Лазерный голографический локатор Российский патент 2024 года по МПК G01S17/02 

Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для регистрации голограмм космических объектов в условиях космического пространства с борта космического аппарата, а также для регистрации голограмм космических объектов при наблюдении с земной поверхности через приземный слой турбулентной атмосферы.

Регистрация голограмм осуществляется с целью получения наиболее полной информации о наблюдаемом объекте и воспроизведения с полученной голограммы объемного изображения наблюдаемого объекта для его дальнейшего изучения. Важной проблемой современной космонавтики является наличие в околоземном пространстве различных остатков космических аппаратов и их элементов, которые могут представлять опасность для действующих и используемых спутников Земли и эксплуатируемых космических аппаратов. Для своевременного очищения околоземного космического пространства от оставшихся не используемых космических аппаратов и их элементов (космического мусора) необходимо иметь информацию о размерах, форме этих объектов космоса для решения вопроса о методах их удаления или разрушения до мелкодисперсной фракции. Регистрация голограмм таких космических объектов позволит получить о них более полную информацию, включающую объемное изображение. Аналогично для Земли и космических аппаратов представляют опасность различные астероиды, которые могут нанести вред при непосредственном столкновении с Землей и действующими космическими аппаратами. Поэтому получение голограмм астероидов и других естественных космических объектов также представляет интерес с целью их более полного изучения. В настоящее время техника голографии хорошо развита и обеспечивает получение голограмм фиксированных неподвижных объектов в земных условиях. Однако для регистрации голограмм в условиях космического пространства необходимо иметь аппаратуру, обеспечивающую регистрацию голограмм движущихся объектов при малом уровне принимаемого отраженного от космического объекта оптического сигнала.

Известен оптический локатор, содержащий импульсный лазер, телескоп, опорный канал с оптическим квантовым усилителем (далее - ОКУ) и объектный канал, систему формирования голограмм, блок восстановления голограмм, блоки сравнения и управления [1]. В данном локаторе для формирования опорного сигнала для регистрации голограммы используется оптический сигнал, выделенный из оптического излучения, отраженного от объекта. Данный сигнал имеет очень малую интенсивность, для формирования качественной голограммы, вследствие чего подвергается усилению, с помощью ОКУ. В то же время для формирования объектного сигнала используется непосредственно оптический сигнал, отраженный от объекта без усиления. Это существенно снижает чувствительность оптического локатора в целом. Кроме того, следует отметить, что современные ОКУ, обладающие высокими коэффициентами усиления и высокой чувствительностью, имеют узкую спектральную полосу пропускания. Поэтому использование таких ОКУ в оптических локаторах удаленных космических объектов невозможно без компенсации доплеровского сдвига частоты принимаемого оптического сигнала, отраженного от удаленного движущегося космического объекта. Таким образом, к недостаткам данного оптического локатора следует отнести низкую эффективность приема сигналов, отраженных от космических объектов вследствие низкой чувствительности и невозможности компенсации доплеровских сдвигов в принимаемом оптическом сигнале.

Известен оптический локатор, содержащий блок излучения, приемную и передающую оптические системы, опорный канал с отражателем, информационный канал и приемное устройство [2]. К недостаткам данного локатора следует отнести низкую чувствительность и отсутствие возможности компенсации доплеровского сдвига, что не позволяет регистрировать качественную голограмму и получить достоверную информацию о наблюдаемом космическом объекте.

Известна голографическая установка, содержащая стабилизированную платформу, лазер, оптические системы формирования опорного и предметного пучка, регистратор голограммы и систему стабилизации платформы [3]. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую чувствительность при регистрации удаленных объектов и невозможность регистрации голограммы движущегося объекта.

Известно лазерное локационное устройство, содержащее лазерный генератор - передатчик, приемный телескоп, лазерный усилитель - активный квантовый фильтр, фотоприемную матрицу, оптический модулятор, блок обработки информации, блок управления [4]. Данное устройство обладает высокой чувствительностью и обеспечивает прием сигналов и формирование изображений удаленных космических объектов. К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие возможности регистрации голограмм космических объектов.

Известен способ голографической регистрации быстропротекающих процессов [5]. Данный способ включает использование объектного и опорного лучей для регистрации голограммы, при этом сигнальный луч, освещающий объект, подвергают сдвигу по частоте на величину предполагаемого доплеровского сдвига путем прохождения луча через частотно-преобразующее устройство, а голограмму фиксируют после прохождения излучения, отраженного от объекта, через узкополосный фильтр. К недостаткам данного способа следует отнести отсутствие собственно измерения доплеровского сдвига, без которого невозможна точная и эффективная компенсация данного сдвига, возникающего при голографировании движущихся объектов. Вторым недостатком данного способа является низкая чувствительность вследствие отсутствия возможности усиления оптического сигнала от объекта. Поэтому данный способ непригоден для голографирования удаленных движущихся космических объектов.

Наиболее близким аналогом к заявленному голографическому лазерному локатору является лазерный локатор, содержащий телескоп, фотоприемный блок, блок спектральных фильтров, лазерный передатчик и лазерный гетеродин, блоки сдвига частоты и сканирования лазерного излучения, блок измерения частоты [6]. Данный локатор обладает высокой чувствительностью при регистрации сигналов, отраженных от удаленных космических объектов, а также обеспечивает компенсацию доплеровских сдвигов частоты лазерного излучения (далее - ЛИ) при приеме сигналов от движущихся объектов. К недостаткам данного локатора следует отнести отсутствие технических элементов для регистрации голограммы наблюдаемого объекта.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании лазерного голографического локатора, в котором реализуется возможность регистрации голограмм движущихся объектов.

