УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01S3/783 

Изобретение относится к области приборостроения, измерительной и информационной технике, точнее к оптико-электронным приборам, обеспечивающим обнаружение факта и направления облучения защищаемого объекта лазерным излучением, и может быть использовано для решения задачи предупреждения об угрозе атаки охраняемого объекта, на котором оно установлено, как для наземных систем вооружения, так и для авиации и ракетной техники.

К устройствам обнаружения лазерного облучения, устанавливаемым на объектах авиации и ракетной технике, предъявляются следующие требования:

- обнаружение факта и направления лазерного облучения в широком угловом поле;

- жесткие требования к аэродинамическим, температурным и массогабаритным характеристикам;

- высокое быстродействие устройства в связи с малой длительностью импульса лазерного излучения;

- спектральный диапазон работы - ближний ИК.

Известны устройства, предназначенные для обнаружения лазерного облучения с определением направления излучения, описанные в патентах US № 5485009, публ. 16.01.1996, кл. G01S 17/87; RU № 2129288, публ. 20.04.1999, кл. G01S 17/06; RU № 2248587, публ. 10.02.2004, кл. G01S 17/06. Устройства содержат лазерную систему, в состав которой входят частотно-импульсный лазер (ЧИЛ) с объективом, фотоприемное устройство и блок обработки информации, установленные на вращающейся вокруг вертикальной оси платформе с возможностью колебательно-вращательного движения ЧИЛ.

Недостатком данных устройств является использование в них сканирующих блоков. Наличие механических узлов приводит к возрастанию сложности устройств, их нетехнологичности и сложности юстировки изделий.

В известном патенте WO 2004/001440 А1, публ. 19.06.2003, кл. G01S 3/783 описан способ и устройство обнаружения лазерных излучателей, состоящее из входной оптики и нескольких матриц, каждая из которых включает по меньшей мере по два фотоприемных устройства и световых фильтра, оптически прозрачных только под определенными углами. Матрицы располагаются на расстоянии и под углом друг к другу, что обеспечивает прием излучения в определенной зоне обзора, а также возможность определения положения источника излучения.

К недостаткам последнего и вышеуказанных известных устройств следует отнести то, что они не могут быть установлены на объекты, корпус которых в процессе эксплуатации нагревается до очень высоких температур, так как такому же нагреву будут подвержены входные оптические элементы устройства и расположенные в непосредственной близости от них фотоприемники, что неизбежно приведет к выходу последних из строя. Кроме того, при установке на ракетную технику известные устройства не отвечают требованиям по аэродинамике, накладывающим ограничения на габариты частей, выступающих за контуры объекта.

Наиболее близким техническим решением, отвечающим требованиям обнаружения лазерного излучения и определения его направления (прототипом), является «Способ и устройство для определения направления прихода импульсного лазерного излучения по принципу измерения временных интервалов» (патент ЕР 1167991 А2, кл. G01S 3/781, G01S 7/48, публ. 29.06.2001).

Известное устройство содержит оптическую систему (приемный объектив), состоящую из нескольких объективов, оси которых развернуты в пространстве для организации необходимой зоны обзора. В фокальной плоскости каждого объектива расположены входные торцы двух световолокон, причем одно из волокон является опорным и имеет длину, постоянную для каждой пары волокон, а длина второго для каждой пары волокон различна. На выходных торцах группы опорных волокон и группы волокон с переменной длиной установлены фотоприемники. Направление падающего лазерного излучения определяется в блоке обработки сигналов по величине временного интервала между импульсами, поступившими на фотоприемник, соединенный с группой опорных волокон, и фотоприемник, соединенный с группой волокон с переменной длиной. Точность определения направления на лазерный источник в этом устройстве зависит от количества объективов и пар световолокон.

Можно предположить, хотя в патенте это не отражено, что данное устройство может работать при нагреве входных оптических элементов до некоторой температуры за счет использования световолокон, которые позволяют удалить фотоприемники и блок обработки сигналов на некоторое расстояние от нагретых элементов.

