СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИИ ЛУЧИСТОГО ПОТОКА Российский патент 2007 года по МПК G02B26/04 G02F1/29 

Изобретение относится к способам управления параметрами светового потока, исходящего от независимого источника, а более конкретно к основанной на отражении пространственно-временной модуляции потока излучения, преимущественно в инфракрасной области, и может быть использовано в оптических системах защиты, дистанционного контроля и управления объектов.

Известны механические модулирующие приборы с использованием подвижных экранирующих элементов или зеркальных отражающих поверхностей, см. пат. RU №2084008, кл. G 02 В 26/04,1994 г., №2166200, кл. G 01 S 7/36, 2000 г., №2233463, кл. G 02 F 1/00, 2002 г. или пат. RU №2222034, кл. G 02 В 26/00, 2001 г. Все приведенные технические решения являются устройствами и страдают потерей мощности оптического сигнала при прохождении его через экранирующий элемент либо в результате неоднократного отражения от зеркальных поверхностей, что характерно для линейных модуляторов, т.е. тех, в которых направление распространения модулированного оптического сигнала совпадает с направлением сигнала источника. Устройство по пат. RU №2205439, кл. G 02 В 26/08, 2001 г., в значительной степени лишено указанных недостатков, однако в нем отсутствует реализация регулярной модулирующей функции, а кроме того, устройство обеспечивает только пространственную модуляцию оптического сигнала и не предусматривает возможности амплитудной модуляции.

Известен фундаментальный способ формирования модулированной помехи, осуществляемой на частоте, близкой к частоте подавляемого сигнала оптико-электронного устройства, при котором осуществляют модуляцию мощного инфракрасного излучателя последовательностью нерегулярных пачек импульсов, заполненных регулярной модулирующей частотой, нерегулярность пачек импульсов задают посредством изменяемых коэффициентов управления и периодов повторения и таким образом предугадывают заранее траекторию выхода изображения объекта из поля зрения оптико-электронного устройства, см. пат. RU №2174237, кл. G 01 S 7/36, 2000 г. Создание оптико-электронных помех в соответствии с указанным способом позволяет эффективно защитить объекты от самонаводящихся средств поражения. Однако способ страдает отсутствием описания конкретных технических средств и приемов, посредством которых возможно получение модулированной помехи, а кроме того, заполнение импульсов регулярной модулирующей частотой сужает область применения изобретения

Известен способ управления потоком излучения преимущественно в инфракрасной области, в соответствии с которым на пути потока размещают оптический элемент, содержащий адсорбированную и дополнительно конституционную воду. Изменения оптических характеристик оптического элемента получают при охлаждении и/или нагреве оптического элемента в области температур от температуры восстановления водородных связей в адсорбированной воде до температуры ниже температуры начала удаления конституционной воды из материала оптического элемента, см. пат. RU №2035756, кл. G 02 F 1/01, 1991 г. Способ предоставляет широкие возможности для модулирования инфракрасного потока излучения, однако при его применении происходит понижение средней мощности модулированного оптического сигнала в сравнении с его мощностью до модуляции по закону модулирующей функции, что является следствием частичного отражения и поглощения лучистого потока при его прохождении через оптический элемент.

Известен способ пространственно-временной модуляции оптического излучения, заключающийся во внесении в поток пространственно распределенной информации путем дополнительного многократного направления потока оптического излучения на отражательный пространственно-временной модулятор света (ОПВМС) посредством многоходовой оптической системы, образованной с использованием ОПВМС в качестве одного из оптических элементов, см. пат. RU, №2006893, кл. G 02 F 1/01, 1992 г. Указанный известный объект изобретения способ принят в качестве прототипа как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату аналог. Данный способ позволяет многократно повысить глубину модуляции оптического излучения.

