ПРИБОР ДЛЯ СТАТИСТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ БЛИКОВЫХ ПЕРЕОТРАЖЕНИЙ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2011 года по МПК G01S17/02 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в лазерной локации низколетящих ракет морского базирования, например, типа «Гарпун», использованных Аргентиной против корабля Великобритании в военном конфликте в 80-х годах прошлого столетия из-за выяснения принадлежности Мальвинских (Фолклендских) островов в акватории южной Америки, а также в результате предполагаемого использования против российских кораблей в Грузино-Абхазском военном противостоянии на Черном море в августе 2008 года.

Низколетящие над уровнем моря ракеты представляют грозное оружие, поскольку средствами радиолокации их обнаружение и автосопровождение по угловым координатам значительно осложнено в связи с весьма малой их эффективной поверхностью рассеяния. Средствами лазерной доплеровской локации эта задача в принципе разрешима, но требует применения одночастотных лазеров непрерывного действия, например СО₂-лазеров, повышенной мощности излучения (порядка 1 кВт и более) с достаточной шириной доплеровского контура и высокой кратковременной стабильностью частоты, что практически достаточно сложно выполнимо [1-4]. Такие локаторы используют каналы обработки принимаемых сигналов на основе дисперсионных линий задержки в качестве оптимальных фильтров, что существенно повышает энергетическое отношение сигнал/шум [5-14].

Как известно, отношение сигнал/шум µ на входе оптимального фотоприемного устройства определяется выражением (S/N)_ВХ=µ_ВХ=(2E_C/G_Ш)^1/2, где Е_С=P_C τ_И - энергия [Дж] принимаемого сигнала (оптического излучения на фотоприемнике), G_Ш - спектральная плотность шума, приведенная ко входу фотоприемника [Вт/Гц], P_C и τ_И - мощность [Вт] и длительность [сек] излучения на входе фотоприемника. При использовании оптимальной фильтрации принимаемых сигналов с помощью дисперсионных линий задержки (ДЛЗ) удается повысить отношение сигнал/шум на выходе фильтра µ_ВЫХ в (В)^1/2 раз, где В=ΔF_ЛЗ τ_ЛЗ - база ДЛЗ, а ΔF_ЛЗ и τ_ЛЗ - соответственно рабочая полоса пропускания и длительность импульсной характеристики ДЛЗ. Таким образом, вероятность правильного обнаружения р_ОБН сигналов при заданной вероятности ложных тревог р_ЛТ определяется из известного выражения:

р_ОБН=Ф(µ_ВЫХ-α_П), где Ф(х)=(1/2π)∫exp(-t²/2)dt - интеграл вероятностей. α_П=Ф^-1(1-р_ЛТ) - относительный уровень порогового ограничения сжатого в ДЛЗ сигнала, Ф(х)^-l - обратный оператор от интеграла Ф(х). Следовательно, величина р_ОБН определяется энергией E_C принимаемых сигналов на входе фотоприемника.

Разрешение противоречий между увеличением энергетического потенциала локатора (предельной дальности обнаружения малоразмерной цели) и упрощением процедуры измерения основных характеристик лоцируемых объектов - их высоты полета, наклонной дальности и вектора скорости (включая и параметр радиальной скорости) достигается на основе использования способа локации, известного из патента РФ №2296350 (опубл. в бюлл. №9 от 27.03.2007) того же автора [15]. Известный способ основан на использовании сочетания доплеровского принципа локации с триангуляционным методом местоопределения цели. Последнее достигается за счет использования бликов отраженного от цели под разными углами излучения от морской поверхности, излучение от которых поступает к локатору под разными измеряемыми углами и с доплеровскими сдвигами частоты в функции углов отражения падающего на цель зондирующего излучения от поверхности цели. По измерению углов прихода излучения от бликов морской поверхности фоточувствительной приемной матрицей и по измеренным значениям доплеровских сдвигов частоты в многоканальном блоке оптимальной фильтрации на основе гетеродинных методов приема с применением многоканальных ДЛЗ удается методами статистического усреднения реконструировать текущее местоположение цели и ее вектор скорости.