При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении высокой чувствительности за счет использования лазерных усилителей для усиления объектного сигнала голограммы и опорного сигнала, а также осуществление компенсации доплеровских сдвигов частоты принимаемого ЛИ.

Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается в результате создания лазерного голографического локатора, содержащего последовательно установленные на первой оптической оси оптически связанные телескоп с блоком наведения, выдвижное полупрозрачное зеркало с блоком перемещения, первый лазерный усилитель, первое полупрозрачное зеркало, динамический спектральный фильтр, второе полупрозрачное зеркало, второй лазерный усилитель и телевизионную камеру, подключенную к блоку управления, а также содержит лазерный передатчик, лазерный гетеродин, подключенные к блоку управления, блок сдвига частоты лазерного излучения, блок сканирования лазерного излучения, третий лазерный усилитель, первую и вторую фурье-линзы, оптическую диафрагму, объектив, фотоприемный блок, выходом подключенный к блоку спектральных фильтров, первый, второй и третий управляемые ослабители с блоками управления, расширитель пучка лазерного излучения, управляемое отражательное зеркало с блоком управления, семь отражательных зеркал, шесть полупрозрачных зеркала, при этом выход лазерного передатчика оптически связан с телескопом посредством седьмого отражательного зеркала, одновременно оптический выход лазерного передатчика оптически связан с оптическим входом расширителя пучка лазерного излучения посредством последовательно оптически связанных полупрозрачного зеркала, первого управляемого ослабителя и отражательного зеркала, оптический выход расширителя пучка лазерного излучения оптически связан с оптическим входом фотоприемного блока посредством двух отражательных и двух полупрозрачных зеркал, оптический выход телескопа оптически связан с оптическим входом объектива посредством оптически связанных выдвижного полупрозрачного зеркала, отражательного и полупрозрачного зеркала, оптический выход объектива оптически связан с оптическим входом фотоприемного блока, оптический выход лазерного гетеродина оптически связан с оптическим входом фотоприемного блока посредством последовательно оптически связанных блока сдвига частоты лазерного излучения, блока сканирования лазерного излучения, двух полупрозрачных и отражательного зеркала, оптический выход первого лазерного усилителя оптически связан с оптическим входом объектива посредством последовательно оптически связанных первого полупрозрачного зеркала, второго управляемого ослабителя и полупрозрачного зеркала, оптический выход динамического спектрального фильтра оптически связан с оптическим входом третьего лазерного усилителя посредством последовательно оптически связанных первой фурье-линзы, оптической диафрагмы, второй фурье-линзы и отражательного зеркала, оптический выход третьего лазерного усилителя оптически связан с оптическим входом телевизионной камеры посредством последовательно оптически связанных третьего управляемого ослабителя, отражательного зеркала и управляемого отражательного зеркала, к блоку управления параллельно подключены управляющие входы трех лазерных усилителей, динамический спектральный фильтр, блоки управления управляемых ослабителей, управляющие входы лазерного передатчика, лазерного гетеродина, блоки сдвига частоты и сканирования лазерного излучения, блоки управления выдвижным полупрозрачным зеркалом и управляемым отражательным зеркалом, выход блока спектральных фильтров подключен к блоку управления, блок наведения телескопа подключен к блоку управления. Особенность лазерного голографического локатора заключается также в следующем.

1. Лазерный передатчик и лазерный гетеродин выполнены на основе лазерных генераторов с возможностью перестройки частоты генерируемого лазерного излучения.

2. Лазерные усилители выполнены с возможностью перестройки частоты усиливаемого лазерного излучения.

3. Блок сканирования лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, обеспечивающие изменение направления распространения проходящего через ячейку лазерного излучения.

4. Блок сдвига частоты лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, обеспечивающие изменение частоты проходящего через ячейку лазерного излучения.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого лазерного голографического локатора. Цифрами обозначены следующие элементы.

1. Телескоп.

2. Блок наведения.

3. Выдвижное полупрозрачное зеркало.

4. Блок перемещения выдвижного полупрозрачного зеркала.

5. Первый лазерный усилитель.

6. Первое полупрозрачное зеркало.

7. Динамический спектральный фильтр.

8. Второе полупрозрачное зеркало.

9. Второй лазерный усилитель.

10. Телевизионная камера.

11. Блок управления.

12. Лазерный передатчик.

13. Лазерный гетеродин.

14. Блок сдвига частоты лазерного излучения.

15. Блок сканирования лазерного излучения.

16. Третий лазерный усилитель.

17, 18, 19. Первый, второй и третий управляемые ослабители с блоками управления 20, 21, 22.

23, 24. Первая и вторая фурье-линзы.

25. Оптическая диафрагма.

26. Расширитель пучка лазерного излучения.

27. Объектив.

28. Фотоприемный блок.

29. Блок спектральных фильтров.

30-33. Третье - шестое полупрозрачные зеркала.

34 - 40. Первое - седьмое отражательные зеркала.

41. Управляемое отражательное зеркало с блоком управления 42.

43. Контррефлектор телескопа.

О₁-О₂ - Первая оптическая ось.

