СПОСОБ НАВЕДЕНИЯ НА УДАЛЕННЫЙ ОБЪЕКТ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01S13/66 G01S13/86 G01S17/88 

Предлагаемое изобретение относится к области радио- и лазерной локации, лазерной технологии и может быть использовано в системах оптической связи для наведения излучения и транспортировки энергии на удаленные объекты.

Известен способ, основанный на подсветке удаленного объекта, приеме и усилении отраженного объектом излучения, анализе и адаптивной коррекции его волнового фронта с последующим направлением излучения на удаленный объект.

Недостатками способа являются: использование электронных адаптивных систем, невысокая точность формирования фазового сопряженного волнового фронта, что определяется дискретностью счета информации датчиками волнового фронта и низкой точностью восстановления фазовой функции по измерениям интенсивности.

Известен способ наведения лазерного излучения на удаленный объект, заключающийся в подсветке объекта лазерным излучением и усилении отраженного от объекта излучения в двухпроходном усилителе, обращении его волнового фронта и повторном усилении излучения при его обратном прохождении через усилитель.

К недостатком этого способа можно отнести малую дальность обнаружения объектов, необходимость использования оптических элементов для формирования излучения подсвета, невозможность слежения за движущимся объектом, значительное время для первичного обнаружения объекта.

Известно устройство, реализующее способ наведения излучения на пространственный объект, использующее неустойчивый резонатор с выходной кольцевой апертурой и системой формирования пучка в виде телескопической системы. Устройство обладает следующими недостатками: отсутствием обратной связи, обеспечивающей слежение и управление отраженным от объекта сигналом, низкая точность измерения координат объекта и вследствие этого неоперативность принятия решений. Необходимо отметить отрицательное влияние атмосферных процессов (рассеивание, турбулентность и т.д.) на форму зондирующего сигнала, что приводит к значительным ошибкам при настройке оптической системы устройства.

Известен способ фокусировки лазерного излучения, включающий преобразование параллельного пучка лазерного излучения в пучок кольцевого сечения с предварительно вырезанной центральной частью и последующим фокусированием обоих пучков в одной точке пространства. Способ обладает следующими недостатками: отрицательным воздействием на динамику процессов формирования когерентного излучения лазера из-за введения в резонатор апертурной диафрагмы, которая вследствие дифракции искажает формируемый резонатором волновой фронт и использования поворотных элементов, необходимых для сведения двух пучков.

Известно устройство автоматического сопровождения объектов и определения их координат посредством использования излучений с различными длинами волн. Это устройство реализует способ наведения на удаленный объект импульсного электромагнитного излучения СВЧ-диапазона и оптического диапазона - оно является наиболее близким по технической сущности решением, выбранным автором за прототип, - этот способ подразумевает первоначально, с помощью электромагнитного излучения с длиной волны λ₀ и длительностью τ₀, сформированное параболическим зеркалом, осуществить поиск объекта, а дальнейшее сопровождение объекта осуществить когерентным оптическим излучением с длиной волны λ₁<λ₀ и длительностью импульса излучения τ₁<τ₀. Для этой цели используются два отверстия на поверхности параболического зеркала.

Устройство, реализующее способ, обладает следующими недостатками:

- неучтены эффекты, сопутствующие совместному прохождению волн различных диапазонов, которые влияют на прохождение их в атмосфере, что приводит в конечном итоге к ошибкам при регистрации различных параметров исследуемых объектов;

- отсутствие механизма компенсации пространственных неоднородностей среды;

- невозможность работы на приземных трассах ввиду значительной выходной апертуры и наличия боковых лепестков диаграммы направленности излучения с длиной λ₀.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в увеличении дальности обнаружения удаленных объектов с одновременным увеличением точности измерений.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в способе наведения на удаленный объект импульсного электромагнитного излучения, основанном на формировании в материальной среде излучения с заданной в направлении объекта диаграммной направленности длиной волны λ₀ и длительностью импульса τ₀ и одновременным пропусканием в пределах сформированной диаграммы направленности в направлении объекта когерентного электромагнитного излучения с длиной волны λ₁<λ₀ и длительностью импульса τ₁<τ₀, диаграмму направленности формируют в виде симметрично разнесенных относительно направления на объект расходящихся волновых фронтов с экранированием части поперечного сечения на расстоянии

D - диаметр сечения диаграммы направленности на расстоянии L от антенны.