В указанном способе локации, основанном на зондировании дифракционно ограниченного объекта, движущегося над поверхностью моря (океана), немодулированными излучениями одночастотного лазера непрерывного действия и многоканальной когерентной обработке принимаемых излучений матричным фотоприемным устройством с определением доплеровских сдвигов частоты в переотраженном излучении и последующей многоканальной параллельной согласованной фильтрацией выделенных радиосигналов, отличительными операциями являются следующие. Когерентному приему и обработке дополнительно и одновременно подвергают отраженные от нескольких бликов морской поверхности излучения, поступающие на фотоприемную матрицу с разных произвольно распределенных угловых направлений, определяют в соответствующих каналах, связанных с матричным фотоприемным устройством, доплеровские сдвиги частоты в принятых излучениях для переотраженных от бликов морской поверхности сигналов и соответствующие им угловые координаты на эти морские блики, вычисляют текущие координаты местоположения объекта и его истинную скорость, а также статистически усредняют полученные результаты вычислений всей совокупности совместных измерений указанных параметров. Таким образом, прием лазерных излучений фотоприемной матрицей осуществляют от бликовых переотражений от морской поверхности, на которую падает лазерное излучение, рассеянное низколетящей крылатой ракетой (или самолетом-невидимкой) при ее освещении зондирующим излучением локатора.

Для практической реализации данного способа и соответствующих локационных устройств и их отдельных компонентов, предложенных автором [16-22], прежде всего, необходимо провести статистическое исследование бликовых переотражений лазерного излучения от морской поверхности, для чего ее следует облучить в некотором ограниченном пространстве и накопить информацию о распределении работающих на переотражение бликов и энергетику этих переотражений. Такие исследования необходимо провести в различных зонах морской поверхности и при различных волнениях морской поверхности - от штиля до бури. Кроме того, эти исследования необходимо проводить, имитируя движение крылатой ракеты над морской поверхностью путем перемещения освещающего пятна лазерного излучения со скоростью, соответствующей скорости движения крылатой ракеты.

Ближайшие аналоги заявляемого технического решения автором не найдены.

Цель изобретения определяется самим его наименованием.

Заявляемое техническое решение - прибор для статистического исследования распределения энергии бликовых переотражений лазерного излучения от морской поверхности - включает одночастотный СО₂-лазер непрерывного действия и матричный фотоприемник на основе охлаждаемых жидким азотом элементов «кадмий-ртуть-теллур», а также приемо-передающий объектив, формирующий излучения СО₂-лазера в форме освещающего морскую поверхность пятна, принимающий переотражения от морских бликов из зоны этого пятна и фокусирующий их на матричный фотоприемник, а также устройство перемещения освещающего лазерного пятна по морской поверхности, элементы матричного фотоприемника через малошумящие усилители связаны с интеграторами, выходы которых соединены с аналоговыми запоминающими устройствами, кроме того, прибор включает последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик, выходы разрядов которого подключены к аналоговому дешифратору, информационные входы которого связаны с выходами аналоговых запоминающих устройств, выход сигнала переполнения двоичного счетчика подключен к устройству сброса всех интеграторов и аналоговых запоминающих устройств, а выход аналогового дешифратора соединен по последовательной приемной шине с аналого-цифровым преобразователем, кодовый выход которого, а также выходы разрядов и сигнала переполнения двоичного счетчика подключены к персональному компьютеру (спецпроцессору) с монитором для запоминания и отображения на экране монитора картины бликовых переотражений с покадровым табличным указанием распределения энергии соответствующих бликовых переотражений лазерного излучения в рассматриваемой зоне морской поверхности.

Устройство понятно из прилагаемого чертежа и содержит следующие узлы и блоки.