На фиг. 2 представлено изображение тест-объекта, полученное при обработке голограммы. В качестве тест-объекта использован макет летательного аппарата.

Принцип действия предлагаемого лазерного голографического локатора заключается в следующем.

Лазерный голографический локатор (далее - локатор) осуществляет прием оптического излучения, исходящего от наблюдаемого космического объекта, посредством телескопа 1. Подсвет наблюдаемого космического объекта осуществляется лазерным передатчиком 12. С выхода телескопа 1 принятое оптическое излучение проходит через выдвижное полупрозрачное зеркало 3 и поступает на оптический вход первого лазерного усилителя 5, проходит через него вдоль оптической оси и подвергается квантовому усилению с коэффициентом усиления K, определяемым режимом работы лазерного усилителя 5. Далее усиленное оптическое излучение, распространяясь вдоль оптической оси, последовательно поступает на оптический вход динамического спектрального фильтра 7, а с его оптического выхода поступает на оптический вход второго лазерного усилителя 9. После усиления во втором лазерном усилителе оптическое излучение поступает непосредственно на оптический вход телевизионной камеры 10. Данное усиленное оптическое излучение выполняет роль объектного сигнала при формировании и регистрации голограммы. Одновременно на оптический вход телевизионной камеры 10 поступает оптическое излучение с выхода третьего лазерного усилителя. Данное оптическое излучение выполняет роль опорного лазерного сигнала при формировании и регистрации голограммы. Таким образом, на оптический вход телевизионной камеры 10 поступают объектный и опорный оптические сигналы (пучки лазерного излучения), в результате интерференции которых образуется голограмма наблюдаемого объекта, которая регистрируется телевизионной камерой 10. Формирование опорного оптического сигнала осуществляется из принимаемого оптического сигнала от наблюдаемого объекта следующим образом. Часть усиленного оптического сигнала с оптического выхода динамического спектрального фильтра 7 посредством второго полупрозрачного зеркала 8 ответвляется на оптический вход первой фурье-линзы 23. Первая и вторая 24 фурье-линзы совместно с оптической диафрагмой 25 осуществляют пространственную фильтрацию усиленного оптического сигнала. Благодаря первой фурье-линзе 23 в плоскости оптической диафрагмы 25 образуется пространственный фурье-спектр принимаемого оптического сигнала. Оптическая диафрагма представляет собой точечное отверстие в непрозрачном экране. В результате действия оптической диафрагмы на вход второй фурье-линзы 24 поступает изображение светящейся точки, которое не содержит какой - либо информации о наблюдаемом объекте. На основании этого точечного светящегося изображения вторая фурье-линза 24 формирует оптический сигнал с плоским волновым фронтом, который поступает на оптический вход третьего лазерного усилителя 16 посредством отражательного зеркала 38. Третий лазерный усилитель 16 осуществляет усиление оптического сигнала с выхода второй фурье-линзы 24. С выхода третьего лазерного усилителя усиленный оптический сигнал с плоским волновым фронтом поступает на оптический вход телевизионной камеры 10 и выполняет роль опорного лазерного пучка при регистрации голограммы. Оптический сигнал с выхода третьего лазерного усилителя 16 проходит через третий управляемый ослабитель 19 и далее направляется на вход телевизионной камеры 10 после отражения от управляемого отражательного зеркала 41, благодаря которому устанавливается необходимый угол падения оптического излучения (опорного пучка) на вход телевизионной камеры 10 по сигналам от блока управления 11. Управляемый ослабитель 19 осуществляет заданное ослабление оптического излучения, а также перекрывает опорный пучок при формировании безопорной голограммы. Телевизионная камера 10 осуществляет регистрацию сформированной на ее оптическом входе голограммы, усиление и оцифровку зарегистрированной голограммы, которая в цифровом виде передается в блок управления 11 для дальнейшей обработки и восстановления изображения наблюдаемого объекта. На этом процесс собственно регистрации голограммы наблюдаемого объекта завершается.

Для регистрации голограммы движущегося космического объекта необходимо осуществить компенсацию доплеровского сдвига принимаемого лазерного излучения, отраженного от космического объекта, с целью попадания оптической частоты принимаемого лазерного излучения в полосу приема первого лазерного усилителя 5. Эта операция компенсации доплеровского сдвига частоты осуществляется в лазерном передатчике 12 путем внесения специального сдвига частоты лазерного передатчика Δƒ₁ по сигналам от блока управления 11. В результате частота ƒ₁ лазерного излучения, излучаемого передатчиком, становится равной

где /о - номинальная частота излучения, генерируемого лазерным передатчиком, которая совпадает с оптической частотой центра полосы приема лазерного усилителя ƒ_а вследствие того что лазерный усилитель и лазерный передатчик выполнены на основе одинаковой лазерной среды:

Основное соотношение при компенсации доплеровского сдвига имеет следующий вид:

где Δƒ_D - величина доплеровского сдвига частоты оптического излучения при приеме лазерного излучения, отраженного от движущегося космического объекта. Отсюда получаем

Таким образом, величина сдвига частоты лазерного передатчика для компенсации доплеровского сдвига частоты принимаемого лазерного излучения в общем случае равна соотношению (4) и равна обратной величине доплеровского сдвига при равенстве частот приема лазерного усилителя и номинальной частоты излучения лазерного передатчика.

