ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА Российский патент 2013 года по МПК B64G3/00 H01S3/08 G01S17/89 

Изобретение относится к области лазерной локации, к системам наведения, визуализации, а также к лазерной технике для облучения удаленной цели (объекта) и может быть использовано для очистки космического пространства от частиц космического мусора и других объектов, представляющих опасность для современных летательных аппаратов.

Известно устройство контроля околоземного космического пространства (патент RU №2125279, МПК⁶ G01S 17/00, опублик. 20.01.1999 г.), содержащее установленные на первой оптической оси источник рабочего лазерного излучения с блоком накачки, первое поворотное зеркало с приводом зеркала и блоком управления приводом зеркала. расположенные на второй оптической оси первую фотоприемную матрицу с первым световым затвором, объектив, первое светоделительное зеркало, лазерный усилитель с блоком накачки, телескопическую систему и второе поворотное зеркало с приводом зеркала и блоком управления приводом зеркала. А кроме того, устройство содержи) задающий лазерный генератор с блоком накачки, селектор угловых мод, первый и второй активные квантовые фильтры с блоками накачки, вторую фотоприемную матрицу со вторым световым затвором, блок обработки информации, формирователь временных интервалов, матричный световой модулятор с блоком управления, источник внешнею целеуказания.

В описанном устройстве в качестве источника подсвечивающего (зондирующего) лазерного излучения используется система, состоящая из задающего генератора, активных квантовых фильтров и усилителя с системой телескопирования. Телескопической системой обеспечивают как формирование пучка зондирующего излучения с малой расходимостью, направляемого для подсветки объекта, так и прием излучения, отраженного от объекта. Отраженное от объекта излучение принимают той же телескопической системой, усиливают в первом активном квантовом фильтре и формируют изображение объекта на первой фотоприемной матрице, определяя доплеровский сдвиг частоты. После этого осуществляют подсветку объекта вторым импульсом подсвечивающего лазерного излучения со смещенной частотой излучения. Далее осуществляют прием отраженного от объекта второго импульса подсвечивающего лазерного излучения, его усиление во втором активном квантовом фильтре и формирование изображения объекта на второй фотоприемной матрице на рабочей длине волны λ_раб в системе источника рабочего лазерного излучения. Блок обработки информации осуществляет по сигналам, поступающим с выхода второй фотоприемной матрицы, определение угловых координат объекта и открытие соответствующего участка пространственного модулятора света. После этого по сигналу с блока обработки информации разрешающий сигнал подают на систему накачки второго активного квантового фильтра и источника рабочего лазерного излучения. В результате в источнике рабочего лазерного излучения формируют излучение с заданной диаграммой направленности, которое при прохождении второго активного квантового фильтра испытывает дополнительное усиление. Данное излучение наводят на обнаруженный объект посредством первого поворотного зеркала.

К недостаткам аналога относится невысокая точность наведения рабочего и зондирующего лазерного излучения, обусловленная дискретностью набора оптических направлений, задаваемых матричным световым модулятором селектора угловых мод. Зондирование объектов в околоземном космическом пространстве осуществляют импульсным излучением, что не позволяет точно определять параметры траектории объекта и его ориентацию в пространстве в любой момент времени.

Устройство не имеет в своем составе системы топогеодезической привязки, а так же вспомогательного лазера для динамической юстировки оптических элементов в условиях атмосферной турбулентности и термических искажений, что снижает точность наведения излучения на объект.

Формирование изображения обнаруженного космического объекта в отраженном сигнале осуществляется на фотоприемных матрицах с использованием световых затворов, что не позволяет непрерывно контролировать положение и параметры орбиты данного объекта.

Подсветка объекта осуществляется системой, включающей йодный фотодиссоционный лазер с ламповой накачкой, и длиной волны 1,315 мкм, для которой спектральная эффективность подавляющего числа фотоприемников пространственного распределения изображения оказывается весьма малой. Кроме этого йодный лазер с ламповой накачкой обладает низким КПД, что приводит к уменьшению дальности контроля космического пространства.

Известно устройство контроля околоземного космического пространства (патент RU №2110079, МПК⁶ G01S 17/00, опублик. 27.04.1998 г., бюл. №12), выбранное за прототип.

Данное устройство содержит источник зондирующего лазерного излучения. первый и второй светоделители, модулятор, активный квантовый фильтр с блоком управления, ретроотражатель, фотоприемное устройство со световым затвором и приемным объективом, блок обработки информации, блок определения дальности. формирователь временных интервалов, и расположенные на одной оптической оси вспомогательный источник лазерного излучения, задающий генератор рабочего лазерного излучения с источником накачки и селектором угловых мод с объективом, опорно-поворотное устройство (ОПУ) с блоком управления приводами.

