МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОПТИКО-ЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2009 года по МПК G01S17/00 

Изобретение относится к оптической технике, лазерной локации и может быть использовано для поиска, обнаружения и автоматического сопровождения объектов с определением их пространственных координат. Изобретение может найти применение в геодезии, навигации, лазерной дальнометрии, системах управления воздушным движением, в системах предупреждения столкновений, исследовании окружающей среды.

В системах поиска, обнаружения и сопровождения объектов лазерные локационные средства могут использоваться вместе с другими средствами поиска, в частности РЛС, теплопеленгаторами и т.д., которые осуществляют выдачу азимутальных и угломестных координат для наведения луча оптического локатора на объекты.

Известна оптико-локационная система для определения местоположения движущихся объектов [Патент RU 2032918, БИ №10, стр.202, 1995], содержащая оптически связанные лазерный передатчик, вращающийся измеритель азимута и угла места, вращающееся однострочное оптико-механическое сканирующее устройство, контрольный фотоприемник, датчик угломестных координат, схему сравнения, лазерный приемник, модулятор, измеритель дальности, индикатор дальности. Определение азимута и угла места объектов осуществляет вращающийся измеритель азимута и угла места в процессе кругового обзора. Он может представлять собой РЛС или теплопеленгатор. Однострочное механическое сканирующее устройство вращается синхронно с вращающимся измерителем азимута и угла места и осуществляет формирование развертки лазерного передатчика, работающего в ждущем импульсном режиме. Излучение светового импульса лазерным передатчиком осуществляется по сигналу модулятора, пришедшему с выхода вращающегося измерителя угла места. Дальность определяется в измерителе дальности по временному рассогласованию между сигналом с выхода модулятора и сигналом с выхода лазерного приемника.

К недостаткам данной оптико-локационной системы можно отнести следующие. Хотя оптико-локационная система содержит лазерный локатор и теплопеленгатор (или РЛС), однако она не обладает многофункциональностью, ориентирована на решение одной специальной задачи, в ней используются конструктивно практически не связанные друг с другом теплопеленгатор для получения данных по азимуту и углу места объектов и лазерный локатор для определения координаты дальности.

Известна оптико-локационная система IRATS [В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов, «Инфракрасные лазерные локационные системы», с.84-92, М., 1987], предназначенная для слежения за низколетящими аэродинамическими объектами. Система включает в себя импульсный лазерный передатчик, оптическую систему наведения лазерного луча, фотоприемное устройство, телевизионную камеру с системой автоматического слежения за объектами, используемую в качестве средства целеуказания, системы управления и обработки данных. Телевизионная камера осуществляет поиск объектов при наведении ее оптической оси в заданную точку пространства главным зеркалом системы наведения, которое может вращаться вокруг азимутальной и угломестной осей, при этом телевизионная камера может вращаться вокруг своей оси, компенсируя вращение изображения объекта в процессе сопровождения по азимуту. Импульсный лазерный передатчик начинает активный режим локации при обнаружении объекта. Телескоп принимает отраженный от объекта лазерный импульс и фокусирует его на фотодетектор. Далее на выходе фотодетектора формируются импульсные электрические сигналы, поступающие в преобразователь сигналов, связанный с блоком обработки данных, на выходе которого выдаются данные по дальности до объекта. Слежение за объектом осуществляется телевизионной автоматической системой с помощью приводов главного зеркала системы наведения или оператором вручную. Оптико-механический блок представляет собой единую конструкцию, несущую лазерный передатчик, оптическую систему и телевизионную камеру с перископом, сопрягающим ее с оптическим трактом. Предполагается, что такая схема обеспечивает требуемую жесткость и неизменность юстировки в процессе работы. Основание всего механизма размещается на раме, которая в свою очередь опирается на домкраты, опускаемые на грунт, чем обеспечивается необходимая стабильность пространственного положения оптической оси системы.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной оптико-локационной системы, относятся следующие. Совмещение телевизионного и лазерного каналов в локационной системе IRATS реализовано с чрезмерной тяжеловесностью и громоздкостью, с необходимостью осуществления особых мер по обеспечению стабильности оптической оси системы, с отсутствием контроля за неизменностью юстировки системы в процессе работы. В результате снижается автономность и мобильность локационной системы, уменьшается точность измерений, ограничиваются возможности использования ее в практической работе.