Собственно величина доплеровского сдвига при приеме лазерного излучения от движущегося космического объекта равна:

где V - скорость космического объекта по линии визирования, с - скорость света. На первом этапе приема лазерного излучения от наблюдаемого космического объекта используют величину скорости объекта, полученную по данным астрономических наблюдений. Точное измерение доплеровского сдвига осуществляют посредством фотоприемного блока 28 и блока спектральных фильтров 29. При этом для предварительного определения величины сдвига частоты генерации лазерного передатчика Δƒ₁ используют соотношения (4) и (5). Прием лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого космического объекта, осуществляют с помощью фотоприемного блока 28, который представляет собой двумерную матрицу чувствительных фотоэлементов, например, фотоумножителей, каждый из которых регистрирует сигнал интерференции между принятым оптическим сигналом и гетеродинным сигналом, поступающим на оптический вход фотоприемного блока 28 с выхода лазерного гетеродина 13 посредством последовательно оптически связанных следующих вспомогательных элементов: блока сдвига частоты ЛИ 14, блока сканирования ЛИ 15, полупрозрачного зеркала 33, отражательного зеркала 37 полупрозрачного зеркала 32. Фотоприемный блок 28 выполняет функции приемного элемента гетеродинной системы. Он формирует и регистрирует изображение наблюдаемого объекта на основе регистрации сигнала биений в каждом фоточувствительном элементе своей двумерной матрицы между принятым оптическим сигналом и сигналом лазерного гетеродина 13. Выходы фотоприемного блока 28 непосредственно связаны со входами блока спектральных фильтров 29, в котором осуществляется усиление и измерение частоты сигналов с выходов каждого фотоприемного чувствительного элемента блока 28. В оцифрованной форме эта информация с выхода блока спектральных фильтров 29 поступает в блок управления 11. Объектив 27 осуществляет формирование прямого изображения наблюдаемого объекта с оптического выхода телескопа 1. С помощью блоков сдвига частоты ЛИ 14 и блока сканирования ЛИ 15 осуществляют изменение угла падения гетеродинного оптического сигнала на входе фотоприемного блока 28 и сдвиг исходной частоты ЛИ, генерируемого лазерным гетеродином 13, на фиксированную величину, задаваемую блоком управления 11. Величина частоты биений ƒ_b, измеренная в блоке спектральных фильтров 29, равна:

где ƒ_h - частота ЛИ, генерируемого непосредственно лазерным гетеродином 13, Δƒ₁₄ - величина сдвига частоты ЛИ в блоке сдвига частоты 14. Отсюда непосредственно следует величина доплеровского сдвига ЛИ, вычисляемая в блоке управления 11:

Данная измеренная величина доплеровского сдвига Δƒ_D используется для компенсации доплеровского сдвига при следующем излучении зондирующего лазерного импульса лазерным передатчиком 12, при котором частота излученного импульса устанавливается в соответствии формулы (4), где Δƒ_D соответствует (7).

При выполнении операций по приему ЛИ, отраженного от наблюдаемого объекта, первый и второй управляемые ослабители 77 и 18 находятся в режиме полного перекрытия оптического сигнала, а выдвижное полупрозрачное зеркало 3 находится во введенном состоянии на оптической оси, как это показано на фиг. 1.

Далее при приеме лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта, все три лазерных усилителя 5, 7, 9 осуществляют последовательное усиление поступающих на их оптические входы оптических сигналов. Данные три лазерных усилителя являются идентичными и имеют одинаковые частоты полосы приема лазерного излучения, а также находятся в штатном режиме квантового усиления проходящего оптического сигнала. В предлагаемом лазерном голографическом локаторе предусмотрен режим работы, при котором оптический усиленный сигнал на вход объектива 27 поступает с выхода первого лазерного усилителя 5. В этом случае непрерывное измерение доплеровского сдвига частоты ЛИ, отраженного от наблюдаемого объекта, осуществляется на основе усиленного оптического сигнала с выхода первого лазерного усилителя 5, что повышает точность измерений. В этом режиме работы выдвижное полупрозрачное зеркало 3 выводится из оптической оси посредством блока перемещения полупрозрачного зеркала 4. Второй управляемый ослабитель 18 переводится в состояние пропускания проходящего ЛИ и осуществляет ослабление ЛИ с выхода первого лазерного усилителя 5 до уровня чувствительности фотоприемного блока 28.

В предлагаемом лазерном голографическом локаторе возможен режим приема и регистрации безопорной голограммы. В этом случае при регистрации голограммы телевизионной камерой 10 опорный оптический сигнал на ее вход не подается, для чего третий управляемый ослабитель 19 переводится в состояние полного ослабления и не пропускания оптического излучения, а накачка третьего лазерного усилителя 16 не осуществляется. Зарегистрированная в этом случае безопорная голограмма телевизионной камерой 10 не подвержена атмосферным искажениям. Восстановленное с такой голограммы изображение объекта - автосвертка - содержит ценную информацию о размерах и форме наблюдаемого объекта.

