ЛАЗЕРНОЕ ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2016 года по МПК H04B10/64 G01S17/88 G01S7/489 

Изобретение относится к области лазерной техники и предназначено для использования в лазерных локационных системах и в системах лазерной наземной и космической связи в качестве высокочувствительного приемного устройства, а также в физической аппаратуре для регистрации слабых оптических излучений. Предлагаемое устройство относится к классу лазерных приемных устройств (ЛПУ), использующих метод лазерного гетеродинирования при регистрации и обработке лазерных сигналов локации и связи. Данный метод приема оптических сигналов имеет ряд преимуществ перед более распространенным методом приема оптических сигналов, основанным на прямом детектировании регистрируемого оптического излучения с помощью фотоприемников различных типов. Наибольшее распространение при осуществлении метода прямого фотодетектирования излучений оптического диапазона получили различные фотоприемные устройства (фотодиоды), созданные на основе полупроводниковой техники и работающие в диапазонах видимого и инфракрасного спектра. Однако данные фотоприемники обладают рядом недостатков, препятствующих их применению в специальной высокочувствительной аппаратуре. Так, например, фотоприемники на основе полупроводниковых элементов обладают невысокой чувствительностью в наиболее важном ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, а также обладают низкой помехозащищенностью вследствие относительно широкой спектральной полосы чувствительности. При построении приемных устройств на основе этих фотоприемников используются интерференционные фильтры, которые снижают чувствительность приемного устройства в целом, не обладают возможностью перестройки принимаемой длины волны, а также в ряде случаев недостаточно узкополосны.

Известен приемник оптического излучения по патенту РФ [1] №2516007, содержащий датчик оптического излучения на основе фотодиода, электронный усилитель, резистор обратной связи, дополнительные дифференциальные усилители. Недостатком данного приемника оптических излучений является невысокая чувствительность, определяемая чувствительностью используемого фотоприемника (фотодиода), а также низкая помехозащищенность по отношению к внешним фоновым засветкам и помеховым сигналам.

Известны способы усиления электромагнитных оптических сигналов на основе эффекта вынужденного испускания фотонов при прохождении фотонного излучения через активную среду [2], [3], на основе которых разработаны лазерные усилители оптических сигналов различных типов.

Наиболее эффективный из лазерных усилителей, получивший наименование активный квантовый фильтр [3], [4], работающий на длине волны атомарного перехода возбужденного атома иода, обладает высокой помехозащищенностью и предельно высокой чувствительностью, ограниченной квантовым пределом. Данный лазерный усилитель находит применение в современных системах лазерной локации и дальней космической связи [5], [6]. Однако данный эффективный лазерный усилитель обладает и рядом недостатков, препятствующих его широкому применению в системах лазерной локации и связи. К таким недостаткам относится возможность работы данного усилителя только на одной оптической длине волны перехода атома иода в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, значительная сложность перестройки длины волны приема оптического излучения вблизи указанной рабочей длины волны атома иода, необходимая для осуществления компенсации доплеровского сдвига, а также значительная сложность конструкции данного лазерного усилителя, требующего для своей работы специальных устройств прокачки рабочей газовой среды.

Известно устройство для оптического смешения сигналов в приемниках оптического излучения гетеродинного типа по патенту РФ [7] №2107997. Устройство содержит оптическую антенну, светоделитель, диафрагму, световод, пъезопреобразователь и гетеродинный лазер. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую чувствительность, обусловленную тем, что возбуждение пъезопреобразователя осуществляется за счет энергии входного принимаемого оптического излучения, в результате чего в световоде генерируется ультразвуковая волна, обеспечивающая смешение принимаемого и гетеродинного лазерных излучений

Известно приемное устройство оптического диапазона длин волн гетеродинного типа, приведенное в монографии [8] на стр. 77, рис 3.4. Устройство содержит оптическую антенну (приемный объектив), светоделитель, диафрагму, фотодетектор, усилитель электрических сигналов и гетеродинный лазер. Данное устройство обладает потенциально более высокой чувствительностью при приеме оптических сигналов, чем чувствительность входящего в него фотодетектора (фотодиода), за счет использования потенциально более чувствительного гетеродинного метода приема оптических сигналов. Однако эта потенциально высокая чувствительность в данном случае не достигается вследствие влияния собственных шумов фотоприемника и электронного усилителя детектируемых сигналов с выхода фотоприемника. К недостаткам данного устройства следует также отнести снижение чувствительности при изменении частоты принимаемого лазерного излучения вследствие доплеровского сдвига частоты при слежении за движущимся объектом и отсутствие возможности компенсации доплеровского сдвига частоты, также, как и отсутствие возможности перестройки длины волны (частоты) полосы принимаемого лазерного излучения. Следует также отметить характерный для гетеродинного метода приема недостаток: сильную зависимость уровня зарегистрированного оптического сигнала от согласования волновых фронтов на входе фотодетектора принимаемого и гетеродинного лазерных излучений. В качестве прототипа выбрано лазерное приемное устройство гетеродинного типа в приемном канале лазерного локатора, приведенное в монографии [9] Лазерная локация на стр. 245. Рис. 6.15. Данное устройство содержит установленные на оптической оси и оптически связанные приемный объектив, полупрозрачное зеркало (светоделитель), фотоприемник, блок усиления и преобразования, подключенный к блоку управления локатором, а также лазерный гетеродин с формирователем лазерного пучка, блок измерения частоты лазерного излучения, полупрозрачные и отражательные зеркала. К недостаткам данного приемного устройства, входящего в состав лазерного локатора, следует отнести ограниченную чувствительность приема лазерных излучений вследствие влияния ряда технических факторов, к которым относятся собственные шумы фотоприемника, блока усиления и преобразования зарегистрированных электрических сигналов с выхода фотоприемника. В результате этого в данном приемном устройстве не достигается потенциально высокая чувствительность приема лазерных сигналов, приближающаяся к квантовому однофотонному пределу. В данном приемном устройстве отсутствует возможность компенсации доплеровских сдвигов частоты принимаемого лазерного излучения при слежении за движущимися объектами, что дополнительно снижает чувствительность и эффективность работы устройства в реальных условиях. К недостаткам данного устройства следует также отнести зависимость уровня выходного зарегистрированного сигнала и чувствительности устройства от согласования волновых фронтов принимаемого и гетеродинного излучений на плоскости фоточувствительной площадки фотоприемника и отсутствие возможности компенсации рассогласования указанных волновых фронтов.

Целью предлагаемого технического решения является преодоление указанных недостатков и создание лазерного приемного устройства, являющегося альтернативой лазерному усилителю - активному квантовому фильтру [3].

Достигаемым новым техническим результатом является повышение чувствительности лазерного приемного устройства, реализация потенциально высокой чувствительности, приближающейся к квантовому пределу, реализация быстрой перестройки частоты полосы приема и узкополосной фильтрации принимаемого лазерного излучения, реализация компенсации доплеровских сдвигов частоты приема лазерного излучения (ЛИ) при приеме отраженного излучения от движущихся объектов, компенсация рассогласования волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений на входе фотоприемника.

Указанный технический результат достигается следующим.

1. В лазерное приемное устройство, содержащее последовательно установленные на первой оптической оси первый объектив, первое полупрозрачное зеркало, фотоприемник, выходом подключенный к блоку преобразования, выход которого подсоединен к блоку управления и обработки, установленные на второй оптической оси лазерный генератор и блок формирования лазерного пучка, управляющий вход лазерного генератора подключен к блоку управления и обработки, введены расположенные последовательно на второй оптической оси оптически связанные акустооптический модулятор с блоком управления, первая линза, управляемый пространственный фильтр с блоком управления фильтром, второе полупрозрачное зеркало, вторая линза, диафрагма, третья линза и третье полупрозрачное зеркало, а также оптически последовательно связанные первое и второе сканирующие зеркала с блоками управления зеркалами, оптически связанные второй объектив и фотоприемный блок с блоком управления, оптически связанные первый управляемый ослабитель с блоком управления и блок сдвига частоты лазерного излучения, установленные на второй оптической оси между оптическим выходом лазерного генератора и оптическим входом формирователя пучка, второй управляемый ослабитель с блоком управления, оптический выход третьей линзы посредством третьего полупрозрачного зеркала, первого и второго сканирующих зеркал и первого полупрозрачного зеркала связан с оптическим входом фотоприемника, оптический выход формирователя пучка связан с оптическим входом второго управляемого ослабителя посредством четвертого полупрозрачного зеркала и первого отражательного зеркала, оптический выход второго управляемого ослабителя связан с оптическим входом фотоприемника посредством второго отражательного зеркала, третьего полупрозрачного зеркала, первого и второго сканирующих зеркал и первого полупрозрачного зеркала, оптический выход формирователя пучка связан с оптическим входом акустооптического модулятора посредством четвертого полупрозрачного зеркала, оптический вход фотоприемного блока посредством второго объектива и второго полупрозрачного зеркала связан с оптическим выходом управляемого пространственного фильтра, выход блока управления фотоприемным блоком подключен к блоку управления и обработки, вход блока управления акустооптическим модулятором подключен к выходу фотоприемника, блоки управления первым и вторым сканирующими зеркалами и первым и вторым управляемыми ослабителями подключены к блоку управления и обработки, управляющий вход блока сдвига частоты подключен к блоку управления и обработки, блок управления управляемым пространственным фильтром подключен к блоку управления и обработки.

2. В лазерном приемном устройстве по п. 1, блок сдвига частоты лазерного излучения содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, акустооптическую ячейку с блоком управления, четвертую линзу, точечную диафрагму, пятую линзу и выходную диафрагму, при этом управляющий электрод акустооптической ячейки подключен к блоку управления акустооптической ячейкой.

Сущность изобретения поясняется блок-схемой лазерного приемного устройства, приведенной на фиг. 1.

В блок-схеме приемного устройства на фиг. 1 цифрами обозначены следующие элементы.

1. Первый объектив.

2. Первое полупрозрачное зеркало.

3. Фотоприемник.

4. Блок преобразования.

5. Блок управления и обработки.

6. Лазерный генератор (гетеродин).

7. Формирователь пучка.

Далее обозначены следующие вновь введенные элементы.

8. Акустооптический модулятор с блоком управления и пьезоэлементом 46.

9. Блок управления акустооптическим модулятором.

10. Первая линза.

11. Управляемый пространственный фильтр с блоком управления.

12. Блок управления пространственным фильтром.

13. Вторая линза.

14. Диафрагма.

15. Третья линза.

16. Второй объектив.

17. Фотоприемный блок с блоком управления.

18. Блок управления фотоприемным блоком.

19. Блок сдвига частоты лазерного излучения.

20. Первый управляемый ослабитель с блоком управления.

21. Блок управления первого ослабителя.

22. Второй управляемый ослабитель с блоком управления.

23. Блок управления второго ослабителя.

