Предлагаемое изобретение касается детектирования или обнаружения электромагнитных волн, в частности, электромагнитных волн оптического диапазона, которые могут приходить на детектор этих волн под различными углами падения.
Такая ситуация возникает, например, в том случае, когда спутник, движущийся по относительно низкой околоземной орбите, снабжен детектором электромагнитных волн, постоянно отслеживающим пространственную ориентацию вдоль местной земной вертикали и принимающим от различных наземных станций сигналы в виде коротких последовательностей импульсов в целях, например, осуществления временных измерений. Влияние различных факторов приводит, в частности, к тому, что соотношение сигнал/шум в процессе измерений является переменной величиной, меняющейся с изменением угла падения электромагнитных волн на чувствительную поверхность детектора, т.е. к тому, что уровень детектируемого сигнала зависит от его угла падения, что является весьма нежелательным.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить техническое решение этой проблемы.
Т.е. основная задача данного изобретения, решение которой более подробно будет описано ниже, состоит в том, чтобы предложить устройство, способное осуществить детектирование электромагнитных сигналов независимо от угла их падения на данный установленный на спутнике детектор электромагнитных волн оптического диапазона.
Исходным объектом для решения поставленной задачи является устройство приема электромагнитных сигналов, предназначенное для выделения входного пучка электромагнитных сигналов известных геометрических параметров, поступающего на упомянутое устройство под разными углами входа, и содержащее детектор, имеющий чувствительную приемную поверхность и главную ось детектирования, служащую эталонным направлением для определения входного угла падения, а также содержащее средство, предназначенное для передачи на этот детектор или чувствительный элемент в некоторой определенной угловой области падающего пучка электромагнитных волн, полученного из входного пучка.
В этом устройстве в соответствии с данным изобретением предполагается, с одной стороны, использовать квадратный детектор энергии падающего на его чувствительную поверхность пучка электромагнитных волн, а с другой стороны, снабдить упомянутое средство передачи некоторым средством коррекции, способным корректировать геометрические параметры пучка, попадающего на детектор, в соответствии с некоторым заранее выбранным законом коррекции, представляющим собой функцию входного угла падения и стремящимся уменьшить расхождения величины принимаемой энергии в зависимости от этого угла падения.
Таким образом, при использовании предлагаемого устройства соотношение сигнал/шум в процессе детектирования становится практически постоянным при любом входном угле падения пучка электромагнитных волн. Говоря другими словами, упомянутый закон коррекции способен сделать независимой от входного угла падения вероятность детектирования электромагнитных сигналов из падающего входного пучка чувствительной поверхностью данного детектора или же сделать детектированный сигнал независимым от угла падения.
В предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения электромагнитные сигналы падающего входного пучка имеют частоты, располагающиеся в оптической части спектра.
В соответствии с другой характеристикой предлагаемого изобретения упомянутое средство коррекции представляет собой оптическую линзу, имеющую поверхности, профили которых определяются заранее в зависимости от выбранного закона коррекции.
Таким образом, коррекция, вносимая в траектории движения электромагнитных сигналов, является чисто пассивной, что позволяет избежать расхода энергии на эти цели. Кроме того, такая оптическая линза может служить фильтром, поскольку профили ее поверхностей выбираются в функции характеристик детектируемых пучков электромагнитных волн.
В соответствии с еще одной характеристикой предлагаемого изобретения упомянутая оптическая линза имеет по меньшей мере одну поверхность, форма которой отличается от сферической. Эта поверхность ориентирована в направлении чувствительного элемента данного детектора.
Благодаря наличию такой несферической поверхности можно развести за пределы поверхности чувствительного элемента детектора часть сигналов, приходящих по направлению нормали к этой поверхности, и наоборот, сфокусировать на поверхности чувствительного элемента часть сигналов приходящего пучка, падающих на детектор под достаточно большим углом.
По уже упомянутому выше определению здесь угол падения электромагнитных волн на поверхность чувствительного элемента детектора отсчитывается по отношению к нормали, восстановленной к этой поверхности.
Таким образом, поскольку известно, что соотношение между сечением пришедшего пучка электромагнитных волн и площадью поверхности чувствительного элемента детектора является достаточно большой величиной, при малых значениях угла падения, т. е. при практически отвесном падении, обеспечивается запрещение доступа к упомянутому чувствительному элементу детектора для некоторой части электромагнитных сигналов, которые в принципе были бы способны достичь поверхности этого чувствительного элемента, тогда как при относительно больших углах падения, т.е. при пологом падении, обеспечивается форсирование доступа к поверхности чувствительного элемента данного детектора для некоторой части тех электромагнитных сигналов, которые в противном случае не смогли бы достичь этой поверхности.
Таким образом, детектируемая интенсивность входных пучков электромагнитных волн усиливается в тем большей степени, чем больше входной угол падения этих пучков.