Недостатком прототипа является многократное отражение оптического сигнала от соответствующих элементов многоходовой оптической системы в процессе его модуляции. Каждое отражение сигнала сопряжено с потерей его выходной мощности, что в конечном итоге ограничивает возможность реализации способа в системах дистанционного контроля и управления. Указанные недостатки прототипа не позволяют использовать его для целей предлагаемого способа.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, который выражается в повышении мощности лучистого потока при его пространственно-временной оптической модуляции. В предлагаемом способе максимально сохранены все положительные свойства прототипа.

В конечном итоге указанный технический результат позволяет при ограниченной мощности источника лучистого потока повысить степень управляющего воздействия модулированного оптического сигнала на приемник, что повышает эффективность систем защиты, дистанционного контроля и управления объектов.

Указанный положительный результат достигается тем, что согласно способу оптической модуляции лучистого потока его создают посредством излучателя, в качестве которого используют модель селективного серого тела, спектральный диапазон излучения которого находится преимущественно в инфракрасном диапазоне и совпадает со спектральным диапазоном излучения объекта. Последующую пространственно-временную модуляцию лучистого потока проводят путем направления лучистого потока излучателя на отражательный модулятор, который размещают на фиксированном расстоянии от излучателя. В качестве отражательного модулятора используют объемное тело с отражающими гранями, установленное с возможностью вращения вокруг собственной оси. При проведении пространственно-временной модуляции лучистого потока осуществляют полное отображение фокусированного лучистого потока излучателя на отражающих гранях объемного тела, при этом направление распространения отраженного лучистого потока устанавливают не совпадающим с направлением распространения лучистого потока излучателя.

Согласно способу предпочтительно осуществляют колебательное изменение величины и/или направления угловой скорости вращения объемного тела и периодическое прерывание направления фокусированного лучистого потока излучателя на отражающие грани объемного тела.

В дополнение к изложенному осуществление полного отображения фокусированного лучистого потока излучателя на отражающих гранях объемного тела возможно за счет превышения площади последних площади падающего на них фокусированного лучистого потока излучателя.

Во всех случаях реализации способа целесообразно выполнение поверхности отражающих граней объемного тела криволинейной и/или увеличение коэффициента ее отражения в основном спектральном диапазоне излучателя.

Пространственно-временная модуляция лучистого потока, основанная на принципе однократного отражения, имеет преимущества в сравнении с растровыми или обтюрирующими системами, системами с переменной проницаемостью или переменной отражательной способностью, а также в сравнении с системами, основанными на принципе многократного отражения. Преимущество выражается в величине коэффициента полезного действия оптической модуляции (η_μ), который в предлагаемом способе практически равен единице (разницу будут составлять потери, связанные с поглащательной способностью среды распространения лучистого потока и физическими свойствами отражающих граней объемного тела), в то время как в остальных описанных случаях η_μ=0,4-0,8. Преимущество достигается тем, что при однократном отражении средняя мощность модулированного оптического сигнала в сравнении с его мощностью до модуляции практически не изменяется, чего нельзя сказать об известных способах. Известно (см. Л.З. Крикунов, Справочник по инфракрасной технике, М., Сов. радио, 1978, стр.315-354), что величина электрического сигнала управления, возникающего на приемнике лучистой энергии в результате его облучения, прямо пропорциональна квадрату мощности облучающего потока. Таким образом, при увеличении η_μ с 0,5 до 1,0 величина электрического сигнала управления возрастет в 4,0 раза.

Применительно к предлагаемому способу пространственно-временная модуляция лучистого потока предполагает изменение в соответствии с законом модулирующей функции направления, амплитуды и длительности импульсов, как в процессе функционирования излучателя, так и в процессе оптического отображения на отражающих гранях объемного тела.

