ОПТИЧЕСКИЙ ЛОКАТОР КРУГОВОГО ОБЗОРА Российский патент 2012 года по МПК G01S17/88 

Изобретение относится к области оптической локации и предназначено для поиска, обнаружения и автоматического сопровождения воздушных объектов, имеющих оптический контраст, с определением их пространственных координат.

Известны, например, следующие системы оптической локации: Б.Ф.Федоров «Лазеры. Основы устройства и применения», Москва, 1988, стр.141-146, Г.П.Катыс «Автоматическое сканирование», Москва, 1967, изд. «Машиностроение», стр.326, Г.П.Катыс «Оптикоэлектронная обработка информации», Москва, 1973, изд. «Машиностроение», стр.416, RU №2071101, G02B 26/10, RU №2084925, G01S 17/06, RU №2352957, RU №2249231, SU №1378604, G01S 17/06, DE №3935683, G01S 17/00, Журнал «Специальная техника» №6, 2005, «Подъемные мобильные приборы ночного видения» (система TADS).

Системы оптической локации, как правило, содержат пассивные сенсоры различных оптических диапазонов. Источниками электромагнитного излучения оптического диапазона для этих устройств являются лазеры, работающие в импульсном или в непрерывном режиме. Отдельные оптические устройства служат как для передачи излучения лазера, так и для приема излучения, отраженного от объекта наблюдения. В некоторых системах оптической локации применяются индивидуально адаптированные оптические формирующие устройства для пассивных сенсоров, работающих в различных оптических диапазонах, а также сканирующие устройства для обзора заданного пространства. Сигналы от сенсоров обрабатываются микропроцессором, который используется также для встроенного контроля и выдачи необходимой информации во внешнее устройство.

У известных локаторов можно отметить следующие недостатки: затруднительно изготовление пригодного к эксплуатации одного оптического люка, работающего на прием и передачу в широком оптическом диапазоне; встроенный контроль проводится только в статическом режиме; ограничен по времени обзор пространственных координат, сканируемых локатором.

В этом отношении наиболее удовлетворителен по техническому решению «Оптический локатор кругового обзора» (патент RU №2352957, дата подачи заявки 09.06.2005, дата публикации 27.07.2008). Его основной недостаток - трудность изготовления единственного пригодного к эксплуатации оптического люка, работающего на прием и передачу в широком оптическом диапазоне (например, при λ=0.2÷14 мкм). Кроме того, не раскрыт в плане технической реализации блок встроенного динамического контроля, который необходим в оптических локаторах с высокой скоростью обзора пространства при длительной и непрерывной работе.

Технический результат заявленного изобретения - реализация динамического контроля оптических локаторов с универсальным устройством задержки оптического излучения, а также расширение оптического диапазона, используемого в этих локаторах.

Изобретение представляет собой компактный оптический локатор кругового обзора со сканирующим устройством в виде полого цилиндра, являющегося ротором электродвигателя (Фиг.1, поз.48), с отверстиями на обоих торцах и двумя оптическими люками, развернутыми на образующей этого цилиндра на 180° и служащими для прохождения входящих и исходящих оптических сигналов различной длины волны через оптические элементы, которые встроены внутрь цилиндра. Канал для приема оптического излучения от объекта, имеющего температурный контраст, использует один люк; другой люк предназначен для приемопередающего канала со встроенным телевизионным сенсором и сенсорами для приема излучения, отраженного от объекта. Этот люк используется также для динамического встроенного контроля оптического локатора.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1 - вид ОЛКО спереди,

Фиг.2 - вид ОЛКО при работе встроенного контроля (1-й и 3-й временной интервал),

Фиг.3 - вид ОЛКО при работе встроенного контроля (2-й временной интервал),

Фиг.4 - блок оптической задержки (БОЗ),

Фиг.5 - блок преобразования длины волны и расходимости (БПВР),

Фиг.6 - функциональная схема соединений блоков и узлов ОЛКО.