В одном из возможных вариантов практической реализации предлагаемого изобретения упомянутая оптическая линза имеет отличную от сферической поверхность, ориентированную в направлении поверхности чувствительного элемента данного детектора, и противоположную ей плоскую поверхность. Таким образом, подобная оптическая линза обеспечивает при помощи своей криволинейной и отличной от сферической по форме своей кривизны поверхности коррекцию траекторий распространения пришедших электромагнитных волн, а ее плоская поверхность служит элементом защиты от всевозможных паразитных электромагнитных излучений.
Другие отличительные характеристики и преимущества предлагаемого изобретения представлены в приведенном ниже подробном описании его практической реализации, в котором даются ссылки на фигуры чертежей, на которых изображено:
фиг. 1 представляет собой схематический вид в поперечном разрезе устройства приема электромагнитных сигналов в соответствии с данным изобретением, который иллюстрирует воздействие упомянутого средства коррекции на падающий входной пучок электромагнитных волн, направленный к данному устройству под углом падения, составляющим примерно 30o;
фиг. 2 представляет собой схему, иллюстрирующую способ практического использования устройства приема электромагнитных сигналов в соответствии с данным изобретением в одном из специальных случаев его применения;
фиг. 3 представляет собой схематический вид в поперечном разрезе устройства приема электромагнитных сигналов в соответствии с данным изобретением, который иллюстрирует воздействие упомянутого средства коррекции на падающий входной пучок электромагнитных волн, направленный к данному устройству практически отвесно, т.е. под практически нулевым углом падения.
Некоторые известные на сегодняшний день устройства приема электромагнитных волн, предназначенные, в частности, для детектирования входного пучка электромагнитных сигналов, обладающего известной геометрией и поступающего на данное устройство под различными входными углами падения, требуют для своего нормального функционирования, чтобы величина соотношения сигнал/шум при каждом цикле измерения была практически постоянной или чтобы уровни детектируемых сигналов были также практически постоянными.
Здесь, когда речь идет об известной геометрии поступающего пучка электромагнитных волн, подразумевается, главным образом, величина расхождения этого пучка.
Детекторы подобного типа обычно используются в устройствах определения местоположения в пространстве тех или иных подвижных объектов, в частности, объектов, представляющих собой движущиеся по околоземным орбитам спутники, с тем, чтобы обеспечить необходимые условия слежения за этими спутниками в реальном времени со стороны наземных станций.
Пучки информационных сигналов, излучаемые этими наземными станциями, содержат последовательности или пакеты электромагнитных волн оптической области спектра. Длительность таких последовательностей пакетов обычно составляет от 10 до 100 пс. Вследствие этого такой пучок электромагнитных сигналов является коллиматированным и, следовательно, он имеет очень малый угол расхождения (некоторая часть численного значения раскрытия оптической системы).
Необходимо, таким образом, чтобы передатчик электромагнитных волн на наземной станции слежения постоянно и точно отслеживал известную траекторию движения данного спутника так, чтобы главная ось его излучения всегда была ориентирована строго на этот спутник. Это становится возможным в известных устройствах подобного типа при помощи использования специальных следящих систем, постоянно ориентирующих ось передатчика соответствующим образом в пространстве.
В этих же известных на сегодняшний день устройствах детектор электромагнитных сигналов обычно устанавливается в неподвижном положении на спутнике таким образом, чтобы при осуществлении соответствующей ориентации самого спутника глазная ось детектирования упомянутого детектора постоянно была ориентирована вдоль местной вертикали пролегаемого участка земной поверхности. Из сказанного выше следует, что угол падения пучка электромагнитных волн на такой детектор от наземного источника излучения изменяется непрерывно с течением времени.
Однако, если расстояние от данного спутника до поверхности земли вообще остается в процессе его движения по околоземной орбите практически постоянным, то расстояние от данного спутника до данной наземной измерительной станции изменяется с течением времени, как и упомянутый угол падения на установленный на этом спутнике детектор пучка излучаемых данной наземной станцией электромагнитных волн. При этом по мере увеличения расстояния от данной наземной станции до данного спутника соответствующим образом возрастает толщина атмосферного слоя, сквозь который этот пучок электромагнитных волн должен пройти на пути к детектору, установленному на спутнике, и, соответственно, в тем большей степени снижается интенсивность этого пучка в результате эффекта поглощения и/или рассеивания его энергии молекулами упомянутого все более протяженного атмосферного слоя.
Кроме того, характеристики излучаемых наземными станциями пучков электромагнитных волн (в частности, длительность излучаемых импульсов электромагнитных сигналов, их интенсивность, степень расхождения данного пучка и т. п.) различаются при переходе от одной такой наземной станции слежения к другой.
Вследствие этого обстоятельства интенсивность электромагнитных сигналов, которые детектируются бортовым оборудованием данного спутника, сильно зависят от угла падения этих сигналов на детектор этого спутника.