Когерентное электромагнитное излучение направляют относительно оси диаграммы направленности, сформированными расходящимися фронтами, а часть отраженного от объекта когерентного излучения, перехватывают диаграммой направленности подвергают усилению и комплексному сопряжению.

Как следует из формулы изобретения - устройство использует длины волн, относящиеся к различным диапазонам - одна (λ₀) обладает большим коэффициентом поглощения α₀ по сравнению с α₁ другой волны (λ₁). В соответствии с эмпирической формулой [6, 8]

α - коэффициент поглощения для диапазона λ₀=0,5÷10 см;

M=7,5 г/м³ - плотность водяного пара при температуре 18÷20°C, найдем коэффициент поглощения для λ₀=1 см;

При тех же атмосферных условиях коэффициент поглощения (λ₁=1,06 мкм) составляет 0,5 дБ/км (3).

Радея способа заключается в использовании излучения λ₀ для создания волноводного канала, формирующегося вследствие прогрева атмосферы этим излучением, и пропусканием внутри этого канала под углом полного внутреннего отражения от стенок волноводного канала когерентного излучения с длиной волны λ₁ и коэффициентом поглощения α₁<α₀.

На рис. 1 и 2 представлено устройство, реализующее предложенный способ. Устройство работает следующим образом. После возбуждения двух облучателей 2 с выходными апертурами, установленными в фокусах несимметрично усеченных зеркал параболической антенны 1 со смещенными максимумами, излучение, отраженное от поверхности зеркал и ограниченное зеркалом 3, направляется в зону поиска предполагаемого объекта 8. В параболической антенне длина оптического пути всех лучей, идущих из фокуса и отраженных от зеркала в плоскости раскрыва, имеют одинаковую фазу, поэтому происходит преобразование сферических фронтов облучателей 2 в плоские и антенна излучает параллельный пучок. Перемещение облучателей, установленных в фокусе зеркал 1, вдоль оптической оси позволяет осуществить преобразование пучка в сходящийся волновой фронт 9 с экранированной центральной частью зеркалом 3. Использование несимметрично усеченных антенн со смещенным максимумом излучения позволяет уменьшить влияние теневого эффекта облучателей 2 вследствие дифракции на нем отраженного от зеркала 1 излучения. Так как облучатели 2 имеют свои диаграммы направленности, часть излучения попадает в пространство между зеркалами 1 одновременно с формированием канала 9 и происходит регистрация излучения облучателей 2 устройством обработки 6, позволяющим получить прямой импульс посредством приемника 10 и оконечным устройством 11. В этом случае система работает на передачу электромагнитного излучения. После того как передача окончена, с помощью антенного переключателя, выполненного в виде двух разрядников-переключателей, которые выполняют три функции - включение приемника 6 с устройством обработки, включение антенны и импульсного передатчика 12, вырабатывается импульс длительностью τ₀, который через антенный переключатель попадает в облучатели 2 и излучается в несимметричную антенну.

Приемник в это время отключается на время τ₀ от антенны. Отраженный импульс от объекта 8, отражаясь от зеркала 1, попадает на вспомогательное зеркало 7 и через этот же антенный переключатель поступает в приемник. По временным меткам на экране оконечного устройства 11 (осциллограф) определяется расстояние до объекта по формуле

D - расстояние до объекта;

C - скорость света.

При работе радиолокационного канала в режиме поиска и сопровождения, в связи с достаточно широкой диаграммной направленности 1 антенны, возможны значительные погрешности, связанные как с локацией групповой цели, так и с определением местоположения низколетящих целей. Несколько точечных целей в пределах разрешаемого объема имеют совокупную отражающую поверхность, поэтому диаграмма обратного рассеивания этой цели содержит множество лепестков, определяемых когерентным сложением отраженных от групповой цели пучков [8]. Влияние земли приводит к уменьшению дальности действия РЛС по низколетящим целям, поскольку на диаграмму направленности антенны в свободном пространстве влияет диаграмма направленности, определяемая отраженным излучением от поверхности земли - F_зем(ε), поэтому

D_ом - дальность в свободном пространстве в направлении максимума без учета влияния земли;

F_Е(ε) - диаграмма направленности в свободном пространстве;

ε - угол скольжения.