Для решения поставленной задачи конструкция импульсного лазерного приемопередающего канала (ППК) в данном оптическом локаторе выполнена в соответствии с патентом «Оптический локатор кругового обзора» RU №2352957, дата подачи заявки 09.06.2005, дата публикации 20.04.2009. ПИК, работающий на трех длинах оптических волн, совмещен на передачу и прием оптической энергии через один управляемый телескоп (УТ) (Фиг.1, поз.14).

Такое решение достигнуто путем использования оптического переключателя (ОП) (Фиг.5, поз.16), который коммутирует оптическую систему ППК в три положения согласно патенту «Устройство для ориентирования светового луча» RU №2029239, дата заявки 08.06.1992, дата публикации 27.12.1996.

В положении «а» двустороннего зеркала (Фиг.5, поз.42) используется входящий в состав ТВ-канала (Фиг.5, поз.49) электронный оптический преобразователь, который принимает отраженное от объекта излучение и передает его на сенсор ТВ-канала. В двух других положениях двустороннего зеркала «b» и «с» ОП обеспечивает прием на сенсоры от объекта излучения на одной из двух длин оптических волн, задаваемых по команде от процессора (ПР) (Фиг.6, поз.47).

Лазер (патент RU №2073945, 20.02.1997, дата подачи заявки 13.01.1994, дата публикации 20.02.1997) вместе с блоком преобразования длины волны излучения (Фиг.5, поз.37), совмещенным с устройством управления расходимостью излучения (Фиг.5, поз.38) в общем блоке БПВР (Фиг.5, поз.17) (патент RU №2352957, дата подачи заявки 09.06.2005, дата публикации 20.04.2009), по команде от ПР выдает в обследуемое пространство излучение с заданными длиной оптической волны и углом расходимости. Инфракрасный канал (ПК) (Фиг.1, поз.1-6) обнаруживает объекты с температурным контрастом. В состав канала входят сенсоры в виде линеек (Фиг.1, поз.1, поз.2), чувствительных к температурному контрасту в оптическом диапазоне λ=3.0÷14.0 мкм, зеркальная призма «Дове» (Фиг.1 поз.7), зеркальный объектив с корригирующей оптикой (Фиг.1, поз.10, поз.3, поз.4), спектроделительное зеркало (Фиг.1, поз.5) и глухое зеркало (Фиг.1, поз.6).

На Фиг.6 показана функциональная схема управления всеми блоками и узлами ОЛКО.

Конструкция ОЛКО в виде консоли позволяет разместить блок встроенного контроля (БВК) с блоком оптической задержки (БОЗ) (Фиг.1, поз.27, поз.22) в зоне, перекрывающей обзор исследуемого пространства СУ (Фиг.1, поз.13).

Задержка оптического излучения импульсного лазера в БОЗ осуществляется с помощью оптического волокна (Фиг.4, поз.31), один торец которого имеет зеркальное покрытие с заданными коэффициентами отражения и пропускания (Фиг.4, поз.30), а на другом конце оптического волокна устанавливается объектив (Фиг.4, поз.32), в фокальной плоскости которого находится торец этого оптического волокна. Перед объективом перпендикулярно визирной оси объектива с волокном устанавливается зеркало (Фиг.4, поз.33) с заданными коэффициентами отражения и пропускания, а также под углом к визирной оси объектива с оптическим волокном, плоскопараллельная оптическая пластина (Фиг.4, поз.34) с заданными коэффициентами отражения и пропускания. Часть излучения лазера, прошедшая через отверстие на зеркальном объективе (Фиг.1, поз.20) в зоне излучения ППК (Фиг.2, поз. попадает в БОЗ. Прошедшее через отверстие излучение, отражаясь от плоскопараллельной пластины, попадает через объектив (Фиг.4, поз.35) в блок измерения мощности излучения (БИМ) (Фиг.4, поз.36). Полученное в БИМ значение мощности определяет величину части излучения лазера, которая с учетом коэффициента пропускания наклонной плоскопараллельной пластины и зеркала (Фиг.4, поз.33) с заданным коэффициентом пропускания попадает через объектив (Фиг.4, поз.32) в оптическое волокно.

