СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ И НАВЕДЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЯ С ОПТОВОЛОКОННЫМ ВЫВОДОМ НА ЦЕЛЬ Российский патент 2024 года по МПК G02B27/09 G01S7/481 

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может использоваться при разработке лазерных комплексов в части формирования и наведения лазерного излучения на удаленные цели.

Известна система формирования и наведения лазерного излучения n излучателей с оптоволоконными выводами на цель [1], содержащая устройство грубого наведения суммарного излучения n излучателей, передающее устройство, образованное из n лазерных излучателей с оптической системой формирования излучения каждого излучателя в виде короткофокусного коллиматора из асферической линзы, сумматора единичных лазерных пучков из n светоделительных элементов, выполненных в виде дихроичных пластин, установленных под углом 45° к оптической оси, системы формирования необходимой диаграммы направленности суммарного лазерного излучения всех излучателей в зеркально-линзовом телескопе с внеосевым параболическим зеркальным объективом и подвижной асферической линзой окуляра, установленном на микропозиционере трехкоординатного блока сканирования для точного наведения и фокусировки суммарного излучения всех излучателей на цель, приемное устройство, включающее приемный объектив и приемник; дальномер, включающий передающий и приемный блоки, электронный блок управления и обработки, причем хотя бы один из n излучателей может быть выполнен в виде зондирующего излучателя. На выходе оптической системы суммарный лазерный пучок лучей падает на внеосевое вогнутое параболическое зеркало телескопа, конструктивно связанное с устройством грубого наведения, и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей.

К недостаткам этой системы относятся:

- конструктивное исполнение системы формирования результирующего лазерного пучка, не позволяющее получать на выходе пучки дифракционного качества с постоянным однородным и неизменным распределением плотности мощности по сечению пучка на протяженных трассах;

- большое количество оптических поверхностей в оптической системе, погрешности которых сказываются на точности формируемого волнового фронта и точности наведения на цель;

- сложность и дороговизна изготовления асферической оптики для коллиматора и телескопической системы, сложность юстировки внеосевого параболического зеркала;

- невысокая плотность излучения на цели из-за фокусировки и наведения суммарного излучения всех излучателей на цель общей телескопической системой формирования;

- большие лучевые нагрузки на коллиматоре и окуляре телескопа из-за близкого расположения оптических элементов к торцу излучающего тела излучателя;

- дополнительное согласование приемного и передающего каналов из-за несоосного их расположения относительно друг друга.

Известна система формирования и наведения лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на цель [2], содержащая устройство грубого наведения, излучатель с оптоволоконным выводом, оптическую систему формирования лазерного излучения в виде короткофокусного коллиматора из асферической линзы, системы формирования необходимой диаграммы направленности лазерного излучения в виде зеркального телескопа с главным вогнутым, выполненным внеосевым параболическим, и вторичным выпуклым, выполненным параболическим, зеркалами, наклонных к оптической оси, устройство сканирования, выполненное в виде блока сканирования и вторичного выпуклого зеркала, устройство фокусировки лазерного излучения, выполненное в виде механизма продольного перемещения коллимирующей асферической линзы, приемный объектив и приемник, устройство зондирующего излучения, дальномер, электронный блок управления и обработки.

К недостаткам этой системы относятся:

- большое количество оптических поверхностей в оптической системе, погрешности которых сказываются на точности формируемого волнового фронта и точности наведения на цель;

- сложность и дороговизна изготовления асферической оптики для коллиматора и зеркальной телескопической системы, сложность юстировки внеосевого параболического зеркала;

- большие лучевые нагрузки на коллиматоре и вторичном выпуклом зеркале телескопа из-за близкого расположения коллиматора к торцу излучающего тела излучателя и небольшой апертуры излучения на выходе коллиматора;

- дополнительное согласование приемного и передающего каналов из-за несоосного их расположения относительно друг друга.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является система формирования и наведения лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на цель [3], содержащая устройство грубого наведения, излучатель с оптоволоконным выводом, систему формирования излучения, включающую главное вогнутое, выполненное внеосевым параболическим, и вторичное плоское зеркала, наклонные к оптической оси, устройство сканирования, выполненное в виде блока сканирования и вторичного плоского зеркала, устройство фокусировки лазерного излучения, выполненное в виде механизма продольного перемещения торца сердцевины оптоволоконного вывода, приемный объектив и приемник, устройство зондирующего излучения, дальномер, электронный блок управления и обработки.