В предлагаемом лазерном голографическом локаторе предусмотрен вспомогательный режим калибровки лазерного гетеродина 13 и лазерного передатчика 12. В этом вспомогательном режиме работы облучения объекта не осуществляется, а первый управляемый ослабитель 17 переводится в режим фиксированного ослабления проходящего ЛИ. В результате лазерное излучение, генерируемое лазерным передатчиком 12, поступает на вход расширителя пучка 26, а с его оптического выхода ЛИ поступает на оптический вход фотоприемного блока 28 посредством отражательных зеркал 35, 37 я полупрозрачного зеркала 32. Одновременно на вход фотоприемного блока 28 поступает гетеродинный оптический сигнал от лазерного гетеродина 13. В результате образуется сигнал биений, который регистрирует фотоприемный блок 28 и измеряет блок спектральных фильтров 29. На основании измерений частоты биений осуществляется калибровка процесса измерений при различных сдвигах частоты генерации ЛИ в лазерном передатчике и лазерном гетеродине.

После регистрации голограммы в телевизионной камере 10 дальнейшая обработка голограммы и формирование изображения наблюдаемого космического объекта осуществляется в цифровой форме в блоке управления 11, который представляет собой специальный компьютер (ЭВМ), обеспечивающий обработку голограммы по специальной программе. При регистрации голограммы в космическом пространстве с борта космического корабля при восстановлении изображения формируется неискаженное изображение наблюдаемого космического объекта, которое передается по системе связи на Землю для дальнейшей обработки и изучения. При расположении лазерного голографического локатора на поверхности Земли наблюдение космического объекта осуществляется через приземный слой атмосферы, которая находится в постоянном турбулентном состоянии. Поэтому регистрируемое непосредственно на выходе телескопа 1 изображение космического объекта подвержено турбулентным атмосферным искажениям, что ограничивает разрешающую способность телескопа размером области корреляции атмосферных флуктуаций, которая не превышает 30-40 см. Зарегистрированная в лазерном голографическом локаторе голограмма содержит информацию об наблюдаемом объекте и информацию о турбулентных искажениях этого объекта. Можно утверждать, что зарегистрированная голограмма содержит информацию об искаженном изображении наблюдаемого объекта. Для исключения этих атмосферных искажений и получения неискаженного изображения наблюдаемого объекта с высокой разрешающей способностью в блоке управления 11 по специальной программе осуществляется обработка зарегистрированной голограммы. Данная обработка голограммы заключается во внесении в голограмму специальных (фазовых) искажений, компенсирующих фазовые искажения атмосферы, полученные при прохождении лазерного излучения от объекта через атмосферу до момента регистрации голограммы в лазерном голографическом локаторе. Компенсирующие фазовые искажения вносятся в зарегистрированную голограмму последовательно для отдельных локальных областей (точек) голограммы, а критерием достижения компенсации атмосферных искажений служит увеличение интенсивности изображения, восстановленного с голограммы. Таким образом, в блоке управления 11 фактически моделируется процесс компенсации искажений с помощью адаптивной оптики, но в цифровой форме. В настоящее время вопросы адаптивной цифровой обработки изображений и голограмм, а также цифрового моделирования компенсации атмосферных искажений хорошо проработаны и представлены в литературе [17]. Заявленное изобретение впервые предлагает и реализует возможность в цифровой форме осуществить компенсацию атмосферных искажений, аналогичную производимой адаптивной оптикой в аналоговой форме. При этом преодолеваются недостатки, характерные для аналоговой адаптивной оптики, заключающиеся в ограниченном быстродействии и невысокой точности компенсации искажений вследствие этого, а также вследствие ограниченного числа управляемых фазовых элементов. Предлагаемый лазерный голографический локатор свободен от этих ограничений аналоговой адаптивной оптики.

Предлагаемый лазерный голографический локатор содержит элементы, выпускаемые промышленностью. Одним из основных элементов системы является лазерный усилитель 5, 9, 16. В качестве лазерного усилителя в системе может быть использован газовый лазерный усилитель на атомарном йоде фотодиссоционного типа [7], имеющий общепринятое наименование - активный квантовый фильтр. Данный лазерный усилитель имеет высокую квантовую чувствительность, узкую полосу пропускания, необходимую для формирования голограммы, высокий коэффициент усиления при сохранении фазовых соотношений в усиливаемом ЛИ, что и обеспечило успешное применение данного лазерного усилителя в системах для формирования голограмм. Дополнительно данный лазерный усилитель обладает возможностью изменения частоты приема и усиления ЛИ, т.е. возможностью сдвига полосы приема ЛИ по частотной оси в относительно больших пределах. Подробно устройство и принцип действия и применения лазерного усилителя - активного квантового фильтра - изложены в [7] и в монографии авторов [8]. Данный квантовый усилитель занесен также в книгу рекордов России [9], [10]. В предлагаемом голографическом лазерном локаторе изменение частоты полосы приема лазерного усилителя осуществляется для компенсации малых доплеровских сдвигов. При компенсации средних и больших доплеровских сдвигов частоты при наблюдении быстро движущихся космических объектов лазерный усилитель 5 используется в стандартном режиме работы, при этом смещение его частоты приема не осуществляется. В этом случае для компенсации доплеровских сдвигов частоты применяется изменение частоты генерации в лазерном передатчике и смещение частот проходящего ЛИ в блоке сдвига частоты ЛИ.

