УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО СРЕДСТВА Российский патент 2006 года по МПК G01J1/10 

Изобретение относится к области измерений характеристик светорассеяния оптико-электронных средств (ОЭС) и может быть использовано в технике экспериментального измерения эффективной площади рассеяния (ЭПР) ОЭС.

Известно устройство для определения эффективной площади рассеяния ОЭС (см., например, Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. - М.: Советское радио, 1972, с.41), включающее лазер подсвета, держатель исследуемого ОЭС, установленные по ходу зондирующего лазерного излучения, фотоприемник, установленный по ходу отраженного лазерного излучения, и регистратор выходного сигнала фотоприемника, вход которого подключен к выходу фотоприемника.

Недостатками устройства являются высокие погрешности измерений, связанные с малой длиной измерительной трассы (ограниченной длиной лабораторного помещения).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является устройство для определения ЭПР ОЭС (см., например, Козирацкий Ю.Л., Попело В.Д. Построение физических моделей каналов распространения лазерного излучения для экспериментальных исследований конфликтного взаимодействия оптико-электронных средств. - "Радиотехника", 1999, №8, с.80-84). Для устранения негативного влияния эффектов "ближней зоны" на результаты измерений включают в состав устройства физическую модель (имитатор) трассы распространения зондирующего и отраженного лазерного излучения от ОЭС. В этом случае устройство для измерения ЭПР ОЭС включает лазер подсвета, светорасщепитель, имитатор трассы распространения, держатель исследуемого ОЭС, установленные последовательно по ходу зондирующего лазерного излучения, фотоприемник, установленный по ходу ответвленного светорасщепителем отраженного лазерного излучения и регистратор выходного сигнала фотоприемника, вход которого подключен к выходу фотоприемника.

Недостатками устройства являются малый динамический диапазон измерений и низкая точность получаемых результатов, связанных с негативным влиянием отражения лазерного излучения от оптической системы имитатора трассы распространения.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение динамического диапазона и точности измерения ЭПР ОЭС.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве определения ЭПР ОЭС, содержащем лазер подсвета, светорасщепитель, держатель исследуемого ОЭС, установленные последовательно по ходу зондирующего лазерного излучения, фотоприемник, установленный по ходу ответвленного светорасщепителем отраженного лазерного излучения и регистратор выходного сигнала фотоприемника, вход которого подключен к выходу фотоприемника, дополнительно введены между лазером подсвета и светорасщепителем последовательно установленные по ходу зондирующего лазерного излучения коллиматор и объектив с фокусным расстоянием, равным удвоенному расстоянию между светорасщепителем и держателем исследуемого ОЭС, и между светорасщепителем и фотоприемником по ходу ответвленного светорасщепителем отраженного от ОЭС средства излучения ослабитель лазерного излучения с коэффициентом пропускания, равным квадрату отношения фокусного расстояния объектива к удвоенной длине измерительной трассы.

Сущность изобретения заключается во введении в состав устройства-прототипа дополнительных элементов. На фиг.1 приведена структурная схема устройства определения ЭПР ОЭС, содержащего лазер 1 подсвета, коллиматор 2, объектив 3, светорасщепитель 4, держатель 5 исследуемого ОЭС, ослабитель 6 лазерного излучения, фотоприемник 7, регистратор 8. Введение в состав устройства-прототипа дополнительно между лазером подсвета и светорасщепителем последовательно по ходу зондирующего лазерного излучения коллиматора и объектива с фокусным расстоянием, равным удвоенному расстоянию между светорасщепителем и держателем исследуемого ОЭС, обеспечивает возможность полного облучения апертуры исследуемого ОЭС, а также полную компенсацию систематических погрешностей измерения ЭПР ОЭС, связанную с искривленностью волнового фронта зондирующего излучения, при проведении экспериментальных исследований ЭПР ОЭС в лабораторных условиях без использования имитатора протяженной трассы распространения лазерного излучения. Введение в состав устройства-прототипа дополнительно между светорасщепителем и фотоприемником по ходу ответвленного светорасщепителем отраженного от исследуемого ОЭС излучения ослабителя лазерного излучения с коэффициентом пропускания, равным квадрату отношения фокусного расстояния объектива к удвоенной длине измерительной трассы, обеспечивает соответствие величины потока отраженного излучения, попадающего на фотоприемник, величине этого потока при измерении ЭПР ОЭС в реальных условиях.