Данное устройство работает следующим образом. По внешним траекторным данным опорно-поворотное устройство начинает сопровождение объекта из точки ожидания. В определенный момент времени источник зондирующего лазерного излучения подсвечивает объект на длине волны задающего генератора рабочего лазерного излучения в контролируемом пространстве. Отраженное от объекта излучение через опорно-поворотное устройство с зеркалом наведения, второй светоделитель, открытый затвор, приемный объектив и активный квантовый фильтр поступает на фотоприемное устройство. В результате регистрируется транспортная задержка лазерного излучения и направление визирной оси приемного канала. Затем формируют второй импульс зондирующего лазерного излучения и импульс вспомогательного лазерного излучения. Вспомогательное лазерное излучение, отражаясь от первого светоделителя, подсвечивает модулятор селектора угловых мод. Отраженное от него излучение проходит через объектив селектора угловых мод, невозбужденную активную среду задающего генератора, и, отражаясь от второго светоделителя и ретроотражателя, поступает в приемный канал. В результате определяется угловое рассогласование визирных осей приемного и передающего каналов. Принимая второй импульс зондирующего лазерного излучения, отраженный объектом, определяют его угловые координаты. Далее определяется направление на объект, открывается соответствующая ячейка модулятора и осуществляется накачка активной среды задающего генератора. Рабочее лазерное излучение задающего генератора через второй светоделитель и ОПУ с зеркалом наведения направляется на объект.

К недостаткам прототипа относится невысокая точность наведения зондирующего лазерного излучения, обусловленная угловой дискретностью работы матричного пространственно-временного модулятора света.

Устройство не может одновременно обеспечивать контроль околоземного космического пространства в двух полусферах небесного свода из-за выбранной компоновки системы наведения. Зондирование объектов в околоземном космическом пространстве осуществляют импульсным излучением, что не позволяет точно определять параметры траектории объекта и его ориентацию в пространстве в любой момент времени с заданной точностью.

Устройство не имеет в своем составе системы топогеодезической привязки, что снижает точность наведения излучения на объект.

Формирование изображения обнаруженного космического объекта в отраженном сигнале осуществляется на фотоприемной матрице с использованием светового затвора, что не позволяет непрерывно контролировать положение данного объекта.

В устройстве для приема сигнала используется активный квантовый усилитель, не позволяющий регистрировать широкополосное солнечное излучение, отраженное от объекта, а также накладывающий строгие ограничения на длины волн зондирующего лазера.

Технической задачей является создание устройства, которое обеспечивает контроль космического пространства с максимальной точностью и дальностью зондирования, а также прием сигнала с определением параметров орбиты и размеров космического объекта в автоматическом режиме при минимизации габаритов устройства.

Достигаемый технический результат состоит в расширении объема контролируемого космического пространства в автоматическом режиме за счет повышения плотности энергии излучения на объекте и увеличения точности наведения зондирующего и рабочего лазерного излучения в обеих полусферах небесного свода, а также в определении размеров и параметров орбиты космического объекта.

Технический результат достигается тем, что в лазерном устройстве контроля околоземного космического пространства, содержащем источник зондирующего лазерного излучения и расположенные на одной оптической оси вспомогательный источник лазерного излучения, задающий генератор рабочего лазерного излучения с источником накачки и селектором угловых мод, первое опорно-поворотное устройство (ОПУ) с блоком управления приводами, новым является то, что на первой оптической оси последовательно установлены вспомогательный источник лазерного излучения, селектор угловых мод с первым зеркалом резонатора, задающий генератор рабочего лазерного излучения с источником накачки, полупрозрачное зеркало вывода излучения и второе зеркало резонатора; за зеркалом вывода по ходу рабочего излучения последовательно установлены полностью отражающее зеркало, усилитель рабочего лазерного излучения с источником накачки, спектроделительное зеркало, первое и второе ОПУ с блоками управления приводами, причем отражающие поверхности зеркал ОПУ установлены встречно друг другу; за задней гранью спектроделительного зеркала расположены средства видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта, а также оптико-электронное устройство для регистрации излучения зондирующею источника, отражаемого удаленным объектом; по крайней мере, на одной оптической оси, не совпадающей с первой, расположен локационный модуль, включающий последовательно установленные на оптической оси источник зондирующего лазерного излучения, средства формирования пространственного профиля и расходимости зондирующего лазерного излучения, полностью отражающую зеркальную систему транспортировки зондирующего излучения, третье и четвертое ОПУ с блоками управления приводами, причем отражающие поверхности зеркал ОПУ установлены встречно друг другу, а также средства видеонаблюдения и контроля над положением удаленного объекта; кроме того, устройство дополнительно содержит автоматизированную систему управления и контроля режимов работы, связанную с системой топогеодезической и временной привязки.