1. Одночастотный СО₂-лазер непрерывного действия;

2. Матричный фотоприемник (на элементах «кадмий-ртуть-теллур»);

3. Приемо-передающий объектив;

4. Отражатель гомодинного канала фотосмешения;

5. Полупрозрачный отражатель (с малым пропусканием);

6. Устройство перемещения освещающего морскую поверхность пятна;

7. Многоканальный блок малошумящих усилителей;

8. Многоканальный блок интеграторов;

9. Многоканальный блок аналоговых запоминающих устройств;

10. Генератор тактовых импульсов;

11. Двоичный счетчик;

12. Аналоговый дешифратор;

13. Устройство сброса (информационных сигналов в блоках интеграторов 8 и аналоговых запоминающих устройств 9);

14. Аналого-цифровой преобразователь;

15. Персональный компьютер (спецпроцессор);

16. Монитор (отображения информации);

17. Освещаемая лазерным излучением зона морской поверхности - пятно (обведено пунктирной кривой).

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Излучение одночастотного СО₂-лазера непрерывного действия 1 через фокусирующий приемо-передающий объектив 3 направляют с помощью устройства перемещения освещающего морскую поверхность пятна 6 в интересующую зону морской поверхности 17, которое переотражается бликами последней обратно на приемо-передающий объектив 3 и воздействует фокусированием на соответствующие элементы матричного фотоприемника 2, содержащего m n элементов из тройного соединения «кадмий-ртуть-теллур», охлаждаемого жидким азотом. Эти элементы обладают наилучшей пороговой чувствительностью к излучению с длиной волны λ=10,6 мкм (порядка 2·10^-20 Вт/Гц в режиме гомодинного (или гетеродинного, как в доплеровских локаторах) приема. Последний обеспечивается с помощью облучения матричного фотоприемника лазерным излучением с помощью полупрозрачного отражателя 5 с малым пропусканием и формирующего отражателя 4 с требуемой кривизной отражающей поверхности. Матричный фотоприемник 2 имеет m строк и n столбцов - всего m n элементов, каждый из которых имеет размер, соизмеримый с угловым разрешением используемого приемо-передающего объектива 3. С помощью m n элементов матрицы фотоприемник «видит» пятно освещенной зоны морской поверхности. В пределах этого пятна с учетом динамики волнения морской поверхности и скорости перемещения освещающего пятна на ней возникают хаотически следующие во времени и по пространству освещенной поверхности моря бликовые переотражения, каждое из которых имеет на элементах S_jk фотоприемника определенные значения мощности P_C(S_jk) и времени существования τ_И(S_jk), где индексы j и k указывают положение данного элемента в матрице (j=1, 2, 3, …m и k=1, 2, 3, …n). Каждый из элементов матричного фотоприемника обладает определенной величиной вольт-ваттной характеристики и преобразует поглощенную им мощность оптического сигнала P_C(S_jk) в значение соответствующего ей напряжения u_jk(t), которое является функцией времени. Это напряжение затем усиливается в малошумящем усилителе jk-го канала многоканального блока малошумящих усилителей 7 до величины U(t)_jk=Кu_jk(t), где К - коэффициент усиления. Усиленные сигналы затем воздействуют на интеграторы в составе многоканального блока интеграторов 8, что позволяет оценить ЭНЕРГИЮ лазерного переотражения, воздействующего на S_jk элемент матричного фотоприемника, согласно формуле:

где α - вольт-ваттная чувствительность элемента [В/Вт], τ - постоянная интегрирования [сек]. Напряжение U_И(jk) на выходе интегратора, однозначно определяющее энергию E_C(jk), задается в виде:

Напряжения с выходов jk-интеграторов запоминается в соответствующих аналоговых ячейках памяти многоканального блока аналоговых запоминающих устройств 9 в пределах временного цикла Т накопления информации по всем работающим элементам матричного фотоприемника 2. Длительность этого цикла Т=mn/F, где F - частота следования тактовых импульсов, вырабатываемых в генераторе тактовых импульсов 10. Тактовые импульсы поступают на двоичный счетчик 11, имеющий r=log₂(mn) двоичных разрядов (причем r - целое число). Например, если m=n=128, то r=14 двоичных разрядов. Двоичный счетчик 11 задает адреса элементов матричного фотоприемника 2, а также и адреса аналоговых запоминающих устройств в многоканальном блоке 9. Двоичный адресный код с выхода двоичного счетчика 11 поступает на адресный вход аналогового дешифратора 12, информационные входы которого подключены к выходам аналоговых запоминающих устройств многоканального блока 9. При этом на выходе аналогового дешифратора 12 возникает последовательность аналоговых сигналов со всех m n элементов матрицы с тактовой частотой F, и опрос в цикле продолжается на отрезке времени Т. По окончании цикла сигналом с выхода сброса двоичного счетчика 11 осуществляется сброс информации со всех интеграторов и аналоговых запоминающих устройств многоканальных блоков 8 и 9 с помощью устройства сброса 13. Сигналы с выхода аналогового дешифратора подаются на вход быстродействующего аналого-цифрового преобразователя 14, так что для каждого адреса, задаваемого кодом с выхода двоичного счетчика 11, соотносится кодовый информационный сигнал, эквивалентный энергии E_C(jk) для соответствующих элементов S_jk матричного фотоприемника 2. Адресные и информационные кодовые последовательности затем поступают на входы персонального компьютера (спецпроцессора) 15 вместе с сигналом сброса для синхронизации циклов измерения. Полученная информация обрабатывается по соответствующей программе и может быть отображена для любого из принятых в память персонального компьютера 15 циклов на мониторе 16 как в форме таблиц, так и в форме изображения распределения бликов на морской поверхности с отображением энергии от этих бликов (например, по яркости бликов). На персональный компьютер подается информация об угле места β визирования освещающего пятна на морской поверхности, а также в персональном компьютере вырабатывается сигнал управления устройством перемещения освещающего морскую поверхность пятна 6, то есть скоростью изменения угла места dβ/dt при заданной высоте h расположения прибора над уровнем моря для имитации движения крылатой ракеты. Так, при наклонной дальности до центра освещающего морскую поверхность пятна D>>h (что всегда выполняется) имеем соотношение для угла β в виде sin β=h/D (угол β отсчитывается от горизонтальной плоскости). Если полагать случай, когда ракета движется в направлении к локатору со скоростью V, то текущее значение дальности во времени будет выражаться формулой D(t)=D-V t. Тогда получим sinβ(t)=h/(D-Vt), откуда β(t)=arcsin[h/(D-Vt)].

Размер H(t) поперечного сечения освещаемой лазерным излучением зоны (поперечного сечения пятна) определяется числом n строчных элементов матричного фотоприемника 2, предельной разрешающей способностью приемо-передающего объектива - радиусом диска Эйри r_Э=1,22λf/d_OB, где d_ОБ и f - соответственно диаметр и фокусное расстояние приемо-передающего объектива 3. При этом размер Н(t)=2nr_ЭD(t)/f, и имеется в виду, что радиус элемента матрицы фотоприемника соизмерим с радиусом диска Эйри r_Э.

С помощью заявляемого прибора можно провести статистический анализ переотражений лазерного излучения от морских бликов как для статической задачи (при V=0), так и динамической (при V≠0), то есть получить важную информацию для обоснования предложенного автором принципиально нового способа локации низколетящих крылатых ракет морского базирования.