В качестве лазерного передатчика 12 и лазерного гетеродина 13 также могут быть использованы лазерные йодные генераторы, аналогичные лазерному усилителю по составу рабочего вещества и общему устройству [7]. В состав лазерного передатчика также входит расширитель лазерного пучка (коллиматор) для формирования ЛИ для подсвета наблюдаемого объекта. Аналогичный коллиматор входит в состав лазерного гетеродина 13. В качестве телевизионной камеры 10 может быть использована современная передающая телекамера, например, ПЗС-камера с большим количеством чувствительных элементов (1000×1000). В качестве фотоприемного блока 28 могут быть использованы высокочувствительные многоэлементные матрицы полупроводникового типа или матрицы фотоэлементов. Блоки сканирования и сдвига частоты ЛИ могут быть выполнены на основе акустооптических ячеек [11], выпускаемых промышленностью. Схема и принцип работы блока сдвига частоты импульсов ЛИ приведены в [6]. Изложение принципа работы блока спектральных фильтров 29 также приведено в [6]. В качестве блока управления 11 может быть использована современная высокопроизводительная ЭВМ, которая обеспечивает управление работой всех элементов локатора, обработку зарегистрированных голограмм и изображений и, при необходимости, подготовку полученного объема информации для передачи на Землю. В качестве динамического спектрального фильтра 7 использован акустооптический видеомонохроматор [18]. Данный динамический спектральный фильтр осуществляет узкополосную фильтрацию проходящего ЛИ с целью подавления фоновых засветок при приеме излучения, отраженного от наблюдаемого космического объекта. Кроме того, данный фильтр является невзаимным оптическим элементом и выполняет роль оптической развязки между первым и последующими лазерными усилителями с целью предотвращения самовозбуждения лазерного усилителя. Управляемые ослабители выполнены на основе электрооптических модуляторов светового потока, или на основе механических затворов типа управляемой диафрагмы. Управляемое отражательное зеркало 41 содержит пьезоэлемент, находящийся в контакте с собственно отражательным зеркалом, и осуществляет управляемое изменение угла падения опорного оптического излучения на оптический вход телевизионной камеры 10.

В настоящее время вопросы цифровой обработки голограмм и восстановления изображений хорошо освещены в современных научных исследованиях [12]. Хорошо освещены также вопросы регистрации и передачи голограмм по телевизионному каналу [13], восстановления голограмм и их обработка различными цифровыми и оптическими средствами [14]. Поэтому не существует каких-либо проблем в вопросе регистрации, обработки, восстановлении голограмм и изображений цифровыми средствами.

До настоящего времени сложной проблемой была регистрация голограмм удаленных объектов, решение которой предложено в настоящем изобретении. Основной проблемой при регистрации голограмм, в том числе удаленных космических объектов, является проблема реализации высокой чувствительности аппаратуры, регистрирующей голограмму. Это обусловлено тем, что голограмма любого объекта представляет собой расфокусированное изображение объекта. Поэтому интенсивность оптического сигнала, приходящегося на один элемент фоточувствительной регистрирующей матрицы (телевизионной камеры) в голограмме примерно на 4-5 порядков ниже, чем соответствующая интенсивность одного элемента разрешения в регистрируемом прямом изображении объекта. Этим определяется существенное уменьшение чувствительности аппаратуры при регистрации голограммы, например, в голографической телевизионной системе [13]. Низкая чувствительность процесса регистрации голограммы до настоящего времени не позволяла осуществить регистрацию голограммы удаленного космического объекта. В предлагаемой системе решена проблема реализации необходимой высокой чувствительности при регистрации голограмм удаленных космических объектов. Данная задача увеличения чувствительности решена за счет использования высокочувствительных узкополосных лазерных усилителей, которые обеспечивают усиление оптического сигнала от наблюдаемого объекта (объектного пучка), а также усиление опорного светового пучка для формирования голограммы. Как показано в монографии авторов [8] чувствительность однокаскадного лазерного усилителя может достигать величин 10⁵-10⁶. Соответственно чувствительность двухкаскадного лазерного усилителя может достигать величин 10¹⁰, что перекрывает потери чувствительности при регистрации голограммы и позволяет обеспечить регистрацию голограмм удаленных космических объектов. В предлагаемом лазерном голографическом локаторе опорный лазерный сигнал для формирования голограммы выделяется из усиленного оптического сигнала от наблюдаемого объекта, подсвеченного лазерным излучением лазерного передатчика. Данное формирование опорного сигнала для голограммы осуществляется путем пространственной фильтрации усиленного оптического сигнала от объекта. Этим обеспечивается формирование плоского волнового фронта для опорного сигнала регистрируемой голограммы с необходимой величиной интенсивности опорного сигнала. При этом оптические частоты объектного и опорного оптических сигналов для голограммы совпадают автоматически. Этим снимается проблема компенсации доплеровского сдвига в частоте опорного сигнала голограммы. Поэтому в предлагаемом лазерном голографическом локаторе для компенсации доплеровского сдвига достаточно обеспечить попадание оптической частоты принимаемого от объекта оптического сигнала в частотную полосу приема и усиления лазерного усилителя 5 (и остальных лазерных усилителей автоматически). Данная задача решена для лазерных усилителей на основе атомарного йода - активных квантовых фильтров [8].

По материалам представленной заявки на изобретение проведен цикл теоретических и экспериментальных работ, представленных в монографии авторов [8]. На фиг. 2 представлено изображение тест-объекта - модели летательного аппарата, полученного при обработке голограммы.

В предлагаемом лазерном голографическом локаторе можно выделить следующие факторы новизны.