Задержанное в БОЗ излучение лазера возвращается строго параллельно входящему излучению лазера, если это излучение произошло в заданных от ПР координатах. Координаты для входящего излучения конструктивно определяются визирной осью объектива, в фокальной плоскости которого находится торец оптического волокна (Фиг.4, поз.32, поз.31).

В зависимости от требований, предъявляемых в конкретном устройстве к встроенному контролю, максимальный интервал задержки импульсов определятся параметрами БОЗ по формуле

- задержка сигнала при однократном прохождении излучения через оптическое волокно, сек;

с - скорость света (≈300000 км/сек);

n - показатель преломления оптического волокна (≈1,5);

2L - длина волокна за один цикл прохождения излучения через оптическое волокно, км;

m-1 - число циклов прохождения излучения через оптическое волокно;

Ф₀ - поток излучения, поступающий на оптическое волокно, Вт;

P_min=µP_пор - минимальная величина потока излучения, при которой обеспечивается заданная вероятность правильного обнаружения, Вт;

µ - требуемое отношение сигнал/шум;

Р_пор - пороговая чувствительность сенсора приемопередающего канала, Вт;

η1 - коэффициент пропускания оптического элемента 36;

1-η₁ - коэффициент отражения оптического элемента 36;

ρ - коэффициент отражения оптического элемента 33;

η3 - коэффициент пропускания наклонной плоскопараллельной пластины 37;

γ=0,1 β 1n 10 - параметр, характеризующий ослабление излучения в оптическом волокне 34, км^-1;

β - коэффициент ослабления оптического волокна на длине волны лазерного излучения, дБ/км.

Полученная последовательность задержанных в БОЗ импульсов от излучения лазера ППК дает возможность оценить обнаружительную способность приемного тракта канала ППК (минимальное отношение сигнал/шум) в диапазоне заданных дальностей данного канала.

Встроенный контроль осуществляется во время работы ОЛКО за три временных интервала, при которых координаты имитатора наблюдаемого объекта в БВК по углу места и азимуту остаются неизменными.

Первый интервал времени

С ПР выдается команда для излучения ППК заданной оптической волны, а также команда на прием отраженного и задержанного от БОЗ излучения ТВ-каналом (Фиг.5, поз.49); положение двустороннего зеркала (Фиг.5, поз.42) в «а». В момент совпадения визирной оси зеркала СУ (Фиг.2, поз.12) с координатами, заданными от ПР, выдается команда на излучение лазера ППК (Фиг.6, поз.18). Излучение лазера через оптический люк СУ (Фиг.2, поз.28), оптический люк БВК (Фиг.2, поз.25), отразившись от зеркального объектива БВК (Фиг.2, поз.20) и глухого зеркала (Фиг.2, поз.24), попадает на мишень встроенного контроля (Фиг.2, поз.23). Мишень, установленная в фокальной плоскости зеркального объектива, выполнена из материала с минимальной теплопроводностью и максимальным поглощением на длине волны излучения лазера (например, черненая пробка). В точке попадания излучения лазера материал мишени нагревается. При этом часть излучения через отверстие, расположенное на зеркальном объективе в зоне излучения лазера ППК (Фиг.2, поз.21), попадает в БОЗ (Фиг.2, поз.22), где, пройдя через наклонную плоскопараллельную пластину (Фиг.4, поз.34), зеркало (Фиг.4, поз.33) и объектив (Фиг.4, поз.32), попадает в оптическое волокно. Задержанное по времени в оптическом волокне излучение лазера проецируется обратно через люк БВК (Фиг.4, поз.25) и люк СУ (Фиг.4, поз.28) на зеркало СУ (Фиг.4, поз.12) и УТ (Фиг.4, поз.14), затем через блок ОП фиксируется на матрице в ТВ-канале, и координаты этого места запоминаются в ПР.