Величина выходного сигнала, выдаваемого детектором принимаемых электромагнитных сигналов, установленным на данном спутнике, при продолжении связи с одной и той же наземной передающей станцией может изменяться с течением времени, на протяжении которого данный спутник находится в зоне видимости данной наземной передающей станции, примерно в 100 раз при переходе от положения, когда данный спутник находится точно над данной передающей станцией, к положению, когда этот спутник находится на угловой высоте в 5o над линией горизонта, характерной для места расположения данной наземной станции.
Такие изменения принимаемого сигнала весьма неблагоприятным образом сказываются на нормальном функционировании электронного оборудования, установленного на борту данного спутника, поскольку они непосредственно влияют на величину весьма важного соотношения сигнал/шум и заставляют схему усиления, связанную с упомянутым детектором электромагнитных сигналов, работать в очень широком динамическом диапазоне (достигающем, обычно, примерно 100 дБ).
Итак, можно с уверенностью сказать, что величина соотношения сигнал/шум, характерная для детектируемого пучка электромагнитных сигналов, оказывает непосредственное влияние на результат определения местоположения данного подвижного объекта. При этом, чем большую величину будет иметь это соотношение, тем выше будет качество определения местоположения упомянутого объекта.
Известные на сегодняшний день устройства упомянутого выше типа не могут, таким образом, обеспечить достаточно высокую величину соотношения сигнал/шум и примерное постоянство этой величины при изменяющемся угле падения излучаемого наземными станциями пучка электромагнитных волн.
Прежде всего, необходимо отметить, что на фиг. 1 схематически представлено устройство приема электромагнитных сигналов 1 в соответствии с данным изобретением, содержащее средство передачи 2 этих сигналов, способное принимать извне так называемый "падающий" пучок электромагнитных волн F1, заключенный в некотором угловом диапазоне ω , составляющем примерно 60o, модифицировать определенным образом и передавать на чувствительный элемент детектора 3 этот модифицированный пучок в виде падающего пучка F0 с геометрией, отличной от геометрии входного пучка электромагнитных волн F1, пришедшего к детектору в целом.
Детектор электромагнитных сигналов 3 представляет собой детектор квадратной формы, предназначенный для детектирования или выявления на поверхности некоторого чувствительного элемента 4 энергии падающего пучка электромагнитных волн F0.
Упомянутое выше средство передачи 2 электромагнитных сигналов содержит основание, снабженное вырезом 11, который может представлять собой либо отверстие, выполненное в упомянутом выше основании, либо защитный экран, выполненный из соответствующего защитного материала, в том случае, когда необходимо защитить данный детектор от паразитных электромагнитных излучений и/или отфильтровать сигналы, передаваемые на упомянутый детектор 3.
Позади входного окна данного детектора электромагнитных волн и перед чувствительным элементом этого детектора 3 в соответствии с предлагаемым изобретением располагается оптическая линза 6, которая жестко закреплена внутри основания данного детектора при помощи, например, фиксирующих лапок 7.
Упомянутая оптическая линза 6 имеет собственные размеры порядка нескольких сантиметров (обычно такая оптическая линза имеет размеры от 3 до 5 см), тогда как диаметр поверхности чувствительного элемента 4 данного детектора электромагнитных сигналов составляет несколько сотен микрон (обычно эта величина составляет примерно 200 мкм). Таким образом, данная ситуация обращается в ситуацию так называемого "малого детектора".
Такая ситуация в общем случае характеризуется двумя важными преимуществами:
- во-первых, она позволяет весьма существенно уменьшить расходы на изготовление упомянутой выше оптической линзы,
во-вторых, она дает возможность предложить некоторую упрощающую фундаментальную гипотезу для расчета соответствующих профилей поверхностей упомянутой оптической линзы.
Детектор 3 также является неподвижно закрепленным на пластине 8 основания. Таким образом, упомянутые выше оптическая линза 6 и детектор 3 являются неподвижными друг относительно друга, что является необходимым во многих отношениях условием.
Упомянутый выше детектор 3 имеет главную ось детектирования 14, схематически представленную на фиг. 1 пунктирной линией OX, перпендикулярной поверхности чувствительного элемента данного детектора 4. Эта ось 14 служит линией отсчета для определения входного угла α падения поступающих на данное устройство электромагнитных сигналов. В дальнейшем тексте приведенного ниже описания предлагаемого изобретения углы падения пучков электромагнитных волн будут отсчитываться относительно этой главной оси детектирования 14.
В известных устройствах подобного типа и в случае так называемого "малого детектора" вероятность того, что электромагнитные сигналы из падающего входного пучка F1 достигнут детектора 3, практически не зависит от среднего входного угла падения α , при условии, что величина этого угла не превышает ω/2.
С использованием устройства в соответствии с данным изобретением можно работать и при углах падения α , превышающих величину ω/2. Действительно, отклоняя падающий входной пучок электромагнитных волн F1 при помощи простой плоской границы раздела двух сред, одна из которых имеет показатель преломления, превышающий показатель преломления вакуума, можно изменить в сторону уменьшения угол падения упомянутого пучка. Этот эффект описывается, в частности, законами Descartles-Snell и может быть выражен соотношением: n1•sin(i1)=n2•sin(i2).