На фиг.2 представлены зависимости относительного уменьшения динамического диапазона измерений от отношения потоков излучения при различных значениях отношения где U_max - максимальное значение величины электрического сигнала с выхода фотоприемника, S₀ - чувствительность фотоприемника на линейном участке рабочей характеристики, Ф₁, Ф₂ - потоки полезного и помехового лазерных излучений соответственно, ΔФ', ΔФ - динамические диапазоны измерений потоков в отсутствие помехового излучения Ф₂ и при его наличии.

На фиг.3 представлена зависимость относительного увеличения среднеквадратической погрешности измерений в зависимости от величины отношения где - среднеквадратическая погрешность измерения величины Ф₁ в отсутствие помехового излучения Ф₂, - среднеквадратическая погрешность измерения величины Ф₁ при наличии помехового излучения Ф₂.

Динамический диапазон измерений и погрешность получаемых результатов определяются, в частности, особенностями рабочей характеристики фотоприемника, которая в большинстве случаев является нелинейной (имеет область насыщения) и аппроксимируется следующей зависимостью (см., например, книгу Соболевой Н.А., Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. - М.: Высшая школа, 1974 г.):

При проведении измерений ЭПР ОЭС с использованием устройства по А.С. №214243 наряду с потоком излучения, вызывающим полезный сигнал на выходе фотоприемника, на вход фотоприемника поступает поток Ф₂ помехового излучения, обусловленного отражением зондирующего лазерного излучения от оптической системы имитатора трассы. Т.е. влияние помехового излучения Ф₂ приводит к фактическому увеличению крутизны рабочей характеристики фотоприемника при приеме отраженного излучения Ф₁.

Из анализа зависимостей (фиг.2) уменьшения динамического диапазона измерений от отношения потоков излучения при различных значениях отношения видно, что наличие отражения от оптической системы имитатора трассы приводит к уменьшению динамического диапазона измерений в 4...5 раз. Одновременно будет увеличиваться среднеквадратическая погрешность определения величины Ф₁ (и в конечном итоге ЭПР ОЭС) в соответствии с выражением:

Из анализа зависимости (фиг.3) относительного увеличения среднеквадратической погрешности измерений в зависимости от величины отношения видно, что наличие отражения от оптической системы имитатора трассы приводит к увеличению погрешности измерений ЭПР ОЭС в 1,5...2,5 раза.

Поэтому задача изобретения заключается в следующем: для существенного увеличения динамического диапазона измерений и повышения точности получаемых результатов необходимо устранить влияние помехового излучения Ф₂ при сохранении условий, обеспечивающих компенсацию систематических погрешностей измерения ЭПР ОЭС в лабораторных условиях, вызванных существенной искривленностью волнового фронта зондирующего излучения на трассе малой протяженности.

Относительную систематическую погрешность κ, возникающую за счет искривленности волнового фронта зондирующего излучения в плоскости апертуры исследуемого ОЭС, определим, как:

где - оценка ЭПР по результатам экспериментального определения на трассе протяженностью L;

Е₁, Е₂ - облученности, создаваемые зондирующим лазерным излучением в плоскости апертуры исследуемого ОЭС и отраженным от ОЭС излучением в плоскости апертуры фотоприемника;

- истинное значение оценки ЭПР ОЭС.

Относительная систематическая погрешность κ, возникающая за счет искривленности волнового фронта зондирующего излучения в плоскости апертуры исследуемого ОЭС в зависимости от длины измерительной трассы L в реальных условиях, с использованием решений матриц передачи параметров луча (см. кн.: Джеррард А., Берч Дж. Введение в матричную оптику. - М.: Мир, 1978, с.53, 92, 93) имеет вид:

где R_оэс - радиус кривизны волнового фронта отраженного от ОЭС излучения при условии облучения плоской волной;

R₀ - начальный радиус волнового фронта зондирующего излучения.

