высокой точностью с помощью синтезатора частоты, входящего в состав блока 30. При этом происходит некоторый дополнительный контролируемый сдвиг частоты принимаемого лазерного излучения, проходящего через динамический спектральный фильтр 30. Этот дополнительный известный сдвиг частоты принимаемого ЛИ учитывается и компенсируется с помощью блоков сдвига частоты лазерного излучения 10 и 12 при установлении этими блоками заданной величины сдвига частот формируемых гетеродинных лазерных излучений по командам от блока управления 6. Таким образом, блоки сдвига частоты лазерного излучения 10 и 11 выполняют дополнительную функцию компенсации сдвига частоты принимаемого лазерного излучения при его прохождении через динамический спектральный фильтр 30. Дополнительно динамический спектральный фильтр 30 содержит специальный управляющий блок, в который входит синтезатор частоты, обеспечивающий формирование набора управляющих электрических сигналов с точным значением частоты для возбуждения ультразвуковых волн с заданными параметрами, обеспечивающих динамическую фильтрацию принимаемого лазерного излучения. Принцип работы и характеристики акустооптических ячеек, использованных в динамических спектральных фильтрах, акустооптических сканаторах и блоках сдвига частоты изложены в монографии и в многочисленных публикациях .
В качестве блоков спектральных фильтров 5 и 26 использованы современные электрические узкополосные фильтры, работающие в диапазонах от 0,1 до сотен мегагерц. При этом в блоках фильтрации 5 и 26 имеются полные наборы спектральных электрических фильтров, подключенных индивидуально и раздельно к каждому выходному электроду четырехплощадочного фоточувствительного элемента фотоприемных блоков поз.4 и 25. В блоке 26 использованы наиболее узкополосные фильтры, так как на его вход поступает сигнал с выхода системы компенсации изменений частоты информационного сигнала, обеспечивающей попадание этого сигнала в узкую полосу соответствующего фильтра в блоке 26 в условия слежения за быстро движущимся объектом. Блок 26 содержит некоторый набор узкополосных спектральных фильтров, настроенных на некоторый ряд фиксированных частот электрической фильтрации, что позволяет осуществлять узкополосную фильтрацию принимаемых сигналов в некотором диапазоне изменения промежуточных частот, определяемом частотой сигнала, поступающего с выхода первого фотоприемного блока 4 на акустооптический модулятор 19, и частотой лазерного излучения, сформированного на выходе блока сдвига частоты лазерного излучения 17. Блоки 5 и 26 содержат также электронные усилители и ряд средств оцифровки усиленных и отфильтрованных сигналов для ввода информации в блок управления 6. Блоки 5 и 26 могут также содержать демодуляторы принимаемых электрических высокочастотных сигналов (ВЧ детекторы) при выполнении различных алгоритмов обработки принимаемых лазерных локационных сигналов и сигналов лазерной космической связи. Блок спектральных фильтров 5 содержит набор электрических фильтров с фиксированной полосой пропускания, настроенных на последовательный ряд частот (промежуточных), в районе первой промежуточной частоты и второй промежуточной частоты. Блок спектральных фильтров 5 содержит также набор соответствующих электрических усилителей и аналого-цифровых преобразователей, осуществляющих оцифровку усиленных и отфильтрованных электрических сигналов для ввода в блок управления 6, представляющий собой специализированную многофункциональную ЭВМ.
В качестве блока управления 6, осуществляющего управление всеми блоками и элементами лазерного локатора, а также осуществляющего обработку информации, поступающей от фотоприемных блоков и блока измерения частоты 9, использована многофункциональная высокопроизводительная электронно-вычислительная машина, снабженная соответствующими интерфейсами, обеспечивающими параллельную связь с блоками и элементами лазерного локатора. В состав блока управления 6 входит также дисплей для отображения информации и пульт управления оператора.
Блок наведения 2 осуществляет наведение оси телескопа 1 в заданную точку наблюдаемого пространства и последующее слежение за обнаруженным движущимся объектом. Блок 2 выполнен на основе управляемых шаговых электродвигателей. Шаговые электрические двигатели использованы также в блоке перемещения 34 и в блоке перемещения 38 выносного уголкового отражателя 37.
Блок измерения частоты 9 является стандартным, аналогичным используемому в прототипе, и содержит фотоприемник, на вход которого поступают лазерные излучения лазерного передатчика 7 и лазерного гетеродина 8. С выхода указанного фотоприемника сигнал биений на промежуточной частоте усиливается, оцифровывается и поступает в цифровом виде в блок управления 6, где осуществляется окончательное измерение промежуточной (разностной) частоты биений лазерного передатчика и гетеродина, например, путем подсчета импульсов за фиксированный период времени. При обнаруженном изменении частоты вследствие нестабильности частоты передатчика или гетеродина, осуществляется подстройка величины сдвига частоты в блоках сдвига частоты ЛИ 10 и 12, что является более точным и эффективным, чем стабилизация частоты в лазерном передатчике в прототипе. Полупрозрачное зеркало 39 ответвляет весьма малую величину излучения лазерного передатчика 7 на вход блока измерения частоты 9, достаточную для нормальной работы этого блока. Основная часть излучения лазерного передатчика 7 (99,9%) проходит через зеркало 39 на вход управляемого ослабителя 58 и далее к отражательному зеркалу 49. Управляемый ослабитель 58 в стандартном режиме не осуществляет ослабления излучения и полностью пропускает весь проходящий световой поток. В качестве управляемых ослабителей лазерного излучения поз. 14, 15, 16 и 58 использованы выпускаемые промышленностью управляемые оптические приборы, обеспечивающие механическое перекрытие сечения проходящего пучка лазерного излучения по типу управляемой диафрагмы или управляемого затвора. Возможно также использование управляемых быстродействующих электрооптических модуляторов проходящего светового потока. Управляемые ослабители 14, 15, 16 предназначены для установления уровней гетеродинных лазерных излучений, обеспечивающих стандартный режим работы фотоприемных блоков 4, 27 и 25. Управляемые ослабители 14 и 15 осуществляют формирование на входе первого фотоприемного блока 4 двух гетеродинных лазерных излучений одинакового уровня. Управляемый ослабитель 58 осуществляет ослабление уровня сигнала лазерного передатчика 7, ответвляемого выносным уголковым отражателем 37 на вход телескопа 1, до уровня стандартной чувствительности первого фотоприемного блока 4. Управляемый пространственный фильтр 22 выполнен на основе оптического транспаранта, например, на базе жидких кристаллов и матрицы электродов, обеспечивающих управляемую электрическую адресацию по командам от блока управления 6, в результате чего осуществляется управление пропусканием отдельных элементов плоскости пространственного фильтра 22, совмещенной с фокальной плоскостью объектива 20, который формирует в этой плоскости пространственный спектр принимаемого информационного сигнала, подлежащего фильтрации. Различные управляемые транспаранты и пространственные фильтры на их основе, а также управляемые ослабители и управляемые оптические затворы на базе жидких кристаллов выпускаются промышленностью. Возможно также использование в качестве управляемого транспаранта электронно-лучевой светомодулирующей трубки с электронной адресацией пропускающих излучение элементов в фокальной плоскости объектива 20 .