Частоту следования тактовых импульсов F в генераторе тактовых импульсов 10 можно настраивать в зависимости от получаемых результатов статистического исследования и скорости перемещения по морской поверхности освещающего пятна. Одним из вариантов выбора частоты F является согласование продольного размера L(t) с длительностью цикла Т=m n/F, числом m столбцовых элементов матричного фотоприемника 2 и скоростью V перемещения пятна в направлении к прибору. Например, можно использовать связь L(t)=V T(t)=2mr_ЭD(t)ctgβ(t)/f≈2mr_ЭD(t)/f[h/(D-Vt)] (так как для малых углов β(t) имеем приблизительное равенство tgβ(t)≈sinβ(t). В этом варианте тактовая частота генератора тактовых импульсов 10 должна изменяться по закону:

F(t)=m n/T(t)=nVhd_OB/2,44λD(t)²,

а изменение частоты F(t) в функции времени может осуществляться под управлением персонального компьютера 15 (эта связь на показана на чертеже, так как может использоваться и иной вариант выбора частоты следования тактовых импульсов).

Соответствующее исследование можно провести в ФГУ ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова» (Санкт-Петербург) с использованием акватории Финского залива, а разработку матричного фотоприемника - в НПО «Исток» (г.Фрязино Московской области). Целесообразно разработать СБИС из элементов матричного фотоприемника и элементов блоков 7, 8 и 9 в их интегральном исполнении, а такая СБИС может охлаждаться жидким азотом, что снизит дополнительно шум-фактор при работе малошумящих усилителей многоканального блока 7.

Информация о фотоприемниках содержится в [23-29].

Литература

1. Лазерная локация. Под ред. Н.Д.Устинова, M.: Машиностроение, 1984.

2. Протопопов В.В., Н.Д.Устинов. Инфракрасные лазерные локационные системы. M.: Воениздат, 1987.

3. Измерение спектрочастотных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения. Под ред. / А.Ф.Котова и Б.М.Степанова, М.: Радио и связь, 1982.

4. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы, пер. с англ., Под ред. В.С.Кильзона, М.: Сов. радио, 1971.

5. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Под ред. Г.Мэттьюза, М., Сов. радио, 1981, 472 с.

6. Тверской В.И. Дисперсионно-временные методы измерения спектров радиосигналов. М.: Сов. радио, 1974, 240 с.

7. Джек А.А., Грант П.М., Коллинз Дж.Х. Теория проектирования и применение Фурье-процессоров на поверхностных акустических волнах, ТИИЭИР, 1980, №4, р.22-43.

8. Меньших О.Ф. Формирователь сложных линейно-частотно-модулированных сигналов, Авт. свид. СССР№1302987, 1985.

9. Меньших О.Ф. Способ анализа спектра сигналов, Авт. свид. СССР, №1817554, 1988.

10. Меньших О.Ф. Измеритель частоты сигналов лазерного доплеровского локатора, Авт. свид. СССР №1621728 и Авт. свид. СССР №1621729, 1988.

11. Меньших О.Ф. Спектроанализатор лазерного доплеровского локатора, Авт. свид. СССР №1595219, 1988.

12. Меньших О.Ф. Лазерный доплеровский локатор, Авт. свид. СССР №1741553, 1990.

13. Меньших О.Ф. Способ обнаружения детерминированного радиосигнала, Авт. свид. СССР №1828280, 1991.

14. Меньших О.Ф. Обнаружитель лазерного доплеровского локатора, Авт. свид. СССР №1805756 и №1829640, 1991.

15. Меньших О.Ф. Способ локации, Патент РФ №2296350, бюлл. №9 от 27.03.2007.

16. Меньших О.Ф. Анализатор спектра сигналов, Патент РФ №2315327, бюлл. №2 от 20.01.2008.

17. Меньших О.Ф. Рециркуляционный накопитель пачки взаимно когерентных радиоимпульсов, Патент РФ №2314638, бюлл. №01 от 10.01.2008.

18. Меньших О.Ф. Обнаружитель радиоимпульсного сигнала, Патент РФ №2310882, бюлл. №32 от 20.11.2007.

19. Меньших О.Ф. Лазерный доплеровский локатор. Патент РФ №2335785, бюлл. №28 от 10.10.2008.

20. Меньших О.Ф. Лазерный когерентный локатор, Патент РФ №2352958, бюлл. №11 от 20.04.2009.