Наиболее близким устройством того же назначения, что и заявляемое, по совокупности существенных признаков является многофункциональная оптико-локационная система [Патент RU №2292566, БИ №3, 2007], выбранная нами в качестве прототипа. Устройство, защищаемое патентом №2292566, представляет собой компактную автономную многофункциональную оптико-локационную систему, обладающую малыми габаритом и весом, имеющую устройство автоюстировки и предназначенную для обнаружения объектов и определения их местоположения и скоростей, функционирующую как в пассивном, так и в активном режимах. Система включает в себя расположенные на оптической оси передающего канала оптически сопряженные лазерный передатчик, формирующий зондирующий пучок лазерного излучения, пилотный лазер, формирующий контрольный пучок лазерного излучения, светоделители, формирующий телескоп, призму Дове, устройство, отклоняющее пучок лазерного излучения, выходной телескоп, горизонтальную платформу с расположенными на ней первым и вторым зеркалами, выполненную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, три коаксиальных вала вращения, а также расположенные на оптической оси приемного канала оптически сопряженные третье зеркало, выполненное с возможностью синхронного вращения со вторым зеркалом вокруг горизонтальной оси, обратная отражательная поверхность первого зеркала, зеркально-линзовый объектив приемного телескопа, уголковое зеркало, комбинированное фотоприемное устройство, устройство автоюстировки, включающее прямоугольную призму в центре первого зеркала, прямоугольные отражательные призмы в центрах второго и третьего зеркал, призму-ромб с диафрагмой, установленной на выходной грани призмы-ромба, блоки обработки сигналов, приводы, датчики углового положения и блоки управления основных оптико-механических узлов системы, центральный блок управления.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной оптико-локационной системы, относятся следующие. Средством целеуказания в системе является теплопеленгатор, работающий в том же спектральном диапазоне, что и лазерный локатор. Работа системы в пассивном и активном режимах осуществляется в одном спектральном диапазоне. Это снижает информативность оптико-локационной системы по поиску и обнаружению объектов, не обеспечивает надежного распознавания объектов, не позволяет оперативно осуществлять селекцию обнаруживаемых объектов. В результате эффективность работы системы снижается.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение направлено на решение задачи создания компактной автономной многофункциональной оптико-локационной системы, обладающей малыми габаритом и весом, имеющей устройство автоюстировки и предназначенной для обнаружения объектов и определения их местоположения и скоростей, работающей как в пассивном, так и в активном режимах, и являющейся при этом многоканальной. Многоканальной оптико-локационной системой мы называем систему, имеющую несколько приемо-излучающих каналов, реализующих разные виды оптической локации и действующих преимущественно в разных спектральных диапазонах.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы многофункциональной оптико-локационной системы по поиску, обнаружению и сопровождению движущихся объектов в пассивном и активном режимах путем оригинального конструктивного совмещения в системе без существенного увеличения ее весогабаритных характеристик нескольких приемо-излучающих каналов - лазерного локационного, теплопеленгационного и телевизионного, действующих в разных спектральных диапазонах. Заявляемая в изобретении оригинальная конструкция совмещения в оптико-локационной системе приемных и излучающих узлов разных каналов позволяет сохранить малые весогабаритные характеристики системы, сделать ее компактной и мобильной. Приемо-излучающие каналы, работающие в разных спектральных диапазонах, функционально взаимосвязаны, что существенно повышает информативность и эффективность работы системы. Данные, получаемые в одних каналах по обнаружению, слежению и сопровождению движущихся объектов, обеспечивают уточненное целеуказание для других каналов. Комплексирование и совместная обработка данных, получаемых в разных каналах, обеспечивают оперативность и надежность обнаружения объектов, точное сопровождение, а также более точные измерения местоположения и скоростей объектов.

Техническим результатом изобретения является также расширение арсенала имеющихся в настоящее время оптико-электронных средств обнаружения движущихся объектов и определения их местоположения и скоростей.

Заявляемая оптико-локационная система многофункциональна, имеет возможности программно перестраивать функции исполнения различных задач, таких как:

- циклический круговой обзор, поиск и обнаружение объектов в пассивном режиме по радиационному контрасту и телевизионному изображению,

- быстрая селекция обнаруживаемых объектов, выделение приоритетного объекта в реальном времени, допоиск выделенных объектов по телевизионному изображению и отраженному лазерному излучению непосредственно в процессе их пассивного поиска;

-захват и точное сопровождение движущихся объектов, при котором оптическая ось системы совмещается с направлением на объект;

- более точное определение местоположения и скоростей движущихся объектов.