Вид излучателя лучистого потока играет не последнюю роль в повышении мощности модулированного лучистого потока. Основную угрозу для объектов, подлежащих оснащению оптическими системами защиты, представляет их спектр излучения в инфракрасном диапазоне. Поэтому спектральный диапазон излучения излучателя тоже должен находиться в инфракрасном диапазоне и по возможности максимально совпадать со спектральным диапазоном излучения объекта. В противном случае энергия излучателя будет расходоваться вхолостую. Кроме того, чем меньше мощность излучателя, тем меньше абсолютные потери при модуляции потока излучения, генерируемого им.

Наиболее полно цели изобретения соответствует модель селективного серого тела, которая характеризуется суммарной мощностью излучения модели серого тела, с коэффициентом излучения (черноты) Е_т<1,0 и селективным излучением светящейся газовой струи, характеризующейся набором дискретных спектральных линий.

В случае, когда пространственное разделение объекта, подлежащего оснащению оптической системой защиты и самой системы невозможно, величина расстояния между излучателем и отражательным модулятором оказывает определяющее влияние на эффективность функционирования системы. Чем больше величина расстояния, тем большее рассогласование система может вызвать на приемнике. При этом угол между направлением распространения лучистого потока излучателя и отраженного лучистого потока также играет важную роль. При значениях угла, близких к 90°, система будет обладать максимальной эффективностью, а при значениях, близких или равном 180°, т.е. когда направления совпадают, система может полностью утратить свою эффективность либо становится нереализуемой.

Техническое решение иллюстрировано чертежом.

На чертеже представлена принципиальная схема реализации способа оптической модуляции лучистого потока.

Схема содержит установленный с возможностью поворота вокруг собственной вертикальной оси инфракрасный излучатель 1, представляющий собой модель селективного серого тела, спектральный диапазон излучения которого находится преимущественно в инфракрасном диапазоне и совпадает со спектральным диапазоном излучения защищаемою объекта. Примером такого излучателя может служить излучающее серое тело с твердой поверхностью, обтекаемое высокотемпературной газовой струей. На фиксированном расстоянии L от излучателя 1 в направлении распространения фокусированного лучистого потока размещен отражательный модулятор 2, который представляет собой объемное тело с тремя плоскими отражающими гранями 3. Объемное тело отражательного модулятора 2 установлено с возможностью вращения с переменной по величине угловой скоростью ω₁ и вокруг собственной вертикальной оси 4. Ось 4 имеет возможность отклоняться на угол β, за счет чего осуществляют изменение направления вектора угловой скорости ω₁ на ω₂. Положение отражательного модулятора 2 с отклонением его оси 4 на угол β и соответствующая этому положению картина отражения на чертеже изображены пунктирной линией.

Фокусированный лучистый поток излучателя 1 полностью отображается на отражающей грани 3 в виде пятна 5, площадь которого меньше площади отражающей грани 3. Сканирующий отраженный лучистый поток облучает приемник 6.

Реализация способа оптической модуляции лучистого потока с использованием описанной принципиальной схемы осуществляется следующим образом. Лучистый поток, создаваемый излучателем 1, представляет собой некогерентный фокусированный луч с заданной спектральной характеристикой, преимущественно в инфракрасной области оптического излучения. Излучатель 1 может работать в импульсном режиме относительно отражательного модулятора 2 путем его поворота вокруг собственной вертикальной оси, как это изображено на фигуре. Благодаря осуществлению таким образом периодического прерывания направления фокусированного лучистого потока излучателя 1 на отражающие грани 3 объемного тела создается дополнительная первичная временная модуляция лучистого потока. Поскольку площадь отражающих граней 3 объемного тела заведомо больше площади отображения фокусированного лучистого потока излучателя 1, то последний полностью отображается на одной из отражающих граней 3 объемного тела в виде круглого пятна 5, как это изображено на чертеже, либо одновременно на двух смежных гранях 3 в виде частей круглого пятна 5, в зависимости от фазы модуляции. В первом случае в пространство отражается один импульс с максимальной амплитудой, а во втором - два с модулированной амплитудой, но вне зависимости от фазы модуляции лучистый поток полностью отображается на отражающих гранях 3 объемного тела, а следовательно, средняя мощность модулированного оптического сигнала в сравнении с его мощностью до модуляции практически не изменяется.