1. Реализация возможности получения и регистрации голограмм удаленных движущихся космических объектов на основе использования лазерного усилителя - активного квантового фильтра, обладающего уникальными возможностями по обеспечению высокой чувствительности на уровне квантового предела, высокой помехозащищенностью при одновременном сохранении фазовой структуры усиливаемого оптического сигнала. Одновременно с использованием лазерных усилителей для усиления объектного и опорного пучков лазерного излучения, образующих регистрируемую голограмму, используется лазерный гетеродинный прием сигнала от наблюдаемого объекта для измерения и компенсации доплеровского сдвига с используемыми известными методами лазерного гетеродинирования [16]. Собственно, компенсация доплеровского сдвига при наблюдении удаленного космического объекта реализуется известными средствами путем смещения частоты генерирования ЛИ в лазерном передатчике. Это обеспечивает регистрацию голограммы движущегося космического объекта и восстановление изображения методами цифровой оптики и голографии в используемом современном компьютере. Можно отметить, что изложенная совокупность действий и элементов лазерного локатора, реализующих действия, представлена впервые, обладает новизной и позволяет впервые реализовать указанный эффект регистрации голограммы движущегося космического объекта.

2. Новизна собственно применения предлагаемого лазерного голографического локатора для регистрации голограммы космического объекта и восстановления высококачественного изображения при наблюдении за космическими объектами непосредственно с земной поверхности через приземный слой атмосферы. При этом в результате регистрации голограммы фиксируется информация не только об изображении объекта, но также регистрируется информация о фазовых искажениях атмосферы в момент регистрации голограммы. При восстановлении изображения с голограммы цифровыми методами обеспечивается компенсация этих фазовых искажений и реализация высокой угловой разрешающей способности в изображении наблюдаемого объекта, соответствующая угловой разрешающей (дифракционной) способности приемного телескопа большого диаметра, превышающего диаметр зоны (области) корреляции атмосферных фазовых искажений. Такой эффект достигается без использования каких-либо дополнительных элементов или блоков в предлагаемом лазерном голографическом локаторе, а только за счет использования специального дополнительного программного обеспечения. При этом достигаемый эффект увеличения разрешающей способности превышает величину повышения разрешения телескопов при использовании современной сложной и дорогостоящей адаптивной астрономической оптики. Данный результат также достигается впервые и не имеет аналогов в научной литературе по адаптивной оптике и системам наблюдения космических объектов.

3. Способность принимать отраженный от объекта сигнал на фоне излучения практически любого естественного источника излучения, в том числе на фоне дневного неба и на фоне излучения диска Солнца. Это достигается за счет чрезвычайно узкой линии усиления йодного активного квантового фильтра, которая составляет ≈1,7⋅10^-3 нм и длины волны, лежащей в ближнем ИК диапазоне длин волн, где яркостная температура Солнца почти в четыре раза меньше его яркостной температуры в максимуме.

Предлагаемый лазерный голографический локатор фактически открывает новое научно - техническое направление - лазерная голографическая локация и цифровая адаптивная оптика.

Предлагаемый лазерный голографический локатор вследствие высокой эффективности и указанных свойств найдет применение в системах контроля и наблюдения космического пространства и в наземных оптических наблюдательных системах, в том числе и для замены используемых систем адаптивной оптики.

Источники информации.

1. Авторское свидетельство СССР №944437, опубл. 20.04.1995, бюл. №11.

2. Патент США №3889226, кл. 340-54.

3. Авторское свидетельство СССР №1265688, опубл. 23.10.1986, бюл. №39.

4. Патент РФ №2152056, опубл. 27.06.2000, бюл. №18.

5. Авторское свидетельство СССР №263769 опубл. 10.11.1970 г. Бюл. №8.

6. Патент РФ №2575766 опубл. 20.02.2016, бюл. №5. (ближайший аналог).

7. Патент РФ №2133533, опубл. 30.09.1997, бюл. №20.

8. Носач О.Ю., Манкевич С.К., Орлов Е.П. Лазерная локация и космическая связь на йодных лазерах, Саарбрюкен, Германия, 2015, стр. 217.

9. Книга рекордов России. Сертификат №00874 (2015 г.). Наибольшая помехозащищенность приема оптического сигнала. Авторы: Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П.

10. Книга рекордов России. Сертификат №00875 (2015 г.). Наибольшая чувствительность приема оптического сигнала. Авторы: Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П.

11. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики, Москва, Радио и связь, 1985.

12. Ярославский Л.П., Мерзляков Н.С. Цифровая голография, Москва, Наука, 1982.

13. Манкевич С.К., Матвеев И.Н. О чувствительности голографической телевизионной системы. Техника средств связи, серия Техника телевидения, вып. 3 (17), Москва, 1979, стр. 36-44.

14. Манкевич С.К. и др. Применение электронно-лучевой трубки в голографическом телевидении. Техника кино и телевидения. №10, 1979.

15. Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики, Москва, Наука, 1985.

16. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование, Москва, Наука, 1985, стр. 288.

17. Матвеев И.Н., Устинов Н.Д. и др., под ред. Н.Д. Устинова. Адаптация в информационных оптических системах. М., Радио и связь, 1984 г. стр. 344.

18. Патент РФ №2258206, опубл. 2005 г. 10.08, Бюлл. №22.