Указанный выше технический результат достигается тем, что в известную оптико-локационную систему, включающую расположенные на оптической оси по ходу распространения пучка зондирующего лазерного излучения оптически сопряженные зондирующий лазер с блоком накачки, связанный с неподвижным основанием, управляемый по командам от центрального блока управления, светоделитель, зеркало дефлектора, расположенное на оптической оси в нулевом положении так, что отклоняет падающий на него пучок излучения на угол 90°, выполненное с возможностью вращения вокруг оси вращения, лежащей в плоскости зеркала, по командам от центрального блока управления, призму Дове, установленную так, что оптическая ось параллельна плоскости основания призмы, выполненной с возможностью вращения вокруг оптической оси по командам от центрального блока управления, а также горизонтальную платформу, в центре которой имеется круглое отверстие, выполненную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси по командам от центрального блока управления, первое неподвижное плоское зеркало, имеющее отражательные покрытия на обеих сторонах, закрепленное в оправе на горизонтальной платформе так, что его центр лежит на оси вращения платформы, второе и третье плоские зеркала, установленные так, что центры первого, второго и третьего зеркал лежат на одной горизонтальной оси, при этом второе и третье зеркала выполнены с возможностью синхронного вращения вокруг этой горизонтальной оси по командам от центрального блока управления, плоскости второго и третьего зеркал в нулевом положении перпендикулярны друг другу и расположены под углом 45° к вертикальной оси, а на поверхностях второго и третьего зеркал в их центральных частях закреплены призмы, имеющие отражательные грани, оптически сопряженные первый приемный объектив со встроенным уголковым зеркалом и первое фотоприемное устройство, содержащее фоточувствительные элементы для приема теплового излучения от объектов, часть которых используется для приема излучения первого контрольного пучка, а также блок обработки информации и центральный блок управления, в соответствии с заявляемым техническим решением в оптико-локационную систему дополнительно введены второе и третье фотоприемные устройства, многоспектральный импульсный источник излучения, оптически сопряженный со светоделителем, второй и третий приемные объективы, оптический разветвитель, цилиндрическая бленда, при этом зондирующий лазер дополнительно содержит блок внутрирезонаторного управления направлением пучка зондирующего излучения и выполнен с возможностью однокоординатного внутрирезонаторного изменения направления пучка зондирующего излучения по командам от центрального блока управления, второе фотоприемное устройство содержит элементы, фоточувствительные на длине волны зондирующего лазерного излучения, третье фотоприемное устройство содержит элементы, фоточувствительные в спектральном диапазоне формирования телевизионного изображения объектов, оптический разветвитель выполнен в виде сборки из двух прямоугольных призм, изготовленных из одного материала и соединенных в единой оправе так, что гипотенузная грань первой призмы соединена с первой катетной гранью второй призмы с помощью тонкого слоя иммерсионной жидкости, имеющей показатель преломления, близкий показателю преломления материала призм, оптический разветвитель установлен на оптической оси после призмы Дове по ходу распространения пучка лазерного излучения так, что оптическая ось параллельна гипотенузной грани второй призмы, а вторая катетная грань второй призмы расположена под углом 45° к горизонтальной оси и выполнена с наличием покрытия, отражающего лазерное излучение, многоспектральный импульсный источник излучения выполнен излучающим в спектральных диапазонах чувствительности первого, второго и третьего фотоприемных устройств и формирующим контрольный пучок излучения, который при прохождении его через тонкий слой иммерсионной жидкости между призмами оптического разветвителя разделяется на первый контрольный пучок излучения, ответвляющийся в первый приемный объектив, и второй контрольный пучок излучения, распространяющийся далее по оптической оси, зеркало дефлектора выполнено отражающим в диапазонах спектральной чувствительности первого, второго и третьего фотоприемных устройств и расположено в нулевом положении под углом 45° к вертикальной оси, призма Дове и оптический разветвитель выполнены из материала, прозрачного в диапазонах спектральной чувствительности первого, второго и третьего фотоприемных устройств, в первый приемный объектив дополнительно введены оптически сопряженные входная составная линза со спектроделительным зеркалом, нанесенным в центральной части ее задней поверхности, расположенная на оптической оси перед уголковым зеркалом, и коррекционный оптический элемент, установленный в центре уголкового зеркала, при этом входная составная линза выполнена из материала, прозрачного в диапазонах спектральной чувствительности первого и второго фотоприемных устройств, спектроделительное зеркало выполнено отражающим в диапазоне спектральной чувствительности первого фотоприемного устройства, уголковое зеркало выполнено с наличием покрытия, отражающего в диапазонах спектральной чувствительности первого и второго фотоприемных устройств, а коррекционный оптический элемент работает в диапазоне спектральной чувствительности первого фотоприемного устройства, первый приемный объектив связан подшипниками вращения с неподвижным основанием и выполнен с возможностью вращения вокруг вертикальной оси по командам от центрального блока управления, цилиндрическая бленда закреплена на оправе оптического разветвителя, расположена вертикально на оптической оси по ходу распространения пучка зондирующего лазерного излучения, диаметр цилиндрической бленды равен диаметру спектроделительного зеркала первого приемного объектива, а высота бленды равна расстоянию от оправы оптического разветвителя до плоскости горизонтальной платформы, при этом диаметр отверстия горизонтальной платформы не менее диаметра входной линзы первого приемного объектива, второй приемный объектив, работающий на длине волны лазерного излучения, расположен на оптической оси после отражающей грани оптического разветвителя по ходу отраженного от объектов пучка лазерного излучения и оптически сопряжен со вторым фотоприемным устройством, часть элементов которого используется для приема лазерного излучения, отраженного от объектов, а часть - для приема лежащего на той же длине волны излучения доли первого контрольного пучка, вся площадь первой поверхности первого зеркала, располагающейся по ходу распространения пучка зондирующего лазерного излучения, разделена на три концентрические области, первая центральная область выполнена полупрозрачной в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, вторая промежуточная область выполнена с наличием покрытия, имеющего высокий коэффициент отражения в диапазоне спектральной чувствительности второго фотоприемного устройства, третья периферийная область выполнена с наличием покрытия, имеющего высокий коэффициент отражения в диапазоне спектральной чувствительности первого и второго фотоприемного устройств, вся площадь второй обратной поверхности первого зеркала выполнена отражающей в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, кроме центральной области, выполненной полупрозрачной в этом диапазоне и имеющей площадь, не менее площади первой центральной области на первой стороне первого зеркала, само же первое зеркало выполнено из материала, прозрачного в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, поверхность второго зеркала выполнена отражающей в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, призма, закрепленная в центральной части поверхности второго зеркала, выполнена близкой к прямоугольной из материала, прозрачного в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, и закреплена так, что нормаль к выходной грани призмы образует небольшой угол с горизонтальной осью вращения второго и третьего зеркал, при этом выходная грань этой призмы выполнена отражающей в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, плоскости первого и третьего зеркал параллельны друг другу и расположены в нулевом положении под углом 45° к вертикальной оси, поверхность третьего зеркала выполнена отражающей в диапазоне спектральной чувствительности первого и второго фотоприемных устройств, призма, закрепленная в центральной части на поверхности третьего зеркала, выполнена прямоугольной из материала, прозрачного в диапазоне спектральной чувствительности второго фотоприемного устройства, и закреплена так, что входная катетная грань этой призмы расположена по ходу распространения зондирующего лазерного пучка, при этом входная катетная грань выполнена отражающей в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, а длина гипотенузы - в главном сечении этой призмы, внешний диаметр второй промежуточной области на первой поверхности первого зеркала и длина катета в главном сечении второй призмы оптического разветвителя равны, третий приемный объектив, работающий в спектральном диапазоне формирования телевизионного изображения объектов, расположен на оптической оси по ходу распространения принимаемого излучения от объектов после второй поверхности первого зеркала, оптически сопряжен с третьим фотоприемным устройством, закреплен с ним в единой оправе, соединенной с неподвижным основанием, при этом часть элементов третьего фотоприемного устройства используется для приема излучения от объектов, а часть для приема излучения второго - контрольного пучка, блок обработки информации состоит из первого, второго и третьего блоков обработки сигналов, связанных соответственно с первым, вторым и третьим фотоприемными устройствами, и блока отображения информации, суммарно формируемой первым, вторым и третьим блоками обработки сигналов в единой системе координат, выходы первого, второго и третьего блоков обработки сигналов связаны со входами блока отображения информации, при этом первый блок обработки сигналов дополнительно содержит блок выделения приоритетного объекта в реальном времени, а третий блок обработки сигналов дополнительно содержит блок цифрового ввода\вывода изображений, выполненный с возможностью осуществлять программно поворот изображений, третий блок обработки сигналов связан также с центральным блоком управления и выполнен с возможностью управления экспонированием третьего фотоприемного устройства по командам от центрального блока управления, первый, второй и третий блоки обработки сигналов выполнены с возможностью определения и контроля положения оптических осей системы по сигналам, формируемым в результате приема излучений первого и второго контрольного пучков, блок отображения информации связан с центральным блоком управления и выполнен с возможностью определения местоположения и скоростей движущихся объектов по принятым от объектов сигналам.