Второй интервал времени равен времени поворота СУ на 180 градусов.

Излучение контрастной (нагретой) точки на мишени (Фиг.3, поз.3) передается зеркальным объективом БВК через люк БВК (Фиг.3, поз.26) и люк СУ (Фиг.3, поз.29), отражается зеркалом СУ (Фиг.3, поз.11), зеркальным объективом (Фиг.3, поз.10), глухим зеркалом (Фиг.3, поз.10), пройдя призму Дове, спектроделительное зеркало (Фиг.3, поз.5) и корригирующую оптику (Фиг.3, поз.4), попадает на сенсор (Фиг.3, поз.2). Другая часть излучения (нагретой точки), отразившись от спектроделительного зеркала (Фиг.3, поз.5) и от глухого зеркала (Фиг.3, поз.6), попадает на сенсор (Фиг.3, поз.1). Полученные координаты обоих сенсоров обрабатываются и запоминаются в ПР.

Третий интервал равен времени поворота СУ на 360 градусов.

После приема сигнала лазерного излучения, задержанного в БОЗ и зафиксированного ТВ-каналом в первом интервале времени, из ПР выдается команда в БПВР ППК на переключение в режим приема отраженных и задержанных импульсов излучения лазера от БОЗ на сенсор, адекватный заданной длине оптической волны излучения от БПВР в ППК - положение двустороннего зеркала (Фиг.5, поз.42) «b» или «с». В момент вторичного прохождения визирной оси зеркала СУ (Фиг.2, поз.12) двух координат, задаваемых с ПР, выдается команда от ПР на излучение лазера, которое, попадая в БОЗ (Фиг.22) через отверстие в зеркальном объективе (Фиг.2, поз.21) в зоне излучения лазера, должно возвращаться строго в том же направлении обратно, как и попадающее в БОЗ излучение. Задержанное излучение из БОЗ проходит люки (Фиг.2, поз.25, поз.28), отражается от зеркала (Фиг.2, поз.12) и, попадая в УТ и ППК, фиксируется сенсором в ОП (Фиг.5, поз.40 или поз.41). Полученный от сенсора сигнал обрабатывается в ПР, где определяются параметры ППК.

Таким образом, за один поворот СУ на 360° в ОЛКО все каналы, работающие от температурного контраста наблюдаемого объекта, работающие на естественном контрасте наблюдаемого объекта, ППК активного подсвета, имеют строго параллельные оптические оси сканирования в пространстве, соответствующие зафиксированным координатам в блоке памяти ПР.

Излучение лазера ППК, прошедшее через БОЗ, попадая обратно в ППК, обеспечивает контроль работы оптического локатора по точности попадания лазерного излучения в точку с заданными пространственными координатами при сканировании исследуемого пространства, дает привязку оси ТВ-канала к излучению лазера ППК и определяет заданное минимальное отношение сигнал/шум фотоприемного сенсора ППК.

Заявленное конструктивное решение оптического локатора кругового обзора соответствует критерию промышленной применимости и может быть изготовлено на предприятиях оптико-механической промышленности.

Условные обозначения

1. Сенсор на λ=8÷14 мкм

2. Сенсор на λ=3÷5 мкм

3. Корригирующая оптика на λ=8÷14 мкм

4. Корригирующая оптика на λ=3÷5 мкм

5. Спектроделительное зеркало (λ=3÷5 мкм/λ=8÷14 мкм)

6. Глухое зеркало на λ=8÷14 мкм

7. Призма Дове

8. Зубчатое соединение обоймы с призмой Дове с вращающимся корпусом с оптикой

9. Глухое зеркало на λ=3÷14 мкм

10. Зеркальный объектив на λ=3÷14 мкм

11. Сканирующее глухое зеркало канала λ=3÷14 мкм

12. Сканирующее глухое зеркало канала λ=0.2÷5.0 мкм

13. Вращающийся цилиндр с оптикой сканирующего устройства (СУ)