В лазерном локаторе в качестве лазерного передатчика и лазерного гетеродина могут быть использованы современные лазерные генераторы с достаточно узкой полосой генерации лазерного излучения от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона длин волн. В настоящее время в указанных диапазонах имеется большое количество лазерных генераторов, обладающих также возможностью перестройки длины волны генерации в определенных пределах. Одновременно разработаны и выпускаются промышленностью различные акустооитические ячейки и устройства на основе оптических кристаллов, работающие в диапазонах длин волн от ультрафиолетового до ближнего и среднего инфракрасного диапазонов. Фотоприемные блоки выполнены на основе четырехплощадочных приемников лазерного излучения (первый и второй фотоприемные блоки поз. 4 и 25), а также на основе многоэлементных фотоприемных матриц (фотоприемный блок 27). В настоящее время существует большое количество фотоприемных устройств на различных физических принципах, работающих во всех указанных диапазонах длин волн. В предлагаемом лазерном локаторе возможно также использование многоэлементных двумерных матричных фотоприемников в фотоприемном блоке 4 при обеспечении согласования волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений с помощью предложенной и использованной в данном лазерном локаторе системы автоматического управления направлением распространения гетеродинного лазерного излучения. Таким образом, на основе современной элементной базы квантовой электроники возможна реализация предложенного лазерного локатора, обладающего высокой эффективностью работы в условиях сильных фоновых засветок и обеспечивающего более высокую вероятность обнаружения быстро движущихся космических объектов и более высокую информативность и достоверность измеряемых параметров движения наблюдаемых объектов.
Предлагаемый лазерный локатор может быть использован в качестве устройства лазерной связи, для реализации связи с движущимися объектами, передвигающимися в приземном пространстве, а также для связи с космическими объектами в ближнем и дальнем космосе. При осуществлении лазерной космической связи предлагаемый лазерный локатор осуществляет обнаружение объекта и слежение за обнаруженным космическим объектом (космическим аппаратом) в режиме излучения зондирующего лазерного сигнала и приема отраженного лазерного подсвечивающего излучения. Одновременно лазерное излучение, формируемое лазерным передатчиком 7, подвергается модуляции информационным сигналом, поступающим от блока управления 6 на модулятор лазерного излучения, входящий в состав лазерного передатчика 7. Отраженный от наблюдаемого космического объекта модулированный лазерный сигнал после приема фотоприемным блоком 4, преобразования и предварительной фильтрации посредством блоков 19 и 22, подвергается узкополосной фильтрации и оцифровке во втором блоке спектральных фильтров 26 и далее направляется в блок управления 6 для окончательной обработки, демодуляции и получения информации, переданной с борта космического корабля. При этом последний должен быть оснащен приемо-передающим лазерным устройством, аналогичным лазерному локатору на фиг. 1. Возможен также прием и фильтрация принимаемого информационного сигнала с помощью первого блока спектральных фильтров 5. Следует отметить также возможность установления с помощью предлагаемого лазерного локатора непрерывной и устойчивой связи с космическим кораблем при осуществлении посадки на Землю и его входе в плотные слои атмосферы через слой плазмы, окружающей в этот момент космический корабль. При этом связь в радиодиапазоне прерывается, а связь в диапазоне лазерных излучений, например, в ближнем ИК-диапазоне, может быть осуществлена за счет прохождения лазерного излучения через слой плазмы без существенного поглощения. Высокая эффективность и надежность лазерной связи через слой плазмы обеспечивается также узкополосной фильтрацией во втором блоке фильтров 26 и наличием системы высокоточного отслеживания изменений доплеровской частоты и стабилизации промежуточной частоты с помощью блоков сдвига частоты лазерного излучения.
По материалам разработки предлагаемого лазерного локатора проведены экспериментальные исследования, подтвердившие увеличение эффективности работы предложенной системы локатора. На фиг. 3 и 4 приведен характерный вид пространственного спектра сигнала промежуточной частоты с выхода первого фотоприемного блока 4, сформированного акустооптическим модулятором 19 и объективом 20 в его фокальной плоскости, совмещенной с плоскостями управляемого пространственного фильтра 22 и фоточувствительной площадки третьего фотоприемного блока 27, с помощью которого зарегистрированы представленные пространственные спектры. На фиг. 3 представлен пространственный спектр сигнала первой промежуточной частоты, величина которой определяется расстоянием правого дифракционного порядка, представляющего собственно спектр принятого лазерного излучения, от центральной точки спектральной картины. Полученный спектр является симметричным, так как акустооптический модулятор работал в линейном режиме дифракции. На фиг. 4 представлен аналогичный пространственный спектр принимаемого лазерного излучения при увеличенном значении полученной первой промежуточной частоты, например, при введении дополнительного сдвига частоты первого гетеродинного лазерного излучения, осуществляемого первым блоком сдвига частоты лазерного излучения 10. При этом расстояние первого дифракционного порядка от центра симметричной картины спектра увеличивается. Величина указанного расстояния позволяет осуществить оценку изменения скорости движения наблюдаемого космического объекта и обеспечить высокоточное слежение за объектом и узкополосную фильтрацию принимаемых сигналов во втором блоке спектральных фильтров 26. На фиг. 5 представлен пространственный спектр флуктуаций принимаемого лазерного излучения, сформированный указанным выше способом на фоточувствительной площадке третьего фотоприемного блока 27 и полученный при расположении оси телескопа 1 вблизи мощного источника фоновых помех, например, вблизи солнечного диска при приеме в дневных условиях. Представленный на фиг. 5 высокий уровень внешних помех в предлагаемом лазерном локаторе может быть уменьшен с помощью осуществления предварительной фильтрации принимаемого лазерного излучения с помощью динамического спектрального фильтра 30, дополнительно вводимого в приемный оптический тракт лазерного локатора.