Однако, упомянутая простая плоская граница раздела двух оптических сред не позволяет разрешить специфическую проблему: а именно не дает возможности сделать интенсивность детектируемых пучков электромагнитных волн практически независимой от входного угла падения данного пучка.
Заявитель обнаружил, что достижение этой цели оказывается возможным при использовании оптической линзы 6, по меньшей мере одна из двух сторон которой имеет отличный от сферического профиль 6а, в предпочтительном варианте реализации являющийся вогнутым. Этот конкретный профиль одной из поверхностей упомянутой оптической линзы предварительно определяется в функции, с одной стороны, известной геометрии падающего входного пучка электромагнитных волн F1 и частоты этих волн, а с другой стороны, в зависимости от особенностей геометрии чувствительной поверхности детектирования 4. Кроме того, выбор профиля поверхности упомянутой линзы является функцией закона поглощения входного пучка этих электромагнитных волн F1.
Такая не являющаяся сферической поверхность оптической линзы в принципе эквивалентна некоторой последовательности поверхностей попеременно положительной и отрицательной кривизны.
Такое использование несферической линзы, а также корректура поступающей энергии идет вразрез с традициями, распространенными в области передачи и приема электромагнитных волн. Действительно, до настоящего времени линзы подобного типа использовались либо для коллиматирования пучка электромагнитных волн, либо для осуществления коррекций геометрических и/или хроматических аберраций, вносимых другими элементами, располагающимися на пути подлежащего детектированию пучка.
Количество упомянутых выше не являющихся сферическими поверхностей, выполненных на данной линзе, зависит от количества существенно переменных параметров в системе, которую образуют передающая станция и устройство, содержащее приемный элемент в соответствии с данным изобретением.
Далее будет описан пример практического использования устройства в соответствии с предлагаемым изобретением, которое требует применения оптической линзы, содержащей только одну несферическую криволинейную поверхность.
Такой вариант использования устройства в соответствии с данным изобретением соответствует случаю, когда спутник, осуществляющий прием электромагнитных сигналов с земли, вращается на низкой околоземной орбите, а передающая станция неподвижно установлена на земле. В этом примере приемный элемент (находящийся на орбите спутник) перемещается относительно передающего элемента (наземная передающая станция) в двухмерной системе координат, т. е. в некотором плоском пространстве, причем каждый из упомянутых выше элементов определяется в этой системе координат двумя сферическими координатами (r, Θ), где модуль r является постоянной величиной, а угол Θ изменяется.
Центр земли служит началом неподвижной системы координат. В этой системе координат наземная передающая станция является неподвижной, а спутник движется по неизменной траектории круглой формы в плоскости, определяемой этой системой координат. Этот в принципе условный случай схематически проиллюстрирован на фиг. 2, где r=R+H, причем R представляет собой радиус земли или некоторого небесного тела T, а H представляет собой высоту орбиты по отношению к поверхности земли, по которой движется упомянутый спутник.
В этом конкретном случае в конструкции детектора в соответствии с предлагаемым изобретением используется линза, содержащая первую поверхность, криволинейный профиль которой не является сферическим, и вторую поверхность плоского профиля.
Упомянутая несферическая поверхность 6а линзы в предпочтительном варианте реализации обращена в сторону чувствительной поверхности детектирования 4, тогда как плоская поверхность этой линзы 6б ориентирована в сторону передатчика пучка электромагнитных волн F1.
Такая конфигурация приемного устройства позволяет обеспечить защиту упомянутой несферической поверхности 6а линзы, которая является наиболее важным элементом данного устройства.
Профиль криволинейной и не являющейся сферической поверхности упомянутой линзы рассчитывается с использованием общих уравнений, приведенных в приложении 1, со ссылками на чертежи и схемы, приведенные на фиг. 1, 2 и 3.
Прежде всего, должны быть сделаны следующие предположения или допущения:
а) диаметр D1 чувствительной поверхности 4 детектора 3 весьма мал по сравнению с наружным диаметром D2 используемой в данном случае линзы;
б) орбита рассматриваемого в данном случае спутника SAT предполагается имеющей форму окружности.
Затем определяется локальная система координат (O, x, y) на спутнике, центр которой располагается в средней точке О данной оптической линзы 6.
Направление Ox в этой системе координат определяет ось абсцисс, которая проходит через точку O и центр детектора, а направление Oy определяет ось ординат, которая совпадает с упомянутой плоской поверхностью 6в данной линзы. Считается, что пучок электромагнитных волн F1 падает на поверхность 6в линзы устройства в соответствии с данным изобретением под углом α в некоторой точке с абсциссой X=0 и некоторой координатой Y. После преломления на границе раздела двух оптических сред и последующего распространения в материале упомянутой линзы, обладающем показателем преломления n, упомянутый пучок электромагнитных волн падает на криволинейную и не являющуюся сферической поверхность 6а данной линзы в некоторой точке с координатами (x, y).