Частота модуляции ƒ_μ, измеряемая в герцах (Гц), по настоящему способу оптической модуляции лучистого потока будет определяеться зависимостью

ƒ_μ=ω·N,

где ω - заданная угловая скорость вращения объемного тела;

N - число отражающих граней объемного тела.

Из зависимости следует, что нерегулярность частоты модуляции определяется изменчивостью величины угловой скорости вращения объемного тела. Дополнительная пространственная модуляция лучистого потока обеспечивается изменением направления вектора угловой скорости вращения объемного тела. Требуемый сколь угодно сложный колебательный закон изменения величины и/или направления угловой скорости вращения объемного тела может быть обеспечен соответствующим кулачковым приводом (на чертеже не показан). Таким образом, область распространения отраженного лучистого потока имеет вид не плоского сектора, а телесного угла, что повышает вероятность облучения приемника 6.

Для уменьшения потерь мощности, связанных с рассеянием, лучистый поток излучателя 1, как и отраженный лучистый поток подвергаются фокусировке, В первом случае это обеспечивается конструкцией излучателя 1 и подбором величины расстояния L, которая для каждого конкретного случая реализации способа будет фиксированной, а во втором - криволинейностью поверхности отражающих граней 3 объемного тела. На чертеже эта поверхность изображена плоской.

Отражающая поверхность граней 3 объемного тела может быть оснащена специальным покрытием, обладающим повышенной отражательной способностью в основном спектральном диапазоне излучателя 1, что также будет способствовать повышению мощности лучистого потока при его пространственно-временной оптической модуляции.

Изобретение относится к способу оптической модуляции лучистого потока, воздействующего на приемник лучистой энергии. Способ модуляции заключается в создании лучистого потока посредством излучателя, направлений лучистого потока излучателя на отражательный модулятор и воздействии отраженным лучистым потоком на приемник. В качестве излучателя лучистого потока используют модель селективного серого тела. В качестве отражательного модулятора используют объемное тело с отражающими гранями, установленное с возможностью вращения вокруг собственной оси. При этом осуществляют колебательное изменение величины скорости вращения объемного тела и/или изменение угла наклона оси вращения объемного тела. Технический результат заключается в повышении вероятности облучения приемника. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ оптической модуляции лучистого потока, воздействующего на приемник лучистой энергии, включающий создание лучистого потока посредством излучателя, направление лучистого потока излучателя на отражательный модулятор и воздействие отраженным лучистым потоком на приемник, отличающийся тем, что для оптической защиты объекта в качестве излучателя лучистого потока используют модель селективного серого тела, спектральный диапазон излучения которого находится преимущественно в инфракрасном диапазоне и совпадает со спектральным диапазоном излучения объекта, отражательный модулятор размещают на фиксированном расстоянии от излучателя, в качестве отражательного модулятора используют объемное тело с отражающими гранями, установленное с возможностью вращения вокруг собственной оси, осуществляют полное отображение фокусированного лучистого потока излучателя на отражающих гранях объемного тела, при этом осуществляют колебательное изменение величины скорости вращения объемного тела и/или изменение угла наклона оси вращения объемного тела, а направление распространения отраженного лучистого потока устанавливают не совпадающим с направлением распространения лучистого потока излучателя, осуществляя таким образом модуляцию лучистого потока, воздействующего на приемник.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют периодическое прерывание направления фокусированного лучистого потока излучателя на отражающие грани объемного тела.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что полное отображение фокусированного лучистого потока излучателя на отражающих гранях объемного тела осуществляют за счет превышения площади последних площади падающего на них фокусированного лучистого потока излучателя.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что поверхность отражающих граней объемного тела выполняют криволинейной и/или увеличивают коэффициент ее отражения в основном спектральном диапазоне излучателя.