14. Управляемый телескоп

15. Глухое зеркало на λ=0.2÷2.0 мкм

16. Оптический коммутатор

17. Преобразователь длины волны и расходимости излучения лазера (БПВР)

18. Импульсный лазер

19. Торсионное соединение сканирующих зеркал

20. Зеркальный объектив БВК

21. Отверстие в зеркальном объективе БВК

22. Блок оптической задержки (БОЗ)

23. Мишень встроенного контроля

24. Глухое зеркало БВК

25. Оптический люк БВК для лазерного приемопередающего канала и канала ТВ

26. Оптический люк БВК для ИК каналов

27. Блок встроенного контроля (БВК)

28. Оптический люк для лазерного приемопередающего канала и канала ТВ

29. Оптический люк для ИК каналов

30. Зеркальное покрытие с заданным коэффициентом отражения и пропускания

31. Оптический кабель

32. Объектив к оптическому кабелю

33. Зеркало с заданным коэффициентом отражения и пропускания

34. Плоскопараллельная пластина с заданным коэффициентом отражения и пропускания

35. Объектив для блока измерения мощности излучения

36. Блок измерения мощности излучения (БИМ)

37. Устройство для преобразования длины волны излучения

38. Устройство для преобразования расходимости излучения

39. Блок с ТВ сенсором

40. Сенсор для приема излучения на длине волны λ1

41. Сенсор для приема излучения на длине волны λ2

42. Двухстороннее глухое зеркало

43. 44, 45, 46. Глухие зеркала

47. Процессор

48. Ротор двигателя и кодовый диск положения ротора

Оптический локатор со сканирующим устройством в виде полого цилиндра, являющегося ротором электродвигателя, с отверстиями на обоих торцах и двумя оптическими люками. Канал для приема оптического излучения от объекта, имеющего температурный контраст, использует один люк. Приемопередающий канал со встроенным телевизионным сенсором и сенсорами для приема отраженного от объекта излучения лазера использует другой люк. На образующей цилиндра сканирующего устройства закреплены два люка с прозрачностью на различные диапазоны оптических длин волн. Внутри цилиндра против каждого люка закреплено по сканирующему глухому зеркалу. Сканирующее глухое зеркало приемопередающего канала в режиме встроенного контроля оптического локатора в динамике отражает излучение лазера. Излучение лазера включается в момент совпадения визирной оси сканирующего устройства с координатами заданными процессором и, попадая на зеркальный объектив блока встроенного контроля (БВК), делится на две части. Одна часть излучения фокусируется на мишени блока встроенного контроля. Другая часть излучения лазера через отверстие в зеркальном объективе попадает в оптическую линию задержки, где задерживается по времени и возвращается обратно строго в том же направлении. Технический результат - реализация динамического контроля оптических локаторов с универсальным устройством задержки оптического излучения, расширение оптического диапазона. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптический локатор кругового обзора со сканирующим устройством в виде полого цилиндра, являющегося ротором электродвигателя, с отверстиями на обоих торцах и двумя оптическими люками, служащими для прохождения входящих и исходящих оптических сигналов различной длины волны через оптические элементы, которые встроены внутрь цилиндра: канал для приема оптического излучения от объекта, имеющего температурный контраст, использует один люк; приемопередающий канал с встроенным телевизионным сенсором и сенсорами для приема отраженного от объекта излучения лазера использует другой люк, через который также реализуется динамический встроенный контроль оптического локатора, отличающийся тем, что сканирующее устройство с отверстиями на обоих торцах, на образующей цилиндра которого закреплены два люка с прозрачностью на различные диапазоны оптических длин волн, а также внутри цилиндра против каждого люка закреплено по сканирующему глухому зеркалу, отклоняющемуся на осях, перпендикулярных оси вращения цилиндра оппозитно относительно друг друга на равные углы при помощи роликов одинакового диаметра, жестко закрепленных на этих осях и соединенных с помощью торсиона, закрепленного на этих роликах, причем сканирующее глухое зеркало приемопередающего канала в режиме встроенного контроля оптического локатора в динамике отражает излучение лазера, которое включается в момент совпадения визирной оси сканирующего устройства с координатами, заданными по команде от процессора, и, попадая на зеркальный объектив блока встроенного контроля (БВК), делится на две части, где одна часть излучения фокусируется на мишени блока встроенного контроля, а другая часть излучения лазера через отверстие в зеркальном объективе БВК, расположенное на месте пятна излучения лазера на зеркальном объективе БВК, попадает в оптическую линию задержки блока встроенного контроля, включая оптическое волокно, где задерживается по времени и возвращается обратно строго в том же направлении, как и попадающее в оптическую линию задержки излучение.