Задающий генератор и усилитель рабочего лазерного излучения могут быть выполнены на основе йодного фотодиссоционного лазера.

Задающий генератор и усилитель рабочего лазерного излучения могут быть выполнены на основе лазера на парах щелочных металлов.

Задающий генератор и усилитель рабочего лазерного излучения могут быть выполнены на основе волоконного лазера.

Источник зондирующего лазерного излучения выполнен с непрерывным или импульсно периодическим режимом работы.

Источник зондирующего лазерного излучения может работать на длине волны, совпадающей с длиной волны задающего генератора, или на длине волны, отличной от длины волны задающего генератора.

Источники зондирующего и вспомогательного лазерного излучения могут быть выполнены на основе твердотельного неодимового лазера с диодной накачкой и удвоением частоты.

Источник зондирующего лазерного излучения может быть выполнен на основе волоконного лазера.

Источник зондирующего лазерного излучения может быть выполнен на основе лазера на парах щелочных металлов.

Расходимость зондирующего лазерного излучения больше, чем у рабочего, на величину погрешности определения координат точки ожидаемого появления удаленного объекта.

В задающем генераторе перед вторым зеркалом резонатора может быть установлена фазовая многоуровневая пластина.

Оптико-электронное устройство для регистрации излучения зондирующего источника, отраженного от объекта, выполнено на основе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Источник зондирующего излучения, зеркала первого и второго ОПУ, оптико-электронное устройство, регистрирующее лазерное излучение зондирующего источника, отраженное оптико-электронной системой удаленного объекта или самим объектом расположены последовательно друг за другом в плоскости горизонта, на линии параллельной плоскости орбиты движения объекта, с возможностью изменения расстояния между ними в зависимости от высоты полета объекта.

Элементы лазерного устройства могут быть размещены на перемещаемых платформах.

Связка из двух ОПУ в трактах рабочего и зондирующего излучения, отражающие поверхности зеркал которых установлены встречно друг другу, позволяет обеспечить контроль объекта в двух полусферах неба, что расширяет объем контролируемого космического пространства в два раза по сравнению с известными устройствами. Наличие источника зондирующего лазерного излучения, во-первых, позволяет получать точные параметры орбиты объекта и/или подсвечивать объект в случае нахождения его в тени Земли и, во-вторых, - определять характерные размеры объекта. Наличие в задающем генераторе рабочего лазерного излучения резонатора с селектором угловых мод позволяет сформировать рабочее излучение с малой расходимостью, которое после прохождения усилителя направляется на объект. Уменьшение расходимости и увеличение энергии рабочего лазерного излучения позволяет расширить объем контролируемого космического пространства за счет увеличения дальности до облучаемого объекта. В отличие от прототипа источник вспомогательного лазерного излучения служит для юстировки тракта рабочего лазерного излучения и средств видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта. Использование оптической схемы, содержащей зеркало вывода излучения и полностью отражающее зеркало, позволяет уменьшить габаритные размеры устройства за счет разворота излучения и расположения усилителя в непосредственной близости от задающего генератора. Наличие автоматизированной системы управления и контроля режимов работы в заявляемом устройстве позволяет повысить точность юстировки оптических трактов наведения зондирующего и рабочего лазерного излучения. Помимо этого, автоматизированная система управления и контроля режимов работы получает внешние траекторные данные, что позволяет рассчитывать параметры орбит объектов непосредственно перед их входом в зону контроля. Используя системы спутниковой и радиосвязи, а также сеть Интернет, данное устройство имеет возможность передачи данных в центр управления полетами для предотвращения столкновений беспилотных и пилотируемых космических аппаратов с потенциально опасными орбитальными объектами. Автоматизированная система управления и контроля режимов работы связана с системой топогеодезической и временной привязки, позволяющей повысить точность наведения лазерного излучения на объект за счет прецизионного определения точки ожидания объекта в небесной полусфере. Система временной синхронизации и инициирования накачки позволяет получить зондирующий и рабочий лазерные импульсы, разделенные временным интервалом, равным двойной транспортной задержке, что увеличивает дальность облучения и точность наведения.