Использование: изобретение относится к лазерной локации и квантовой электронике и предназначено для создания голограмм космических объектов искусственного и естественного происхождения с целью получения более полной информации о них в виде их объемного изображения. Сущность: лазерный голографический локатор содержит телескоп, лазерные передатчик и гетеродин, три лазерных усилителя, телевизионную камеру и фотоприемный блок, динамический спектральный фильтр, блоки сканирования и сдвига частоты лазерного излучения. Регистрация голограммы движущегося удаленного космического объекта обеспечивается за счет применения высокоэффективных лазерных усилителей и одновременной компенсации доплеровского сдвига частоты отраженного от наблюдаемого объекта лазерного излучения. При этом квантовому усилению подвергаются объектный и опорный пучки лазерного излучения при формировании голограммы наблюдаемого космического объекта, а опорный пучок лазерного излучения формируется посредством пространственной фильтрации лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта. При осуществлении наблюдения за космическим объектом с поверхности Земли через слой турбулентной приземной атмосферы предлагаемый лазерный голографический локатор обеспечивает без использования сложной и малоэффективной адаптивной оптики реализацию предельной дифракционной разрешающей способности используемого телескопа за счет компенсации турбулентных искажений атмосферы в зарегистрированной голограмме при ее обработке в компьютере по специальной программе восстановления изображения. Предлагаемый лазерный голографический локатор может быть использован для контроля космического пространства с целью предотвращения столкновения космических аппаратов с отслужившими элементами искусственных космических объектов и различными естественными космическими объектами, например астероидами. Технический результат: повышение эффективности работы лазерного голографического локатора в условиях слежения за движущимися удаленными космическими объектами, увеличение чувствительности при регистрации голограммы движущегося космического объекта. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерный голографический локатор, содержащий последовательно установленные на первой оптической оси оптически связанные телескоп с блоком наведения, выдвижное полупрозрачное зеркало с блоком перемещения, первый лазерный усилитель, первое полупрозрачное зеркало, динамический спектральный фильтр, второе полупрозрачное зеркало, второй лазерный усилитель и телевизионную камеру, подключенную к блоку управления, а также содержит лазерный передатчик, лазерный гетеродин, подключенные к блоку управления, блок сдвига частоты лазерного излучения, блок сканирования лазерного излучения, третий лазерный усилитель, первую и вторую фурье-линзы, оптическую диафрагму, объектив, оптический выход которого связан с оптическим входом фотоприемного блока, выходом подключенного к блоку спектральных фильтров, первый, второй и третий управляемые ослабители с блоками управления, расширитель пучка лазерного излучения, управляемое отражательное зеркало с блоком управления, семь отражательных зеркал, шесть полупрозрачных зеркал, при этом выход лазерного передатчика оптически связан с телескопом посредством седьмого отражательного зеркала, одновременно оптический выход лазерного передатчика оптически связан с оптическим входом расширителя пучка лазерного излучения посредством последовательно оптически связанных полупрозрачного зеркала, первого управляемого ослабителя и отражательного зеркала, оптический выход расширителя пучка лазерного излучения оптически связан с оптическим входом фотоприемного блока посредством двух отражательных и двух полупрозрачных зеркал, оптический выход телескопа оптически связан с оптическим входом объектива посредством оптически связанных выдвижного полупрозрачного зеркала, отражательного и полупрозрачного зеркала, оптический выход объектива оптически связан с оптическим входом фотоприемного блока, оптический выход лазерного гетеродина оптически связан с оптическим входом фотоприемного блока посредством последовательно оптически связанных блока сдвига частоты лазерного излучения, блока сканирования лазерного излучения, двух полупрозрачных и отражательного зеркала, оптический выход первого лазерного усилителя оптически связан с оптическим входом объектива посредством последовательно оптически связанных первого полупрозрачного зеркала, второго управляемого ослабителя и полупрозрачного зеркала, оптический выход динамического спектрального фильтра оптически связан с оптическим входом третьего лазерного усилителя посредством последовательно оптически связанных первой фурье-линзы, оптической диафрагмы, второй фурье-линзы и отражательного зеркала, оптический выход третьего лазерного усилителя оптически связан с оптическим входом телевизионной камеры посредством последовательно оптически связанных третьего управляемого ослабителя, отражательного зеркала и управляемого отражательного зеркала, к блоку управления параллельно подключены управляющие входы трех лазерных усилителей, динамический спектральный фильтр, блоки управления управляемых ослабителей, управляющие входы лазерного передатчика, лазерного гетеродина, блоки сдвига частоты и сканирования лазерного излучения, блоки управления выдвижным полупрозрачным зеркалом и управляемым отражательным зеркалом, выход блока спектральных фильтров подключен к блоку управления, блок наведения телескопа подключен к блоку управления.

2. Лазерный голографический локатор по п. 1, отличающийся тем, что лазерный передатчик и лазерный гетеродин выполнены на основе лазерных генераторов с возможностью перестройки частоты генерируемого лазерного излучения.

3. Лазерный голографический локатор по п. 1, отличающийся тем, что лазерные усилители выполнены с возможностью перестройки частоты усиливаемого лазерного излучения.

4. Лазерный голографический локатор по п. 1, отличающийся тем, что блок сканирования лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, обеспечивающие изменение направления распространения проходящего через ячейку лазерного излучения.

5. Лазерный голографический локатор по п. 1, отличающийся тем, что блок сдвига частоты лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, обеспечивающие изменение частоты проходящего через ячейку лазерного излучения.