После этого пучок электромагнитных волн выходит из упомянутой линзы под некоторым углом η и попадает на детектор в некоторой точке с координатами (X=a+b, YD), где a представляет собой минимальную толщину OB данной линзы, а b представляет собой расстояние, которое отделяет точку B на поверхности 6а несферического профиля криволинейной поверхности упомянутой линзы от центра чувствительной поверхности 4 данного детектора.
В этом случае не являющаяся сферической криволинейная поверхность 6а данной линзы определяется четырьмя следующими уравнениями.
Первое уравнение описывает ход луча или пучка электромагнитных волн на участке от плоской поверхности 6в линзы до ее криволинейной поверхности 6а (уравнение N 1 в приложении 1).
Второе уравнение описывает ход луча или пучка электромагнитных волн на участке от криволинейной поверхности 6а данной линзы до чувствительной поверхности детектора (уравнение N 2 в приложении 1).
Третье уравнение определяет угол выхода упомянутого пучка электромагнитных волн из криволинейной и не являющейся сферической поверхности 6а данной линзы (уравнение N 3 приложения 1).
Четвертое уравнение определяет репрезентативную функцию изменения подлежащего компенсации фототока (уравнение N 4 в приложении 1).
Это четвертое уравнение получено на основе дифференцирования первого и второго из упомянутых выше уравнений при помощи введения функции F( (α) ):
В уравнении N 4 приложения 1 используемый там коэффициент k представляет собой некоторую константу, определяемую произвольным образом разработчиком данной оптической линзы. Наиболее предпочтительные условия использования предлагаемого изобретения обеспечиваются в том случае, когда k=1.
Упомянутые выше и приведенные в математическом виде в упомянутом приложении 1 уравнения позволяют в случае необходимости учесть рефлективность чувствительной поверхности детектора в зависимости от угла падения детектируемых электромагнитных волн в предположении, что упомянутый детектор представляет собой простой поглотитель электромагнитной энергии, что вполне соответствует случаю использования детекторов, изготовленных, например, с применением так называемой кремниевой технологии.
Приведенные в приложении 1 уравнения пригодны для линз, обладающих цилиндрической симметрией, что соответствует случаю используемых в настоящее время линз, включая сферические линзы, когда считается, что площадь чувствительной поверхности детектора весьма мала по сравнению с другими параметрами данного устройства, в частности, по сравнению с диаметром линзы.
Исходя из упомянутых выше четырех уравнений могут быть использованы некоторые формальные или численные операции, имеющие целью получить в конечном счете параметры профиля не являющейся сферической поверхности 6а данной линзы.
Ниже будет описан один из этих методов, являющийся особенно предпочтительным. Этот метод был специально разработан именно для решения этой специфической проблемы, однако он вполне может быть адаптирован и для решения других проблем, в частности таких, для которых должна быть обеспечена непрерывность частной производной некоторой функции.
Этот метод относится к категории так называемых числовых методов.
При использовании упомянутого метода для решения поставленной задачи исходят из горизонтального падающего пучка, наложенного на ось абсцисс OX (y= 0, α =0, x=a). Затем перемещают этот пучок поступательным движением так, чтобы он оставался параллельным оси OX, до достижения ординаты YD=+D1/2, после чего определяют новые связанные значения α и x'/y'.
Затем полагают YD= -D1/2 в уравнении N 2 и получают из этого уравнения величину угла η на выходе из асферической поверхности 6а данной линзы, поскольку известны значения x и у (непрерывность точек). Зная величину угла η , можно получить из уравнения N 3 первое соотношение между углом α , и x'/y'.
В первом приближении дифференцирование уравнений N 1 и N 2 при постоянном значении угла α и при введении полученных ранее результатов в уравнение N 4 позволяет получить из них величину x'/y' в функции угла α (уравнение N 5 в приложении 1). Это дает второе уравнение, связывающее параметры α и x'/y'.
Таким образом, имеется система нелинейных уравнений, которая решается численными методами для получения из новой пары параметров (α и x'/y'). После этого выводится величина параметра Δy (уравнение N 6 в приложении 1), которая характеризует шаг преобразования в цифровую форму между двумя соседними пучками электромагнитных волн.
Далее полагают y = y+Δy и x = x+(x′/y′)•Δy. Затем снова возвращаются к упомянутому этапу и полагают YD=-D1/2 и так продолжается до тех пор, пока не будет получен искомый интервал углов α.
Другие алгоритмы, принимающие во внимание вариацию x'/y', когда лучи перемещаются на постоянный угол α , также могут быть использованы, однако они являются ненужными в тех случаях, когда работа проводится в предположении использования так называемого "малого детектора".
Система передачи и приема электромагнитных сигналов, схематически проиллюстрированная на фиг. 2, содержит некоторое небесное тело T (в данном случае это планета Земля), на котором в неподвижном положении размещены приемно-передающие станции Si электромагнитных волн, и искусственный спутник этого небесного тела или Земли SAT, движущийся по относительно низкой орбите вокруг этого небесного тела T.