24, 25 Первое и второе сканирующие зеркала.

26, 27 Блоки управления первым и вторым сканирующими зеркалами.

28, 29, 32 Второе, третье и четвертое полупрозрачные зеркала.

30. Второе отражательное зеркало.

31. Первое отражательное зеркало.

На фиг. 2 представлена схема блока сдвига частоты лазерного излучения, где обозначены следующие элементы.

33. Входная диафрагма.

34. Акустооптическая ячейка с блоком управления 35.

36. Пьезоэлемент.

37. Четвертая линза.

38. Точечная диафрагма.

39. Пятая линза.

40. Выходная диафрагма.

На фиг. 3 представлена блок-схема блока преобразования (поз. 4 на фиг. 1), где обозначены следующие элементы.

41. Смеситель радиодиапазона.

42. Гетеродин радиодиапазона.

43. Блок электрических фильтров и демодуляторов.

44. Блок оцифровки.

На фиг. 4 отдельно представлен управляемый пространственный фильтр 11 с открываемыми ячейками 45 и 47.

На фиг. 5 и фиг. 6 представлены результаты экспериментальных исследований лазерного приемного устройства.

Принцип функционирования лазерного приемного устройства заключается в следующем.

На вход первого объектива 1 поступает принимаемое лазерное излучение, отраженное от лоцируемого объекта, или переданное по каналам лазерной связи. Данное принимаемое лазерное излучение является непрерывным излучением с некоторой фиксированной длиной оптической волны и соответствующей оптической частотой f в узком спектральном диапазоне, соответствующем когерентному лазерному излучению, генерируемому лазерным передатчиком лазерной локационной системы, или системы лазерной связи. Принимаемое лазерное излучение может также представлять собой импульсное лазерное излучение с соответствующими параметрами длины волны и оптической частоты f. Объектив 1, выполняющий функцию оптической антенны, направляет и фокусирует принимаемое излучение на фоточувствительной площадке фотоприемника 3, осуществляющего прием и регистрацию лазерного излучения, поступающего от объектива 1. Одновременно на фоточувствительную площадку (оптический вход) фотоприемника 3 поступает гетеродинное лазерное излучение от лазерного генератора 6, выполняющего функцию лазерного гетеродина. Излучение лазерного генератора 6 (гетеродинное лазерное излучение) поступает на оптический вход фотоприемника 3 через первое полупрозрачное зеркало 2, выполняющего функцию светоделителя. Данное лазерное излучение с выхода лазерного генератора 6 поступает на вход фотоприемника 3 в соответствии с блок схемой на фиг. 1 посредством следующих последовательно оптически связанных элементов позиции 20, 19, 7, 32, 31, 22, 30, 29, 24, 25 и первое полупрозрачное зеркало 2 (см. фиг. 1). При этом первое и второе сканирующие зеркала 24, 25 служат для оперативного изменения угла падения гетеродинного лазерного излучения на плоскость фоточувствительной площадки фотоприемника 3 для согласования волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений.

В предлагаемом лазерном приемном устройстве (ЛПУ) реализована схема приема внешнего лазерного излучения с внутренней положительной обратной связью по электрическому сигналу с выхода фотоприемника 3 и по оптическому сигналу, который образуется в акустооптическом модуляторе 8 посредством модуляции лазерного излучения от лазерного генератора 6 с помощью указанного электрического сигнала с выхода фотоприемника 3. В результате в предлагаемом ЛПУ реализован регенеративный режим приема внешних лазерных сигналов, позволяющий повысить чувствительность приема в ЛПУ. Петля обратной электрической и оптической связи включает выход фотоприемника 3 до пьезоэлемента 46 в АО- модуляторе 8 (электрическая часть обратной связи). Далее от АО- модулятора 8 начинается оптическая часть петли обратной связи, которая включает АО - модулятор 8, линзу 10 и все последующие элементы поз. 11-29, расположенные на оптической оси O-O1. Далее в петлю обратной связи входят сканирующие зеркала 24, 25 и первое полупрозрачное зеркало 2. В результате промодулированный и усиленный по свету сигнал возвращается на оптический вход фотоприемника 3, куда также поступает и лазерное гетеродинное излучение от лазерного генератора 6. При этом в оптической части петли обратной связи распространяется лазерное излучение с оптической частотой, соответствующей оптической частоте приема внешнего лазерного принимаемого излучения, а в электрической части петли обратной связи распространяется электрический сигнал, частота которого равна частоте биений (смешения) принимаемого внешнего лазерного излучения и лазерного гетеродинного излучения.

Оптическая частота гетеродинного лазерного излучения f_g равна:

Таким образом, оптическая частота гетеродинного лазерного излучения равна сумме оптической частоты f_k лазерного излучения, генерируемого лазерным генератором 6, и величины f_s частоты сдвига лазерного излучения, осуществляемого блоком сдвига лазерного излучения 19.

Гетеродинное лазерное излучение поступает на оптический вход фотоприемника 3 от лазерного генератора 6 после прохождения через первый управляемый ослабитель 20, блок сдвига частоты ЛИ 19, расширитель пучка 7, а также через полупрозрачное 32 и отражательное 31 зеркала, через второй управляемый ослабитель 22, через отражательное 30 и полупрозрачное 29 зеркала и через сканирующие зеркала 24, 25. Далее сформированное гетеродинное лазерное излучение поступает на одну из ветвей первого полупрозрачного зеркала 2 и от него поступает на фоточувствительную площадку фотоприемника 3. На фоточувствительной площадке фотоприемника 3 происходит интерференция принимаемого лазерного излучения с оптической частотой f и гетеродинного лазерного излучения с оптической частотой f_g. В результате этого взаимодействия (биений) двух лазерных излучений образуется сигнал с разностной частотой, который преобразуется фотоприемником 3 в электрический сигнал, имеющий частоту F_r, равную разностной частоте биений лазерных излучений

(прописными буквами обозначены частоты электрических сигналов) Данный электрический сигнал, имеющий частоту F_r, с выхода фотоприемника 3 поступает на вход блока преобразования 4, в котором осуществляется полосовая фильтрация электрического сигнала с помощью электрических фильтров, осуществляется демодуляция и оцифровка отфильтрованного сигнала, после чего сигнал в цифровой форме поступает в блок управления и обработки 5 для окончательного анализа и обработки информации. В этой части реализуется стандартная процедура приема и обработки лазерного излучения гетеродинным методом приема оптических сигналов. Одновременно электрический сигнал с частотой F_r с выхода фотоприемника 3 поступает на вход блока управления 9 акустооптическим модулятором 8. Блок управления 9 представляет собой широкополосный усилитель электрических сигналов, подключенный своим выходом к пьезоэлементу 46 акустооптического модулятора 8. В последнем под воздействием электрического сигнала с выхода фотоприемника 3 происходит возбуждение ультразвуковой волны, частота которой определяется частотой (разностной) F_r данного электрического сигнала. На оптический вход акустооптического модулятора 8 (справа от АО модулятора 8 на фиг. 1) с выхода расширителя пучка 7 поступает когерентное лазерное излучение от лазерного генератора 6, оптическая частота которого равна f_g. При прохождении через АО модулятор 8 лазерное излучение взаимодействует с возбужденной ультразвуковой волной и подвергается модуляции в соответствии с частотой F_r возбуждающего электрического сигнала. В результате этого взаимодействия на выходе АО модулятора 8 (слева от АО модулятора 8) и, соответственно, на входе первой линзы 10 образуется световая волна, являющаяся точной усиленной копией световой волны - принимаемого лазерного излучения, поступающего на фоточувствительную площадку фотоприемника 3 с выхода первого объектива 1. При этом оптическая частота f_m этого модулированного лазерного излучения равна сумме оптической частоты поступающего на вход АО модулятора лазерного излучения f_g и частоты F_r возбуждающего электрического сигнала:

Акустооптический модулятор 8 работает в режиме линейной модуляции. Поэтому при прохождении лазерного излучения через АО модулятор в результате линейной дифракции на выходе АО модулятора 8 помимо указанной точной копии световой волны принимаемого лазерного излучения образуются еще две световых волны: первая из них это недифрагированная и немодулированная часть лазерного излучения от формирователя пучка 7, распространяющаяся вдоль оптической оси O-O1 фиг. 1. Вторая из двух дополнительных световых волн представляет собой световую волну с оптической частотой f_m2, равной разности оптической частоты лазерного излучения f_g и частоты модулирующего сигнала:

С помощью линзы 10 и управляемого пространственного фильтра 11 осуществляется пространственная фильтрация в реальном масштабе времени промодулированного лазерного излучения с выхода АО модулятора 8.