Эффективная работа многофункциональной оптико-локационной системы обеспечивается наличием в ней трех рабочих приемо-излучающих каналов - лазерного локационного, теплопеленгационного и телевизионного, действующих в разных спектральных диапазонах. Малые весогабаритные характеристики системы, ее компактность и мобильность достигнуты за счет совмещения и встраивания в единую конструкцию приемных и излучающих узлов разных каналов, при этом задача совмещения приемных и излучающих каналов решена с минимизированным помеховым влиянием каналов друг на друга.

Это совмещение лазерного локационного, теплопелегационного и телевизионного каналов характеризуют следующие основные позиции:

- первое, второе и третье зеркала выполнены так, что используются как для передачи зондирующего лазерного излучения, передачи излучения контрольных пучков, так и для приема лазерного излучения, отраженного от объектов, приема теплового излучения от объектов, также приема излучения от объектов в диапазоне формирования телевизионного изображения;

- оптический разветвитель, будучи простым и компактным конструктивно, размещен так, что осуществляет осевое совмещение апертур лазерного излучающего и приемных лазерного и теплопеленгационного каналов, формирует направления распространения излучений как лазерного зондирующего пучка, так и лазерного пучка, отраженного от объектов, также первого и второго контрольных пучков, последние являются референтными пучками для контроля оптических осей системы;

- оригинальная конструкция первого объектива и его связка с оптическим разветвителем позволяют пространственно разделить принимаемые пучки лазерного и теплового излучений;

- зондирующий лазер не только выполняет функцию генерации импульсов лазерного излучения, но и корректирует положение пучка лазерного излучения по одной из координат (угломестной) при наведении излучения в заданную область пространства, такое более точное наведение излучения в заданную точку пространства осуществляется путем однокоординатного внутрирезонаторного изменения направления пучка лазерного излучения;

- работа блоков обработки сигналов разных каналов взаимосвязана в реальном времени, так первый блок обработки сигналов теплопеленгационного канала, выделяя сигналы приоритетного объекта, формирует данные для команд центрального блока управления (ЦБУ), управляющих точным наведением пучка зондирующего лазера в направлении выделенного объекта и определяющих моменты синхронного экспонирования фотоприемного устройства телевизионного канала;

- третий блок обработки сигналов дополнительно содержит блок цифрового ввода/вывода изображений, выполненный с возможностью осуществлять программно поворот изображений, формируемых телевизионным каналом, в результате компенсация поворота изображений, обусловленного вращением зеркал, принимающих излучение от объектов, осуществляется не за счет обратного вращения оптико-механических узлов, а программно;

- лазерный локационный, теплопеленгационный и телевизионный каналы объединены в оптическую систему с единой системой координат благодаря схеме контроля и взаимной коррекции положения оптических осей всех каналов с помощью контрольных пучков излучения.

Заявляемая оптико-локационная система является новой и расширяет арсенал имеющихся в настоящее время оптико-электронных средств обнаружения движущихся объектов и определения их местоположения и скоростей. При этом к достижению технического результата приводит совокупное действие всех признаков изобретения.

На чертеже приведена структурная схема заявляемой оптико-локационной системы, где 1 - первое фотоприемное устройство, 2 - первый приемный вращающийся объектив, 2А - входная составная линза первого приемного объектива, 2Б - уголковое зеркало компенсатора поворота изображения первого приемного объектива, 2В - спектроделительное зеркало на задней поверхности входной составной линзы, 2Г - коррекционный оптический элемент, 2Д - блок управления вращением первого приемного объектива (БУ-3), 3 - оптический разветвитель, выполненный в виде сборки из двух прямоугольных призм в единой оправе, соединенных так, что гипотенузная грань первой призмы соединена с первой катетной гранью второй призмы с помощью тонкого слоя иммерсионной жидкости, при этом оптический контакт обеспечивается механическим сжатием, создаваемым оправой разветвителя, 3А - вторая катетная грань второй призмы оптического разветвителя, выполненная отражающей, 4 - второй приемный объектив, 5 - второе фотоприемное устройство, 6 - цилиндрическая бленда, закрепленная на оправе оптического разветвителя, 7 - горизонтальная платформа, в центре которой выполнено круглое отверстие, диаметр которого не менее диаметра входной составной линзы первого приемного объектива, 7А - блок управления вращением горизонтальной платформы (БУ-1), 8 - первое неподвижное зеркало, расположенное в оправе на горизонтальной платформе, центр которого лежит на оси вращения платформы, 8А - первая поверхность первого неподвижного зеркала, 8Б - вторая поверхность первого неподвижного зеркала, 9 - второе зеркало, 10 - третье зеркало, 11 - неподвижные стойки на горизонтальной платформе, 12 - единая оправа, в которой закреплены второе 9 и третье 10 зеркала, связанная подшипниками вращения с неподвижными стойками 11 на горизонтальной платформе, 12А - блок управления вращением единой оправы, в которой закреплены второе 9 и третье 10 зеркала (БУ-2), 13 - призма, близкая к прямоугольной, установленная в центральной части поверхности второго зеркала, 14 - прямоугольная призма, установленная в центральной части поверхности третьего зеркала, 15 - третий приемный объектив, 16 - третье фотоприемное устройство, 17 - призма Дове, 17А - блок управления вращением призмы Дове (БУ-4), 18 - зеркало дефлектора, 18А - блок управления вращением зеркала дефлектора (БУ-5), 19 - светоделитель, 20 - многоспектральный импульсный источник излучения, 21 - зондирующий лазер, 22 - блок накачки зондирующего лазера, 23 - блок внутрирезонаторного управления направлением пучка зондирующего лазерного излучения (БВРУ), 24 - блок выделения приоритетного объекта в реальном времени (БВПО), 25 - первый блок обработки сигналов (1 БОС), 26 - второй блок обработки сигналов (2БОС), 27 - третий блок обработки сигналов (3БОС), 28 - блок цифрового ввода/вывода изображений (БВВИ), 29 - блок отображения информации (БОИ), 30 - центральный блок управления (ЦБУ).