Локационные модули расположены на линии, перпендикулярной оси рабочего лазерного излучения. Они обеспечивают подсветку и прием отраженного зондирующего сигнала от объекта, летящего как в передней, так и в задней полусферах неба по отношению к оптической оси устройства за счет используемых в их составе устройств: источника зондирующего лазерного излучения, средств формирования пространственного профиля и расходимости зондирующего лазерного излучения, полностью отражающей зеркальной системы транспортировки зондирующего излучения, третьего и четвертого ОПУ с блоками управления приводами, а также средств видеонаблюдения и контроля над положением удаленного объекта. Это позволяет точно определять размеры и параметры орбиты космического объекта, за счет непрерывного лоцирования космического объекта. Средства формирования пространственного профиля и расходимости зондирующею лазерного излучения и полностью отражающая зеркальная система транспортировки зондирующего излучения в составе локационного модуля необходимы для формирования требуемого профиля волнового фронта выходного излучения, апертуры и диаграммы направленности зондирующего лазера, а также для транспортировки излучения на ОПУ. Расположение модулей позволяет повысить точность наведения и, кроме того, определять размеры и параметры орбиты космического объекта с учетом скоростной аберрации.

В случае выполнения задающего генератора и усилителя рабочего излучения на основе йодного фотодиссоционного лазера контроль объекта может быть осуществлен на большей дальности, т.к. данный лазер работает в импульсном режиме и рабочая длина волны данного лазера λ=1,315 мкм лежит в окне прозрачности атмосферы.

Если задающий генератор, усилитель рабочего излучения и источник зондирующего лазерного излучения выполнены на основе непрерывного лазера на парах щелочных металлов или волоконного лазера, то подсветка космического объекта может осуществляться непрерывно в течение всего времени пролета над местом расположения устройства.

Если источник зондирующего лазерного излучения работает в импульсно периодическом режиме, то это позволяет увеличить дальность контроля околоземного пространства, а также различать космические объекты меньших размеров. Кроме этого подобная локация оптимальна с точки зрения уменьшения помех в оптико-электронном устройстве для регистрации излучения зондирующего источника. Увеличение расходимости зондирующего лазерного излучения на величину погрешности определения координат точки ожидаемого появления удаленного объекта позволяет осуществить ею захват и сопровождение системой наведения с заданной точностью.

Фазовая многоуровневая пластина, установленная перед вторым зеркалом резонатора, позволяет снизить лучевую нагрузку на селектор угловых мод и сформировать требуемые параметры рабочего излучения в задающем генераторе.

Для компенсации эффектов рефракции, дисперсии и других оптических искажений, источник зондирующего лазерного излучения может работать на длине волны совпадающей с длиной волны задающего генератора.

Если в качестве оптико-электронного устройства для регистрации излучения зондирующего источника используется ФЭУ, то источник зондирующего лазерного излучения может быть выполнен на основе твердотельного неодимового лазера с диодной накачкой и удвоением частоты для согласования области максимальной чувствительности ФЭУ и спектра лазерного излучения.

Для учета скоростной аберрации света и, следовательно, увеличения точности наведения, источник зондирующего излучения, зеркала первого и второго ОПУ, оптико-электронное устройство, регистрирующее лазерное излучение зондирующего источника, отраженное оптико-электронной системой удаленного объекта или самим объектом расположены последовательно друг за другом в плоскости горизонта на линии. параллельной плоскости орбиты движения объекта, с возможностью изменения расстояния между ними в зависимости от высоты полета объекта.

Размещение элементов лазерного устройства контроля околоземного космического пространства на перемещаемых платформах позволяет использовать его с любой точки суши.

На фиг.1 показана оптическая схема лазерного устройства контроля околоземного космического пространства, где:

1 - вспомогательный источник лазерного излучения;

2 - селектор угловых мод;

3 - первое зеркало резонатора;

4 - задающий генератор рабочего лазерного излучения;

5 - источник накачки задающего генератора;

6 - полупрозрачное зеркало вывода излучения;

ФП - многоуровневая фазовая пластина;

7 - второе зеркало резонатора;

8 - полностью отражающее зеркало;

9 - усилитель рабочего лазерного излучения;

10 - источник накачки усилителя рабочего лазерного излучения;

11 - спектроделительное зеркало;

12 - первое ОПУ;

13 - второе ОПУ;

14 - средства видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта;

15 - оптико-электронное устройство;

ЛМ - локационный модуль;

БН - блок наведения;

БР - блок резонатора;

БЛ - блок лазерный;

16 - источник зондирующего лазерного излучения;

17 - средства формирования пространственного профиля и расходимости зондирующего лазерного излучения;

18 - полностью отражающая зеркальная система;

19 -третье ОПУ;

20 - четвертое ОПУ;

21 - средства видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта;

22 - средства юстировки;

На фиг.2 показана оптическая схема средств видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта и оптико-электронное устройство для регистрации излучения зондирующего источника, отражаемого удаленным объектом, расположенные на продолжении первой оптической оси за спектроделительным зеркалом.