Интерференционное взаимодействие приводит к тому, что результирующая диаграмма искажается вследствие влияния земли. Для обнаружения объекта и определения его координат необходимо осуществить поиск этого объекта в пространстве. Так как диаграмма радиолокатора имеет игольчатую форму и имеет значительную ширину, то обычно на поиск объекта в пространстве затрачивается малое время, в то время как при использовании в оптической локации лазерными источниками необходимо довольно значительное время (ширина диаграммы направленности у лазеров ~ 10^-3÷10^-4 рад). Поэтому удобно использовать два локатора - один, работающий в радиодиапазоне для первичного поиска, как правило, на большой высоте и значительном удалении, а затем использовать источники когерентного излучения.

Для воздуха справедливо соотношение для показателя преломления

ρ - плотность;

к - константа.

Выражение (6) можно привести к виду

- начальные равновесные значения.

Считая воздух идеальным газом, расширяющимся при постоянном давлении, получим выражение [9]

γ - показатель адиабаты;

P₀ - давление;

α - коэффициент поглощения излучения;

J(r) - интенсивность излучения;

t₀ - время нагрева в произвольной точке r

Для выбранных длин волн имеем:

Таким образом используем λ₀ для создания канала с затененной центральной частью пучка, форма которого сохраняется в ближней зоне, то есть на расстоянии

от апертуры несимметрично усеченной антенны со смещенным максимумом излучения. При расстоянии происходит формирование диаграммы направленности симметрично разнесенными относительно направления на объект расходящимися волновыми фронтами. Сохраняя свою форму в ближней зоне, излучение с λ₀ отдает энергию, формируя при этом тепловую линзу на всем пути распространения пучка. Для исключения возможности теплового расплывания пучка, формирующего канал, необходимо выполнить условие

τ₀- время нагрева;

а - наименьшее значение радиуса пучка на дальности распространения излучения λ₀;

c_S - скорость распространения звука. Как известно [11], если на границу двух однородных сред падает электромагнитная волна, она разделяется на две волны - проходящую во вторую среду и отраженную. Если вторая среда менее плотная по сравнению с первой, то из закона преломления следует

θ_i - угол падения в более плотной среде;

θ_t - угол преломления в менее плотной среде;

n₁, n₂ - коэффициенты преломления, соответственно плотной и менее плотной сред;

n₁₂ - относительный коэффициент преломления второй среды относительно первой.

Поэтому при углах падения, при которых sin θ_i<n_1,2, реализуется эффект полного внутреннего отражения, при котором падающая волна целиком возвращается в первую среду. Оптический локационный канал с λ одновременно является и каналом, формирующим инструмент воздействия на объект поиска, и работает следующим образом. С помощью поворотных зеркал 3, 3a когерентное излучение, сформированное лазером подсвета 4, вводится во внутреннюю область волноводного канала 5, граница которого 9, благодаря поглощению излучения с длиной волны λ₀, представляет отражающую поверхность для когерентного излучения с длиной волны λ₁. Характеристики излучения лазера и излучения эхо-сигнала, отраженного в виде блика от объекта 8, измеряются установленной по ходу излучения системой регистрации по схеме совмещенного источника и приемника - эта схема, в которой одна и та же система зеркал и формирует остронаправленную антенну, и принимает эхо-сигнал от объекта. Система регистрации содержит лазер подсвета 4, телескопическую систему зеркал 13, причем одно из них выполнено с отверстием связи, светоделитель 14 с блоком измерения, с помощью которого осуществляются измерения дальности до объекта 8. Перед началом работы силового канала с излучением λ₁ происходит «прострел» атмосферного участка с целью устранения влияния атмосферных факторов (туман, снег и т.д.) для обеспечения прозрачности канала в области формирования диаграммы направленности и устранения паразитного отражения от частиц, находящихся в области сформированного канала. После оперативного обнаружения объекта 8 когерентным оптическим излучением часть этого излучения после отражения от объекта возвращается во внутреннюю область волноводного канала 5 и через телескопическую систему 15 попадает в устройство обращения волнового фронта 16, в котором происходит комплексное сопряжение его фазы, в результате чего усиленный сигнал возвращается на объект 8, при полной компенсации трассовых аберраций, возникших на прямом проходе через волноводный канал. Явление обращения волнового фронта основано на вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) [12, 13].