Следует отметить, что в предлагаемом лазерном локаторе возможно использование и реализация ряда оптимальных алгоритмов приема и обработки лазерных локационных сигналов, обеспечивающих повышение эффективности работы лазерного локационного комплекса слежения за космическими и наземными объектами и осуществления надежной и непрерывной связи с указанными объектами в сложных помеховых условиях.
Источники информации
М. Росс, Лазерные приемники, М.: «Наука», 1969 г., стр. 156.
Патент ФРГ, з. №2819320, 1979.
Лазерная локация под ред. Н.Д. Устинова, М.: «Машиностроение», 1984 г., стр. 230.
Лазерная локация под ред. Н.Д. Устинова, М.: «Машиностроение», 1984 г., стр. 245, (прототип). Оригинал: Appl. Opt. 1979; v. 18, №3, р. 290.
Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: «Наука», 1970 г.
Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985 г., (стр. 219-234); (стр. 134-167).
Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. и др. Квантовая электроника, т. 12, №4, 1985 г., стр. 743-748.
1. Лазерный локатор, содержащий последовательно установленные на первой оптической оси телескоп с блоком наведения, подключенным к блоку управления, первый объектив, первый фотоприемный блок, выход которого подключен к блоку спектральных фильтров, выходами подсоединенный к блоку управления, лазерный передатчик, лазерный гетеродин и блок измерения частоты, выход лазерного передатчика оптически связан с телескопом и, посредством полупрозрачного и отражательного зеркал, с первым оптическим входом блока измерения частоты, второй оптический вход которого оптически связан посредством полупрозрачного зеркала с оптическим выходом лазерного гетеродина, управляющие входы лазерного передатчика, лазерного гетеродина и выход блока измерения частоты подключены к блоку управления, отличающийся тем, что введены последовательно оптически связанные первый управляемый ослабитель, первый блок сдвига частоты лазерного излучения, первый блок сканирования лазерного излучения, оптический выход которого посредством отражательного и двух полупрозрачных зеркал оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, последовательно оптически связанные второй управляемый ослабитель, второй блок сдвига частоты лазерного излучения, второй блок сканирования лазерного излучения, оптический выход которого посредством двух полупрозрачных зеркал оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, оптические входы первого и второго управляемых ослабителей оптически связаны посредством полупрозрачных зеркал с оптическим выходом лазерного гетеродина, последовательно оптически связанные третий управляемый ослабитель, третий блок сдвига частоты лазерного излучения и третий блок сканирования лазерного излучения, последовательно установленные на второй оптической оси оптически связанные акустооптический модулятор с блоком управления, второй объектив, первое полупрозрачное зеркало, управляемый пространственный фильтр, третий объектив, второе полупрозрачное зеркало, второй фотоприемный блок, выход которого подсоединен ко входу второго блока спектральных фильтров, подключенного к блоку управления, оптический вход акустооптического модулятора оптически связан посредством отражательного зеркала и полупрозрачного зеркала с оптическим выходом лазерного гетеродина, оптический выход третьего блока сканирования лазерного излучения оптически связан посредством отражательного зеркала и второго полупрозрачного зеркала с оптическим входом второго фотоприемного блока, оптический вход третьего управляемого ослабителя оптически связан с оптическим выходом лазерного гетеродина, третий фотоприемный блок, оптический вход которого связан посредством первого полупрозрачного зеркала с оптическим выходом второго объектива, а выход подсоединен к блоку управления фотоприемным блоком, подключенного к блоку управления, а также введены первое и второе выносные зеркала, механически связанные с блоком перемещения, управляющий вход которого подключен к блоку управления, динамический спектральный фильтр, оптический вход которого посредством первого сканирующего зеркала и первого выносного зеркала оптически связан с оптическим выходом телескопа, оптический выход динамического спектрального фильтра посредством второго сканирующего зеркала и второго выносного зеркала оптически связан с оптическим входом первого объектива, управляющие электроды первого и второго сканирующих зеркал подсоединены к блоку управления сканирующими зеркалами, вход которого подключен к блоку управления, а управляющий вход динамического спектрального фильтра подключен к блоку управления, выносной уголковый отражатель, оптически связанный с оптическим входом телескопа и механически связанный с блоком перемещения уголкового отражателя, подключенного к блоку управления, четвертый управляемый ослабитель, оптически связывающий оптический выход лазерного передатчика с телескопом, управляющие входы управляемых ослабителей подключены к блоку управления, управляющие входы блоков сдвига частоты лазерного излучения и блоков сканирования лазерного излучения подключены к блоку управления.
2. Лазерный локатор по п.1, отличающийся тем, что в нем блок сдвига частоты лазерного излучения содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, акустооптическую ячейку с блоком управления, первую линзу, точечную диафрагму, вторую линзу и выходную диафрагму, при этом управляющий электрод акустооптической ячейки подключен к блоку управления акустооптической ячейкой.
3. Лазерный локатор по п.1, отличающийся тем, что в нем блок сканирования лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, обеспечивающие изменение направления распространения лазерного излучения.
4. Лазерный локатор по п.1, отличающийся тем, что в нем динамический спектральный фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, взаимодействующие с проходящим через ячейку принимаемым лазерным излучением.
// 2565340
Изобретение относится к области оптической локации и касается системы импульсной лазерной локации. Система содержит импульсный лазер, два однокоординатных сканирующих устройства, акустооптический дефлектор, выходную оптическую систему, вычислительное устройство, блок управления акустооптическим дефлектором, призменный светоделитель, измерительный канал, массив фотоприемных устройств, объектив массива фотоприемных устройств и волоконно-оптические жгуты.
Изобретение относится к области формирования потока видеоданных вращающимся секторным фотоприемником. Способ основан на формировании сигналов от фоточувствительных элементов, установленных по площади вращающегося сенсора, их последующей организации в ядра пространственного дифференцирования, выходные сигналы которых подвергаются аналого-цифровому преобразованию и их дальнейшей цифровой обработке. Фоточувствительные элементы устанавливают последовательно на равных расстояниях между собой на дугах с дискретными радиусами от Rmin до Rmax на площади вращающегося сенсора, имеющему форму усеченного сектора круга, который обращен большей стороной к внешнему диаметру вращения. Фототоки от фоточувствительных элементов усиливают по постоянному току и ограничивают по полосе частот в зависимости от чувствительности фотоэлементов и частоты вращения сенсора. Собственные шумы минимизируют и корректируют амплитудно-частотные характеристики каналов передачи сигналов каждого фоточувствительного элемента с последующим формированием ядер пространственного дифференцирования, сигналы с которых подвергают аналогово-цифровому преобразованию и последующей цифровой обработке. Технический результат - повышение качества изображения. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.
