СИСТЕМА НАВЕДЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОБЪЕКТ Российский патент 1998 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к области оптической локации и может быть использовано в лазерных локационных комплексах для наведения на объекты лазерного излучения и доставки на объект энергии или информационных сигналов.

Известна система наведения лазерного пучка на мишень по пат. США N 4161652 НКИ 250-203 (индекс МКИ G 01 B 11/26), содержащая зеркало, отражающее лазерный пучок в сторону мишени, соединенное с первым и вторым управляющими элементами, определяющими совместно с центром вращения зеркала две взаимно перпендикулярные оси вращения зеркала, первый и второй генераторы опорных сигналов, приемную оптическую систему, детектор излучения и устройство обработки.

Недостатками известной системы являются низкая точность, обусловленная тем, что для точного наведения изучения на мишень используют механический привод, состоящий из первого и второго колеблющихся управляющих элементов. Вследствие конечной полосы частот механического привода точное наведение на объект будет осуществляться лишь после окончания переходных процессов.

Кроме того, функционирование известной системы требует работы лазера в непрерывном режиме во время осуществления процесса наведения излучения на мишень.

Известно также устройство "Лазерный локатор" по авт.св. 105603, 1977, СССР, кл. G 01 S 9/62, содержащее последовательно расположенные лазер, разделитель излучения, приемо-передающую оптическую систему, фотоприемник с поляризационным фильтром, вход которого связан посредством полупрозрачного и диэлектрического зеркал с приемо-передающей оптической системой, отражательное зеркало, электрооптический и фотопроводящий слои, нанесенные на поверхность диэлектрического зеркала.

К недостаткам данного устройства следует отнести невысокую точность наведения лазерного излучения на объект вследствие невозможности точного совмещения оптических осей мощного лазерного и приемного канала.

Наиболее близка к предлагаемому изобретению и выбрана авторами за прототип система наведения и доставки лазерного излучения на объект по авт.св. СССР N 270526, кл. G 01 S 17/00, 1986.

Известная система содержит оптически соединенные телескоп, полупрозрачное зеркало, первое непрозрачное зеркало, оптический квантовый усилитель с блоком запуска, первый светоделитель, активную среду задающего лазера с блоком поджига, формирующий объектив, второй светоделитель, поляризатор, диэлектрическую пластину, пространственно-временной модулятор оптического излучения ПВМОИ, состоящий из последовательно соединенных прозрачного металлического покрытия, электрооптического кристалла, диэлектрического зеркала, матрицы электродов, а также юстировочный лазер, посредством светофильтра, формирующей системы и второго светоделителя оптически соединенный с ПВМОИ, блок вычисления и управления, формирующую оптическую систему, блок формирования управляющих импульсов, фотоприемное устройство с блоком управления, второе непрозрачное зеркало, дифракционную решетку, оптически соединенные с активной средой задающего лазера через первый светоделитель, причем выход блока управления фотоприемного устройства соединен с входом блока вычисления и управления, первый и второй выходы которого соединены с блоками запуска активной среды задающего лазера и оптического квантового усилителя, третий выход соединен с входом блока формирования управляющих импульсов, а также уголковый отражатель.

Недостатками известной системы являются невысокие точность и быстродействие. Низкая точность обусловлена невозможностью точного совмещения осей мощного лазерного излучения и визирной оси приемного устройства вследствие разъюстировок в оптическом тракте и погрешностям изготовления углового отражателя, а также невозможностью точной компенсации искажений активной среды задающего лазера и оптического квантового усилителя, так как формируемое излучение юстировочного лазера проходит лишь через небольшую часть поперечного сечения активной среды, ограниченную размером уголкового отражателя.

Кроме того, известная система имеет невысокое быстродействие, обусловленное необходимостью формирования изображения элементов ПВМОИ в фотоприемном устройстве при регистрации проходящего через систему излучения юстировочного лазера. Невысокое быстродействие объясняется необходимостью механического введения в оптический тракт уголкового отражателя, а также невозможностью формирования изображений элементов ПВМОИ до момента полного затухания переходного процесса и вибраций, вызванных перемещением уголкового отображения.

Целью изобретения является повышение точности известной системы.