Горизонтальная платформа 7, единая оправа 12, в которой закреплены второе и третье зеркала, связанная подшипниками вращения с неподвижными стойками 11, установленными на горизонтальной платформе 7, первый приемный объектив 2, зеркало дефлектора 18 и призма Дове 17 снабжены датчиками углового положения, выходы которых связаны со входами локальных блоков управления этими узлами, и имеют приводы, управляемые локальными блоками управления этими узлами по командам от центрального блока управления. На чертеже все датчики углового положения, приводы, блоки управления приводами основных вращающихся узлов системы: горизонтальной платформы, единой оправы для крепления второго и третьего зеркал, первого приемного объектива, зеркала дефлектора и призмы Дове показаны в виде объединенных блоков управления этими узлами (позиции соответственно 7А, 12А, 2Д, 18А и 17А).

Горизонтальная платформа связана с неподвижной базовой платформой приборного шасси системы посредством промежуточного вращающегося вала, связанного с осевой системой горизонтальной платформы подвижным звеном вращающегося контактного устройства (не показан). Промежуточный вал вращается с постоянным сдвигом угловой скорости относительно скорости вращения горизонтальной платформы и выполняет функцию стабилизации момента трения во всем диапазоне угловых скоростей.

Непоказанные элементы и их связи с узлами системы выполнены известными из уровня техники методами и с привлечением известных конструкций.

Вращение первого зеркала, осуществляемое благодаря вращению горизонтальной платформы, обеспечивает сканирование локационной системой пространства по азимутальной координате. Синхронное вращение второго и третьего зеркал, осуществляемое благодаря вращению оправы, на которой закреплены эти зеркала, обеспечивает сканирование локационной системой пространства по угломестной координате.

Внутрирезонаторное изменение направления пучка излучения зондирующего лазера 21, осуществляемое по командам, поступающим в блок внутрирезонаторного управления направлением пучка зондирующего излучения 23, корректирует положение пучка зондирующего лазерного излучения по угломестной координате. Зеркало дефлектора 18 расположено так, что в нулевом положении отклоняет на 90° вертикально падающие на него пучки излучения; изменение положения зеркала посредством его вращения вокруг оси вращения, лежащей в плоскости зеркала, осуществляемое по командам от ЦБУ, корректирует положение пучка лазерного излучения по азимутальной координате.

В конкретном варианте исполнения оптико-локационной системы внутрирезонаторное изменение направления пучка излучения зондирующего лазера осуществлялось с помощью однокоординатного электроуправляемого пространственно-временного модулятора света (ПВМС), который устанавливался внутри лазерного резонатора, что позволило избежать внедрения в резонатор лазера подвижных оптико-механических узлов. Блок внутрирезонаторного управления направлением пучка зондирующего лазерного излучения в этом случае представлял собой блок напряжений и связанное с ним программируемое устройство управления блоком напряжений.

В качестве многоспектрального импульсного источника излучения 20 использовался плазменный излучатель дугового разряда в инертном газе с Т_изл=(10÷12)-10³К, обеспечивающий энергетическую экспозицию в спектральном диапазоне чувствительности всех каналов. Многоспектральный импульсный источник излучения и зондирующий лазер связаны с неподвижным основанием.

Передающие узлы лазерного локационного канала системы включают в себя зондирующий лазер 21, зеркало дефлектора 18, призму Дове 17, осуществляющую компенсацию поворота системы координат, возникающего при вращении зеркал наведения, оптический разветвитель 3, осуществляющий вывод зондирующего излучения в пространство предметов, первую поверхность первого зеркала 8А и прямоугольную призму 14, установленную на третьем зеркале 10. Ось вращения второго и третьего зеркал ортогональна оси вращения первого зеркала (или горизонтальной платформы), а отражающие поверхности зеркал установлены под наклоном в 45° к осям вращения.

Приемный оптический тракт теплопеленгационного канала включает в себя периферийные области третьего 10 и первой стороны первого 8А зеркал наведения, входную составную линзу 2А приемного объектива 2, уголковое зеркало 2Б, спектроделительное зеркало 2В на задней поверхности входной составной линзы и коррекционный оптический элемент 2Г, после прохождения которого тепловое излучение попадает в первое фотоприемное устройство 1.

Приемная часть лазерного локационного канала имеет общий с теплопеленгационным каналом входной оптический тракт, начиная от третьего зеркала 10 до спектроделительного зеркала на задней поверхности входной составной линзы 2В, после прохождения этого зеркала приемное лазерное излучение отражается от отражающей грани оптического разветвителя 3А, поступает на вход второго приемного объектива 4, оптимизированного для длины волны излучения зондирующего лазера, а затем во второе фотоприемное устройство 5.

Оптический тракт телевизионного канала сформирован оптически сопряженными поверхностью второго зеркала 9, второй поверхностью первого зеркала 8Б, третьим приемным объективом 15, третьим фотоприемным устройством 16.