2. Оптический локатор кругового обзора по п.1, отличающийся тем, что блок встроенного контроля содержит устройство, позволяющее с помощью зеркального объектива блока встроенного контроля с дополнительным отверстием разделить попадающее на зеркальный объектив излучение лазера на две составляющие: одна составляющая, отразившись от зеркального объектива, попадает на мишень с максимальным поглощением и минимальной теплопроводностью на оптической длине волны излучения лазера, находящуюся в фокальной плоскости этого объектива и преобразующую энергию лазера в нагрев точки мишени; другая часть излучения лазера, проходя через отверстие в зеркальном объективе в зоне излучения лазера, попадает в блок оптической линии задержки, где задерживается по времени и выходит из отверстия точно в том же направлении, что и входящее в линию задержки излучение лазера, если излучение лазера произошло точно по визирной оси заданных координат блока оптической задержки.

3. Оптический локатор по п.1, отличающийся тем, что временная задержка излучения импульсного лазера в блоке оптической задержки осуществляется с помощью установленного в нем оптического волокна, у которого один торец имеет зеркальное покрытие с заданными коэффициентами отражения и пропускания, а на другом конце оптического волокна установлен объектив, в фокальной плоскости которого размещен другой торец этого оптического волокна, а также зеркало, установленное перпендикулярно визирной оси объектива, с заданными коэффициентами отражения и пропускания, которые выбираются по формуле с заданными параметрами для конкретного устройства
где
- задержка сигнала при однократном прохождении излучения через оптическое волокно, с;
с - скорость света (≈300000 км/с);
n - показатель преломления оптического волокна (≈1,5);
2L - длина волокна за один цикл прохождения излучения через оптическое волокно, км;
m - 1 - число циклов прохождения излучения через оптическое волокно;
Ф₀ - поток излучения, поступающий на оптическое волокно, Вт;
P_min=µP_пор - минимальная величина потока излучения, при которой обеспечивается заданная вероятность правильного обнаружения, Вт;
µ - требуемое отношение сигнал/шум;
Р_пор - пороговая чувствительность сенсора приемопередающего канала, Вт;
η₁ - коэффициент пропускания зеркала, установленного перед объективом;
1 - η₁ - коэффициент отражения зеркала, установленного перед объективом;
ρ - коэффициент отражения зеркального покрытия торца оптического волокна;
η₃ - коэффициент пропускания наклонной плоскопараллельной пластины;
γ=0,1 β 1n 10 - параметр, характеризующий ослабление излучения в оптическом волокне, км^-1;
β - коэффициент ослабления оптического волокна на длине волны лазерного излучения, дБ/км,
а также плоскопараллельная пластина с заданными коэффициентами отражения и пропускания, установленная под углом к визирной оси объектива, которая отражает часть излучения в блок измерения мощности этого излучения, а прошедшая через пластину часть излучения определяет величину лазерного излучения, попадающего в оптическое волокно.