Лазерный локатор содержит систему автоматического слежения и управления согласованием волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений в плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока лазерного локатора. Одновременно лазерный локатор содержит систему слежения и компенсации изменений доплеровских сдвигов частоты принимаемого лазерного излучения при осуществлении слежения за быстро движущимися космическими объектами. Высокоэффективная обработка принимаемых лазерных локационных сигналов методом оптического гетеродинирования реализована на основе высокоточных акустооптических элементов сдвига частоты и сканирования лазерного излучения. Технический результат - повышение эффективности работы системы лазерной локации в условиях слежения за движущимися удаленными космическими объектами, увеличение вероятности правильного обнаружения движущихся объектов в условиях сильных фоновых помех. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Вам необходимо документировать обстоятельства ночной аварии на дороге? Проектируете ирригационные системы в засушливых районах? Или изучаете возможные археологические памятники, скрытые лесом или другими деталями? Традиционные методы 3D-съемки и получения геопространственных данных затратны по времени и денежным средствам. Но теперь есть более эффективные и быстрые решения для таких целей.
LiDAR (Light Detection and Ranging) - это технология дистанционного зондирования, которая использует быстрые лазерные импульсы, чтобы создать модель рельефа. LiDAR отлично подходит, когда необходимо создать цифровые отображения поверхности земли с высоким разрешением для различных целей. В прошлом организации были вынуждены использовать в каждом случае отдельные системы со своими особенностями.
Теперь у них есть возможность пользоваться системой LiDAR, которую устанавливают на беспилотники, чтобы получилось единое устройство для 3D-картографирования. Систему ScanLook LiDAR серии А устанавливают на летающую платформу DJI Matrice 600, что позволяет получить для работы эффективное, универсальное и точное решение для 3D-зондирования на основе беспилотных технологий.
Примеры практического применения связки LiDAR и дронов
Моделирование ландшафта
Простейший пример, когда новые технологии могут существенно облегчить и сделать еще эффективнее работу - уборка мусора и грязи. Известно, что оплата обычно производится за квадратный метр, но расчеты не всегда бывают точны, особенно, если имеется большой разброс мусора, листьев, а на территории также растут кусты и деревья. LiDAR предлагает значительную экономию по сравнению с методами методам наземного исследования.
LiDAR значительно сокращает различного рода затраты на методы исследования рельефа. Применяя метод дистанционного исследования объектов разного типа, включая траву, листья или деревья, LiDAR может определить их положение, скорость перемещения (для движущихся объектов) и другие характеристики. Для этого используется пульсирующий лазерный луч, который отражается от поверхности объектов. Результатом такого процесса становится 3D-модель топографических контуров ландшафта, с которой затем могут работать пользователи. Если же подключить к процедуре исследования дрон Matrice 600 со ScanLock, то сканирование будет происходить со скоростью более 4 тыс. кв. м. в минуту. А теперь представьте, сколько можно сделать работы за 20 минут полетного времени?
Документирование ЧП и несчастных случаев
LiDAR - это активная система, которая использует для создания образов нужных объектов ультрафиолет и ближний инфракрасный диапазон. Это важно, если обстоятельства не позволяют задействовать для качественного картографирования внешнее освещение. Например, такой метод может потребоваться для съемок обстоятельств ночной автомобильной аварии. Для этого лучше всего задействовать дрон Matrice 600 с технологией ScanLook, чтобы буквально за один полет над местом аварии зафиксировать и обработать всю необходимую визуальную информацию.
Поскольку предлагаемое решение базируется на беспилотных технологиях, то пользователи практически немедленно получают точную информацию, подкрепленную визуальными деталями. Затем все это можно использовать в качестве доказательства в судебных процессах. Кроме этого, высокая скорость обследования с помощью воздушного сканирования помогает быстрее начать процесс эвакуации раненых или погибших людей, поврежденных автомобилей, а также быстрее приступать к уборке территории. Таким образом можно за сравнительно короткое время освободить проезжую часть для автомобилей, что особенно важно на оживленных трассах, а также сэкономить значительные средства на всех этапах работы.
Сельское хозяйства и ландшафтная планировка
Другой пример успешного применения новых технологий 3D-картографирования - большие фермы, где требуется создавать эффективную ирригационную систему. Например, на больших плантациях риса фермерам приходится создавать водозащитные насыпи. Это требует точного знания рельефа и особенностей почвы. Иначе вся создаваемая система может оказаться неэффективной и бесполезной. И опять оптимальным решением становится дрон Matrice 600 с установленной на нем технологией ScanLock. Сбор данных будет происходить со скоростью 183 метра за один проход. Процесс работы с одним большим полем не займет много времени. При этом не нужно, как раньше, ждать, когда обрабатываемые поля высохнут, чтобы на них можно было бы вывести соответствующую технику для сбора данных.
Археология
Там, где традиционные методы обследования больших, ценных с исторической точки зрения, ландшафтов требовали не одного года работы, теперь можно использовать технологию LiDAR, чтобы выполнить процесс по 3D-картографированию за считанные минуты. И снова наилучшим вариантом для такой процедуры будет установка ScanLock на дрон Matrice 600. “Потерянные” места и целые древние города будут открыты за самое короткое время.
В данном разделе мы рассмотрим группу ОЭПиС с общей технологией получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.
Эту группу оптических приборов объединяют под названием- Лида́р (транслитерация LIDAR англ. Light Identification, Detection and Ranging ) .
Устоявшийся перевод LIDAR как «лазерный радар» не вполне корректен, так как впервые аббревиатура LIDAR появилась в работе Миддлтона и Спилхауса «Метеорологические инструменты» 1953 года, задолго до изобретения лазеров. Первые лидары использовали в качестве источников света обычные или импульсные лампы со скоростными затворами, формировавшими короткий импульс. В современных системах ближнего радиуса действия (например, предназначенных для работы в помещениях) вместо лазеров используют обычные светодиоды. Однако именно применение лазера (обусловленное его свойствами: когерентности, высокой плотность и мощности излучения) позволило создать приборы с радиусами действия от сотен метров до сотен километров.