На фиг.3 показана оптическая схема средств видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта, где:

23 - объектив широкого поля зрения;

24 - видеокамера:

25 - объектив узкого поля зрения;

26 - светоделительный кубик;

27 - блок светофильтров;

28 - видеокамера;

29 - согласующий объектив оптико-электронного устройства;

30 - блок светофильтров;

31 - прицельная сетка;

32 - объектив;

33 - светофильтр:

34 - высокочувствительная видеокамера;

На фиг.4 показана структурная схема лазерного устройства контроля околоземного космического пространства, где

БР - блок резонатора;

БЛ - блок лазерный;

БН - блок наведения;

ЛМ1 - первый локационный модуль;

ЛМ2 - второй локационный модуль;

АС - автоматизированная система управления и контроля режимов работы;

СИН - система инициирования накачки;

СВС - система временной синхронизации;

СРС - система радиосвязи;

ССС - система спутниковой связи;

СТВП - система топогеодезической и временной привязки.

Лазерное устройство контроля околоземного космического пространства содержит последовательно установленные на первой оптической оси вспомогательный источник 1 лазерного излучения, селектор угловых мод 2 с первым зеркалом 3 резонатора, задающий генератор 4 рабочего лазерного излучения с источником накачки 5. полупрозрачное зеркало 6 вывода излучения и второе зеркало 7 резонатора. За полупрозрачным зеркалом вывода 6 по ходу рабочего излучения последовательно установлены полностью отражающее зеркало 8, усилитель рабочего лазерного излучения 9 с источником накачки 10, спектроделительное зеркало 11, первое ОПУ 12 и второе ОПУ 13 с блоками управления приводами, отражающие поверхности зеркал ОПУ установлены встречно друг другу. За задней гранью спектроделительного зеркала 11 расположены средства 14 видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта, а также оптико-электронное устройство 15 для регистрации излучения зондирующего источника, отражаемого удаленным объектом. На двух осях, не совпадающих с первой, расположены локационные модули (ЛМ). Каждый из них включает последовательно установленные на оптической оси источник 16 зондирующего лазерного излучения, средства 17 формирования пространственного профиля и расходимости зондирующего лазерного излучения, полностью отражающую зеркальную систему 18 транспортировки зондирующего излучения, третье ОПУ 19 и четвертое ОПУ 20 с блоками управления приводами, отражающие поверхности зеркал ОПУ установлены встречно друг другу, а также средства 21 видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта. Устройство дополнительно содержит средства 22 юстировки трактов рабочего, зондирующего и вспомогательного лазерного излучения.

Средства 14 видеонаблюдения и контроля над положением удаленного объекта и оптико-электронное устройство 15 для регистрации излучения зондирующего источника, отражаемого удаленным объектом, расположенные на продолжении первой оптической оси за спектроделительным зеркалом 11, выполнены для работы в широком и узком поле зрения. В широком поле зрения установлен объектив 23 и видеокамера 24 в его фокальной плоскости. В узком поле зрения установлен объектив 25, два светоделительных кубика 26. распределяющих световой поток из объектива 25 на три перпендикулярных направления. В первом направлении установлен блок светофильтров 27 и видеокамера 28 в фокальной плоскости объектива 25. Во втором направлении установлено оптико-электронное устройство 15 для регистрации излучения зондирующего источника, отражаемого удаленным объектом, с согласующим объективом 29 и блоком светофильтров 30. В третьем направлении установлена прицельная сетка 31, объектив 32. светофильтр 33. высокочувствительная видеокамера 34.

Средства 21 видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта, расположенные параллельно оптической оси локационного модуля за третьим ОПУ 19, служат для регистрации в широком и узком поле зрения. В широком поле зрения установлен объектив 23 и видеокамера 24 в его фокальной плоскости. В узком поле зрения установлен объектив 25, светоделительный кубик 26, распределяющий световой поток из объектива 25 на два перпендикулярных направления. В первом направлении установлен блок светофильтров 27 и видеокамера 28 в фокальной плоскости объектива 25. Во втором направлении установлена прицельная сетка 31, объектив 32, светофильтр 33 и высокочувствительная видеокамера 34.

Устройство работает следующим образом.