К недостаткам этой системы относятся:

- сложность и дороговизна изготовления асферической оптики в виде внеосевого параболического зеркала;

- сложность и невысокая точность юстировки внеосевого параболического зеркала;

- невысокая точность наведения из-за невысокой точности юстировки;

- дополнительное согласование приемного и передающего каналов из-за несоосного их расположения относительно друг друга.

Задачей изобретения является: упрощение и снижение стоимости изготовления главного вогнутого зеркала, упрощение и повышение точности юстировки системы, повышение точности наведения, увеличение плотности излучения на цели.

Поставленная задача решается тем, что в известной системе формирования и наведения лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на цель, содержащей устройство грубого наведения, излучатель с оптоволоконным выводом, систему формирования излучения, включающую главное вогнутое и вторичное плоское зеркала, наклонные к оптической оси, устройство сканирования, выполненное в виде блока сканирования и вторичного плоского зеркала, устройство фокусировки лазерного излучения, выполненное в виде механизма продольного перемещения торца сердцевины оптоволоконного вывода, приемный объектив и приемник, устройство зондирующего излучения, дальномер, электронный блок управления и обработки, главное вогнутое зеркало системы формирования излучения выполнено осевым со сферической поверхностью, дополнительно в систему формирования излучения введены защитное окно, выполненное в виде корректирующей линзы со сферическими поверхностями, наклонной к оптической оси, дихроичное зеркало, отражающее излучение излучателя с оптоволоконным выводом и пропускающее приемное зондирующее излучение, установленное под углом к оптической оси после излучателя с оптоволоконным выводом перед вторичным плоским зеркалом, за дихроичным зеркалом последовательно установлены масштабирующие линзы и приемник, при этом эффективное фокусное расстояние главного вогнутого зеркала и корректирующей линзы выбрано тождественным фокусному расстоянию системы формирования излучения.

На рисунке показана принципиальная оптическая схема для реализации предложенного устройства, где: 1 - система формирования излучения (приемный объектив); 1.1- корректирующая линза; 1.2 - главное вогнутое зеркало; 1.3 - вторичное плоское зеркало; 2 - излучатель с оптоволоконным выводом; 3 - торец сердцевины оптоволоконного вывода; 4 - устройство сканирования; 4.1 - блок сканирования; 5 - устройство фокусировки с механизмом продольного перемещения торца сердцевины оптоволоконного вывода; 6 - дихроичное зеркало; 7 - масштабирующие линзы; 8 - приемник; 9 - устройство зондирующего излучения; 9.1 -зондирующий излучатель; 9.2 - система формирования зондирующего излучения; 10 - устройство грубого наведения; 10.1 - опорно-поворотная платформа; 10.2 - плоское зеркало; 10.3 - телекамера с объективом; 11 -устройство дальномера; 11.1- передающий блок; 11.2 - приемный блок; 12 - электронный блок управления и обработки.

Система формирования и наведения лазерного излучения излучателей на цель с помощью предложенного устройства включает передающий и приемный каналы.

Передающий канал состоит из системы формирования излучения 1, включающего корректирующую линзу 1.1, главное вогнутое зеркало 1.2, вторичное плоское зеркало 1.3; дихроичного зеркала 6, отражающего излучение излучателя с оптоволоконным выводом. Предметной плоскостью передающего канала является плоскость торца сердцевины 3 оптоволоконного вывода излучателя 2, плоскостью изображений -плоскость цели. Передающий канал предназначен для формирования необходимой диаграммы направленности лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом и фокусировки его на заданные дальности.

Приемный канал состоит из приемного объектива 1, дихроичного зеркала 6, пропускающего приемное зондирующее излучение, отраженное от цели, масштабирующих линз 7 и приемника 8. В качестве приемного объектива используется система формирования излучения 1, включающего корректирующую линзу 1.1, главное вогнутое зеркало 1.2, вторичное плоское зеркало 1.3. Приемный канал предназначен для приема отраженных бликов от цели и построения изображения цели в плоскости приемника 8. Предметной плоскостью приемного канала является плоскость цели, плоскостью изображений - чувствительная плоскость приемника 8.

Приемный и передающий каналы оптически разделены дихроичным зеркалом 6, пропускающим приемное зондирующее излучение, отраженное от цели, и отражающим излучение излучателя с оптоволоконным выводом.