Из (4) следует, что κ=0, если выполняется следующее равенство:

Таким образом, если в начальном сечении пучка зондирующего излучения обеспечить величину радиуса волнового фронта R₀=-2l, где l - расстояние между светорасщепителем и держателем исследуемого ОЭС, то вне зависимости от длины измерительной трассы L в реальных условиях обеспечивается полная компенсация систематической погрешности κ. Этот результат положен в основу предлагаемого устройства. Формирование начального волнового фронта зондирующего излучения необходимой кривизны обеспечиваются с помощью коллиматора, увеличивающего сечение пучка зондирующего излучения и уменьшающего его дифракционную расходимость, и фокусировки этого пучка с помощью объектива с фокусным расстоянием, равным 2l.

Так как облученность Е_2l, создаваемая отраженным лазерным излучением при измерениях в лабораторных условиях будет превышать облученность Е_2L при измерениях на трассах значительной протяженности L, следует ввести ослабление, величина которого может быть определена из следующего соотношения:

где h_1L - высота луча в плоскости апертуры фотоприемника при измерениях на трассе протяженностью L;

h_1l - высота луча в плоскости апертуры фотоприемника при измерениях в лабораторных условиях.

Поскольку отношение определяет отношение облученностей, создаваемых на входной апертуре фотоприемника в случае лабораторных измерений и измерений на реальных трассах, из выражения (6) следует, что Е_2l будет превышать в раз значение Е_2L. Поэтому для обеспечения одинакового энергетического уровня сигналов в обоих случаях в предлагаемое устройство введен ослабитель лазерного излучения с коэффициентом пропускания:

где f - фокусное расстояние.

Таким образом, у заявляемого устройства появляются свойства, заключающиеся в возможности определения ЭПР ОЭС в лабораторных условиях с практически полным устранением систематических погрешностей, связанных с искривленностью волнового фронта зондирующего излучения в плоскости апертуры исследуемого ОЭС, без использования имитатора трассы распространения лазерного излучения, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающие достижение положительного эффекта, заключающегося в увеличении динамического диапазона измерений и повышении точности получаемых результатов за счет устранения помехового излучения, обусловленного отражением от оптической системы имитатора трассы.

При этом достигаемый результат оказывается новым, так как все известные устройства не обеспечены мерами и конструктивными элементами, позволяющими устранить влияние отражения лазерного излучения от оптической системы имитатора трассы.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для определения ЭПР ОЭС. На фиг.2 представлена графическая зависимость относительного уменьшения динамического диапазона измерений от отношения потоков излучения Ф₂/Ф₁ при различных значениях отношения На фиг.3 представлена графическая зависимость относительного увеличения среднеквадратической погрешности измерений в зависимости от величины отношения

Предлагаемое устройство содержит (см. фиг.1): лазер 1 подсвета, коллиматор 2, объектив 3 с фокусным расстоянием, равным 2l, светорасщепитель 4, держатель 5 исследуемого ОЭС, ослабитель 6 лазерного излучения, фотоприемник 7, регистратор 8, при этом лазер 1, коллиматор 2, объектив 3, светорасщепитель 4, держатель 5 последовательно установлены по ходу зондирующего лазерного излучения, ослабитель 6, фотоприемник 7 последовательно установлены по ходу ответвленного светорасщепителем 4 отраженного от исследуемого ОЭС лазерного излучения, выход фотоприемника 7 соединен со входом регистратора 8.