Система контроля положения оптических осей приемо-передающих каналов системы включает в себя многоспектральный импульсный источник излучения 20, запускаемый по командам от ЦБУ одновременно с моментом начала работы оптико-локационной системы. Многоспектральный импульсный источник излучения 20 формирует коллимированный световой пучок, ось которого после прохождения светоделителя 19 совмещается с осью излучения зондирующего лазера. Распространяясь по оптической оси, на границе раздела между призмами оптического разветвителя 3, сформированной тонким слоем иммерсионной жидкости, часть излучения многоспектрального источника ответвляется в первый контрольный пучок и поступает в первый приемный объектив 2 и далее, проходя спектроделительное зеркало 2В на задней поверхности входной составной линзы первого приемного объектива, снова разветвляется. Доля первого контрольного пучка, которая отражается от спектроделительного зеркала 2В на задней поверхности входной составной линзы, поступает на вход первого фотоприемного устройства 1, другая же доля первого контрольного пучка после прохождения спектроделительного зеркала 2В отражается от отражающей грани оптического разветвителя 3А и поступает через второй приемный объектив 4 на вход второго фотоприемного устройства 5.

Оставшаяся после ответвления первого контрольного пучка осевая часть пучка излучения многоспектрального источника образует второй контрольный пучок, который проходит далее по пути зондирующего лазерного излучения до полупрозрачной центральной области первой стороны первого зеркала, где также разделяется на две части. Первая часть второго контрольного пучка поступает на вход третьего приемного объектива, определяя точку отсчета начала координат для кадра телевизионного канала. Вторая часть второго контрольного пучка достигает зеркальной грани призмы 14, расположенной в центре третьего зеркала, возвращается к центральной полупрозрачной области первой стороны первого зеркала, проходит первое зеркало, достигает зеркальной грани призмы 13, расположенной в центре второго зеркала, далее возвращается к центральной полупрозрачной области второй стороны первого зеркала и затем через третий приемный объектив 15 поступает на вход третьего фотоприемного устройства 16. Фиксируемое отклонение между сигналами, соответствующими первой и второй частям второго контрольного пучка, несет информацию о расхождении координатных сеток телевизионного и тепловизионного (лазерного) каналов. В качестве базовой принята система координат, связанная с линейкой фоточувствительных элементов первого фотоприемного устройства, при этом жесткость и стабильность состояний осевых систем горизонтальной платформы и вращающейся оправы с вторым и третьим зеркалами обеспечивают точную воспроизводимость координатной сетки. Первый и второй контрольные пучки предназначены для оперативного контроля текущего положения оптических осей; первый соответственно для контроля осей зондирующего лазерного локационного и теплопеленгационного каналов, а второй - для контроля осей теплопеленгационного (приемного лазерного локационного) и телевизионного каналов.

Первое фотоприемное устройство 1 содержит фоточувствительные элементы для приема теплового излучения от объектов, при этом часть фоточувствительных элементов используется для регистрации лежащего в том же спектральном диапазоне излучения той доли первого контрольного пучка, которая отразилась от светоделительного зеркала 2В первого объектива.

Второе фотоприемное устройство 5 содержит фоточувствительные элементы для приема лазерного излучения, при этом часть фоточувствительных элементов используется для регистрации лежащего на той же длине волны излучения той доли первого контрольного пучка, которая прошла светоделительное зеркало первого объектива 2В и затем отразилась от отражающей грани оптического разветвителя 3А.

Третье фотоприемное устройство 16 содержит элементы, фоточувствительные в спектральном диапазоне формирования телевизионного изображения объектов, и предназначено для формирования телевизионного изображения объектов. Часть фоточувствительных элементов третьего фотоприемного устройства используется для регистрации лежащего в том же спектральном диапазоне излучения второго контрольного пучка.

Первый блок обработки сигналов 25 преобразует аналоговые сигналы первого фотоприемного устройства 1 в цифровые, нормирует принятые сигналы, выделяет сигналы возможных объектов, а также вводит полученную информацию в блок отображения информации 29. Первый блок обработки сигналов 25 дополнительно содержит блок выделения приоритетного объекта 24, осуществляющий выделение сигналов выбранного объекта. После выбора приоритетного объекта информация о нем поступает из блока отображения информации 29 в ЦБУ. Допоиск возможного объекта осуществляется лазерным локационным каналом в реальном времени, что реализуется точным наведением пучка зондирующего излучения в точку местоположения возможного объекта. Это наведение осуществляется по командам от ЦБУ, направляемым в блок внутрирезонаторного управления направлением пучка зондирующего лазерного излучения 23, а также в блок управления вращением зеркала дефлектора 18А. Одновременно команда, осуществляющая синхронизированное экспонирование фотоприемного устройства телевизионного канала, поступает от ЦБУ в третий блок обработки сигналов.

Второй блок обработки сигналов 26 служит для обработки сигналов лазерного локационного канала и ввода полученной информации в блок отображения информации 29. Третий блок обработки сигналов телевизионного канала 27 формирует изображение круговой зоны обзора в процессе сканирования путем постоянного заполнения поля обзора и адресного размещения в памяти компьютера экспонированных кадров с экспозицией, ограниченной текущей угловой скоростью, формирует изображения объектов наблюдения, формирует и обрабатывает кадры контроля положения оптической оси телевизионного канала, вводит полученную информацию в блок отображения информации 29. Третий блок обработки сигналов 27 дополнительно содержит блок цифрового ввода/вывода изображений 28, выполненный с возможностью осуществлять программно поворот изображений, формируемых телевизионным каналом. Вследствие того, что оптический тракт телевизионного канала не имеет компенсатора поворота изображения, обусловленного вращением зеркал азимутального и угломестного сканирования, компенсация поворота изображения осуществляется программно в соответствии с показаниями датчиков углового положения этих узлов. В блоке 28 также предусмотрена возможность пересчета координат пикселей изображений, смещенных вследствие рассогласования оптических осей системы.