В результате фильтрации на выход управляемого пространственного фильтра 11 и, соответственно, на второе полупрозрачное зеркало 28 поступает только отфильтрованная составляющая лазерного излучения с оптической частотой f_m=f_g+F_r, являющаяся, как было отмечено, точной усиленной копией принимаемого лазерного излучения, поступающего с выхода первого объектива 1 на фоточувствительную площадку фотоприемника 3. Данная пространственная фильтрация с помощью управляемого пространственного фильтра 11 возможна вследствие того, что указанные составляющие промодулированного лазерного излучения на выходе АО модулятора 8 имеют различную оптическую частоту и распространяются по различным пространственным направлениям. Первая линза 10 осуществляет пространственное преобразование по фурье промодулированного лазерного излучения с выхода АО модулятора 8 в когерентном свете и формирует на входе (оптическом) управляемого пространственного фильтра 11 пространственный фурье-спектр данного промодулированного лазерного излучения. Указанные световые составляющие в виде пространственного спектра в плоскости управляемого пространственного фильтра 11 пространственно разнесены и представлены (сфокусированы) в виде трех дифракционных порядков: нулевого, первого и минус первого порядка. Управляемый пространственный фильтр 11 по сигналам от блока управления и обработки 5 осуществляет фильтрацию и пропускает на выход только составляющую первого порядка, имеющую указанную оптическую частоту f_m и расположенную в определенном месте рабочей плоскости управляемого пространственного фильтра 11, в котором устанавливается оптическое пропускание проходящего излучения (первого порядка) путем перевода в открытое состояние одного или нескольких управляемых элементов (пикселей) управляемого пространственного фильтра 11, расположенных в соответствующем месте рабочей плоскости фильтра 11. В остальных участках плоскости управляемого пространственного фильтра 11 пропускание отсутствует, что и обеспечивает фильтрацию только составляющей лазерного излучения первого порядка дифракции с указанной оптической частотой f_m. Далее отфильтрованное лазерное излучение с помощью второго полупрозрачного зеркала 28 разделяется на две части и поступает на оптические входы второй линзы 13 и второго объектива 16. Второй объектив 16 переносит изображение выходной плоскости управляемого пространственного фильтра 11 на вход фотоприемного блока 17, который считывает информацию с выхода всех ячеек управляемого пространственного фильтра 11 (в виде распределения интенсивности на выходе каждого элемента). Далее полученные электрические сигналы оцифровываются в блоке управления 18 фотоприемным блоком 17 и поступают в блок управления и обработки 5. Вторая линза 13 осуществляет обратное преобразование по фурье светового потока с выхода управляемого пространственного фильтра 11 и формирует в плоскости диафрагмы 14 пучок лазерного излучения с указанной оптической частотой f_m. Диафрагма 14 выделяет из сформированного лазерного пучка составляющую, распространяющуюся строго по оптической оси, что исключает возможность изменения угла падения сформированного лазерного пучка при его дальнейшем поступлении на вход фотоприемника 3 в условиях изменения оптической частоты f_m при, например, сдвиге частоты гетеродинного лазерного излучения с помощью блока сдвига частоты 19 и при действии других факторов, например сдвига частоты принимаемого лазерного излучения за счет доплеровского эффекта. Третья линза 15, в фокусе которой расположен пропускающий элемент диафрагмы 14 - отверстие диаметром 0,2-0,3 мм - формирует параллельный оптической оси поток лазерного излучения, который далее суммируется с помощью третьего полупрозрачного зеркала 29 с гетеродинным лазерным излучением также распространяющимся строго вдоль оптической оси. Далее два указанных соосных лазерных излучения после полупрозрачного зеркала 29 поступают последовательно на первое и второе 24 и 25 сканирующие зеркала и, после отражения от первого полупрозрачного зеркала 2, поступают на фоточувствительную площадку фотоприемника 3. Таким образом, на оптический вход фотоприемника 3 поступает точная копия принимаемого лазерного излучения, имеющая оптическую частоту f_m, но значительно большую энергию (интенсивность), за счет использования при модуляции в АО модуляторе 8 энергии лазерного пучка, генерируемого лазерным генератором 6. В результате реализуется процесс усиления принимаемого лазерного излучения за счет использования энергии лазерного генератора 6, при котором коэффициент усиления может достигать очень больших значений, так как энергия лазерного генератора на много порядков может превосходить энергию принимаемого лазерного излучения. Далее осуществляется взаимодействие указанного усиленного принимаемого лазерного излучения и гетеродинного лазерного излучения, по-прежнему поступающего на фотоприемник 3 с выхода лазерного генератора 6 через указанные промежуточные элементы. Фотоприемник 3 регистрирует результат интерференции этих двух лазерных излучений (биений).На выходе фотоприемника 3 образуется электрический сигнал с разностной частотой

Частота данного электрического сигнала F_r2 равна частоте электрического сигнала F_r, сформированного на выходе фотоприемника 3 ранее при гетеродинном преобразовании исходного принимаемого лазерного излучения с выхода первого объектива 1, как это следует, если подставить в (5) значение f_m из (3). В то же время величина этого сигнала значительно превосходит уровень первого сигнала за счет значительно более высокой энергии усиленного лазерного излучения, поступающего с выхода АО модулятора на оптический вход фотоприемника 3. Далее данный усиленный электрический сигнал с частотой F_r2 с выхода фотоприемника 3 поступает в блок преобразования 4, где осуществляется предварительная обработка и фильтрация данного сигнала с помощью электрических фильтров, как это было рассмотрено выше, осуществляется демодуляция и оцифровка сигнала стандартными средствами, после чего сигнал поступает в блок управления и обработки 5 для окончательной обработки и анализа получаемой информации. Окончательное обнаружение объектов и анализ информации осуществляется с помощью именно данного второго электрического сигнала, полученного на основе усиленного в АО модуляторе лазерного излучения. Таким образом, в результате приема и обработки усиленной точной копии принимаемого лазерного излучения реализуется более высокая эффективность и чувствительность работы лазерного приемного устройства при приеме принимаемого лазерного излучения гетеродинным методом обработки и регистрации слабых оптических сигналов. После регистрации и обработки усиленного принимаемого сигнала в блоках 4 и 5 в дальнейшем усилении этого сигнала с помощью АО модулятора нет необходимости. Поэтому для прекращения процесса усиления данного сигнала осуществляется выключение пропускания соответствующей открытой ячейки в управляемом пространственном фильтре 11 по управляющим сигналам, поступающим в блок управления 12 пространственным фильтром от блока управления и обработки 5. На этом завершается процесс приема и регистрации одного импульса принимаемого лазерного излучения в предлагаемом приемном устройстве. Далее лазерное приемное устройство готово для приема следующего импульса лазерного излучения. Следует отметить, что каждый принимаемый импульс лазерного излучения при осуществлении лазерной связи может иметь внутреннюю модуляцию отдельных параметров лазерного излучения и переносит определенное количество передаваемой информации, которая демодулируется и выделяется из усиленного и обрабатываемого импульса в блоке управления и обработки 5. Рассмотрим принцип работы предлагаемого лазерного приемного устройства в лазерном локаторе, в котором данное устройство осуществляет обнаружение, прием и регистрацию коротких импульсов лазерного излучения, отраженных от наблюдаемого удаленного объекта, подсвеченного импульсным лазерным излучением от лазерного передатчика. При работе в составе указанного лазерного локатора к лазерному приемному устройству предъявляются требования высокой чувствительности, помехоустойчивости, а также требования к обеспечению оперативной компенсации доплеровского сдвига частоты принимаемого лазерного излучения и перестройки ширины полосы фильтрации принимаемого излучения. Всем указанным требованиям удовлетворяет предлагаемое лазерное приемное устройство.

Принцип функционирования лазерного приемного устройства при приеме импульсных лазерных сигналов заключается в следующем. Лазерное приемное устройство реализует метод гетеродинного приема лазерных сигналов в режиме внутренней генерации лазерного излучения на длине волны принимаемого лазерного излучения, которое генерируется в результате циркулирования сигналов по цепи обратной связи: фотоприемник 3, акустооптический модулятор 8, управляемый пространственный фильтр 11, оптический вход фотоприемника 3. При этом при отсутствии на входе приемного устройства (на входе первого объектива 1) импульса принимаемого лазерного излучения (в режиме обнаружения) внутреннее генерируемое лазерное излучение имеет известные конкретные параметры, обусловленные установленными характеристиками элементов лазерного приемного устройства, а именно: характеристиками пропускания первого и второго управляемых ослабителей 20 и 22, а также интенсивностью генерируемого лазерного излучения лазерного генератора 6. Данное внутреннее генерируемое лазерное излучение регистрируется фотоприемником 3 с помощью гетеродинного смешения с поступающим на фотоприемник 3 гетеродинным лазерным излучением, преобразуется в электрический сигнал с указанной выше разностной частотой F_r и далее поступает в электрической и цифровой форме в блок преобразования 4 и далее в блок управления и обработки 5 для запоминания и анализа. При появлении на входе лазерного приемного устройства (на входе первого объектива 1) импульса принимаемого лазерного излучения характер внутреннего генерируемого лазерного излучения изменяется, а именно: существенно увеличивается величина (амплитуда) этого генерируемого лазерного излучения. Увеличенная амплитуда импульса лазерного излучения регистрируется в блоке управления и обработки 5, в котором принимается решение об обнаружении импульса принимаемого лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта. Таким образом, в данном лазерном приемном устройстве обнаружение принимаемого излучения осуществляется в режиме приемник-генератор и решение об обнаружении производится на основе анализа уровня (величины) генерируемого внутреннего лазерного излучения, а не на основе усиленного принимаемого входного сигнала, как это осуществляется в большинстве используемых приемных лазерных устройств. Такой способ приема на основе гетеродинного метода приема лазерного излучения имеет определенные преимущества. Собственно прием лазерного излучения осуществляется следующим образом. Для приема импульса лазерного излучения на оптической частоте f, поступающего на вход первого объектива 1 и на фотоприемник 3, на фоточувствительную площадку фотоприемника 3 посредством полупрозрачного зеркала 2 поступает также гетеродинное лазерное излучение с частотой f_g, определяемое частотой лазерного излучения, генерируемого лазерным генератором 6 и величиной сдвига частоты, определяемой в блоке сдвига частоты ЛИ 19 (см. формулу 1). Фотоприемник 3 осуществляет формирование электрического сигнала, соответствующего принимаемому лазерному импульсу, с разностной частотой F_r. После усиления этого сигнала и формирования его точной оптической копии с помощью АО модулятора 8 в управляемом пространственном фильтре 11 осуществляется пространственная фильтрация промодулированного в АО модуляторе лазерного излучения, для чего осуществляется установление пропускания фильтруемого лазерного излучения в соответствующей ячейке управляемого пространственного фильтра 11, как это показано на фиг. 4. Для этого в управляемом пространственном фильтре 11 осуществляется открывание пространственной ячейки поз. 45 на фиг. 4, расположенной на расстоянии «а» от оптической оси О-O1. Это обеспечивает пропускание через плоскость управляемого пространственного фильтра 11 лазерного излучения, соответствующего пространственной частоте F_a распределения модулированного лазерного излучения, образующегося после прохождения лазерного излучения от формирователя пучка 7 через АО модулятор 8. В результате указанной фильтрации на второе полупрозрачное зеркало 28 и на вторую линзу 13 поступает лазерное излучение с оптической частотой f_m, как это было показано ранее, а составляющие с другими оптическими частотами, образующиеся при процессе модуляции в АО модуляторе 8 лазерного излучения, поступающего от формирователя пучка 7, оказываются отфильтрованными. Пространственная частота F_a модулированного лазерного излучения на выходе АО модулятора 8 (слева от плоскости АО модулятора 8 на фиг. 1) соответствует пространственной частоте ультразвуковой волны (колебаний), распространяющейся в АО модуляторе 8 и возбужденной в нем с помощью пьезоэлемента 46 под воздействием электрического сигнала с разностной частотой F_r, поступающего с выхода фотоприемника 3 в блок управления 9 АО модулятором и далее в пьезоэлемент 46 на фиг. 1. Указанная пространственная частота F_a пропорциональна частоте электрического сигнала F_r и обратно пропорциональна скорости распространения возбужденной ультразвуковой волны в АО модуляторе 8. В плоскости управляемого пространственного фильтра 11 образуется пространственный спектр модулированного лазерного излучения, сформированный в результате преобразования по фурье указанного модулированного лазерного излучения с выхода АО модулятора 8 с помощью первой линзы 10, как это было отмечено ранее. Плоскость управляемого пространственного фильтра 11 совмещена с фокальной плоскостью первой линзы 10. При этом первый порядок сформированного пространственного спектра в плоскости управляемого пространственного фильтра 11 расположен на расстоянии «а», пропорциональном величине указанного пространственного спектра F_a и величине некоторого коэффициента L, пропорционального фокусному расстоянию первой линзы 10:

(См., например, [10]). В результате открывания ячейки управляемого пространственного фильтра 11, находящейся на расстоянии «а» от оптической оси и соответствующей расположению в этом месте первого порядка сформированного пространственного спектра модулированного лазерного излучения, осуществляется фильтрация этого излучения, позволяющая далее осуществить суммирование этого лазерного излучения с гетеродинным лазерным излучением и осуществить дальнейшую регистрацию и преобразование усиленного излучения с помощью фотоприемника 3. Таким образом, в плоскости управляемого пространственного фильтра 11 расстояние положения сформированного первого дифракционного порядка лазерного излучения от оптической оси пропорционально величине частоты F_r электрического сигнала, поступающего от фотоприемника 3 на АО модулятор 8. Изменение положения открываемой ячейки 45 фиг. 4 в плоскости управляемого пространственного фильтра 11 соответствует изменению значения частоты F_r фильтруемого лазерного излучения. При этом величина фильтруемой частоты пропорциональна расстоянию «а» открываемой ячейки от оптической оси, величина (ширина) полосы частот фильтруемого лазерного излучения пропорциональна геометрической длине (размеру) открываемой ячейки вдоль линии, перпендикулярной оптической оси в плоскости управляемого пространственного фильтра 11. При открытой ячейке управляемого пространственного фильтра 11, соответствующей по ее расстоянию от оптической оси «а» величине электрической частоты фильтруемого сигнала, равной, например, F₁, лазерное приемное устройство осуществляет прием входного лазерного излучения, поступающего на вход первого объектива 1, имеющего оптическую частоту f₁, равную сумме частоты фильтруемого сигнала F₁ и оптической частоты гетеродинного лазерного излучения на выходе формирователя пучка 7, равной, как было показано, сумме оптических частот лазерного генератора 6 и величины сдвига частоты в блоке сдвига частоты ЛИ 19 , а именно:

Полученное уравнение определяет соотношение между величиной оптической частоты принимаемого лазерного излучения f₁ и определяющих ее параметров лазерного приемного устройства, изменение которых позволяет управлять данной частотой f₁ (длиной волны) приема лазерного излучения, например, при компенсации доплеровского сдвига частоты принимаемого оптического сигнала путем изменения величины сдвига частоты лазерного излучения в блоке сдвига частоты ЛИ 19. Еще раз подчеркнем, что электрическая частота F₁ фильтруемого сигнала пропорциональна пространственной частоте ультразвуковой волны, образующейся в АО модуляторе 8 и пропорциональна расстоянию «а» открытой ячейки 45 от оси O-O1 в управляемом пространственном фильтре 11: F₁=aL₂, где L₂, некоторый коэффициент пропорциональности, определяемый фокусным расстоянием линзы 10 и обратно пропорциональный коэффициенту L в соответствии с соотношением (5а) (см. выше): L₂=1/L; a=F₁L; F₁=а/L; F₁=aL₂ (главное здесь пропорциональность частоты F₁ расстоянию ячейки «а» от оси системы, как это показано на фиг. 4).

Линза 10 осуществляет преобразование по фурье лазерного излучения, промодулированного в АО модуляторе 8. Таким образом, формула (6) приобретает следующий вид:

(Коэффициент L₂ обратно пропорционален фокусному расстоянию линзы 10).

Оптическая частота принимаемого лазерного излучения f₁ определяется суммой оптической частоты гетеродинного лазерного излучения и некоторой добавки в виде частоты электрического сигнала, пропорциональной расстоянию «а» открытой ячейки 45 в управляемом пространственном фильтре 11. Это позволяет управлять величиной частоты принимаемого оптического сигнала с помощью изменения частоты сдвига ЛИ в блоке 19, а также путем изменения расстояния открытой ячейки 45 от оси O-O1 системы, т.е. путем открывания соответствующей ячейки в управляемом пространственном фильтре 11. Уравнение (7) является, таким образом, основным уравнением, определяющим оптическую частоту приема внешнего лазерного излучения в зависимости от внутренних параметров лазерного приемного устройства, т.е. лазерное приемное устройство осуществляет прием, фильтрацию и регистрацию такого внешнего лазерного излучения, оптическая частота которого f₁ соответствует уравнению (7). Следует отметить, что уравнение (7) определяет также и частоту внутреннего лазерного излучения в данном ЛПУ, инициированного поступлением на вход фотоприемника 3 внешнего принимаемого лазерного излучения на оптической частоте f₁. Оптическая частота этого внутреннего лазерного излучения совпадает и равна частоте приема внешнего лазерного излучения f₁ (см. ниже).