Лазерное устройство контроля околоземного космического пространства транспортируется с места постоянного расположения на позицию размещения. Перед началом рабочего цикла на составные части устройства подается питание. По каналам системы спутниковой связи (ССС) и/или системы радиосвязи (СРС) и/или по сети Интернет получаются траекторные данные и разрешение на зондирование космического пространства.

На позиции размещаются задающий генератор 4 и усилитель 9 рабочего лазерного излучения, селектор 2 угловых мод, система наведения, включающая первое 12 и второе ОПУ 13 с блоками управления приводами, спектроделительное зеркало 11, средства 14 видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта, автоматизированная система управления и контроля режимов работы, а также локационные модули. После получения разрешения на зондирование космического пространства устройство переводится в рабочий режим и с помощью систем топогеодезической и временной привязки (СТВП) производится определение географических координат устройства на земной поверхности и угловых координат оптических осей устройства. Система временной синхронизации (СВС) получает сигналы от спутников системы единою времени. Управление лазерным устройством осуществляется автоматизированной системой, в состав которой входят линии связи с задающим генератором 4, усилителем 9. системой наведения, локационными модулями и средствами 22 юстировки. После установки всех частей устройства на позиции размещения, автоматизированной системой проводится проверка всех систем лазерного устройства: подьюстировка элементов с использованием вспомогательного источника 1 лазерного излучения, проверка технических параметров рабочей среды в задающем генераторе 4 и усилителе 9 и готовности систем инициирования, временной и геодезической привязки. Канал рабочего и зондирующего излучения переводятся в активный режим контроля космического пространства. Полученные внешние траекторные данные загружаются в автоматизированную систему управления и контроля режимов работы. Происходи т набор высокого напряжения на устройстве поджига источников накачки задающего генератора и усилителя рабочего лазерного излучения. Перед пролетом космического объекта по команде автоматизированной системы зеркала первого 12 или второго 13. третьего 19 или четвертого 20 ОПУ выставляются в точку ожидания объекта по внешним траекторным данным или по собственным расчетам. При этом используются системы топогеодезической привязки и данные, поступающие от системы единого времени. Затем включается источник 16 зондирующего лазерного излучения, подсвечивающий космический объект, активируются средства 17 формирования пространственного профиля и расходимости зондирующего лазерного излучения и проводится автоматическая юстировка полностью отражающей зеркальной системы 18. В расчетное время начинается сопровождение объекта по расчетной траектории (по эфемеридам) т.е. «вслепую». Как только космический объект попадает в поле зрения средств 14 видеонаблюдения и контроля, начинается его автосопровождение в режиме «цель в петле обратной связи», т.е. автоматизированная система рассчитывает команды для приводов первого 12 и второго ОПУ 13 таким образом, чтобы минимизировать отклонение космического объекта от первой оптической оси устройства и для приводов третьего 19 и четвертого ОПУ 20 таким образом, чтобы минимизировать отклонение космического объекта от второй оптической оси. При этом от космического объекта возникает диффузно отраженный сигнал, который регистрируется средствами 14 и 21 видеонаблюдения и контроля и оптико-электронным устройством 15 для регистрации излучения зондирующего источника. В определенный момент оптико-электронное устройство 15 запускает систему инициирования накачки (СИП) задающего генератора и усилителя. Лазерное устройство выдает световой импульс на длине волны задающего генератора 4, и лазерное излучение транспортируется на объект. В результате определяется местоположение, дальность и размеры объекта с высокой точностью. По отраженному рабочему лазерному излучению определяют тип и состав космического объекта.

По окончании работы лазерное устройство контроля околоземного космического пространства консервируется и перевозится на место постоянного расположения.

Средства видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта выполнены на основе аналоговых и цифровых видеокамер.

Система спутниковой связи необходима для обеспечения взаимодействия данною устройства с другими устройствами контроля космического пространства, а также со спутниковой группировкой РФ. По каналам радиосвязи осуществляется передача и прием информации о работе устройства и его составных частей, а так же взаимодействие управляющего персонала. Система топогеодезической и временной привязки, система временной синхронизации предназначены для определения точного местоположения и ориентации устройства на земной поверхности и установления связи со спутниковой системой единого времени.