21. Меньших О.Ф. Способ лазерного гетеродинного приема излучений, Патент РФ №2349930, бюлл. №8 от 20.03.2009.

22. Меньших О.Ф. Способ обработки информации в лазерном когерентном локаторе с матричным фотоприемником, Патент РФ №2354994, бюлл. №13 от 10.05.2009.

23. Тауц Я. Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках, пер. с чеш., М., 1962.

24. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М., 1963.

25. Moss Т. S., Hawkins T.D.H. Interband photoconductivity in germanium, "Proc. Phys. Soc.", 1960, v.76, p.565.

26. Rollin B.V. Detection of millimetre and sub-millimetre wave radiation by free carrier absorption in a semiconductor, "Proc. Phys. Soc.", 1961, v.77, p.1102.

27. Фотопроводимость. Сб.ст., пер. с англ., М., 1967.

28. Шейнкман М.К., Шик А.Я. Долговременные релаксации и остаточная проводимость в полупроводниках, "ФТП", 1976, т.10, с.209.

29. Корсунский М.И. Аномальная фотопроводимость и спектральная память в полупроводниковых системах. М., 1978.

Прибор включает одночастотный СO₂-лазер непрерывного действия, матричный фотоприемник, приемо-передающий объектив и устройство перемещения освещающего лазерного пятна по морской поверхности. Матричный фотоприемник на основе охлаждаемых жидким азотом элементов «кадмий-ртуть-теллур». Приемо-передающий объектив формирует излучение СO₂-лазера, принимает переотражения от морских бликов и фокусирует их на матричный фотоприемник. Элементы матричного фотоприемника через малошумящие усилители связаны с интеграторами. Выходы интеграторов соединены с аналоговыми запоминающими устройствами. Генератор тактовых импульсов последовательно соединен с двоичным счетчиком, выходы разрядов которого подключены к аналоговому дешифратору. Информационные входы дешифратора связаны с выходами аналоговых запоминающих устройств. Выход сигнала переполнения двоичного счетчика подключен к устройству сброса всех интеграторов и аналоговых запоминающих устройств. Выход аналогового дешифратора соединен по последовательной приемной шине с аналого-цифровым преобразователем. Кодовый выход АЦП, а также выходы разрядов и сигнала переполнения двоичного счетчика подключены к ПК с монитором для запоминания и отображения на экране монитора картины бликовых переотражений. Технический результат - получение важной информации об энергетике бликовых сигналов и их статистике распределения на освещенной поверхности моря. 1 ил.

Прибор для статистического исследования распределения энергии бликовых переотражений лазерного излучения от морской поверхности включает одночастотный СO₂-лазер непрерывного действия и матричный фотоприемник на основе охлаждаемых жидким азотом элементов «кадмий-ртуть-теллур», а также приемопередающий объектив, формирующий излучения СO₂-лазера в форме освещающего морскую поверхность пятна, принимающий переотражения от морских бликов из зоны этого пятна и фокусирующий их на матричный фотоприемник, а также устройство перемещения освещающего лазерного пятна по морской поверхности, элементы матричного фотоприемника через малошумящие усилители связаны с интеграторами, выходы которых соединены с аналоговыми запоминающими устройствами, кроме того, прибор включает последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик, выходы разрядов которого подключены к аналоговому дешифратору, информационные входы которого связаны с выходами аналоговых запоминающих устройств, выход сигнала переполнения двоичного счетчика подключен к устройству сброса всех интеграторов и аналоговых запоминающих устройств, а выход аналогового дешифратора соединен по последовательной приемной шине с аналого-цифровым преобразователем, кодовый выход которого, а также выходы разрядов и сигнала переполнения двоичного счетчика подключены к персональному компьютеру (спецпроцессору) с монитором для запоминания и отображения на экране монитора картины бликовых переотражений с покадровым табличным указанием распределения энергии соответствующих бликовых переотражений лазерного излучения в рассматриваемой зоне морской поверхности.