Система формирования излучения 1, включающая корректирующую линзу 1.1, главное вогнутое зеркало 1.2, вторичное плоское зеркало 1.3, предназначена для формирования излучения необходимой диаграммы направленности и представляет собой длиннофокусный коллиматор со стандартными сферическими и плоской поверхностями. Приемный объектив 1 аналогичного состава системы формирования излучения 1 предназначен для приема отраженных бликов от цели. Оптические элементы располагаются на достаточно большом расстоянии от торца сердцевины оптоволоконного вывода, откуда выходит расходящееся мощное лазерное излучение, обеспечивая при этом сильное уменьшение лучевых нагрузок на оптические поверхности.

Излучатель 2 с оптоволоконным выводом предназначен для создания лазерного излучения. Торец сердцевины оптоволоконного вывода 3 располагают в фокальной плоскости системы формирования излучения 1.

При исходном положении торца сердцевины через него выходит пучок, сфокусированный на бесконечность и сфокусированный на заданную дальность при его перемещении.

Устройство сканирования 4, установленное за главным вогнутым зеркалом 1.2, состоит из блока сканирования 4.1, вторичного плоского зеркала 1.3 и предназначено для точного наведения лазерного излучения на цель.

Устройство фокусировки 5 с механизмом продольного перемещения торца сердцевины оптоволоконного вывода предназначено для фокусировки лазерного излучения на цель.

Дихроичное зеркало 6 предназначено для оптического разделения приемного и передающих каналов и пропускает приемное зондирующее излучение, отраженное от цели, и отражает излучение излучателя с оптоволоконным выводом.

Устройство зондирующего излучения 9 состоит из зондирующего излучателя 9.1 и системы формирования зондирующего излучения 9.2 и предназначено для создания зондирующего излучения и облучения зоны предполагаемого расположения цели зондирующим лазерным излучением.

Устройство грубого наведения 10 состоит из опорно-поворотной платформы 10.1, на которой установлены плоское зеркало 10.2, телекамера с объективом 10.3, устройство зондирующего излучения 9 и предназначено для поиска целей и грубого наведения системы на цель.

Опорно-поворотная платформа 10.1 предназначена для осуществления вращения по азимуту и наклону по углу места установленных на ней устройств.

Плоское зеркало 10.2 предназначено для отражения излучения излучателя с оптоволоконным выводом и приема зондирующего излучения, отраженного от цели.

Телекамера с объективом 10.3 предназначена для приема отраженных от цели бликов и построения изображения цели в плоскости телекамеры.

Устройство дальномера 11 предназначено для определения дальности до цели и состоит из передающего и приемного блоков.

Передающий блок 11.1 устройства дальномера предназначен для облучения обнаруженных целей.

Приемный блок 11.2 устройства дальномера предназначен для приема отраженного от целей излучения и определения дальности до обнаруженных целей.

Электронный блок управления и обработки 12 предназначен для осуществления: управления процессами формирования излучения, поиска целей, грубого и точного наведения и фокусировки излучения на цель; анализа и обработки полученных изображений.

Система формирования и наведения лазерного излучения излучателей с оптоволоконными выводами на цель работает следующим образом.

С электронного блока управления и обработки 12 подается командный сигнал на включение и функционирование телекамеры 10.3 и опорно-поворотной платформы 10.1 устройства грубого наведения 10. Осуществляется обзор пространства, поиск целей вращением и наклоном опорно-поворотной платформы 10.1 в рабочем диапазоне углов и построение изображений обнаруженных целей объективом в плоскости телекамеры 10.3. Полученная информация поступает в электронный блок управления и обработки 12 и производится анализ и обработка полученных изображений, определяется зона предполагаемого нахождения обнаруженной цели. Для определения уязвимого места обнаруженной цели подается команда с электронного блока управления и обработки 12 на зондирование этой части пространства зондирующим излучением и включается устройство зондирующего излучения 9.

Излучение зондирующего излучателя 9.1, сформированное в системе формирования зондирующего излучения 9.2, производит зондирование пространства предполагаемого нахождения обнаруженной цели, отражается от цели и принимается объективом телекамеры 10.3 устройства грубого наведения 10. Сигналы о расположении обнаруженной цели с чувствительной площадки телекамеры 10.3 поступают в электронный блок управления и обработки 12, производится измерение координат обнаруженной цели. С электронного блока управления и обработки 12 подается командный сигнал на наведение системы на цель плоским зеркалом 10.2. Вращением и наклоном плоского зеркала 10.2 производится грубое наведение на цель, изображение цели подводят в центр углового поля зрения телекамеры 10.3 с точностью грубого наведения, совпадающей или меньшей углового поля зрения устройства сканирования 4. Система с точностью устройства грубого наведения наведена на обнаруженную цель, и цель попадает в поле зрения устройства сканирования 4.