Ширина полосы принимаемого лазерного излучения изменяется путем изменения указанной протяженности открываемой области в плоскости управляемого пространственного фильтра 11, например, путем открытия одновременно двух и более ячеек, расположенных рядом. Таким образом, при поступлении на оптический вход первого объектива 1 принимаемого лазерного излучения (импульса) с оптической частотой f1 и одновременно при открытой ячейке в управляемом пространственном фильтре 11, находящейся на расстоянии «а» от оптической оси, что соответствует фильтрации лазерного излучения, усиленного в АО модуляторе 8 и промодулированного частотой F₁, в приемном устройстве осуществляется усиление этого лазерного принимаемого излучения, при условии если на оптический вход АО модулятора 8 с выхода формирователя пучка 7 поступает лазерное излучение с оптической частотой, равной сумме оптической частоты излучения, генерируемого лазерным генератором 6 и величины сдвига лазерного излучения в блоке сдвига частоты ЛИ 19 в соответствии с (7). Далее это усиленное лазерное излучение циркулирует по замкнутому кольцу от фотоприемника 3 до АО модулятора 8 и далее снова на вход фотоприемника 3 и на каждом цикле будет существенно увеличиваться интенсивность данного излучения до момента закрытия указанной ячейки в управляемом пространственном фильтре 11 на расстоянии «а» от оптической оси. Таким образом, при наличии на входе первого объектива 1 принимаемого лазерного излучения с частотой f1 в предлагаемом лазерном приемном устройстве реализуется режим внутренней генерации, обусловленной (инициированной) принимаемым лазерным излучением. При этом данное принимаемое внешнее лазерное излучение подвергается очень большому усилению, так как энергия для усиления черпается от энергии генерации лазерного излучения лазерного генератора 6. Указанное внутреннее генерируемое лазерное излучение, зарегистрированное фотоприемником 3 и преобразованное в импульсный электрический сигнал с выхода фотоприемника поступает в блок преобразования 4 и далее в блок управления и обработки 5 для дальнейшей обработки и анализа. Следует отметить, что оптическая частота указанного внутреннего генерируемого лазерного излучения определяется уравнением (7), также, как и частота приема внешнего лазерного излучения, и равна величине f₁. Далее рассмотрим режим внутренней генерации при отсутствии на входе объектива 1 принимаемого лазерного излучения. В этом случае внутренняя генерация ЛИ осуществляется от уровня шумов лазерного излучения на входе фотоприемника 3 в оптической полосе лазерного излучения, определяемого расстоянием «а» на фиг. 4 открытой ячейки 45 управляемого пространственного фильтра 11, как это было отмечено выше. Уровень данного генерируемого ЛИ, которое назовем нулевым уровнем, определяется установленными параметрами элементов пропускания лазерного излучения, а именно: величиной пропускания первого и второго ослабляющих фильтров 20 и 22, пропусканием открытой ячейки в управляемом пространственном фильтре 11, а также интенсивностью лазерного излучения, генерируемого лазерным генератором 6. Следует отметить, что открываемая ячейка в управляемом пространственном фильтре 11 работает в импульсно-периодическом режиме, при котором открывание ячейки осуществляется на некоторое короткое время t, далее осуществляется короткий режим закрытия ячейки, во время которого происходит обнуление генерируемого лазерного излучения. Далее вновь осуществляется режим открывания ячейки на промежуток времени t и генерация внутреннего ((нулевого) лазерного излучения при отсутствии на входе первого объектива 1 принимаемого лазерного излучения. Таким образом, реализуется режим периодического генерирования и срыва лазерного излучения на оптической длине волны f₁, определяемой указанным выше уравнением (7) и установленными параметрами элементов лазерного приемного устройства. Данное внутреннее нулевое лазерное излучение регистрируется фотоприемным блоком 17 с выхода управляемого пространственного фильтра 11. Регистрируемые фотоприемным блоком импульсы данного лазерного излучения поступают с выхода фотоприемного блока 17 через блок управления 18 в блок управления и обработки 5 для дальнейшего анализа и запоминания. Основной характеристикой данного нулевого генерируемого излучения является интенсивность входного шумового оптического сигнала, при которой начинается генерация данного нулевого лазерного излучения при установленных параметрах пропускания управляемого ослабителя 22 и открытой ячейки управляемого пространственного фильтра 11. Можно утверждать, что при некотором уровне интенсивности гетеродинного лазерного излучения на оптическом входе фотоприемника 3 на оптической частоте (длине волны) f_g, генерируемого лазерным генератором 6 и определяемого блоком сдвига 19, , генерация указанного нулевого внутреннего лазерного излучения на оптической частоте f₁ начинается от минимального уровня Е₀, содержащего всего несколько шумовых фотонов на указанной частоте. Действительно, на входе фотоприемника 3 присутствуют фотоны гетеродинного лазерного излучения, генерируемого лазерным генератором и блоком 19 на оптической частоте f_g, и отсутствуют генерируемые фотоны на оптической частоте f₁ и в полосе приема входного лазерного излучения. Фотоны с оптической частотой f₁ могут возникать лишь в результате взаимодействия гетеродинных фотонов с частотой f_g с флуктуациями вакуума, при которых возможен переход реальных фотонов гетеродинного лазерного излучения в виртуальную форму и одновременный обменный переход виртуальных фотонов в реальную форму с оптической частотой f₁. Однако вероятность такого процесса весьма мала. Поэтому за время открывания t ячейки в управляемом пространственном фильтре 11 возможно возникновение лишь одного или нескольких реальных шумовых фотонов в полосе приема входного лазерного излучения на оптической частоте f₁. После возникновения одного или нескольких фотонов, образующих лазерный шумовой сигнал (импульс) Е₀, происходит взаимодействие этого сигнала с гетеродинным лазерным излучением, имеющим оптическую частоту f_g. В результате на выходе фотоприемника 3 образуется электрический сигнал с соответствующей частотой, который далее, как рассмотрено выше, поступает в АО модулятор 8 и далее осуществляется его усиление за счет энергии лазерного излучения от генератора 6 и осуществляется, таким образом, генерация указанного внутреннего нулевого генерируемого излучения, начинающаяся от флуктуаций шумового лазерного излучения на входе фотоприемника 3, содержащего один или несколько фотонов с оптической частотой f₁. Следует отметить, что данный сформированный под воздействием шумовых фотонов электрический сигнал по своему уровню превосходит уровень собственных электрических шумов усилителя и электронной схемы фотоприемника 3 при определенном выбранном уровне гетеродинного лазерного излучения. Действительно величина электрического сигнала на выходе фотоприемника 3, обусловленного принимаемым оптическим сигналом на оптическом входе фотоприемника при гетеродинном методе приема пропорциональна произведению коэффициента преобразования k фотоприемником 3 входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал на произведение уровней (интенсивностей) гетеродинного лазерного излучения E_g и уровня шумового лазерного сигнала Е₀: kE_gE₀. При установлении достаточно большого уровня интенсивности гетеродинного лазерного излучения E_g, поступающего на оптический вход фотоприемника 3, величина указанного электрического сигнала на выходе фотоприемника 3, пропорциональная данному произведению kE_gE₀, превзойдет уровень собственных электронных шумов на выходе фотоприемника 3, даже при минимальном уровне шумового лазерного сигнала Е₀, содержащего один или несколько фотонов. В этом случае собственные шумы электронной схемы и фотоприемника не будут оказывать влияние на уровень генерируемого нулевого лазерного излучения, который будет определятся только уровнем указанного минимального шумового оптического излучения на оптическом входе фотоприемника 3 на оптической частоте f₁ в полосе принимаемого входного лазерного излучения. При этом указанный уровень входного шумового оптического излучения, содержащего один или несколько шумовых фотонов с оптической частотой f₁, определяет чувствительность предлагаемого лазерного приемного устройства. При поступлении на вход фотоприемника 3 принимаемого лазерного излучения с оптической частотой f₁ и интенсивностью E₁, равной интенсивности Е₀ минимального шумового сигнала, т.е. принимаемого лазерного излучения, содержащего один или несколько сигнальных фотонов, будет происходить генерация внутреннего лазерного излучения значительно более увеличенного уровня, по сравнению с уровнем внутренней генерации, обусловленной и начинающейся только от уровня минимального шумового сигнала Е₀, вследствие того, что в данном случае внутренняя генерация начинается от более высокого уровня входного сигнала, равного сумме Е₀+E₁. Генерация такого увеличенного уровня с высокой вероятностью определяется (обнаруживается) в блоке управления и обработки 5, путем сравнения с уровнем ранее зарегистрированного уровня внутренней генерации на основе шумового сигнала Е₀. Соответственно при еще более высоком уровне интенсивности входного принимаемого лазерного излучения (импульсного сигнала) E₁ превышение уровня внутренней генерации будет более значительным и будет характеризоваться более высокой скоростью нарастания. Таким образом, при определенном достаточно большом уровне гетеродинного лазерного излучения на входе фотоприемника 3, в предлагаемом лазерном приемном устройстве реализуется высокий уровень чувствительности, характеризующийся величиной энергии (интенсивности) входного принимаемого излучения Е₁, содержащего один или несколько сигнальных фотонов и приближающийся к уровню чувствительности, ограниченной квантовым пределом - дискретной природой лазерного излучения. На этапе обнаружения в блоке управления и обработки 5 внутренней генерации лазерного излучения с уровнем генерации, более высоким, чем нулевой уровень генерации, завершается процедура обнаружения принимаемого импульсного лазерного излучения, поступающего на оптический вход объектива 1. При приеме непрерывного принимаемого лазерного излучения процедура обнаружения осуществляется для каждого элементарного момента времени путем непрерывного сравнения уровня текущего внутреннего генерируемого лазерного излучения с запомненным уровнем нулевого внутреннего лазерного излучения, генерируемого при заведомом отсутствии принимаемого лазерного излучения на входе объектива 1. При этом уровень интенсивности внутреннего генерируемого лазерного излучения считывается фотоприемным блоком 17 и поступает в блок управления и обработки 5 с выхода блока 18, осуществляющего оцифровку интенсивности лазерных сигналов, поступающих с каждого из чувствительных элементов фотоприемного блока 17. Уровень внутреннего генерируемого лазерного излучения, обусловленного открытой ячейкой 45 в управляемом пространственном фильтре 11, считывается (регистрируется) соответствующим чувствительным элементом в фотоприемном блоке 17. Одновременно в блоке преобразования 4 осуществляется предварительная обработка внутреннего генерируемого лазерного излучения, поступающего с выхода фотоприемника 3 в форме электрического сигнала, с частотой F₁. В результате осуществляется фильтрация электрического сигнала с помощью дискретных электрических фильтров, демодуляция и оцифровка отфильтрованных сигналов, поступающих далее в блок управления и обработки 5 для анализа и сравнения с запомненными ранее сигналами, характеризующими внутреннее генерируемое лазерное излучение. Использование двух видов регистрации внутреннего лазерного излучения и, соответственно, двух видов обработки зарегистрированного внутреннего лазерного излучения позволяет обеспечить более высокий уровень вероятности обнаружения импульсов входного принимаемого лазерного излучения и более высокую чувствительность предлагаемого приемного устройства. Следует отметить, что в данном предлагаемом приемном устройстве возможна реализация ряда специальных алгоритмов приема и обработки лазерного излучения, направленных на увеличение эффективности работы лазерных систем локации и лазерной связи. Для повышения вероятности обнаружения импульсов принимаемого лазерного излучения в данном лазерном приемном устройстве возможна реализация двухканального приема лазерных излучений, при котором в одном из каналов осуществляется прием поступающего внешнего лазерного излучения изложенным выше методом на некоторой заданной входной оптической частоте f₁. В другом канале на несколько различающейся оптической частоте f₂, на которой заведомо отсутствует принимаемое лазерное излучение, осуществляется регистрация внутреннего нулевого лазерного излучения, также изложенным выше методом, уровень которого обусловлен только собственными входными шумовыми фотонами, а также уровнем возможного внешнего фонового или помехового излучения. Для реализации этого метода приема в управляемом пространственном фильтре 11 по сигналам от блока управления 12 осуществляется открывание дополнительной второй ячейки пропускания поз. 47 на фиг. 4. Данная ячейка 47 находится, например, на расстоянии b от оптической оси в области отрицательных дифракционных порядков, что определяет формирование (генерацию) внутреннего лазерного излучения с помощью этой ячейки, частота которого будет отличаться от частоты принимаемого лазерного излучения и будет равна f₂=f_g-F₂, где f_g - оптическая частота гетеродинного лазерного излучения, a F₂ - частота модуляции в АО модуляторе 8, возникающая вследствие внутренней генерации, обусловленной открытой ячейкой 47 и пропорциональная расстоянию b этой открытой ячейки 47 от оптической оси O-O1 на фиг. 4. При этом расстояние а не равно расстоянию b. Для данной выбранной частоты F₂ и оптической частоты f₂ не выполняется уравнение приема (7) для принимаемого входного лазерного излучения на оптической частоте f₁. Поэтому наличие или отсутствие принимаемого лазерного излучения не сказывается на параметрах внутреннего генерируемого лазерного излучения на частоте f₂, обусловленного открытой ячейкой 47. Таким образом внутреннее лазерное излучение, обусловленное открытой второй ячейкой 47 на оптической частоте f₂, характеризует уровень шумовых фотонов на входе фотоприемника 3 на этой выбранной оптической частоте. Данный уровень шумовых фотонов в первом приближении будет эквивалентен уровню шумов на оптической частоте принимаемого лазерного излучения и далее используется в блоке управления и обработки 5 в качестве эталонного уровня внутреннего нулевого лазерного излучения при сравнении и обнаружении импульсов принимаемого лазерного излучения. Указанный уровень внутреннего нулевого лазерного излучения, прошедшего через открытую ячейку 47, считывается (регистрируется) фотоприемным блоком 17 в соответствующем чувствительном элементе блока 17, и далее поступает на вход блока 5 управления и обработки. В последнем осуществляется сравнение уровня генерируемого внутреннего лазерного излучения, обусловленного уровнем импульса принимаемого лазерного излучения, и уровня внутреннего нулевого лазерного излучения, зарегистрированного фотоприемным блоком 17 и соответствующего открытой ячейке 47. На основании сравнения указанных уровней внутренних генерируемых лазерных излучений в блоке управления и обработки 5 выносится решение о наличии на оптическом входе фотоприемника 3 принимаемого лазерного излучения на оптической частоте f₁. Данное решение принимается при некотором небольшом превышении уровня внутреннего генерируемого лазерного излучения, обусловленного открытой ячейкой 45 в управляемом пространственном фильтре 11, над уровнем нулевого генерируемого лазерного излучения, обусловленного открытой ячейкой 47 в фильтре 11. Величина такого превышения, достаточная для принятия решения о регистрации и приеме одного или нескольких фотонов принимаемого внешнего лазерного излучения, определяется из теоретических расчетов, или может определятся экспериментально при приеме с помощью данного лазерного приемного устройства калиброванного тест-сигнала, содержащего известное заданное количество сигнальных фотонов на оптической частоте f₁. См., например, [10]. Следует отметить, что при приеме внешнего лазерного излучения указанными методами осуществляется периодическое выключение генерируемого внутреннего лазерного излучения путем закрывания открытой ячейки 45 (а также 47) в управляемом пространственном фильтре 11. При этом осуществляется срыв (прекращение) генерации соответствующего внутреннего лазерного излучения. Далее осуществляется открывание ячейки 45 и ячейки 47 и происходит генерация внутреннего лазерного излучения рассмотренным выше способом на оптических частотах f₁ и f₂, обусловленных расстояниями указанных открытых ячеек от оптической оси системы а и b, как это показано на фиг. 4. Таким образом, работа лазерного приемного устройства осуществляется следующим способом. Периодически осуществляется открывание ячеек 45 и 47 в управляемом пространственном фильтре 11 на некоторый короткий промежуток времени Т1. В конце этого промежутка времени осуществляется регистрация уровней генерируемого лазерного излучения в открытых ячейках 45 и 47 с помощью фотоприемного блока 17. Далее осуществляют закрытие открытых ячеек 45 и 47 на короткое время, достаточное для прекращения (срыва) генерации внутреннего лазерного излучения, и вновь открывают ячейки 45 и 47 на время указанного короткого промежутка времени Т1. При этом в блоке 5 управления и обработки осуществляют сравнение уровней генерации внутреннего лазерного излучения в конце периода открытия ячеек 45 и 47 и выносят решение о наличии на входе фотоприемника 3 сигнальных фотонов принимаемого лазерного излучения в период промежутка времени Т1. Далее автоматически продолжается указанный режим работы лазерного приемного устройства. Таким образом, лазерное приемное устройство позволяет осуществить прием импульсов лазерного излучения в период времени открывания ячеек 45 и 47, когда осуществляется генерация внутренних лазерных излучений. Непрерывное лазерное входное излучение принимается дискретными порциями в моменты открытия ячеек 45 и 47. При этом в блоке 5 управления и обработки осуществляется регистрация огибающей принимаемого внешнего лазерного излучения, поступающего на вход фотоприемника 3. Можно отметить, что в момент закрытия ячеек 45 и 47 во время отсутствия (срыва) внутренней генерации невозможно осуществить прием короткого лазерного импульса, поступившего в этот момент времени на вход фотоприемника 3. Если такое весьма кратковременное выключение приема внешних импульсных лазерных сигналов недопустимо по требованиям эксплуатации, то в данном лазерном приемном устройстве предусмотрена возможность двухканального приема коротких импульсных лазерных сигналов и лазерных излучений. Для осуществления двухканального режима приема одного и того же принимаемого лазерного излучения на оптической частоте f₁ в блоке сдвига частоты ЛИ 19 осуществляют сдвиг поступающего лазерного излучения от лазерного генератора 6 сразу на две величины, в результате чего на выходе блока 19 образуются два гетеродинных лазерных излучения на различающихся на заданную величину оптических частотах. В результате фотосмешения входного принимаемого лазерного излучения с двумя гетеродинными лазерными излучениями на двух различных оптических частотах на выходе фотоприемника 3 образуются также два электрических сигнала биений на двух различающихся радиочастотах. Данные два сигнала раздельно преобразуются и усиливаются в блоке преобразования 4 с помощью отдельных электрических фильтров и поступают далее в оцифрованной форме в блок 5 для дальнейшей обработки и анализа. Одновременно два указанных электрических сигнала с выхода фотоприемника 3 через блок управления 9 поступают на управляющий вход акустооптического модулятора 8, который работает в линейном режиме и осуществляет преобразование данных электрических сигналов в распределение лазерного излучения, аналогично рассмотренному выше преобразованию одного электрического сигнала на частоте f₁ с выхода фотоприемника 3. В управляемом пространственном фильтре 11 осуществляют открывание двух ячеек, соответствующих величинам частот двух электрических сигналов, поступивших на управляющий вход АО-модулятора 11, например ячеек поз. 45 и поз. 47 на фиг. 4. В результате при открывании ячеек 45 и 47 осуществляется генерация двух внутренних лазерных излучений на двух различающихся оптических частотах, как это было изложено выше. При этом данные два генерируемых внутренних лазерных излучения, обусловленные открытыми ячейками 45 и 47, являются совершенно независимыми одно от другого и развиваются независимо, но обусловлены одним и тем же входным импульсным принимаемым лазерным излучением на входе фотоприемника 3. Закрывание ячеек 45 и 47 для периодического прекращения генерации внутреннего лазерного излучения осуществляют периодически, но со сдвигом по времени на некоторую фиксированную величину. При этом момент времени закрытия одной из ячеек приходится на середину промежутка времени пребывания другой ячейки в открытом состоянии, и наоборот. Таким образом, не существует момента времени, при котором бы обе ячейки находились в закрытом состоянии. Это обеспечивает непрерывное время приема импульсов принимаемого лазерного излучения и отсутствие даже малых промежутков времени отсутствия приема внешнего лазерного излучения. В рассмотренном варианте работы ЛПУ ячейка 47 используется для приема входного лазерного излучения так же, как и ячейка 45. Для формирования внутреннего опорного лазерного излучения, как это было изложено выше, используется периодическое открывание дополнительно третьей ячейки в управляемом пространственном фильтре 11 (на фиг. 4 не показано).