Блок отображения информации 29 формирует отображение текущей фонообъектовой обстановки в единой системе координат, оптимизирует процесс обнаружения объектов, завязывает трассы сопровождения, обеспечивает определение местоположения и скоростей движущихся объектов по принятым сигналам, транслирует в ЦБУ координатные последовательности сопровождаемых объектов.

Нулевое положение оптико-локационной системы характеризуется состоянием покоя всех ее узлов. Центральный блок управления выполнен с возможностью точной ориентации оптико-локационной системы в пространстве.

В процессе работы системы в ЦБУ синхронно с данными датчиков текущих состояний основных оптико-механических узлов системы поступают данные о текущей фонообъектовой обстановке, координатах объектов из блока отображения информации 29. ЦБУ в зависимости от текущего рабочего режима и координат объектов формирует функционально связанные траекторные задания и транслирует их в блоки управления исполнительными устройствами. В соответствии с траекторными заданиями исполнительные устройства обеспечивают периодический обзор контролируемой зоны в пассивном режиме, в том числе и с активным допоиском в реальном времени выделенных объектов, циклическое сопровождение группы объектов в пассивном и активном режимах, захват и точное сопровождение выбранного объекта в пассивном и активном режимах.

Наличие различных каналов получения информации в одной оптико-локационной системе обеспечивает успешное комплексное решение задач оптической локации. Более оперативно осуществляется обнаружение объектов, выбор приоритетных объектов, повышаются надежность их распознавания и точности определения местоположения и скоростей. Разработанная система расширяет арсенал имеющихся в настоящее время оптико-электронных средств обнаружения движущихся объектов и определения их местоположения и скоростей.

Изобретение относится к лазерной локации. Многофункциональная оптико-локационная система по поиску, обнаружению, определению местоположения и скоростей движущихся объектов содержит конструктивно совмещенные приемо-излучающие каналы: лазерной локации, теплопеленгационный и телевизионный. Причем указанные каналы работают в разных спектральных диапазонах. Техническим результатом изобретения является повышение информативности и эффективности работы при сохранении малых весогабаритных характеристик, компактности и мобильности системы. 1 ил.