Однако, из-за большого количества входных окон в оптической системе, при установке устройства на ракетных носителях аэродинамические требования выполняться не будут. Кроме того, при расположении приемных объективов, как изображено в патенте, обеспечивается получение информации об обнаружении лазерного излучения в угловом поле α×β, где угол α зависит от количества объективов, а угол β чрезвычайно мал и ограничивается апертурой одного объектива, оптически сопряженного с одним волокном. Поэтому для получения значительного поля обзора необходимо использование очень большого набора объективов, сопряженных со своими парами световолокон.

Задачей данного изобретения является создание устройства, обеспечивающего обнаружение факта и направления облучения защищаемого объекта лазерным излучением в широком угловом поле в жестких температурных и аэродинамических условиях.

Техническим результатом изобретения модели является расширение температурного диапазона работы устройства, а следовательно, и спектра возможных объектов установки при одновременном улучшении аэродинамических характеристик и увеличении поля обзора.

Поставленная задача решается, а указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве обнаружения лазерного облучения, содержащем приемный объектив, оптически сопряженный световодом с фотоприемником, и блок обработки сигналов, приемный объектив дисторзирующего типа, выполненный из термостойких материалов, снабжен входным оптическим компонентом в виде плоской пластины из сапфира, при этом световод представляет собой многожильный световолоконный кабель, а перед фотоприемником дополнительно установлен объектив переноса изображения.

Причем при необходимости обнаружения только факта наличия облучения фотоприемник может быть одноэлементным, а для измерения угловых координат входного потока необходимо использовать матричное ФПУ. От формата МФПУ и метода вычисления координат центра пятна рассеяния на матрице зависит точность определения направления излучения.

Приемный объектив выполняется по схеме, формирующей поле обзора в телесном угле порядка 120° в виде кружка диаметром 2 мм в фокальной плоскости. Входной элемент объектива представляет собой плоскую пластину, выполнен из высокопрочного термостойкого материала - сапфира, выдерживающего температуры до 1500°С, имеет небольшой диаметр не более 30 мм и тем самым обеспечивает минимальные искажения оболочки объекта любой аэродинамической формы. Система переноса изображения, представляющая собой волоконно-оптический кабель (ВОК) со световым диаметром 2 мм, обеспечивает возможность удаления блока электроники, включающего объектив переноса изображения, фотоприемник и блок обработки сигналов, на значительное расстояние от приемного объектива. Такое конструктивное решение практически не ограничено в пределах объекта, т.к. потери сигнала в ВОК не превышают 1-2 дБ/км (по крайней мере, для диапазона длин волн до 1,5 мкм).

Обычно в блок электроники изображение поступает в виде электрических сигналов. В данном случае в связи с отсутствием необходимых температурных условий преобразование оптического изображения в электрические сигналы осуществляется в блоке электроники.

На чертеже представлена функциональная схема заявляемого устройства, поясняющая сущность предлагаемого технического решения.

Во внешнюю оболочку защищаемого объекта встраивается входное окно 1, выполненное из высокопрочного термостойкого материала (сапфир), которое вместе с линзами 2 и 3 из кварца образует термостойкий приемный объектив 4, создающий промежуточное изображение пространства предметов в фокальной плоскости 5 на переднем торце ВОК 6. Это изображение переносится на задний торец ВОК в плоскость 5', удаленную от фокальной плоскости 5 на расстояние, которое выбирается из конструктивных соображений, определяемых конструкцией объекта. Из плоскости 5' промежуточное изображение объективом переноса 7 переносится в плоскость 5'', в которой установлен фотоприемник 8. Фотоприемник 8 формирует электрический сигнал, поступающий в блок обработки сигналов 9, с выхода которого сигнал поступает в систему защиты объекта. Объектив переноса изображения 7, фотоприемник 8 и блок обработки сигналов 9 образуют блок электроники 10.