Следует отметить, что в предлагаемом лазерном приемном устройстве возможно осуществление приема двух и более внешних лазерных излучений на различающихся оптических частотах, т.е. возможен многоканальный режим работы ЛПУ. При этом в управляемом пространственном фильтре 11 осуществляется периодическое открывание нескольких ячеек, соответствующих оптическим частотам формируемых внутренних лазерных излучений, обусловленных оптическими частотами принимаемых каналов внешнего лазерного излучения и оптической частотой (или несколькими частотами) гетеродинного лазерного излучения, генерируемого лазерным генератором 6. Соответственно, в этом случае в блоке преобразования 4 используются соответствующее количество электрических спектральных фильтров промежуточных частот. Для осуществления сдвига оптической частоты лазерного излучения от лазерного генератора 6, например, на две различающиеся частоты в блоке сдвига частоты ЛИ 19 в блоке управления 35 АО-модулятором 34 предусмотрено синтезирование и генерация одновременно нескольких электрических сигналов на заданных частотах.

В предлагаемом лазерном приемном устройстве предусмотрена возможность компенсации рассогласования волновых фронтов гетеродинного лазерного излучения, поступающего на фоточувствительную площадку фотоприемника 3 после отражения от первого полупрозрачного зеркала поз. 2, и входного принимаемого лазерного излучения, поступающего на указанную фоточувствительную площадку фотоприемника 3 с выхода объектива 1 через полупрозрачное зеркало 2. Для согласования указанных волновых фронтов служат первое и второе сканирующие зеркала 24 и 25. Под воздействием пьезоэлементов, входящих в состав зеркал 24, 25, по сигналам от блоков управления 26 и 27, управляемых также от блока управления и обработки 5, осуществляется изменение положения в пространстве плоскостей зеркал 24 и 25. При этом происходит изменение пространственного направления вектора распространения гетеродинного лазерного излучения при падении данного лазерного излучения на фоточувствительную площадку фотоприемника. Направление данного вектора гетеродинного лазерного излучения изменяется в некоторых небольших пределах относительно нормали к плоскости фоточувствительной площадки фотоприемника 3. Уровень электрического сигнала промежуточной частоты на выходе фотоприемника 3 на соответствующей частоте биений будет максимальным при параллельности указанного вектора распространения гетеродинного лазерного излучения и направления волнового вектора принимаемого лазерного излучения при падении этих излучений на фоточувствительную площадку фотоприемника 3. Уровень внешнего принимаемого излучения контролируется в конечном итоге в блоке 5 управления и обработки, в котором вырабатываются также сигналы управления для изменения положения (сканирования) сканирующих зеркал 24 и 25. Таким образом, в предлагаемом ЛПУ в процессе осуществления приема внешнего лазерного излучения осуществляется подстройка положения зеркал 24, 25 для достижения максимальной величины уровня сигнала биений, регистрируемого в блоке 5 управления и обработки. При этом данный сигнал биений регистрируется в момент времени закрытия ячеек 45 и 47 и соответствует моменту времени оценки уровня внутреннего генерируемого лазерного излучения, обусловленного уровнем принимаемого внешнего ЛИ на входе фотоприемника 3. В этом случае осуществляется динамическая компенсация возможного рассогласования волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений. Каждое из сканирующих зеркал 24 и 25 осуществляет изменение угла падения гетеродинного лазерного излучения на плоскость приемной фоточувствительной площадки фотоприемника 3 в двух ортогональных плоскостях, перпендикулярных указанной плоскости фотоприемника 3.

В предлагаемом лазерном приемном устройстве реализуется возможность компенсации доплеровского сдвига частоты принимаемого лазерного излучения при приеме лазерных локационных сигналов, отраженных от движущегося космического объекта, а также при осуществлении лазерной связи с движущимся объектом. Компенсация осуществляется с помощью блока сдвига частоты лазерного излучения 19, в котором под воздействием управляющих сигналов от блока 5 управления и обработки осуществляется изменение величины частотного сдвига, вносимого указанным блоком 19 в проходящее гетеродинное лазерное излучение от лазерного генератора 6. Величина и направление изменения частотного сдвига выбираются такими, чтобы скомпенсировать изменение оптической частоты принимаемого лазерного излучения под воздействием указанного доплеровского сдвига. При этом частота электрического сигнала биений на выходе фотоприемника 3 остается неизменной. Величина сдвига частоты принимаемого лазерного излучения оценивается по величине сдвига частоты электрического сигнала биений и определяется по смещению отметки соответствующего спектрального порядка в фокальной плоскости линзы 10, осуществляющей формирование пространственного спектра сформированного на выходе фотоприемника 3 электрического сигнала биений, как это было показано выше. Для регистрации указанного спектрального порядка, соответствующего частоте биений f₁, в управляемом пространственном фильтре 11 осуществляется открывание нескольких рядом расположенных ячеек, в районе вероятного расположения и возможных смещений положения данного спектрального порядка, соответствующего начальной величине частоты f₁, и передача этой информации в блок 5 управления и обработки, в котором на основе изменения величины смещения спектрального порядка относительно его предыдущего положения вырабатывается управляющий сигнал, поступающий в блок сдвига частоты 19 для осуществления компенсации доплеровского сдвига частоты в принимаемом лазерном излучении.

В предлагаемом лазерном приемном устройстве возможны различные режимы приема лазерных сигналов локации и связи, обеспечивающие реализацию высокой чувствительности, приближающейся к предельной квантовой чувствительности и обнаружения однофотонных импульсов лазерного излучения. При этой высокой чувствительности одновременно реализуется высокая помехозащищенность данного ЛПУ по отношению к внешним фоновым засветкам, приближающейся к предельно высокой помехозащищенности квантового усилителя - активного квантового фильтра см. [4]. Высокая помехозащищенность ЛПУ обеспечивается узкополосной фильтрацией электрического сигнала в блоке преобразования 4 с помощью стандартных узкополосных электрических фильтров, а также узкополосной пространственной фильтрацией модулированного лазерного излучения с выхода акустооптического модулятора 8, которая осуществляется с помощью управляемого пространственного фильтра 11. При этом полоса пропускаемых (фильтруемых) пространственных частот, соответствующая полосе электрического сигнала, поступающего на АО-модулятор 8 с выхода фотоприемника 3, определяется размером одной пропускающей излучение ячейки (пикселя) в пространственном фильтре 11, и может быть реализована весьма небольшой путем соответствующей технологии изготовления управляемого пространственного фильтра. Следует отметить возможность изменения ширины полосы фильтрации в управляемом пространственном фильтре 11 путем, например, открывания одновременно нескольких рядом расположенных ячеек, а также изменения (перестройки) величины принимаемой и, соответственно, фильтруемой оптической частоты принимаемого лазерного излучения (оптического импульсного или непрерывного сигнала) с помощью блока сдвига частоты лазерного излучения 19, как это было показано выше на примере компенсации доплеровского сдвига оптической частоты принимаемого лазерного излучения. Данной возможностью не обладают фиксированные оптические интерференционные фильтры. Высокая чувствительность ЛПУ реализуется в результате использования специального режима приема лазерных импульсных или непрерывных сигналов, при котором усиление принимаемого лазерного сигнала осуществляется путем преобразования в модулированный лазерный сигнал, использования энергии специального дополнительного лазерного генератора (гетеродина) и возбуждения внутреннего лазерного излучения (сигнала), уровень которого непосредственно связан с уровнем оптического фона в узкой спектральной полосе приема, реализуемой, как показано выше, в данном предлагаемом лазерном приемном устройстве. При этом уровень оптического фона (собственного) в данной узкой спектральной полосе на оптической частоте приема соответствует нескольким шумовым фотонам. Это позволяет при небольшом отношении сигнал/шум на входе фотоприемника 3 (порядка 2-3 единиц) реализовать чувствительность ЛПУ порядка нескольких фотонов на входе в указанной узкой спектральной полосе приема лазерных излучений и сигналов на оптической частоте приема f1.