Поставленная цель достигается тем, что в известную систему наведения излучения на объект, содержащую последовательно установленные на оптической оси оптический квантовый усилитель с блоком запуска, первое полупрозрачное зеркало, оптический квантовый генератор с блоком запуска и формирующую оптическую систему, последовательно установленные на оптической оси поляризатор, оптически соединенный с формирующей оптической системой, диэлектрическую пластину и пространственно временной модулятор оптического излучения, последовательно установленные на оптической оси дифракционную решетку, оптически соединенную через первое полупрозрачное зеркало с оптическим квантовым усилителем и оптическим квантовым генератором, и отражающее зеркало, а также последовательно соединенные формирователь управляющих импульсов и блок управления пространственно-временным модулятором оптического излучения, фотоприемник с блоком управления, второе полупрозрачное зеркало и блок управления, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, со входами блоков запуска оптического квантового усилителя и оптического квантового генератора, введены вторая формирующая оптическая система, последовательно установленные на оптической оси второй поляризатор, оптически соединенный через второе полупрозрачное зеркало со второй формирующей оптической системой и фотоприемником, и позиционно-чувствительное фотоприемное устройство, а также блок установки заданного уровня коэффициента усиления, выходы которого соединены с соответствующими входами пространственно-временного модулятора оптического излучения, блок управления и вычисления угловых координат энергетического центра изображения и коммутатор, выход которого соединен со входом формирователя управляющих сигналов, причем первый, второй и третий входы коммутатора соединены, соответственно, с третьим выходом блока управления и первым и вторым выходами блока управления и вычисления угловых координат энергетического центра изображения объекта, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами блока управления фотоприемником и позиционно-чувствительного фотоприемного устройства, а третий и четвертый выходы - со входом блока управления и первым входом блока установки заданного уровня коэффициента усиления, соответственно, второй вход которого соединен с выходом блока управления пространственно-временным модулятором оптического излучения.

Поставленная цель достигается также тем, что в системе пространственно-временной модулятор оптического излучения выполнен в виде последовательно нанесенных на диэлектрическую подложку первой матрицы прозрачных для оптического излучения электродов, диэлектрического зеркала, электрооптического кристалла и второй матрицы прозрачных для оптического излучения электродов, причем диэлектрическая подложка выполнена из материала с фотохромными свойствами.

Перечень графических материалов: фиг. 1 - блок-схема заявляемой системы; фиг. 2 - эпюры направления плоскости поляризации излучения; фиг. 3 - примеры конструктивного выполнения ПВМОИ; фиг. 4 - пример конструктивного выполнения управляющего блока и блока вычисления и управления; фиг. 5 изображение объекта; фиг. 6 вид селекторного поля.

Блок-схема предлагаемой системы приведена на фиг. 1, где введены следующие обозначения:
1 - оптический квантовый усилитель с блоком запуска 1а;
2 - активная среда задающего лазера с блоком запуска 2а;
3 - первый светоделитель;
4 - формирующий объектив;
5 - первый поляризатор;
6 - диэлектрическая пластина;
7 - блок управления ПВМОИ;
8 - ПВМОИ;
9 - объектив переноса;
10 - второй светоделитель;
11 - фотоприемное устройство;
12 - блок управления фотоприемным устройством;
13 - блок управления и вычисления угловых координат энергетического центра изображения объекта;
14 - позиционно-чувствительное фотоприемное устройство;
15 - блок установки заданного уровня коэффициента усиления;
16 - блок формирования усиления управляющих сигналов;
17 - коммутатор;
18 - блок управления и вычисления;
19 - дифракционная решетка;
20 - отражательное зеркало;
21 - второй поляризатор.

Принцип действия предлагаемого устройства следующий.

Излучение объекта, подсвеченного солнечным излучением, проходя через оптический тракт, содержащий оптический квантовый усилитель 1, активную среду задающего лазера 2, фокусируют формирующим объективом 4 в его задней фокальной плоскости, совпадающей с плоскостью ПВМОИ 8, и формируют изображение объекта в плоскости фотоприемного устройства 11 и позиционно-чувствительного фотоприемного устройства 14 посредством объектива переноса 9 и второго светоделителя 10. Регистрируя изображение объекта фотоприемным устройством 11, осуществляют обнаружение объекта, определяют его координаты и угловые размеры. Фотоприемное устройство 11 реализовано, например, на основе телевизионной передающей трубки. Его выход через блок управления 12 подключен к управляющему блоку 13 и через него подключен к блоку вычисления и управления 18, в котором осуществляют обнаружение объекта и определение его координат по известным (см., например, Новая техника, в астрономии. Л., Наука 1984, с. 39-41) алгоритмам. После определения координат объекта и определения его угловых размеров λ_x , λ_y , уточняют координаты объекта с использованием позиционно-чувствительного фотоприемного устройства (14), реализованного, например, на основе квадрантного фотоприемного устройства.