В примере реализации лазерное устройство контроля околоземного космического пространства состоит из двух локационных модулей (ЛМ), размещенных на перемещаемых платформах, блока наведения (БН), блока резонатора (БР), блока лазерного (БЛ) и автоматизированной системы (АС) управления и контроля режимов работы. Каждый из локационных модулей (ЛМ1, ЛМ2) включает источник зондирующего излучения на основе импульсно-периодического твердотельного лазера с диодной накачкой, удвоением частоты с длительностью отдельного импульса 100 нс, средства формирования пространственного профиля и расходимости излучения на основе телескопирующих элементов и адаптивных биморфных зеркал с блоками управления. полностью отражающую зеркальную систему транспортировки зондирующего излучения. третье и четвертое ОПУ, а также средства видеонаблюдения и контроля над положением удаленного объекта. Телескопирующие элементы выполнены на основе линзовых или зеркальных устройств и позволяют увеличить апертуру пучка до диаметра 200 мм и уменьшить его расходимость. Полностью отражающая система транспортировки излучения состоит из зеркал с диэлектрическим напылением диаметром 200 мм, расположенных таким образом, что обеспечивается попадание излучения зондирующего лазера на поверхность ОПУ в области, не пересекающейся с областью, в которой принимается изображение объекта системой визуализации. Каждое из двух встречно установленных ОПУ обеспечивает независимое вращение по двум взаимно перпендикулярным осям. В ОПУ установлены диэлектрические зеркала диаметром 760 мм, имеющие высокий коэффициент отражения в видимом диапазоне длин волн. Средства видеонаблюдения и контроля над положением удаленного объекта выполнены для регистрации в широком и узком поле зрения. В широком поле зрения установлен приемный объектив и видеокамера в его фокальной плоскости. В узком поле зрения установлен астрономический телескоп, светоделительный кубик, распределяющий световой поток из телескопа на два перпендикулярных направления. На первом установлен блок светофильтров и видеокамера в фокальной плоскости телескопа. На втором установлена прицельная сетка, приемный объектив, светофильтр и в фокальной плоскости телескопа - высокочувствительная видеокамера.

Блок наведения (БН) включает вспомогательный источник лазерного излучения на основе твердотельного лазера с удвоением частоты, угловой селектор с первым диэлектрическим зеркалом резонатора диаметром 160 мм, спектроделительное зеркало, два ОПУ и средства топогеодезической привязки на основе гирокомпаса, датчиков вертикали и приемников GPS/ГЛОНАС, командные и исполнительные устройства системы автоматической юстировки на основе приводов и видеокамер, а также линию связи с автоматизированной системой управления и контроля режимов работы. Спектроделительное зеркало диаметром 760 мм имеет высокий коэффициент отражения на длине волны 1,315 мкм и малый коэффициент отражения в видимом диапазоне длин волн. Каждое из двух встречно установленных ОПУ обеспечивает независимое вращение по двум взаимно перпендикулярным осям. В ОПУ установлены диэлектрические зеркала диаметром 760 мм, имеющие высокий коэффициент отражения в видимом диапазоне длин волн и на длине волны 1,315 мкм. Средства видеонаблюдения и контроля над положением удаленного объекта выполнены для регистрации в широком и узком поле зрения и установлены за спектроделительным зеркалом. В широком поле зрения установлен приемный объектив и видеокамера в его фокальной плоскости. В узком поле зрения установлен астрономический телескоп, два светоделительных кубика, распределяющих световой поток из телескопа на три перпендикулярных направления. На первом установлен блок светофильтров и видеокамера в фокальной плоскости телескопа. На втором установлено оптико-электронное устройство на основе ФЭУ для регистрации излучения зондирующего источника с согласующим объективом и блоком светофильтров. На третьем установлена прицельная сетка, приемный объектив, светофильтр и в фокальной плоскости телескопа - высокочувствительная видеокамера.

Блок лазерный (БЛ) включает установленные на одной раме линзу углового селектора, задающий генератор на основе йодного фотодиссоционного лазера с накачкой светом фронта ударной волны в благородном газе с системой накачки, усилитель с системой накачки, работающий на аналогичном принципе, и линии связи с автоматизированной системой (АС) управления и системой временной синхронизации (СВС).

Блок резонатора (БР) включает полупрозрачное зеркало вывода излучения диаметром 760 мм, фазовую многоуровневую пластину, второе зеркало резонатора, полностью отражающее рабочее излучение, командные и исполнительные устройства системы автоматической юстировки на основе приводов и видеокамер и полностью отражающее диэлектрическое зеркало для заведения излучения задающего генератора на усилитель.

Автоматизированная система (АС) управления и контроля режимов работы устройства включает четыре промышленных ЭВМ и также линии связи со всеми системами устройства контроля околоземного космического пространства. При этом определенная часть устройств работает на прием информации от исполнительных механизмов, датчиков и видеокамер, а другая часть выдает им управляющие сигналы.