В предлагаемом ЛПУ режимы приема лазерных локационных сигналов и сигналов лазерной связи устанавливаются и изменяются путем подбора и установления необходимых уровней гетеродинного лазерного излучения (сигнала), поступающего на оптический вход фотоприемника 3 через второй управляемый ослабитель 22, а также уровня модулированного и отфильтрованного лазерного излучения (сигнала), поступающего на вход фотоприемника 3 с выхода управляемого пространственного фильтра 11 через диафрагму 14, линзу 15 и последующие элементы. При этом указанные уровни лазерных сигналов (излучений) изменяются и устанавливаются путем изменения пропускания в отдельных ячейках управляемого пространственного фильтра 11 и с помощью изменения пропускания во втором управляемом ослабителе лазерного излучения 22. Общий уровень лазерного излучения, генерируемого лазерным генератором 6 и поступающего на оптический вход АО-модулятора 8 и на вход второго управляемого ослабителя 22 регулируется и устанавливается с помощью первого управляемого ослабителя 20. В результате изменения соотношений между указанными лазерными излучениями и уровнем общего гетеродинного излучения, поступающего на оптический вход фотоприемника 3, возможно изменение скорости нарастания внутреннего генерируемого лазерного излучения в цепи обратной связи, реализация чувствительности ЛПУ, приближающейся к квантовому пределу чувствительности при использовании гетеродинного метода приема лазерных сигналов.

В предлагаемом лазерном приемном устройстве использованы элементы и узлы, освоенные современной промышленностью. Акустооптический модулятор 8 выполнен на основе акустооптической ячейки из кристалла, обладающего прозрачностью в соответствующем диапазоне оптического спектра и содержащего пъезоэлемент поз. 46, выполняющий функцию возбуждения ультразвуковых колебаний. В акустооптической ячейке - кристалле - под воздействием поступающего с выхода фотоприемника 3 электрического сигнала возбуждаются ультразвуковые волны, взаимодействующие с лазерным излучением от лазерного генератора 6. В настоящее время существует большое количество различных кристаллических материалов, имеющих прозрачность в широком диапазоне длин волн от видимого до среднего инфракрасного диапазона, используемых для создания акустооптических модуляторов лазерного излучения, например парателлурит, кристаллический кварц и т.п. Информация о принципах работы и конструкции акустооптических модуляторов изложена в монографиях [11-12]. В предлагаемом ЛПУ вместо АО-модулятора поз. 8 для оперативной модуляции лазерного излучения от лазерного генератора можно также использовать электрооптический модулятор, например, на основе Дигидрофосфата калия, или на основе других кристаллов, обладающих электрооптическим эффектом в соответствующих диапазонах длин волн [12]. Одновременно в предлагаемом ЛПУ блок сдвига частоты лазерного излучения выполнен также на основе акустооптической ячейки, содержащей акустооптический кристалл, обладающий акустооптическим эффектом и прозрачностью в соответствующем оптическом диапазоне длин волн, в котором работает используемый лазерный генератор. Блок сдвига частоты на основе акустооптической ячейки обладает высоким быстродействием и высокой точностью сдвига частоты проходящего лазерного излучения, так как в составе блока управления АО-ячейкой содержится цифровой электрический синтезатор частоты управляющего сигнала для АО-ячейки, обеспечивающий высокую точность формирования заданной частоты управляющего сигнала и, соответственно, высокую точность сдвига частоты лазерного излучения на заданную величину. Это обеспечивает высокую точность и оперативность компенсации доплеровского сдвига и слежения за движущимся космическим объектом. Блок сдвига частоты 19 работает следующим образом. Под воздействием управляющего сигнала от блока управления 35 АО-ячейкой 34 в последней возбуждаются ультразвуковые волны с частотой, определяемой частотой указанного управляющего сигнала. Возбуждение ультразвуковых волн осуществляется с помощью пьезоэлемента 36, находящегося в контакте с кристаллом АО-ячейки 34. Проходящее через АО-ячейку лазерное излучение получает частотный сдвиг на величину частоты ультразвуковой волны. Далее с помощью линзы 37 промодулированное лазерное излучение, в котором осуществлен сдвиг оптической частоты на заданную величину, направляется на плоскость осевой диафрагмы 38, имеющей размер пропускающей (точечной) области порядка 0,1-0,2 мм. Данная осевая диафрагма выделяет из лазерного излучения составляющую, распространяющуюся точно вдоль оптической оси системы. Диафрагма 38 находится и совмещена с фокальной плоскостью линзы 39, которая формирует на выходе блока сдвига частоты в плоскости выходной диафрагмы 40 пучок лазерного излучения со сдвинутой на заданную величину частотой, распространяющийся вдоль оптической оси и не изменяющий своего направления распространения при изменении частоты сдвига лазерного излучения. В настоящее время промышленностью освоены устройства сдвига частоты лазерного излучения на величину порядка 10 Гигагерц, что достаточно для осуществления компенсации доплеровского сдвига частоты при осуществлении лазерной локации и космической связи с современными космическими аппаратами в ближнем и дальнем космосе. Материалы о работе и характеристиках акустооптических ячеек в режиме сдвига частоты лазерного излучения содержатся в указанных монографиях и работах [11-13].

В предлагаемом лазерном приемном устройстве в качестве управляемого пространственного фильтра может быть использован многоэлементный матричный электрооптический модулятор (затвор) пропускающего типа, выполненный на основе жидкокристаллической матрицы с управляющими независимо электрически адресуемыми элементами. В настоящее время такие управляемые оптические матрицы выпускаются промышленностью и широко применяются в различных устройствах оптоэлектроники, например, в дисплеях для отображения и оперативной обработки оптических сигналов и информации. Возможно также использование электронно-лучевых светомодулирующих трубок с электрооптическими кристаллами [14]. Следует отметить, что матричный электрооптический модулятор осуществляет открывание каждой из своих ячеек на короткий промежуток времени, определяемый длительностью управляющего сигнала, поступающего на данную ячейку от блока управления 12 пространственным фильтром 11. Одновременно в заданных пределах изменяется и устанавливается величина пропускания лазерного излучения через открытую ячейку управляемого пространственного фильтра 11. В качестве управляемых ослабителей 22 и 20 использованы управляемые электрооптические модуляторы лазерного излучения, обеспечивающие уменьшение интенсивности проходящего лазерного излучения под воздействием управляющего сигнала, формируемого соответствующим блоком управления. Возможно использование управляемого одноэлементного модулятора света на основе жидких кристаллов, а также использование ослабителей света на основе управляемых диафрагм, механически перекрывающих поток лазерного излучения. Следует отметить, что первый управляемый ослабитель поз. 20 может также выполнять функцию периодического прекращения (срыва) генерации внутреннего лазерного излучения в цепи обратной связи ЛПУ, для чего на короткое время осуществляется полное перекрывание лазерного излучения, проходящего через данный ослабитель от лазерного генератора 6, под воздействием соответствующих управляющих сигналов (импульсов), сформированных в блоке управления ослабителем 21 по управляющим сигналам от блока 5 управления и обработки.

В качестве фотоприемника 3 могут быть использованы любые типы фотоприемников, выпускаемых промышленностью, работающие на соответствующей длине волны и в диапазоне длин волн, в котором предполагается использование лазерного приемного устройства. В качестве фотоприемного блока 17 может быть использован многоэлементный матричный фотоприемник, работающий в диапазоне длин волн генерации лазерного генератора 6. В качестве лазерного генератора могут быть использованы различные типы лазеров, обладающих достаточно узкой шириной полосы генерации лазерного излучения, достаточной для использования в качестве лазерного гетеродина в приемных устройствах с гетеродинным методом приема лазерных сигналов. В качестве лазерных гетеродинов могут быть использованы все виды газовых лазеров, обладающих узкой линией генерации, а также некоторые современные полупроводниковые лазеры, работающие в одномодовом (одночастотном) режиме, или использующие специальные методы сужения полосы генерации лазерного излучения. В настоящее время промышленностью освоены малогабаритные узкоспектральные газовые и полупроводниковые лазеры, работающие в видимом, ближнем и среднем инфракрасном диапазонах длин волн и пригодные для использования в качестве лазерных гетеродинов. Это делает перспективным использование предлагаемого ЛПУ в системах лазерной локации и связи. Современная элементная база оптоэлектроники, включает фотоприемники различных типов, работающих в широком диапазоне длин волн от видимого до инфракрасного диапазона, а также лазерные генераторы в указанных диапазонах и средства акустооптической и электрооптической модуляции лазерного излучения. Это позволяет реализовать на основе современной технологии предлагаемое приемное устройство, эффективно работающее в указанном широком диапазоне длин волн от видимого до инфракрасного диапазонов.

В качестве блока управления и обработки 5 использована стандартная персональная ЭВМ с соответствующими интерфейсами для связи и управления отдельными элементами ЛПУ, содержащая также дисплей для отображения информации. В качестве блока преобразования 4, выполняющего стандартные функции в методе приема и обработки оптических сигналов гетеродинным методом, использованы стандартные, выпускаемые промышленностью электронные блоки и узлы радиодиапазона, к которым относятся смеситель и гетеродин радиодиапазона, блок электронных фильтров и демодуляторов, блок оцифровки.