С целью обеспечения пороговой плотности мощности (~ 10⁶ Вт/см²), для срабатывания ОВФ, в состав устройства введен комбинированный усилитель, содержащий квантовый усилитель 17, выполняющий роль шумового фильтра, и BP-усилитель (усилитель вынужденного рассеяния) 18, обеспечивающий суперусиление (до 10¹⁶) слабых сигналов, рассеянных удаленным объектом. Поэтому комбинированный усилитель имеет усиление как BP-усилитель при уровне шумов как у квантового усилителя. Учитывая, что при ОВФ свет идет строго назад, с компенсацией неоднородностей атмосферного канала, при длительности импульса накачки усилителя 17, порядка 1 мс, возможно многократное воздействие на бликующий объект 8 в количестве:

τ - длительность импульса накачки усилителя 17;

L₁ - расстояние до объекта 8;

C - скорость света.

Таким образом, предложенное устройство, реализующее способ, позволяет существенно увеличить дальность обнаружения объектов, особенно находящихся на низкой высоте, при этом используя как комбинированную электромагнитную систему, состоящую из источников излучения различного спектрального диапазона, так и комбинированную усилительную систему совместно с системой обращения волнового фронта. Использование излучения с длиной волны τ₀ для «прострела» трассы позволяет повысить точность измерения, так как устраняется ложный сигнал, определяемый отражением от различного рода аберраций, связанных с различными факторами (турбулентность, туман, снег и т.д.). Необходимо отметить, что комбинированный поиск позволяет резко уменьшить энергозатраты, так как при поиске низко расположенных объектов дальность определяется как корень восьмой степени от величины энергетического потенциала [8]

D_зем - диаграмма направленности антенны с учетом земли;

P_п - мощность передатчика;

P_пmin - пороговая мощность (минимально различный сигнал).

Способ наведения на удаленный объект электромагнитного излучения, основанный на формировании в материальной среде излучения с заданной в направлении объекта диаграммой направленности с длиной волны λ₀ длительностью импульса τ₀ и одновременным пропусканием в пределах сформированной диаграммы направленности в направлении объекта когерентного излучения с длиной волны λ₁ и длительностью τ₁<τ₀. При этом когерентное элетромагнитное излучение с коэффициентом поглощения α₁<α₀ направляют относительно оси диаграммы направленности под углом полного внутреннего отражения, а часть отраженного от объекта когерентного электромагнитного излучения длиной волны λ₁<λ₀ перехватывают диаграммой направленности, подвергают усилению и комплексному сопряжению. Технический результат - увеличение точности измерений и увеличение дальности обнаружения с одновременным уменьшением энергозатрат. 2 ил.

Способ наведения на удаленный объект электромагнитного излучения, основанный на формировании в материальной среде излучения с заданной в направлении объекта диаграммой направленности с длиной волны λ₀ длительностью импульса τ₀ и одновременным пропусканием в пределах сформированной диаграммы направленности в направлении объекта когерентного излучения с длиной волны λ₁ и длительностью τ₁<τ₀, отличающийся тем, что диаграмму направленности формируют излучением с коэффициентом поглощения α₀>α₁ в виде симметрично разнесенных, относительно направления на объект, расходящихся волновых фронтов с экранированием части поперечного сечения на расстоянии , когерентное элетромагнитное излучение с коэффициентом поглощения α₁<α₀ направляют относительно оси диаграммы направленности под углом полного внутреннего отражения, а часть отраженного от объекта когерентного электромагнитного излучения длиной волны λ₁<λ₀ перехватывают диаграммой направленности, подвергают усилению и комплексному сопряжению, где D - диаметр выходной апертуры источника электромагнитного излучения с длиной волны λ₀.