Каждая из упомянутых выше наземных приемно-передающих станций Si содержит приемно-передающую антенну 10, предназначенную, с одной стороны, для передачи пучка электромагнитных волн F1 в направлении данного спутника SAT, а, с другой стороны, для приема пучков электромагнитных волн FR, направляемых в сторону данной наземной станции с упомянутого спутника.
Из сказанного выше следует, что данный спутник SAT содержит не только приемное устройство 1 в соответствии с предлагаемым изобретением, предназначенное для приема входного пучка электромагнитных волн F1, приходящего с поверхности Земли от наземных передающих станций Si, но и передатчик электромагнитных волн (не показанный на схеме фиг. 2), предназначенный для передачи пучков FR в ответ на результаты приема и детектирования входного пучка электромагнитных волн F1.
В случае применения описанной выше системы для слежения за данным спутником в реальном времени излучаемые с обеих сторон электромагнитные волны имеют импульсный характер и их частота относится к оптической спектральной области, центр которой располагается на частоте 5•1014 Гц (эта область соответствует видимому и инфракрасному излучению). Таким образом, эти электромагнитные волны могут быть ассоциированы с потоком фотонов с энергиями, заключенными в диапазоне от 1,5 эВ до 3 эВ. А такая трактовка приводит к уподоблению пучка электромагнитных, излучаемых наземной передающей станцией, короткому мощному импульсу излучения фотонов, растянутому по времени на промежуток от 10 до 100 пс.
Детектор упомянутых электромагнитных волн 3, используемый для приема этого пучка фотонов, представляет собой, например, фотодетектор, предназначенный для измерения величины фототока, обусловленного принятым потоком фотонов.
Должно быть, однако, ясно, что в зависимости от особенностей конкретной области применения данного изобретения могут быть использованы и другие типы детекторов.
Ниже будет описан процесс слежения наземными приемно-передающими станциями за спутником SAT.
Передатчик 10 каждой наземной станции Si (точнее говоря, антенна этого передатчика) установлен с возможностью вращения в различных плоскостях для того, чтобы иметь возможность отслеживать движение данного спутника SAT в угловом диапазоне до 180o. Управление движением этого передатчика или передающего устройства обеспечивается специальными средствами обработки информации, располагающими данными о траектории движения данного спутника. Таким образом, когда данный спутник находится в поле зрения или в зоне досягаемости данной наземной станции слежения, имеется возможность нацелить главную ось передачи 13 упомянутого передающего устройства 10 точно на центр детектора 3.
Упомянутое приемное устройство 1 спутника постоянно остается ориентированным в сторону земли таким образом, чтобы главная ось детектирования 14 постоянно была нацелена на центр земли T.
Как наземные станции слежения Si, так и спутник оснащены соответственно атомными часами или высокоточным тактовым генератором. Все эти атомные часы или тактовые генераторы синхронизированы относительно некоторого эталонного времени. Между тем, область перекрытия области видимости или зоны досягаемости данного спутника со стороны двух соседних наземных станций S1 и S2 не является нулевой, т.е. реально существует, что обеспечивает возможность непрерывного слежения с поверхности земли за данным спутником.
В любой данный момент времени одна или несколько наземных станций слежения излучают мощные импульсы фотонов, образующие падающие входные пучки F1 на приемном устройстве данного спутника. Каждый такой пучок оптических электромагнитных волн излучается соответствующим лазером. И хотя каждый такой пучок излучения является коллиматированным, он, тем не менее, характеризуется небольшим углом расхождения или дивергенции, представленным схематически на фиг. 2 углом β . Однако, поскольку это фактически имеющее место расхождение пучка характеризуется углом достаточно малой величины, в первом приближении можно считать упомянутый пучок электромагнитных волн имеющим форму цилиндра с диаметром D2.
Упомянутый входной пучок электромагнитных волн F1 подходит к спутнику под углом падения α , отсчитываемым по отношению к главной оси детектирования 14. Этот входной пучок электромагнитных волн или фотонов F1, который, как уже было сказано выше, в первом приближении может рассматриваться как имеющий цилиндрическую форму с диаметром D2, падает на плоскую поверхность линзы и, определяющей границу раздела двух оптических сред, т.е. вакуума и материала данной линзы. На этой границе раздела оптических сред упомянутый пучок электромагнитных волн подвергается первому преломлению, после чего он пересекает противоположную асферическую криволинейную поверхность упомянутой линзы, которая представляет собой вторую границу раздела оптических сред линза-вакуум, где этот пучок электромагнитных волн подвергается второму преломлению.
Теперь со ссылками на фиг. 1 и 3 будет более подробно описано воздействие оптической линзы упомянутого приемного устройства в соответствии с предлагаемым изобретением на входной пучок электромагнитных лучей F1.