Излучение от объекта после прохождения формирующего объектива 4 и первого поляризатора 5 оказывается линейно (например, вертикально) поляризовано (см. фиг. 2, а). После прохождения через диэлектрическую пластину 6, выполненную из оптически активного материала (например, кристаллов или специальных стекол), осуществляющее вращение плоскости поляризации излучения на 45^o при однократном прохождении направления поляризации излучения от объекта меняется (см. фиг. 2, б). Если на ПВМОИ управляющие сигналы не подаются, то наведенное двулучепреломление излучения от объекта при прохождении через электрооптический кристалл ПВМОИ 8 отсутствуют и световой поток излучения от объекта на позиционно-чувствительное устройство не проходит в силу того, что второй поляризатор ориентирован ортогонально первому с учетом диэлектрической пластины 3 (см. фиг. 2, в).

Для определения координат энергетического центра изображения объекта с управляющего блока 13 на третий вход коммутатора 17 подают сигнал разрешения, по которому выход коммутатора соединяют с вторым его входом и вторым выходом управляющего блока 13. Блок формирования управляющих сигналов 16 реализован, например, на основе дешифратора и совокупности цифроаналоговых преобразователей, выходы которых в совокупности образуют выход блока формирования управляющих сигналов, причем вход дешифратора подключен к выходу коммутатора 17 по сигналу управляющего блока 13 блок формирования управляющих сигналов 16 вырабатывает аналоговый управляющий сигнал - импульс запуска. Выходы цифроаналоговых преобразователей блока 16 подключены ко входу блока управления ПВМОИ 7. Блок управления ПВМОИ реализован, например, на основе совокупности триггеров, выход каждого из которых подключен к соответствующему усилителю, выходы которых являются, в совокупности, выходом блока управления ПВМОИ.

Импульс запуска вызывает срабатывание соответствующего ему триггера и появление на выходе соответствующего усилителя рабочего напряжения ПВМОИ U_рабi. Выходной сигнал блока управления ПВМОИ 7 поступает на блок калибровки 15, реализованный на основе усилителей, каждый из которых подключен к выходу соответствующего усилителя блока 7. Коэффициент усиления усилителей блока калибровки 15 регулируют по сигналу калибровки с управляющего блока 13. В результате на соответствующие элементы матрицы электродов ПВМОИ 8 подают управляющие напряжения U_упр.

Конструкция ПВМОИ представляет собой (см. фиг. 3) многослойную структуру. На диэлектрическую подложку 26 последовательно нанесены первая матрица прозрачных электродов 22, диэлектрическое зеркало 23, электрооптический кристалл 24 и вторая матрица прозрачных электродов 25. Первая и вторая матрицы прозрачных электродов представляют собой совокупность параллельных полос, разделенных непроводящими промежутками, причем направления полос для первой и второй матриц ортогональны.

Для работы ij-го элемента ПВМОИ на i-ю полосу первой матрицы электродов и j-ю полосу второй матрицы электродов соответственно подают напряжения, различные по знаку. При этом на пересечении этих полос к ij-му элементу ПВМОИ будет приложено напряжение вызывающее появление наведенного двулучепреломления в электрооптическом кристалле в пределах ij-го элементом ПВМОИ, в результате чего плоскость поляризации проходящего через этот элемент излучения поворачивается на угол θ ≈ U: при определении координат энергетического центра изображения объекта открывают одновременно все элементы ПВМОИ, подавая рабочее напряжение U_раб1, U_раб2 на все элементы первой и второй матриц ПВМОИ одновременно. При этом прикладываемое к каждому из элементов напряжение U обеспечивает изменение плоскости поляризации излучения на 90^o (см. фиг. 2, г). В результате чего второй поляризатор 21 на позиционно-чувствительное фотоприемное устройство (ФПУ) 14, реализованное, например, на основе квадратного ФПУ из 4-х одинаковых одноплощадочных фотоприемников (ФЭУ) с блоками питания и управления, выходы которых подключены к первому входу управляющего блока 13. На фиг. 3. б приведена функциональная схема 8 блоков 13 и 18.