Производится сканирование. Отраженное от цели зондирующее излучение принимается плоским зеркалом 10.2, отражается от него, попадает в приемный объектив 1, проходит корректирующую линзу 1.1, последовательно отражается от главного вогнутого зеркала 1.2 и вторичного плоского зеркала 1.3, проходит через дихроичное зеркало 6, масштабирующие линзы 7 и строит изображение цели близкого к дифракционному качеству в плоскости приемника 8 в рабочем диапазоне углов поля зрения устройства сканирования 4.

В электронный блок управления и обработки 12 с приемника 8 поступают сигналы о расположении обнаруженной цели, производят измерение координат обнаруженной цели. С электронного блока управления и обработки 12 подается командный сигнал на сканирование вторичного плоского зеркала 1.3 устройства сканирования 4. Производится точное угловое наведение системы на цель, изображение цели подводят в центр углового поля зрения приемника 8 сканированием вторичного плоского зеркала 1.3. Цель находится на оси приемного канала.

Поскольку предметной плоскостью приемного канала является плоскость цели и плоскостью изображений - плоскость приемника, а предметной плоскостью передающего канала является плоскость торца сердцевины оптоволоконного вывода излучателя, откуда выходит единичный лазерный пучок, и плоскостью изображений - плоскость цели, то когда система точно наведена на цель устройством сканирования и изображение цели находится на оси приемного канала, то цель находится и на оси передающего канала, и выходное излучение излучателя точно наведено на цель. И при этом обеспечивается сопряженность торца сердцевины оптоволоконного вывода излучателя, откуда выходит лазерный пучок, и цели.

Необходимость использования масштабирующих линз определяется следующими характеристиками оптических элементов, использующихся при построении изображения цели в приемном канале. Поскольку диаметр и фокусное расстояние системы формирования излучения 1 определяется в первую очередь заданными параметрами диаграммы направленности излучения излучателя с оптоволоконным выводом 2 и габаритами системы, то для согласования размеров изображения цели в рабочем диапазоне углов поля зрения устройства сканирования 4 и линейного поля приемника 8 необходимо увеличить масштаб изображения целей, построенных приемным объективом 1 (системой формирования излучения 1). Кроме того при прохождении через дихроичное зеркало 6, установленное под углом к оптической оси, изображение цели деформируется. Поэтому для получения изображения цели близкого к дифракционному качеству и построения его в плоскости приемника 8 в рабочем диапазоне углов поля зрения устройства сканирования 4 и обеспечения заданной точности наведения на цель необходимо использование масштабирующих линз 7, согласующих размер изображения цели и линейного поля зрения приемника 8 и корректирующих качество изображения цели.

С электронного блока управления и обработки 12 подается командный сигнал на включение и функционирование устройства дальномерного 11. Лазерное излучение передающего блока 11.1 дальномера 11 направляется на обнаруженную цель. Отраженное от цели излучение поступает в приемный блок 11.2 дальномера 11. Производят измерение дальности до цели. С электронного блока управления и обработки 12 подается командный сигнал на включение устройства фокусировки 5. Производится фокусировка излучателя 2 на цель продольным перемещением торца сердцевины 3 оптоволоконного вывода излучателя 2.

С электронного блока управления и обработки 12 подается управляющая команда на подачу электропитания излучателю с оптоволоконным выводом 2. Излучатель с оптоволоконным выводом 2 начинает генерировать когерентные электромагнитные волны, передаваемые по своему оптоволоконному выводу, торец сердцевины которого 3 является источником излучения, откуда выходит лазерный пучок.

Выходное лазерное излучение, исходящее из торца сердцевины оптоволоконного вывода 3, падает на дихроичное зеркало 6, отражается от него, последовательно отражается от вторичного плоского зеркала 1.3 и главного вогнутого зеркала 1.2 и падает на корректирующую линзу 1.1 системы формирования излучения 1, проходит через корректирующую линзу, формируя излучение заданной диаграммы направленности близкое к дифракционному качеству и выходит сфокусированным на цель.

Излучение излучателя с оптоволоконным выводом отражается от плоского зеркала 10.2 устройства грубого наведения 10 и наводится на цель. Выходное излучение излучателя точно наведено и сфокусировано на цель.