Многофункциональная оптико-локационная система, включающая расположенные на оптической оси по ходу распространения пучка зондирующего лазерного излучения оптически сопряженные зондирующий лазер с блоком накачки, связанный с неподвижным основанием, управляемый по командам от центрального блока управления, светоделитель, зеркало дефлектора, расположенное на оптической оси в нулевом положении так, что отклоняет падающий на него пучок излучения на угол 90°, выполненное с возможностью вращения вокруг оси вращения, лежащей в плоскости зеркала, по командам от центрального блока управления, призму Дове, установленную так, что оптическая ось параллельна плоскости основания призмы, выполненную с возможностью вращения вокруг оптической оси по командам от центрального блока управления, а также горизонтальную платформу, в центре которой имеется круглое отверстие, выполненную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси по командам от центрального блока управления, первое неподвижное плоское зеркало, имеющее отражательные покрытия на обеих сторонах, закрепленное в оправе на горизонтальной платформе так, что его центр лежит на оси вращения платформы, второе и третье плоские зеркала, установленные так, что центры первого, второго и третьего зеркал лежат на одной горизонтальной оси, при этом второе и третье зеркала выполнены с возможностью синхронного вращения вокруг этой горизонтальной оси по командам от центрального блока управления, плоскости второго и третьего зеркал в нулевом положении перпендикулярны друг другу и расположены под углом 45° к вертикальной оси, а на поверхностях второго и третьего зеркал в их центральных частях закреплены призмы, имеющие отражательные грани, оптически сопряженные первый приемный объектив со встроенным уголковым зеркалом и первое фотоприемное устройство, содержащее фоточувствительные элементы для приема теплового излучения от объектов, часть которых используется для приема излучения первого контрольного пучка, а также блок обработки информации и центральный блок управления, отличающаяся тем, что в оптико-локационную систему дополнительно введены второе и третье фотоприемные устройства, многоспектральный импульсный источник излучения, оптически сопряженный со светоделителем, второй и третий приемные объективы, оптический разветвитель, цилиндрическая бленда, при этом зондирующий лазер дополнительно содержит блок внутрирезонаторного управления направлением пучка зондирующего излучения и выполнен с возможностью однокоординатного внутрирезонаторного изменения направления пучка зондирующего излучения по командам от центрального блока управления, второе фотоприемное устройство содержит элементы, фоточувствительные на длине волны зондирующего лазерного излучения, третье фотоприемное устройство содержит элементы, фоточувствительные в спектральном диапазоне формирования телевизионного изображения объектов, оптический разветвитель выполнен в виде сборки из двух прямоугольных призм, изготовленных из одного материала и соединенных в единой оправе так, что гипотенузная грань первой призмы соединена с первой катетной гранью второй призмы с помощью тонкого слоя иммерсионной жидкости, имеющей показатель преломления близкий показателю преломления материала призм, оптический разветвитель установлен на оптической оси после призмы Дове по ходу распространения пучка лазерного излучения так, что оптическая ось параллельна гипотенузной грани второй призмы, а вторая катетная грань второй призмы, расположена под углом 45° к горизонтальной оси и выполнена с наличием покрытия, отражающего лазерное излучение, многоспектральный импульсный источник излучения выполнен излучающим в спектральных диапазонах чувствительности первого, второго и третьего фотоприемных устройств, и формирующим контрольный пучок излучения, который при прохождении его через тонкий слой иммерсионной жидкости между призмами оптического разветвителя, разделяется на первый контрольный пучок излучения, ответвляющийся в первый приемный объектив, и второй контрольный пучок излучения, распространяющийся далее по оптической оси, зеркало дефлектора выполнено отражающим в диапазонах спектральной чувствительности первого, второго и третьего фотоприемных устройств и расположено в нулевом положении под углом 45° к вертикальной оси, призма Дове и оптический разветвитель выполнены из материала, прозрачного в диапазонах спектральной чувствительности первого, второго и третьего фотоприемных устройств, в первый приемный объектив дополнительно введены оптически сопряженные входная составная линза со спектроделительным зеркалом, нанесенным в центральной части ее задней поверхности, расположенная на оптической оси перед уголковым зеркалом, и коррекционный оптический элемент, установленный в центре уголкового зеркала, при этом входная составная линза выполнена из материала, прозрачного в диапазонах спектральной чувствительности первого и второго фотоприемных устройств, спектроделительное зеркало выполнено отражающим в диапазоне спектральной чувствительности первого фотоприемного устройства, уголковое зеркало выполнено с наличием покрытия, отражающего в диапазонах спектральной чувствительности первого и второго фотоприемных устройств, а коррекционный оптический элемент работает в диапазоне спектральной чувствительности первого фотоприемного устройства, первый приемный объектив связан подшипниками вращения с неподвижным основанием и выполнен с возможностью вращения вокруг вертикальной оси по командам от центрального блока управления, цилиндрическая бленда закреплена на оправе оптического разветвителя, расположена вертикально на оптической оси по ходу распространения пучка зондирующего лазерного излучения, диаметр цилиндрической бленды равен диаметру спектроделительного зеркала первого приемного объектива, а высота бленды равна расстоянию от оправы оптического разветвителя до плоскости горизонтальной платформы, при этом диаметр отверстия горизонтальной платформы не менее диаметра входной линзы первого приемного объектива, второй приемный объектив, работающий на длине волны лазерного излучения, расположен на оптической оси после отражающей грани оптического разветвителя по ходу отраженного от объектов пучка лазерного излучения и оптически сопряжен со вторым фотоприемным устройством, часть элементов которого используется для приема лазерного излучения, отраженного от объектов, а часть для приема лежащего на той же длине волны излучения доли первого контрольного пучка, вся площадь первой поверхности первого зеркала, располагающейся по ходу распространения пучка зондирующего лазерного излучения, разделена на три концентрические области, первая центральная область выполнена полупрозрачной в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, вторая промежуточная область выполнена с наличием покрытия, имеющего высокий коэффициент отражения в диапазоне спектральной чувствительности второго фотоприемного устройства, третья периферийная область выполнена с наличием покрытия, имеющего высокий коэффициент отражения в диапазоне спектральной чувствительности первого и второго фотоприемного устройств, вся площадь второй обратной поверхности первого зеркала выполнена отражающей в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, кроме центральной области, выполненной полупрозрачной в этом диапазоне и имеющей площадь, не менее площади первой центральной области на первой стороне первого зеркала, само же первое зеркало выполнено из материала, прозрачного в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, поверхность второго зеркала выполнена отражающей в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, призма, закрепленная в центральной части поверхности второго зеркала, выполнена близкой к прямоугольной из материала, прозрачного в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, и закреплена так, что нормаль к выходной грани призмы образует небольшой угол с горизонтальной осью вращения второго и третьего зеркал, при этом выходная грань этой призмы выполнена отражающей в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, плоскости первого и третьего зеркал параллельны друг другу и расположены в нулевом положении под углом 45° к вертикальной оси, поверхность третьего зеркала выполнена отражающей в диапазоне спектральной чувствительности первого и второго фотоприемных устройств, призма, закрепленная в центральной части на поверхности третьего зеркала, выполнена прямоугольной из материала, прозрачного в диапазоне спектральной чувствительности второго фотоприемного устройства, и закреплена так, что входная катетная грань этой призмы расположена по ходу распространения зондирующего лазерного пучка, при этом входная катетная грань выполнена отражающей в диапазоне спектральной чувствительности третьего фотоприемного устройства, а длина гипотенузы в главном сечении этой призмы, внешний диаметр второй промежуточной области на первой поверхности первого зеркала и длина катета в главном сечении второй призмы оптического разветвителя равны, третий приемный объектив, работающий в спектральном диапазоне формирования телевизионного изображения объектов, расположен на оптической оси по ходу распространения принимаемого излучения от объектов после второй поверхности первого зеркала, оптически сопряжен с третьим фотоприемным устройством, закреплен с ним в единой оправе, соединенной с неподвижным основанием, при этом часть элементов третьего фотоприемного устройства используется для приема излучения от объектов, а часть для приема излучения второго контрольного пучка, блок обработки информации состоит из первого, второго и третьего блоков обработки сигналов, связанных соответственно с первым, вторым и третьим фотоприемными устройствами, и блока отображения информации, суммарно формируемой первым, вторым и третьим блоками обработки сигналов в единой системе координат, выходы первого, второго и третьего блоков обработки сигналов связаны со входами блока отображения информации, при этом первый блок обработки сигналов дополнительно содержит блок выделения приоритетного объекта в реальном времени, а третий блок обработки сигналов дополнительно содержит блок цифрового ввода/вывода изображений, выполненный с возможностью осуществлять программно поворот изображений, третий блок обработки сигналов связан также с центральным блоком управления и выполнен с возможностью управления экспонированием третьего фотоприемного устройства по командам от центрального блока управления, первый, второй и третий блоки обработки сигналов выполнены с возможностью определения и контроля положения оптических осей системы по сигналам, формируемым в результате приема излучений первого и второго контрольного пучков, блок отображения информации связан с центральным блоком управления и выполнен с возможностью определения местоположения и скоростей движущихся объектов по принятым от объектов сигналам.