Первые полевые испытания носимого лазерного дальномера XM-23 с мощностью излучения 2.5 Вт и диапазоном измеряемых расстояний 200-9995 м прошли в 1963 году. Тогда же, в первой половине 1960-х годов, начались опыты по применению лидара с лазерным излучателями для исследования атмосферы. В 1969 году лазерный дальномер и мишень, установленная на Аполлоне-11, применялся для измерения расстояния от Земли до Луны. Четыре мишени, доставленные на Луну тремя «Аполлонами» и «Луноходом-2», и по сей день используются для наблюдения за орбитой Луны. В течение 1970-х годов, с одной стороны, отлаживалась технология лазерных дальномеров и компактных полупроводниковых лазеров, а с другой - были начаты исследования рассеяния лазерного луча в атмосфере..
Рассмотрение этой группы оптических приборов начнём с простейшего представителя-лазерного дальномера. Принцип работы основан на способности электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью, что позволяет определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:
где R - расстояние до объекта, c - скорость света в вакууме, n - показатель преломления среды, в которой распространяется излучение, t - время прохождения импульса до цели и обратно.
Рисунок 132 Принцип работы лазерного дальномера.
Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче импульс, тем лучше. Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазо-импульсный.
Сущность импульсного метода дальнометрирования
состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до объекта.
При фазовом методе дальнометрирования
лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону с помощью модулятора (электрооптического кристалла, изменяющего свои параметры под воздействием электрического сигнала). Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 10…150 МГц (измерительная частота). Отраженное излучение попадает в приемную оптику и фотоприемник, где выделяется модулирующий сигнал. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза отраженного сигнала относительно фазы сигнала в модуляторе. Измеряя разность фаз, определяют расстояние до объекта.
Общая структурная схема простейшего лидара представлена на рисунке 133 и схожа с прибором ночного видения, в современной военной технике они даже совмещаются.
Рисунок 133. Общая структурная схема простейшего лидара (1-лазер, 2-объект, 3-блок приёмника, 4- оптическая система ПОИ(телескопическая система), 5-ПОИ, 7-блок обработки и анализа, 7-блок вывода информации, 8- блок управления лазером.
На рисунке 134 представлен современный российский лазерный дальномер "Сажень-ТМ-Д" служащий для определения дальности до космических аппаратов, оснащенных лазерными ретрорефлекторами, и измерения угловых координат КА по отраженному солнечному излучению для расчета высокоточных параметров движения КА, а также получения фотометрической информации в видимом диапазоне длин волн.
В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах.
Рисунок 134 Дальномер "Сажень-ТМ-Д"
Именно измерение интенсивности рассеяния лазерного излучения аэрозолем атмосферы дало второй сильный толчок для дальнейшего развития. Лидар посылает в атмосферу короткий импульс света и принимает обратно сигнал обратного рассеяния. Рассеяние света в атмосфере происходит как молекулами воздуха (Релеевское рассеяние), так и частицами аэрозоля. Таким образом, наличие аэрозоля в атмосфере увеличивает сигнал обратного рассеяния по сравнению с чистой атмосферой и концентрация аэрозоля может быть определена как функция расстояния и интенсивности сигнала на фоне чистой атмосферы. Несмотря на тот факт, что аэрозоли составляют не более 10 % от общей массы антропогенных загрязнителей атмосферы, потенциальный ущерб от этого типа загрязнителей, которые, как правило, представляют собой сильные токсиканты, существенно больше. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары , определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.
Физические принципы работы атмосферных лидаров мы с вами подробно рассматривали в разделе ИК газоанализаторов. Здесь мы остановимся на конструктивных особенностях лидаров данного типа. В качестве примера рассмотрим современную методику многоволнового лазерного дистанционного анализа опасных загрязнений атмосферы. Особенность заключается в том что лазерные источники могут одновременно генерировать излучение на нескольких длинах волн в одном направлении. Это позволяет:
проводить обнаружение и измерение концентраций нескольких компонент опасных примесей (до 6) одновременно в реальном масштабе времени;
существенно повысить точность измерения концентрации опасных примесей за счет уменьшения влияния временных флуктуаций принимаемого сигнала, обусловленных турбулентностью атмосферы.
В многоволновом лидаре в качестве базовых лазерных систем применяются импульсно-периодические лазеры на CO 2 и изотопах молекулы CO 2 (диапазон 9-11 мкм), а также могут использоваться их вторые (диапазон 4.5-5.5 мкм) и третьи (диапазон 3.0-3.4 мкм) гармоники, полученные при преобразовании частоты излучения базовых лазеров в нелинейных кристаллах типа AgGaSe 2 или ZnGeP 2 с эффективностью преобразования 5-10%. Принципиальным отличием от используемых в настоящее время стандартных схем дифференциального лазерного газоанализа, в которых определяемые компоненты воздуха детектируется одна за другой, в многоволновых лазерных системах они могут определяться практически одновременно за счет выхода в генерацию набора аналитических длин волн одновременно и их одновременного детектирования после прохождения атмосферного объема с повышенной концентрацией нескольких опасных газообразных веществ.
Схема применения лидара на основе многоволнового аммиачного лазера для контроля атмосферы приведен на рисунке 135. Блок – схема многоволнового лидара и его принципиальная оптическая схема приведены на рисунках 136 и 137.
Рисунок 135. Схема применения многоволнового лидара
Рисунок 136. Блок – схема многоволнового лидара
Рисунок 137. Принципиальная оптическая схема многоволнового лидара
(М – зеркала)
Многоволновой газоанализатор (дальность действия до 10км.), использующий новейшие методы дистанционного контроля, может эффективно использоваться в самых различных сферах производства и жизнедеятельности: контроль выбросов в атмосферу вблизи опасных химических производств;
контроль за газовыми и/или утечками на предприятиях ЯТЦ;
выявление предаварийных ситуаций, отслеживание обстановки по загрязненности атмосферы при аварийных ситуациях;
обеспечение безопасности важных объектов - правительственных зданий, военных объектов, АЭС и т.п.
дистанционный контроль (например, с борта самолета или беспилотного спутника) выбросов газов с объектов атомной промышленности в третьих странах с целью их идентификации, и следовательно, определения возможности этих стран по производству ядерного оружия;
определение динамики распространения ядовитых облаков в атмосфере при широкомасштабных авариях;
На рисунке 138 представлены двухволновый лидар ЛСА-2с и одноволновой лидар 4Р предназначенных для зондирования атмосферных аэрозолей и облаков.