В зависимости от размеров изображения в плоскости 5' и чувствительной площадки фотоприемника 8 при переносе изображения из плоскости 5' в плоскость 5'' его масштаб можно изменить за счет выбора линейного увеличения объектива переноса 7.

Заявляемое техническое решение работает следующим образом. Устройство обнаружения лазерного облучения устанавливается на защищаемом объекте. Излучение внешнего источника лазерного облучения попадает на приемный объектив 4, формирующий промежуточное изображение на входном торце ВОК 6, которое затем переносится по ВОК 6 на его задний торец и с помощью объектива переноса 7 попадает на фотоприемник 8.

В случае определения только факта наличия лазерного облучения в устройстве используется одноэлементный фотоприемник. В этом случае сформированный в фотоприемнике импульс напряжения попадает в блок обработки сигналов, где усиливается усилителем и для исключения шумов от случайных и фоновых помех сравнивается с пороговым значением. В случае превышения порога сигнал выдается в систему защиты (в схему интерфейса и обмена командами с бортовой аппаратурой в виде команды «Обнаружение».)

При необходимости определения угловых координат источника лазерного облучения в устройство устанавливается многоплощадочный фотоприемник. В этом случае в блоке обработки сигналов сигнал с каждой площадки усиливается усилителем и наличие сигналов запоминается в соответствующих запоминающих устройствах. Номера засвеченных площадок передаются в вычислитель, где и определяются искомые координаты лазерного облучателя. Полученная информация поступает в систему защиты. От формата многоплощадочного фотоприемника и алгоритма, закладываемого в вычислитель, зависит точность измерения направления облучения.

Устройство по предлагаемому техническому решению представляет собой конструкцию, состоящую из приемного объектива, выполненного в виде оптического блока, блока электронного и волоконно-оптического кабеля. Входной элемент оптического блока установлен в оправе из карбосила или другого термостойкого материала, остальные оптические детали блока закреплены в оправах и установлены в корпус объектива из титана. Через отверстие в оправе к объективу присоединен волоконно-оптический кабель. Задний торец ВОК заводится в блок электронный, который имеет независимый корпус с размещенными в нем узлами.

Таким образом, изобретение позволяет создать устройство, обеспечивающее не только обнаружение факта облучения защищаемого объекта и, при необходимости, определение направления облучения, но и возможность использования на объектах, не позволяющих по аэродинамическим соображениям иметь значительные по размерам выступающие части над внешней оболочкой объекта, а также имеющих высокую температуру оболочки и жесткие ограничения по размерам входного окна в оболочке.

Устройство обнаружения лазерного облучения относится к области приборостроения, точнее к оптико-электронным приборам. Используется для решения задач предупреждения об угрозе атаки охраняемого объекта, на котором оно установлено, для наземных систем военной техники, авиации и ракетной техники. Достигаемый технический результат заключается в расширении температурного диапазона работы устройства, улучшении аэродинамических характеристик и увеличении поля обзора. Указанный результат достигается за счет того, что заявленное устройств содержит приемный объектив, оптически сопряженный световодом с фотоприемником, блок обработки сигналов, при этом приемный объектив дисторзирующего типа выполнен из термостойких материалов и снабжен входным оптическим компонентом в виде плоской пластины из сапфира, при этом световод представляет собой многожильный световолоконный кабель, а перед фотоприемником дополнительно установлен объектив переноса изображения. 1 ил.

1. Устройство обнаружения лазерного облучения, содержащее приемный объектив, оптически сопряженный световодом с фотоприемником, и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что приемный объектив дисторзирующего типа, выполненный из термостойких материалов, снабжен входным оптическим компонентом в виде плоской пластины из сапфира, при этом световод представляет собой многожильный световолоконный кабель, а перед фотоприемником дополнительно установлен объектив переноса изображения, причем сформированный в фотоприемнике сигнал поступает в блок обработки сигналов, где усиливается и сравнивается с пороговым значением, в случае превышения которого выдается сигнал в виде команды «Обнаружение».2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоприемник выполнен одноэлементным.