Как управляющий блок 13, так и блок управления и вычисления 18 реализованы на основе М.ЭВМ, подключенных каждый к своей магистрали общая шина. На фиг. 3, Б введены 1- μ - ЭВМ;
2 - аналого-цифровые преобразователи;
3 - цифроаналоговые преобразователи.

Связь управляющего блока 13 и блока управления и вычисления 17 с внешними устройствами осуществляют посредством цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.

Так как открыты все элементы ПВМОИ, то на входе позиционно-чувствительного ФПУ (14) формируется изображение объекта S (x, y) (см. фиг. 4). Выходные сигналы фотоприемников V_i,i=1-4, пропорциональные части светового потока, формирующего изображение объекта S (x, y), попадающего в соответствующий квадрат плоскости изображения объекта, поступают через блоки усиления в управляющий блок 11, где определяют угловые координаты энергетического центра по формулам


где U_Σ = U₁ + U₂ + U₃ + U₄ - суммарный сигнал, пропорциональный полному световому потоку, формирующему изображение объекта.

На втором этапе работы системы формируют селекторное поле S(θ_x,θ_y) , определяемое

Вид селекторного поля представлен на фиг. 5,а. После формирования селекторного поля S(θ_x θ_y) определяют номера элементов (i, j), соответствующих селекторному полю (см. фиг. 5, б), и подают через коммутатор 17 на блок формирования управляющих сигналов сигналы, последовательно формирующие импульсы запуска, вызывающие подачу рабочего напряжения U последовательно на все ij-е элементы ПВМОИ, соответствующие селекторному полю S(θ_x,θ_y).
При этом с одного из фотоприемников позиционно-чувствительного ФПУ (14) на управляющий блок 13 поступает электрический сигнал U_ij, пропорциональный световому потоку, проходящему через ij-й элемент ПВМОИ. В блоке 13 осуществляют сравнение сигналов U_ij по величине, определяя максимальный Максимальный световой поток будет соответствовать наиболее яркой точке изображения объекта. После определения номера (i₁, j₁) элемента ПВМОИ, соответствующего максимальному световому потоку, для обеспечения возбуждения активной среды, генерации лазерного излучения и формирования заданной диаграммы направленности излучения с управляющего блока 13 на блок управления и вычисления 18 подают сигнал размещения, по которому формируют импульс запуска для подачи рабочего напряжения только на i₁j₁-й элемент ПВМОИ. При этом с блока 13 на блок калибровки 15 подают управляющий сигнал, который обеспечивает усиление выходных напряжений блока управления ПВМОИ 7 до достижения величин При этом приложенное к ij-му элементу ПВМОИ напряжение обеспечивает поворот плоскости поляризации на длине волны лазерного излучения на 45^o при однократном проходе.

После подачи напряжения на i₁j₁-й элемент ПВМОИ с блока 18 подают управляющие сигналы на блоки запуска активной среды задающего генератора 2а и оптического квантового усилителя 1а, причем на блок запуска 1а управляющий сигнал подается с временной задержкой, соответствующей времени развития генерации и формирования диаграммы направленности излучения в резонаторе, образованном непрозрачным зеркалом 20, дифракционной решеткой 19, активной средой 2, формирующим объективом 4, i₁j₁-м элементом ПВМОИ и диэлектрическим зеркалом, конструктивно входящим в состав ПВМОИ. При этом генерация излучения происходит только для угловых мод, соответствующих направлению, задаваемому формирующим объективом 4 и i₁j₁-м элементом ПВМОИ, а для остальных элементов вследствие поворота плоскости поляризации 4 диэлектрической пластиной 6 отраженное от диэлектрического зеркала ПВМОИ излучение гасится поляризатором 5.

В результате в оптическом квантовом усилителе эффективно усиливается только лазерное излучение, оптическая ось пучка которого направлена на наиболее яркую точку объекта. После усиления пучок лазерного излучения распространяется в заданном направлении. Защиту фотоприемных устройство от воздействия лазерного излучения осуществляют посредством диэлектрического зеркала, входящего в состав ПВМОИ, а также тем, что диэлектрическая пластина выполнена из материала, обладающего фотохромными свойствами, т. е. резко уменьшающего прозрачность под действием интенсивного светового излучения.