Устройство определения ЭПР ОЭС работает следующим образом. Излучение лазера 1 подсвета пропускают через коллиматор 2. При этом происходят увеличение сечения пучка зондирующего излучения и уменьшение его дифракционной расходимости, что обеспечивает возможность полного облучения апертуры исследуемого ОЭС. Далее излучение проходит через объектив 3, с помощью которого формируется сходящийся пучок зондирующего лазерного излучения с начальным радиусом кривизны волнового фронта, равным -2l. Полученный пучок направляют через светорасщепитель 4 на исследуемое ОЭС, установленное в держателе 5. Отраженное излучение пропускают через светорасщепитель 4. Ответвленное светорасщепителем 4 отраженное лазерное излучение направляют через ослабитель 6 лазерного излучения с коэффициентом пропускания что обеспечивает соответствие величины потока Ф₁, отраженного излучения, попадающего на фотоприемник, величине этого потока при измерении ЭПР ОЭС в реальных условиях на трассе протяженностью L, на фотоприемник 7. Электрический сигнал с выхода фотоприемника 7 направляют на регистратор 8 выходного сигнала фотоприемника 7.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает практически полное устранение систематической погрешности κ, но без использования имитатора трассы распространения лазерного излучения. Тем самым предлагаемое решение по сравнению с прототипом обеспечивает увеличение динамического диапазона измерений в 1,5...5,0 раз и повышение в 1,5...2,5 раза точности получаемых результатов за счет устранения негативного влияния отраженного лазерного излучения от оптической системы имитатора трассы.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестно устройство определения ЭПР ОЭС, включающее расположенные по ходу зондирующего лазерного излучения лазер подсвета, светорасщепитель и держатель исследуемого оптико-электронного средства, а также расположенные по ходу ответвленного светорасщепителем отраженного от исследуемого ОЭС фотоприемник и регистратор выходного сигнала фотоприемника, дополнительно введены последовательно установленные по ходу зондирующего лазерного излучения между лазером подсвета и светорасщепителем коллиматор и объектив с фокусным расстоянием, равным удвоенному расстоянию между светорасщепителем и держателем исследуемого ОЭС, и ослабитель лазерного излучения с коэффициентом пропускания, равным квадрату отношения фокусного расстояния объектива к удвоенной длине измерительной трассы.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые оптические и радиотехнические узлы и устройства (например, коллиматор - афокальная (телескопическая) оптическая система с угловым увеличением д≪1, диафрагма, радиус отверстия которой определяется из выражения

где r_ф - радиус апертуры фотоприемника, r_ф - радиус отверстия диафрагмы).

Силами заявителей был разработан и изготовлен макет предлагаемого устройства, который успешно прошел экспериментальную проверку, подтвердившую техническую реализуемость предлагаемого технического решения.

Изобретение относится к области измерений характеристик светорассеяния объектов. Устройство содержит расположенные по ходу зондирующего излучения лазер подсвета и светорасщепитель, между которыми последовательно установлены по ходу зондирующего лазерного излучения коллиматор и объектив с фокусным расстоянием, равным удвоенному расстоянию между светорасщепителем и держателем исследуемого оптико-электронного средства (ОЭС). Между светорасщепителем и фотоприемником по ходу ответвленного светорасщепителем отраженного от исследуемого ОЭС излучения установлен ослабитель лазерного излучения с коэффициентом пропускания, равным квадрату отношения фокусного расстояния объектива к удвоенной длине имитируемой измерительной трассы. Устройство обеспечивает практически полное устранение систематической погрешности, возникающей за счет искривленности волнового фронта зондирующего излучения в плоскости апертуры ОЭС, а также обеспечивает увеличение динамического диапазона измерений и повышение точности измерений за счет устранения негативного влияния отраженного излучения от оптической системы имитатора трассы. 3 ил.

Устройство определения эффективной площади рассеяния оптико-электронного средства, включающее расположенные по ходу зондирующего лазерного излучения лазер подсвета, светорасщепитель и держатель исследуемого оптико-электронного средства, а также расположенный по ходу ответвленного светорасщепителем отраженного от исследуемого оптико-электронного средства фотоприемник и регистратор выходного сигнала фотоприемника, отличающийся тем, что между лазером подсвета и светорасщепителем дополнительно введены последовательно установленные по ходу зондирующего лазерного излучения коллиматор и объектив с фокусным расстоянием, равным удвоенному расстоянию между светорасщепителем и держателем исследуемого оптико-электронного средства, между светорасщепителем и фотоприемником по ходу ответвленного светорасщепителем отраженного от исследуемого оптико-электронного средства излучения установлен ослабитель лазерного излучения с коэффициентом пропускания, равным квадрату отношения фокусного расстояния объектива к удвоенной длине измерительной трассы.