Они имеют те же основные характерные блоки для лидаров:
-лазер-передатчик;
-передающая оптическая система;
-приемная оптическая система;
-спектроанализирующее и регистрирующее устройство (ФЭУ, CCD - камера, лавинный фотодиод);
-блок обработки сигнала;
-блок управления;
-система отображения полученной информации.
Рисунок 138. Двухволновый лидар ЛСА-2с и одноволновой лидар 4Р.
Как мы уже отмечали, основным излучателем в лидарах является лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и длины волн (в нанометрах):
§ 1550 нм - инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света - так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека
§ 1064 нм - ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения
§ 532 нм - зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды
§ 355 нм - ближнее ультрафиолетовое излучение
Задачи решаемые применением Лидаров:
· Исследования атмосферы
Исследования атмосферы стационарными лидарами остаётся наиболее публичной отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.
· Измерение скорости и направления воздушных потоков.
Теоретическое обоснование применения наземного доплеровского лидара для таких измерений было дано ещё в 1980-е годы. Принцип действия основан на использовании эффекта Доплера, согласно которому, частота принятого сигнала, отражённого от цели может отличаться от частоты излучённого сигнала и разница зависит от соотношения скоростей объектов относительно друг друга. В 2001 Alcatel предложил размещение лидаров на борту спутников, так, что «созвездие» спутников на орбите способно отслеживать движение воздушных масс в рамках целого континента, а в потенциале - на Земле в целом.
· Измерение температуры атмосферы . Разработано и реализовано на практике несколько основных методов измерения профилей температуры.
В первом методе используется резонансное рассеяние на атомах щелочных металлов, в частности, натрия, калия, а также железа. Облака атомов металлов находятся на высоте 85 - 100 км. Температура измеряется по доплеровскому уширению резонансных линий с помощью зондирования узкополосным подстраиваемым лазером. Первые измерения были осуществлены с помощью искусственных натриевых облаков, забрасываемых в атмосферу ракетами. Несмотря на то, что метод ограничен диапазоном высот, на которых присутствуют атомы металла, рассеянный сигнал оказывается относительно большим, и это дает возможность измерять температуру с точностью до 1.5 ˚К.
Второй метод - метод рэлеевского рассеяния (Rayleigh lidar), основан на нерезонансном рассеянии света на молекулах воздуха. Впервые он был применен в 1953 году в опытах с прожекторным зондированием атмосферы. Суть метода заключается в следующем. Если отсутствует аэрозольное рассеяние, то мощность обратно рассеянного сигнала прямо пропорциональна плотности воздуха, из которой можно расcчитать температуру. Разрежение воздуха с высотой позволяет использовать метод рэлеевского рассеяния на высотах не более 90 км. Нижняя граница высоты измерения (около 20-30 км) обусловлена присутствием в граничном слое большого количества аэрозоля, который значительно увеличивает рассеяние, но практически не влияет на плотность воздуха.
Третий метод основан на вращательном рамановском (комбинационном) рассеянии молекулами воздуха (Raman lidar). Когда температура увеличивается, интенсивность переходов с большими квантовыми числами возрастает, в то время как интенсивность линий вращательного рамановского спектра, соответствующих маленьким квантовым числам, уменьшается. Переходы с большими квантовыми числами соответствуют линиям рамановского спектра, расположенным дальше от центральной частоты. Температура определяется при использовании измерений в двух областях спектра с различной температурной зависимостью. Максимальная высота зондирования составляет около 30 км, погрешность измерения менее 1 ˚К до высоты 10 км . Так как в приемнике линия упругого рассеяния подавляется, то измерения можно проводить и в присутствии значительных концентраций аэрозолей.
· Раннее оповещение о лесных пожарах.
· Исследования Земли
Вместо установки лидара на земле, где принимаемый отражённый свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых, нижних слоях атмосферы, «атмосферный» лидар может быть поднят в воздух или на орбиту, что существенно улучшает соотношение сигнал-шум и эффективный радиус действия системы. Первый полноценный орбитальный лидар был выведен на орбиту NASA в декабре 1994 года в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment). Двухтонный лидар LITE с метровым зеркальным телескопом, поднятый на высоту 260 км, «рисовал» на земле размытое пятно диаметром 300 м, что было явно недостаточно для эффективного отображения рельефа, и был исключительно «атмосферным».
· Космическая геодезия.
Сканируют рельеф земной поверхности с приемлемой разрешающей способностью.
· Авиационная геодезия.
Национальная океанографическая служба США (NOAA) систематически применяет авиационные лидары для топографической съёмки морского побережья.
Особое направление, применяемое на практике в сейсмоопасных районах США - дифференциальное измерение высот с целью выявления локальных подвижек земных масс в районе разломов. Ещё в 1996 с помощью лидара была открыта неизвестная ранее зона разлома возле Сиэтла.
Совсем не давно с помощью подобного лидара группе ученых из Хьюстонского университета возможно, удалось найти в джунглях Гондураса легендарный Золотой город.
Рисунок 139 Применениепрежде засекреченной военными
технологию лазерного картографирования.
· Строительство и горное дело
Строительство - обмеры зданий, контроль отклонения плоскостей стен и несущих колонн от вертикали (в том числе в динамике), анализ вибраций стен и остекления. Обмеры котлованов, создание трёхмерных моделей стройплощадок для оценки объёмов земляных работ.
Архитектура - построение трёхмерных моделей городской среды для оценки влияния предлагаемых новостроек на облик города.
· Морские технологии
Измерение глубины моря. Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти полностью отражаются поверхностью моря, тогда как зелёные частично проникают в воду, рассеиваются в ней, и отражаются от морского дна. Технология пока не применяется в гражданской гидрографии из-за высокой погрешности измерений и малого диапазона измеряемых глубин.
Поиск рыбы. Аналогичными средствами можно обнаруживать признаки косяков рыбы в приповерхностных слоях воды. Специалисты американской государственной лаборатории ESRL утверждают, что поиск рыбы лёгкими самолётами, оборудованных лидарами, как минимум на порядок дешевле, чем с судов, оборудованных эхолотами.
· Промышленные и сервисные роботы
Системы машинного зрения ближнего радиуса действия для роботов, основанные на сканирующем лидаре IBM, формируют цилиндрическую развёртку с углом охвата горизонта 360° и вертикальным углом зрения до +30..-30
· Военные технологии
Здесь лидары получили самое широкое распространение и выполняют функции ооптико-локационной локации, разведки, наведения на цель итп.