По материалам представленной заявки разработан экспериментальный образец лазерного приемного устройства и проведены исследования работы данного ЛПУ, результаты которых представлены на фиг. 5 и фиг. 6. На фиг. 5 представлено изображение пространственного спектра генерируемого внутреннего лазерного излучения, сформированного в когерентном лазерном излучении лазерного генератора 6 с помощью первой линзы 10 в фокальной плоскости данной линзы, совмещенной, как было выше отмечено, с входной плоскостью управляемого пространственного фильтра 11. Изображение получено с помощью дополнительно установленного полупрозрачного зеркала между линзой 10 и управляемым пространственным фильтром. Данное зеркало отклоняло часть излучения на вход фотоаппарата с объективом, который зарегистрировал изображение указанного пространственного спектра на входе управляемого пространственного фильтра, осуществляющего пространственную фильтрацию спектра с помощью ряда открываемых ячеек. На фиг. 1 указанные полупрозрачное зеркало и фотоаппарат, устанавливаемые только на время эксперимента, не показаны. На время данного эксперимента для настройки режима работы ЛПУ были открыты несколько эквидистантно расположенных ячеек в управляемом пространственном фильтре 11, а также был установлен достаточный для возникновения внутренней генерации уровень формируемого лазерного излучения на оптическом входе АО-модулятора 8 с помощью установления соответствующего пропускания излучения в первом управляемом ослабителе 20. В результате в системе ЛПУ осуществилась генерация внутреннего лазерного излучения с оптическими частотами, соответствующими расположению открытых ячеек в управляемом пространственном фильтре 11, пространственный спектр которого показан на фиг. 5. Данный эксперимент позволяет подобрать соответствующий уровень пропускания управляемых ослабителей, уровень пропускания открываемых ячеек в управляемом пространственном фильтре 11 и период времени открывания ячеек и срыва внутренней генерации для получения заданной оптимальной интенсивности внутреннего лазерного излучения и реализации высокой чувствительности приема лазерного излучения, поступающего на вход фотоприемника 3 с выхода объектива 1. На фиг. 6 представлена осциллограмма приема в ЛПУ импульса лазерного излучения (верхняя часть), поступившего на вход объектива 1 от внешнего генератора импульсов лазерного излучения, не показанного на фиг. 1. В поступающем импульсе лазерного излучения содержалось около 10 фотонов излучения ближнего инфракрасного диапазона длин волн. В верхней части фиг. 6 (осциллограмма А) представлена шумовая дорожка генерируемых и срываемых импульсов внутреннего лазерного излучения, соответствующих открываемой ячейке поз. 45 на фиг. 4. Импульс внешнего лазерного излучения приходит и зарегистрирован во втором квадранте справа от оси ординат и имеет существенное превышение над уровнем собственно шумового внутреннего лазерного излучения в других местах данной шумовой дорожки. Следует отметить, что оптическая частота поступившего импульса лазерного излучения соответствовала оптической частоте внутреннего лазерного излучения, генерируемого и соответствующего открытой ячейке 45. На второй осциллограмме (осциллограмма В) в нижней части фиг. 6 представлена шумовая дорожка внутреннего лазерного излучения, соответствующая открытой ячейке поз. 47 на фиг. 4. При этом оптическая частота поступившего импульса лазерного излучения отличалась от оптической частоты внутреннего лазерного излучения, соответствующего открытой ячейке поз. 47 на фиг. 4. Поэтому на второй осциллограмме (В) импульс внешнего лазерного излучения не зарегистрирован. Данные осциллограммы на фиг. 6 зарегистрированы в различных элементах фотоприемного блока 17, соответствующих открываемым ячейкам 45 и 47 в управляемом пространственном фильтре 11. Зарегистрированный шумовой сигнал, соответствующий открытой ячейке 47 и представленный на фиг. 6 второй осциллограммой (В), может быть использован как опорный сигнал для обнаружения короткого импульса внешнего лазерного излучения при обработке получаемой информации в блоке управления и обработки 5. При этом некоторое различие уровней внутреннего лазерного излучения, зарегистрированных в виде шумовых дорожек на осциллограммах на фиг. 6, обусловленное различием величин пропускания открываемых ячеек 45 и 47 в управляемом пространственном фильтре 11, может быть учтен и скомпенсирован в блоке 5 управления и обработки. Следует отметить, что периодическое прекращение генерации внутреннего лазерного излучения в представленных экспериментах осуществлялось с помощью первого управляемого ослабителя 20, в качестве которого использован быстродействующий электрооптический модулятор света на основе электрооптического кристалла - дигидрофосфата калия. Данный модулятор осуществлял периодическое перекрывание лазерного излучения от лазерного генератора 6 под воздействием управляющих импульсов от блока управления 21, вследствие чего осуществлялся периодический срыв генерации внутреннего лазерного излучения, после которого осуществлялось развитие генерации внутреннего излучения в новом цикле.

Предлагаемое лазерное приемное устройство за счет использования новых технических средств оптоэлектроники и лазерной техники, а также на основе реализации специального режима генерации внутреннего лазерного излучения в совокупности с гетеродинным методом приема лазерного излучения позволяет достигнуть следующих результатов:

Повысить чувствительность приема лазерных локационных импульсных и непрерывных сигналов и реализовать чувствительность приема, приближающуюся к квантовому пределу чувствительности, характерной для наиболее высокочувствительного лазерного усилителя - активного квантового фильтра (прием однофотонного импульса ЛИ).

Реализовать высокую помехозащищенность приема одновременно при высокой чувствительности приема лазерных сигналов.

Реализовать возможность перестройки в широких пределах длины волны приема лазерного излучения и компенсации на этой основе доплеровского сдвига частоты принимаемого излучения с высокой точностью и быстродействием.

Реализована возможность компенсации рассогласования волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений на входе фотоприемника с помощью сканирующих зеркал с пьезоэлектрическими элементами, освоенные современной промышленностью. Реализована возможность создания высокоэффективного и высокочувствительного лазерного приемного устройства в широком диапазоне длин волн от видимого до инфракрасного диапазона.

Следует отметить, что использованный в предлагаемом ЛПУ метод приема сигналов на основе генерации внутреннего лазерного излучения имеет аналог в радиодиапазоне, в котором данный метод приема получил наименование сверхрегенеративного метода приема радиосигналов. Однако в лазерной технике и в оптическом диапазоне длин волн применение сверхрегенеративного метода приема значительно более эффективно и позволяет простыми средствами решить ряд важных и перспективных задач оптоэлектроники. По аналогии с радиодиапазоном использованный в предлагаемом лазерном приемном устройстве метод приема можно назвать сверхрегенеративным методом приема лазерных сигналов локации и связи в оптическом диапазоне длин волн. Вследствие реализации в предлагаемом лазерном приемном устройстве ряда важных характеристик и параметров данное приемное устройство найдет применение в современных лазерных системах локации и связи в качестве альтернативы лазерному усилителю - активному квантовому фильтру.

Источники информации

[1]. Патент РФ №2516007 от 20.05.2014 г. Приемник оптических излучений.

[2]. В.А. Фабрикант. Способ усиления электромагнитного излучения. Авт. свид. СССР №123209 с приоритетом от 18.06.1951 г.

[3]. Манкевич С.К., Носач О.Ю. и др. Патент РФ №2133533 от 20.07.1999. Способ спектральной фильтрации оптических сигналов и устройство для его осуществления - активный квантовый фильтр.

[4]. Кутаев Ю.Ф., Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. Квантовая электроника, т. 30, №9, 2000 г., стр. 833-838. Лазерное приемное устройство с квантовым пределом чувствительности в ближнем ИК-диапазоне.

[5]. Кутаев Ю.Ф., Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П. Патент РФ №2152056 от 27.06.2000 г. Способ лазерной локации и устройство для его осуществления.

[6]. Манкевич С.К. и др. Патент РФ №2380834 от 27.01.2010. Способ лазерной космической связи и комплекс для его осуществления.

[7]. Патент РФ №2107997 от 27.03.1998 г. Устройство для оптического смешения сигналов.

[8]. В.В. Арсеньев, Приемные устройства оптического диапазона. М.: издательство МАИ, 1992 г., стр. 77, рис. 3, 4.

[9]. Лазерная локация. Матвеев И.Н. и др. под ред. Устинов Н.Д. М.: Машиностроение, 1984 г., стр. 245. рис. 6.15. Прототип.

[10]. Манкевич С.К. и др. Патент РФ №2248555 от 20.03.2005 г. Способ определения характеристик лазерной среды и устройство для его осуществления.

[11]. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985 г. (стр. 219-234), (стр. 134-167).

[12]. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970 г.

[13]. Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. Квантовая электроника, т. 12, №4, 1985 г., стр. 743-748.

[14]. Манкевич С.К. Электронно-лучевая светомодулирующая трубка. Авт. свидетельство СССР №669976 от 28.02.1979 г. Приоритет 21.03.1977 г.

Лазерное приемное устройство, которое может быть использовано в качестве приемного устройства для лазерной локационной системы и системы лазерной космической связи, основано на сверхрегенеративном приеме лазерных сигналов локации и связи в оптическом диапазоне, что позволяет реализовать приемное устройство, обладающее предельной квантовой (однофотонной) чувствительностью и одновременно высокой помехозащищенностью приема лазерных сигналов. Приемное устройство содержит обратную связь на основе акустооптического модулятора, что обеспечивает возможность пространственной фильтрации сигналов. Технический результат заключается в повышении чувствительности лазерного приемного устройства, обеспечении быстрой перестройки частоты полосы приема и узкополосной фильтрации принимаемого лазерного излучения, обеспечении компенсации доплеровских сдвигов частоты приема лазерного излучения, компенсации рассогласования волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений на входе фотоприемника. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Лазерное приемное устройство, содержащее последовательно установленные на первой оптической оси первый объектив, первое полупрозрачное зеркало, фотоприемник, выходом подключенный к блоку преобразования, выход которого подсоединен к блоку управления и обработки, установленные на второй оптической оси лазерный генератор и блок формирования лазерного пучка, управляющий вход лазерного генератора подключен к блоку управления и обработки, отличающееся тем, что введены расположенные последовательно на второй оптической оси оптически связанные акустооптический модулятор с блоком управления, первая линза, управляемый пространственный фильтр с блоком управления фильтром, второе полупрозрачное зеркало, вторая линза, диафрагма, третья линза и третье полупрозрачное зеркало, а также оптически последовательно связанные первое и второе сканирующие зеркала с блоками управления зеркалами, оптически связанные второй объектив и фотоприемный блок с блоком управления, оптически связанные первый управляемый ослабитель с блоком управления и блок сдвига частоты лазерного излучения, установленные на второй оптической оси между оптическим выходом лазерного генератора и оптическим входом формирователя пучка, второй управляемый ослабитель с блоком управления, оптический выход третьей линзы посредством третьего полупрозрачного зеркала, первого и второго сканирующих зеркал и первого полупрозрачного зеркала связан с оптическим входом фотоприемника, оптический выход формирователя пучка связан с оптическим входом второго управляемого ослабителя посредством четвертого полупрозрачного зеркала и первого отражательного зеркала, оптический выход второго управляемого ослабителя связан с оптическим входом фотоприемника посредством второго отражательного зеркала, третьего полупрозрачного зеркала, первого и второго сканирующих зеркал и первого полупрозрачного зеркала, оптический выход формирователя пучка связан с оптическим входом акустооптического модулятора посредством четвертого полупрозрачного зеркала, оптический вход фотоприемного блока посредством второго объектива и второго полупрозрачного зеркала связан с оптическим выходом управляемого пространственного фильтра, выход блока управления фотоприемным блоком подключен к блоку управления и обработки, вход блока управления акустооптическим модулятором подключен к выходу фотоприемника, блоки управления первым и вторым сканирующими зеркалами и первым и вторым управляемыми ослабителями подключены к блоку управления и обработки, управляющий вход блока сдвига частоты подключен к блоку управления и обработки, блок управления управляемым пространственным фильтром подключен к блоку управления и обработки.

2. Лазерное приемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нем блок сдвига частоты лазерного излучения содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, акустооптическую ячейку с блоком управления, четвертую линзу, точечную диафрагму, пятую линзу и выходную диафрагму, при этом управляющий электрод акустооптической ячейки подключен к блоку управления акустооптической ячейкой.

3. Лазерное приемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нем акустооптический модулятор выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, взаимодействующие с излучением лазерного генератора.