Повышение точности системы по сравнению с прототипом обеспечивается тем, что формирование изображения объекта осуществляют непосредственно через невозбужденную активную среду задающего лазера 2 и оптический квантовый усилитель 1. При этом все оптические неоднородности активной среды, элементов резонатора, формирующего объектива и ПВМОИ сказываются на формируемом изображении объекта и на генерируемом затем лазерном излучении одинаковым образом. Наведение в системе осуществляют на наиболее яркую точку, априорно принадлежащую объекту, а не на наиболее яркую точку всего формируемого изображения (как в известной системе). Кроме того, так как и для формирования изображения объекта, и для наведения и доставки лазерного излучения на объект используют один и тот же оптикомеханический тракт, то отпадает необходимость в его сложной и длительной юстировке.

Быстродействие системы повышено по сравнению с известной вследствие отсутствия подвижных механических систем и узлов (уголковый отражатель).

Использование: изобретение относится к области оптической локации и может быть использовано в лазерных локационных комплексах для наведения на объекты лазерного излучения и доставки на объект энергии или информационных сигналов. Сущность изобретения: устройство содержит один оптический квантовый генератор 1, два блока запуска оптического квантового генератора (1а, 2а), два светоделителя (3,10), один формирующий объектив (4), два поляризатора (5,21), одну диэлектрическую пластину (6), один блок управления пространственно-временным модулятором оптического излучения (7), один пространственно-временной модулятор излучателя (8), один объектив переноса (9), одно фотоприемное устройство (11), один блок управления фотоприемным устройством (12), один блок управления и вычисления угловых координат энергетического центра изображения объекта (13), одно позиционно-чувствительное фотоприемное устройство (14), один блок установки заданного уровня коэффициента усиления (15), блок формирования управляющих сигналов (16), один коммутатор (17), один блок управления и вычисления (18), одну дифракционную решетку (19), одно отражательное зеркало (20). 1-3-2а-2-5-6-8-9-10-11, 18-17-16-17-15-8, 12-13-15-8, 12-13-18-2а, 13-15-8, 18-1а, 18-2а. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Система наведения излучения на объект, содержащая последовательно установленные на оптической оси оптический квантовый усилитель с блоком запуска, первое полупрозрачное зеркало, оптический квантовый генератор с блоком запуска и формирующую оптическую систему, последовательно установленные на оптической оси поляризатор, оптически соединенный с формирующей оптической системой, диэлектрическую пластину и пространственно-временный модулятор оптического излучения, последовательно установленные на оптической оси дифракционную решетку, оптически соединенную через первое полупрозрачное зеркало с оптическим квантовым усилителем и оптическим квантовым генератором, и отражающее зеркало, а также последовательно соединенные формирователь управляющих импульсов и блок управления пространственно-временным модулятором оптического излучения, фотоприемник с блоком управления, второе полупрозрачное зеркало и блок управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно со входами блоков запуска оптического квантового усилителя и оптического квантового генератора, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности наведения, в нее введены вторая формирующая оптическая система, последовательно установленные на оптической оси второй поляризатор, оптически соединенный через второе полупрозрачное зеркало со второй формирующей оптической системой и фотоприемником, и позиционно-чувствительное фотоприемное устройство, а также блок установки заданного уровня коэффициента усиления, выходы которого соединены с соответствующими входами пространственно-временного модулятора оптического излучения, блок управления и вычисления угловых координат энергетического центра изображения объекта и коммутатор, выход которого соединен со входом формирователя управляющих сигналов, причем первый, второй и третий входы коммутатора соединены соответственно с третьим выходом блока управления и первым и вторым выходами блока управления и вычисления угловых координат энергетического центра изображения объекта, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами блока управления фотоприемником и позиционно-чувствительного фотоприемного устройства, а третий и четвертый выходы - со входом блока управления и первым входом блока установки заданного уровня коэффициента усиления соответственно, второй вход которого соединен с выходом блока управления пространственно-временным модулятором оптического излучения. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в ней пространственно-временной модулятор оптического излучения выполнен в виде последовательно нанесенных на диэлектрическую подложку первой матрицы прозрачных для оптического излучения электродов, диэлектрического зеркала, электрооптического кристалла и второй матрицы прозрачных для оптического излучения электродов, причем диэлектрическая подложка выполнена из материала с фотохромными свойствами.