Рисунок 139. Обнаружитель атакующих ракет (ОАР), Оптико-локационная станция ОЛС-35
Рисунок 140. Средство национального технического контроля испытаний стратегического вооружения в соответствии с международными Договорами.
4.8 ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Интерферометры - это измерительные приборы, действие которых основано на явлении интерференции.
Работа приборов построена на последовательном разложение пучка излучения (на два или большее количество когерентных пучков каждый из них проходит различные оптические пути) и последующим их сложением, в результате создаётся интерференционная картина, по которой можно установить смещение фаз пучков.
С помощью интерферометров производится измерение угловых размеров звезд и угловых расстояний между звездами, измерение показателей преломления газов и жидкостей, а также определение концентрации примесей в воздухе. Интерферометры используются для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей.
Так как в основе принципа работы интерферометров лежит явление интерференции света, начнём изучение данной группы приборов с изучения этого явления.
Интерференции света - перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.
Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627-1691 гг.) и Робертом Гуком (1635-1703 гг.). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773-1829 гг.), введя «Принцип суперпозиции», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803). Он также выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.
Рисунок 141. Опыт Юнга и Интерференция в тонкой плёнке.
Ещё один метод получения устойчивой интерференционной картины для света служит использование воздушных прослоек, основанное на одинаковой разности хода двух частей волны: одной - сразу отраженной от внутренней поверхности линзы и другой - прошедшей воздушную прослойку под ней и лишь затем отразившейся. Её можно получить, если положить плосковыпуклую линзу на стеклянную пластину выпуклостью вниз. При освещении линзы сверху монохроматическим светом образуется тёмное пятно в месте достаточно плотного соприкосновения линзы и пластинки, окружённое чередующимися тёмными и светлыми концентрическими кольцами разной интенсивности. Тёмные кольца соответствуют интерференционным минимумам, а светлые - максимумам, одновременно тёмные и светлые кольца являются изолиниями равной толщины воздушной прослойки. Измерив радиус светлого или тёмного кольца и определив его порядковый номер от центра, можно определить длину волны монохроматического света. Чем круче поверхность линзы, особенно ближе к краям, тем меньше расстояние между соседними светлыми или тёмными кольцами. Данная методика используется для контроля оптических деталей.
Рисунок 142. Кольца Ньютона
Разобрав явление интерференции, перейдём к рассмотрению схем построения интерферометров.
Интерферометр Майкельсона является одной из наиболее распространенных скелетных схем интерферометра, предназначенной для различных применений в случае, когда пространственное совмещение объектов, порождающих интерферирующие волны, невозможно или в силу каких-то причин нежелательно.
Рисунок 143. Интерферометр Майкельсона
Звездный интерферометр Майкельсона - интерферометр для измерения угловых размеров звёзд и углового расстояний между двойными звёздами. Если угловое расстояние между двумя звездами очень мало, в телескоп они видны как одна звезда. В таком случае говорят о двойных звездах и надо провести специальное наблюдение, чтобы отличить их от звезд одиночных. Для этого используется звездный интерферометр Майкельсона, который позволяет к тому же определить угловое расстояние между звездами.
Рисунок 143.Звёздный интерферометр Майкельсона
Лучи света, пришедшего от удаленной звезды, отражается от плоских зеркал M1 - M2, разнесенных на достаточно большое расстояние D, затем отражаются от двух других зеркал и собираются линзой на экране, помещенном в фокальной плоскости. Разнесенные на расстояние D зеркала можно рассматривать как точечные источники, расстояние между которыми и равно D. Вследствие этого в изображении звезды наблюдается интерференционная картина, аналогичная интерференции от двух щелей, расположенных на расстоянии D друг от друга. Угловое расстояние между соседними интерференционными максимумами в этой картине равно θ=λ/D, где λ – длина волны света. При наличии двух близких звёзд, находящихся на малом угловом расстоянии φ друг от друга, в телескопе образуются 2 интерференционные картины, которые также смещены на угол φ и накладываются друг на друга. В зависимости от соотношения углов θ и φ видимость полос суммарной картины будет различной. Изменяя расстояние D и, следовательно, изменяя угол θ, можно добиться совмещения максимумов одной интерференционной картины с минимумами другой, в результате чего видимость полос будет наихудшей. При этих условиях φ=½θ=λ/2D. Измерив D и зная λ, можно определить угловое расстояние между звёздами φ. Аналогично определяются угловые размеры одной звезды. Если звезду рассматривать как равномерно светящийся диск, то расчёт показывает, что исчезновение полос происходит при φ=1.22λ/D. Точность измерения звёздного интерферометра тем больше, чем больше база D. Построен звездный интерферометр, в котором D может достигать 18 м. что позволяет измерять угловое расстояние с точностью до 0,001". Для измерения угловых размеров очень слабых звёзд, свет от которых на уровне шумов, применяют метод корреляции интенсивностей.
Интерферометр Рождественского – это двухлучевой интерферометр, состоящий из 2-х зеркал M1 , M2 и двух параллельных полупрозрачных пластин P1 , P2; M1, P1 и M2, P2 устанавливаются попарно параллельно, но М1 и М2 наклонены относительно друг друга на малый угол; расстояние М1Р1 = М2Р2 и M1P2=P1M2. Луч света разделяется пластиной Р1 на 2 луча, которые после отражений от M1 , M2 и прохождения Р2 оказываются параллельными с разностью фаз
δ = (4πD/λ)(cos i1 - cos i2).
Рисунок 144. Интерферометр Рождественского
Поскольку δ не зависит от положения лучей на зеркалах и определяется лишь углами падения, интерференционная картина будет локализована на бесконечности (или в фокальной плоскости объектива О). Параллельному пучку лучей, падающих на Интерферометр Рождественского, соответствует одна точка интерференционно картины, и, следовательно, для наблюдения всей картины необходим пучок конечной апертуры. Вид картины (порядок и ширина полос, их ориентация) зависит от наклона зеркал M1 и M2. Если, например, ребро двугранного угла, образованного M1 и M2, вертикально (перпендикулярно чертежу), то даже при очень малой разности (i1-i2) полосы сравнительно высокого порядка (D велико) вертикальны и почти параллельны.Если же ребро двугранного угла горизонтально, то в поле зрении находятся горизонтальные полосы низкого порядка (в т.ч. нулевая), видные и в белом свете. Введение в один из пучков к.-л. прозрачного объекта, например пластинки, изменяет ширину, порядок и ориентацию полос: нулевая полоса не горизонтальна и появляется при некоторой промежуточной ориентации M1 и M2 ; при очень большой толщине этой пластинки в белом свете можно видеть только очень узкие, почти вертикальные полосы, когда ребро угла между M1 и M2 почти вертикально. Ширина полос зависит от угла между M1 и Р1, увеличиваясь с его уменьшением. Если все зеркала и пластины параллельны, то в отсутствие неоднородностей ширина полос бесконечна (интерференционное поле равномерно освещено).