Первое упомянутое выше преломление только отклоняет определенным образом совокупность лучей входного пучка, поскольку, с одной стороны, поверхность раздела двух оптических сред, в роли которых в данном случае выступают вакуум космического пространства и стекло оптической линзы, здесь является плоской, а, с другой стороны, материал, из которого изготовлена данная оптическая линза, является гомогенным или однородным. Обычно этим материалом, служащим для изготовления упомянутой линзы, является специальное оптическое стекло. Поскольку, как известно, показатель преломления стекла превышает показатель преломления вакуума, в частности, космического вакуума, можно утверждать, что входной угол падения пучка электромагнитных лучей α после этого первого преломления упомянутых лучей несколько уменьшится, что непосредственно следует из законов Descartles-SNELL. На основе сказанного выше понятно, что упомянутое отклонение электромагнитных лучей представляет собой функцию угла их падения, что дает возможность утверждать, что входной пучок электромагнитных лучей F1, приходящий на данное приемное устройство спутника параллельно главной оси детектирования 14, не будет отклоняться от своей траектории движения в процессе этого первого преломления. Именно этот случай проиллюстрирован на фиг. 3.
Второе преломление, которое происходит на границе раздела линза- вакуум после прохождения упомянутыми электромагнитными лучами толщи этой оптической линзы, имеет совершенно другой эффект, чем упомянутое первое преломление этих лучей.
Цель этого второго преломления упомянутых электромагнитных лучей состоит в том, чтобы компенсировать потери интенсивности, обусловленные прохождением данного пучка F1 через атмосферное пространство от наземной передающей станции до спутника, причем с учетом того обстоятельства, что эти потери представляют собой функцию угла падения этих лучей или этого пучка на приемное устройство, как это уже было пояснено в предшествующем изложении.
Действительно, чем большую величину имеет в данном случае входной угол падения α поступающего на данный спутник пучка электромагнитных волн F1, тем больше оснований говорить о том, что данный спутник все больше удален от данной передающей наземной станции и, таким образом, что тем большую толщину имеет слой атмосферного воздуха, который приходится преодолевать излученному пучку электромагнитных волн F1. При этом чем толще слой атмосферы, который приходится преодолевать упомянутому пучку электромагнитных волн, тем в большей степени проявляется эффект поглощения и/или рассеяния или диффузии этих волн молекулами, составляющими этот слой атмосферы.
С учетом сказанного выше и в соответствии с предлагаемым изобретением упомянутая выше и не являющаяся сферической поверхность используемой оптической линзы должна обеспечивать примерное постоянство интенсивности принимаемых электромагнитных волн на уровне чувствительной поверхности детектора 4 при любом входном угле падения α этих электромагнитных волн таким образом, чтобы важнейшее в данном случае соотношение сигнал/шум, которое выдается упомянутым выше фотодетектором спутника при помощи средств обработки поступающих от него сигналов, практически не изменялось при переходе от одного импульса передаваемых с земли сигналов к другому импульсу аналогичных сигналов.
Ниже будет более подробно описан механизм, который позволяет обеспечить такую компенсацию.
Как уже было сказано раньше, входной пучок электромагнитных волн F1 может быть уподоблен потоку множества фотонов, которые движутся по строго параллельным траекториям. Следовательно, на границе раздела оптических сред линза-вакуум 6а каждый фотон будет испытывать свое собственное преломление, поскольку это преломление определяется сочетанием угла падения данного фотона на поверхность раздела линза-вакуум и кривизной поверхности 6а линзы именно в том месте, где данный фотон пересекает эту асферическую поверхность 6а. Говоря другими словами, с множеством пришедших в данном пучке фотонов связано множество различных преломлений.
Итак, зная закон поглощения интенсивности пучка электромагнитных волн в функции угла падения этого пучка на границу раздела двух оптических сред, можно рассчитать точный профиль упомянутой выше криволинейной асферической поверхности линзы с тем, чтобы иметь возможность очень точно управлять траекторией движения каждого фотона из входного пучка F1.
Говоря другими словами, знание закона поглощения входного пучка электромагнитных волн F1 позволяет определенным образом вывести из этого закона другой закон, определяющий необходимые параметры коррекции упомянутого пучка в соответствии с потребностями решаемой в данном случае задачи.
В соответствии с предлагаемым изобретением профиль криволинейной асферической поверхности 6а оптической линзы приемного устройства для электромагнитных волн может, таким образом, быть теоретически рассчитан так, чтобы коллиматированный входной пучок электромагнитных волн F1, по определению имеющий практически идеальную цилиндрическую форму и достигающий плоской входной поверхности оптической линзы 6, выходил из этой линзы через ее криволинейную асферическую выходную поверхность 6а в виде падающего на плоскость, в которой располагается детектор, расходящегося, сходящегося или коллиматированного, т.е. цилиндрического, пучка F0 в зависимости от входного угла падения α.