Диаметр сфокусированного излучения на цели определяется дальностью и расходимостью выходного излучения. Чем меньше расходимость излучения, тем меньше размер сфокусированного излучения на цели и больше его плотность. Расходимость на выходе излучателя с оптоволоконным выводом определяется его числовой апертурой NA и диаметром сердцевины, через торец которой выходит лазерный пучок, а на выходе из оптической системы формирования излучения - ее фокусным расстоянием. Чем больше фокусное расстояние системы формирования излучения, тем меньше расходимость выходного излучения. Фокусное расстояние системы выбирают исходя из заданной диаграммы направленности излучения и из требований на габаритные размеры системы. В известной системе формирования лазерного излучения расходимость выходного излучения определяется фокусом главного внеосевого параболического зеркала, равного фокусному расстоянию системы формирования излучения. В предложенной системе, чтобы получить ту же плотность излучения на цели, как в известной системе, эффективное фокусное расстояние главного вогнутого зеркала и корректирующей линзы должно быть выбрано тождественным фокусному расстоянию системы формирования излучения.

Выполнение главного вогнутого зеркала осевым со сферической поверхностью, дополнительное введение в систему формирования излучения защитного окна, выполненного в виде корректирующей линзы со сферическими поверхностями, наклонной к оптической оси, и использование системы формирования излучения в качестве приемного объектива позволяет:

- упростить и снизить стоимость изготовления главного вогнутого зеркала, выполненного осевым со стандартной сферической поверхностью;

- упростить и повысить точность юстировки системы формирования излучения за счет использования осевых стандартных оптических элементов;

- повысить точность наведения за счет повышения точности юстировки системы и формирования дифракционного качества излучения в системе; из-за соосного расположения относительно друг друга приемного и передающего каналов;

- увеличить плотность излучения на цели за счет повышения точности наведения и формирования излучения дифракционного качества на выходе системы.

Источники информации:

1. Патент RU 2663121, опубликован 07.08.2018, бюл. №22, МПК: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01).

2. Патент RU 2699944, опубликован 11.09.2019, бюл. №26, МПК: G01S 17/88 (2019.05), F41G 3/22 (2019.05).

3. Патент RU 2715083, опубликован 25.02.2020, бюл. №6, МПК G02B 27/09, 17/06, G01S 7/481 - прототип.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и касается системы формирования и наведения лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на цель. Система содержит устройство грубого наведения, излучатель с оптоволоконным выводом, систему формирования излучения, включающую главное и вторичное зеркала, наклонные к оптической оси, защитное окно, устройство сканирования, выполненное в виде блока сканирования и вторичного плоского зеркала, устройство фокусировки лазерного излучения, выполненное в виде механизма продольного перемещения торца сердцевины оптоволоконного вывода, приемный объектив и приемник, устройство зондирующего излучения, дальномер, электронный блок управления и обработки. Главное зеркало выполнено осевым со сферической поверхностью. В систему формирования излучения введены защитное окно, выполненное в виде корректирующей линзы, наклонной к оптической оси, и дихроичное зеркало, установленное после излучателя перед вторичным плоским зеркалом. За дихроичным зеркалом установлены масштабирующие линзы и приемник. Технический результат заключается в упрощении конструкции, упрощении и повышении точности юстировки, повышении точности наведения, увеличении плотности излучения на цели. 1 ил.

Система формирования и наведения лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на цель, содержащая устройство грубого наведения, излучатель с оптоволоконным выводом, систему формирования излучения, включающую главное вогнутое и вторичное плоское зеркала, наклонные к оптической оси, устройство сканирования, выполненное в виде блока сканирования и вторичного плоского зеркала, устройство фокусировки лазерного излучения, выполненное в виде механизма продольного перемещения торца сердцевины оптоволоконного вывода, приемный объектив и приемник, устройство зондирующего излучения, дальномер, электронный блок управления и обработки, отличающаяся тем, что главное вогнутое зеркало системы формирования излучения выполнено осевым со сферической поверхностью, дополнительно в систему формирования излучения введены защитное окно, выполненное в виде корректирующей линзы со сферическими поверхностями, наклонной к оптической оси, дихроичное зеркало, отражающее излучение излучателя с оптоволоконным выводом и пропускающее приемное зондирующее излучение, установленное под углом к оптической оси после излучателя с оптоволоконным выводом перед вторичным плоским зеркалом, за дихроичным зеркалом последовательно установлены масштабирующие линзы и приемник, при этом эффективное фокусное расстояние главного вогнутого зеркала и корректирующей линзы выбрано тождественным фокусному расстоянию системы формирования излучения.