Интерферометр Жамена (интерференционный рефрактометр) - интерферометр для измерения показателей преломления газов и жидкостей, а также для определения концентрации примесей в воздухе.
Интерферометр Жамена состоит из двух одинаковых толстых плоскопараллельных пластинок из стекла(или кварца), установленных почти параллельно друг другу. Пучок света падает на первую пластинку под углом i, близким к 45°. Каждый луч пучка после отражения на поверхностях пластинки делится на 2 когерентных луча S1 и S2 , идущих на некотором расстоянии друг от друга, зависящем от толщины пластинок d. Далее на второй пластинке каждый из них аналогичным образом разделяется на два луча. В результате от второй пластинки идут 4 параллельных когерентных луча S1’, S1”, S2’, S2”; Средние пучки S1” И S2’ налагаются и образуют интерференционную картину в фокальной плоскости объектива О1.
Рисунок 145. Схема интерферометра Жамена: ОО – ось вращения компенсаторных пластинок; L – лимб поворота компенсатора; О1 и О2 – объектив и окуляр зрительной трубы.
Разность хода между ними равна
где n п - показатель преломления пластинок.
φ - угол междуними.
При (φ ≈ 5′ - 15′ ∆ мала, поэтому при использовании источника белого света наблюдаются только интерференционные полосы низкою порядка, которые имеют форму прямых линий с белой ахроматической полосой в центре, окружённой системой окрашенных полос.).
Сравнительно большое расстояние между лучами S1 и S2 , позволяет установить на их пути две кюветы К1 и К2 одинаковой длины l с исследуемыми веществами, показатели преломления которых n1 и п2. Возникающая разность хода, что вызовет смещение интерференционной картины.
∆ = (n2-n1)l = δnl
С помощью Интерферометра Жамена проводят количественный анализ газовых смесей - определяют концентрацию некоторых газообразных примесей, например метана и СО2 , в воздухе шахт (т. к. n зависит от природы газа).
Интерферометр Физо- один из простейших интерферометров применяемый главным образом для контроля точности изготовления плоских поверхностей оптич. деталей.
Свет от монохроматического источника L с помощью конденсора O1 диафрагмы D и объектива О2 направляется параллельным пучком на эталонную Э и контролируемую К пластинки (положенные одна на другую) почти перпендикулярно к их поверхностям. При этом строго плоская эталонная и контролируемая поверхности пластинок образуют между собой небольшой угол a. С помощью полупрозрачной пластинки П в отражённом свете наблюдаются интерференционные полосы равной толщины,которыерые локализованы в области воздушного клина между контролируемой и эталонной поверхностями.
Рисунок 146. Интерферометр Физо; а - Вид дефектов сверху на контролируемой пластинке; б - Сечение эталонной и контрольной пластинок. Сечение по линии А-А (угол a и размеры дефектов для наглядности сильно увеличены); в - Вид интерференционной картины полос равной толщины в интерферометре Физо.
Положения этих полос определяются из условия: D=2dn+l/2=ml=const (при п~1), где d - толщина воздушного клина. Если контролируемая поверхность идеально плоская, то полосы равного наклона имеют форму прямых эквидистантных линий, параллельных ребру клина (d=const), расстояние между к-рыми равно z=l/2a (рис. 2, в) (при a=10"" и l~0,5 мкм, z=5 мм). Если же на контролируемой поверхности имеются к--л. дефекты, например, небольшие углубления или выступы, как на рисунке или она не строго плоская, то в области расположения этих дефектов наблюдаются отклонения dz от прямолинейности. При этом относит, величина отклонения dz/z связана с высотой или глубиной дефекта dh соотношением dh=(l/2)dz/z.
Невооружённый глаз может оценить величину dz/z~0,l, что соответствует величине обнаруженного дефекта dh=l/20 (при l=0,633 мкм, dh=0,031 мкм). Знак отклонения позволяет отличить тип дефекта: углубление или выступ. Если контролируемая поверхность имеет форму сферы, то интерференционные полосы имеют форму концентрических окружностей (см. Ньютона кольца). В интерферометре Физо поверхности контролируемой и эталонной пластинок из-за малости угла (угл. секунды) почти полностью соприкасаются друг с другом и в процессе юстировки могут быть повреждены. Поэтому для контроля поверхностей часто используются бесконтактные интерферометры, построенные по схеме интерферометра Майкельсона.
Рисунок 147. Интерферометр Физо конструкции Романова предназначен для бесконтактного измерения формы плоских полированных поверхностей и зеркал. Программное обеспечение предназначено для обработки интерференционных картин с дополнительно введёнными наклонами.
Литература.
- Д. Н. Черкасова, А. В. Бахолдин / «Оптические офтальмологические приборы и системы Часть I»/ Санкт-Петербург 2010.
- Лукин С.Б. / «КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ ОЭС» / СПбГУ ИТМО 2004г.
- Латыев С.М./ « Конструирование точных (оптических) приборов»/ Электронный учебник по дисциплине: "Основы конструирования оптических приборов". СПбГУ ИТМО
- А.Л. Андреев / «Автоматизированные телевизионные системы наблюдения» / СПбГУ ИТМО
- Митрофанов С.С / «Теоретические и физические основы устройства ОП»/ Электронный учебник по дисциплине: "Прикладная оптика". СПбГУ ИТМО, кафедра КиПОП
- http://biggest.su/samyj-bolshoj-teleskop/
7. В. Самохин, Н. Терехова/ «Видеопроекция сегодня и завтра»
8. М.А. Кустикова, М.Н. Мешалкина, В.Л. Мусяков, А.Н. Тимофеев/ «Методические указания к лабораторным работам по разделу «ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ» курса «ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ»
10. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/OPTIKA.html?page=4,6
11. .Захарьевский А.Н. «Интерферометры» 1952.
12. М.М. Мирошников / «Теоретические основы ОЭП»/ «Машиностроение « 1977г.
13. М.М. Русинов / «Габаритные расчёты оптических систем» Москва 1963
14. Г.Г. Ишанин, М. Г. Козлов, К.А. Томский / «Основы светотехники»/ СПб 2004г
Загрузка...