Таким образом, в результате выполняемого пассивным образом преобразования падающего входного пучка электромагнитных волн F1, имеющего практически цилиндрическую форму вследствие его коллиматирования, в сходящийся падающий пучок электромагнитных волн F0 удается существенно увеличить вероятность того, что фотоны, которые составляют этот пучок электромагнитных волн, будут восприняты и детектированы чувствительной поверхностью 4 упомянутого выше детектора. И, наоборот, преобразуя пассивным образом падающий входной пучок электромагнитных волн F1, коллиматированный до цилиндрической формы, в падающий расходящийся пучок электромагнитных волн F0 удается существенно снизить вероятность того, что составляющие этот пучок фотоны будут продетектированы упомянутой выше чувствительной поверхностью 4.
Таким образом, при использовании предлагаемого изобретения появляется возможность поддерживать практически на постоянном уровне количество фотонов, детектируемых упомянутой чувствительной поверхностью данного приемного устройства для каждого импульса электромагнитных волн, поскольку интенсивность того или иного пучка пропорциональна количеству содержащихся в нем фотонов.
После детектирования данного импульса электромагнитного излучения бортовые средства обработки данного спутника способны обеспечить обратную передачу одного или нескольких импульсов электромагнитных волн FR в ответ на полученный импульс. Такая передача осуществляется в направлении одной или нескольких наземных приемно-передающих станций, которые в данный момент находятся в поле зрения или в зоне досягаемости данного спутника. Приняв сигналы со спутника, эти наземные станции после обработки полученной информации получают весьма точные координаты положения этого спутника практически в реальном времени.
Устройство в соответствии с предлагаемым изобретением может быть установлено на спутнике для приема электромагнитных сигналов с наземных передающих станций, как это было описано выше в качестве примера, но такие же устройства, что вполне очевидно, могут быть установлены и на входе приемных устройств наземных станций слежения за спутником, причем эти станции могут быть как стационарными, так и подвижными, поскольку фактически именно относительное движение некоторого первого элемента по отношению к некоторому второму элементу и вызывает изменение угла падения пучков электромагнитных волн, которыми обмениваются упомянутые выше элементы системы космической связи.
Предлагаемое изобретение не ограничивается тем способом реализации, который был подробно описан выше. В соответствии с этим представленным здесь способом оптическая линза содержит только одну криволинейную асферическую поверхность, что является вполне достаточным в тех случаях, когда угол падения пучков электромагнитных волн является единственным переменным параметром.
Таким образом, для случаев применения предлагаемого изобретения, предназначенных для решения более сложных задач, может быть предусмотрено использование оптической линзы, снабженной двумя криволинейными асферическими поверхностями. Например, это может быть случай, когда принимающий электромагнитные сигналы элемент перемещается относительно элемента, передающего эти электромагнитные сигналы, в трехмерной системе координат, т.е. в объемном пространстве. При этом каждый из упомянутых выше элементов определяется в такой системе координат тремя сферическими координатами (r, Θ,ϕ ).
В то же время, предлагаемое устройство коррекции может быть использовано для слежения на земле за некоторыми автономными транспортными средствами или подвижными объектами, которые требуют очень точного определения их местоположения с возможной ошибкой не более нескольких сантиметров.
И наконец, в приведенном выше описании все время шла речь об оптических сигналах импульсного типа. Должно быть совершенно ясно, чти предлагаемое изобретение с таким же успехом может быть применено также и к непрерывным оптическим сигналам. Кроме того, вполне может быть рассмотрена возможность использования данного устройства для детектирования радиоволн при условии, что диаметр приемной антенны будет очень большим по сравнению с длиной используемых волн.
Приложение 1
A/ Уравнения, позволяющие выполнить теоретический расчет криволинейной асферической поверхности оптической линзы:
Уравнение N 1
Уравнение N 2
YD= y-(a+b-x)•tg(η)
Уравнение N 3
Уравнение N 4
B/ Уравнения процедуры численного решения:
Уравнение N 5
Уравнение N 6
е
Изобретение относится к системам передачи информации, использующим электромагнитные волны, например оптического частотного спектра. Устройство предназначено для приема и детектирования пучка электромагнитных волн, поступающих на вход, и имеющего известную геометрию. Этот пучок электромагнитных волн прибывает под углом падения. Устройство содержит линзу, имеющую, по меньшей мере, одну криволинейную асферическую поверхность, выполненную с возможностью определенным образом корректировать геометрию входа пучка в соответствии с законом коррекции, выбранным в функции входного угла падения пучка. Линза обеспечивает преобразование геометрии пучка и передачу его к чувствительной поверхности детектора. Такая конструкция стремится исключить отклонения энергии, принимаемой детектором, в функции угла падения и позволяет сделать соотношение сигнал/шум в процессе детектирования и собственно детектируемый сигнал практически постоянными или/и неизменными при любом значении угла падения пучка электромагнитных волн. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно предназначено для детектирования входного пучка (F1) электромагнитных волн, имеющих частоты, располагающиеся в оптической области спектра.
| FR, заявка, 2690584, H 04 B 10/00, 1993. |