Изобретение относится к области лазерной локации. Лазерное устройство контроля околоземного космического пространства содержит установленные на первой оптической оси вспомогательный источник лазерного излучения, селектор угловых мод с первым зеркалом резонатора, задающий генератор рабочего лазерного излучения, полупрозрачное зеркало вывода излучения и второе зеркало резонатора. За зеркалом вывода установлены полностью отражающее зеркало, усилитель рабочего излучения, спектроделительное зеркало, первое и второе опорно-поворотные устройства (ОПУ). Отражающие поверхности зеркал ОПУ установлены встречно друг другу. За задней гранью спектроделительного зеркала расположены средства видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта, а также оптико-электронное устройство для регистрации отраженного зондирующего излучения. На оптической оси, не совпадающей с первой, расположен локационный модуль, включающий последовательно установленные на оптической оси источник зондирующего лазерного излучения, средства формирования пространственного профиля и расходимости зондирующего излучения, полностью отражающую зеркальную систему транспортировки зондирующего излучения, третье и четвертое ОПУ, средства видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта. Отражающие поверхности зеркал ОПУ установлены встречно друг другу. Также устройство содержит автоматизированную систему управления и контроля режимов работы, связанную с системой топогеодезической и временной привязки. Технический результат заключается в расширении объема контролируемого космического пространства. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лазерное устройство контроля околоземного космического пространства, содержащее источник зондирующего лазерного излучения и расположенные на одной оптической оси вспомогательный источник лазерного излучения, задающий генератор рабочего лазерного излучения с источником накачки и селектором угловых мод, первое опорно-поворотное устройство (ОПУ) с блоком управления приводами, отличающееся тем, что на первой оптической оси последовательно установлены вспомогательный источник лазерного излучения, селектор угловых мод с первым зеркалом резонатора, задающий генератор рабочего лазерного излучения с источником накачки, полупрозрачное зеркало вывода излучения и второе зеркало резонатора; за зеркалом вывода по ходу рабочего излучения последовательно установлены полностью отражающее зеркало, усилитель рабочего лазерного излучения с источником накачки. спектроделительное зеркало, первое и второе ОПУ с блоками управления приводами, причем отражающие поверхности зеркал ОПУ установлены встречно друг другу; за задней гранью спектроделительного зеркала расположены средства видеонаблюдения и контроля за положением удаленного объекта, а также оптико-электронное устройство для регистрации излучения зондирующего источника, отражаемого удаленным объектом; по крайней мере, на одной оптической оси, не совпадающей с первой, расположен локационный модуль, включающий последовательно установленные на оптической оси источник зондирующего лазерного излучения, средства формирования пространственного профиля и расходимости зондирующего лазерного излучения, полностью отражающую зеркальную систему транспортировки зондирующего излучения, третье и четвертое ОПУ с блоками управления приводами, причем отражающие поверхности зеркал ОПУ установлены встречно друг другу, а также средства видеонаблюдения и контроля над положением удаленного объекта; кроме того, устройство дополнительно содержит автоматизированную систему управления и контроля режимов работы, связанную с системой топогеодезической и временной привязки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что задающий генератор и усилитель рабочего лазерного излучения выполнены на основе йодного фотодиссоционного лазера.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в задающем генераторе перед вторым зеркалом резонатора установлена фазовая многоуровневая пластина.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что задающий генератор и усилитель рабочего лазерного излучения выполнены на основе лазера на парах щелочных металлов.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что задающий генератор и усилитель рабочего лазерного излучения выполнены на основе волоконных лазеров.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник зондирующего лазерного излучения выполнен с непрерывным или импульсно периодическим режимом работы.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина волны источника зондирующего лазерного излучения совпадает с длиной волны задающего генератора.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина волны источника зондирующего лазерного излучения отличается от длины волны задающего генератора.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источники зондирующего и вспомогательного лазерного излучения выполнены на основе твердотельного неодимового лазера с диодной накачкой.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что твердотельный неодимовый лазер выполнен с удвоением частоты.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник зондирующего излучения, зеркала первого и второго ОПУ, оптико-электронное устройство, регистрирующее лазерное излучение зондирующего источника, отраженное оптико-электронной системой удаленного объекта или самим объектом, расположены последовательно друг за другом в плоскости горизонта на линии, параллельной плоскости орбиты движения объекта, с возможностью изменения расстояния между ними в зависимости от высоты полета объекта.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расходимость зондирующего лазерного излучения больше, чем у рабочего, на величину погрешности определения координат точки ожидаемого появления удаленного объекта.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его элементы размещены на перемещаемых платформах.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптико-электронное устройство для регистрации излучения зондирующего источника, отраженного от объекта, выполнено на основе фотоэлектронного умножителя.