Сканирующее устройство излучения и приёма отражённого лазерного пучка для космических применений Российский патент 2024 года по МПК G01S17/88 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в аппаратуре лазерного локатора.

Известно устройство (1 - Патент RU 210347 «Устройство для приема и передачи оптического сигнала частоты с компенсацией фазовых шумов», опубл. 08.04.2022, Бюл. №10), в состав которого входит приемопередающий оптический блок, содержащий последовательно соединённые первый делитель мощности, вход которого является входом сигнала оптической частоты, второй делитель частоты, оптический циркулятор и первый акустооптический модулятор, третий делитель мощности и фотодиод, последовательно соединённые второй акустооптический модулятор, контроллер поляризации и четвёртый делитель мощности, а также пятый делитель мощности, второй фотодиод и фарадеевское зеркало, соединённое со вторым выходом четвертого делителя мощности.

Недостатком устройства [1] является использование множества активных элементов в составе оптического блока: фотодиодов, акустооптических модуляторов, контроллера поляризации, фарадеевского зеркала, делителя частоты. Данный недостаток существенно повышает требования к обеспечению температурной и радиационной стойкости устройства и ограничивает возможности применения устройства в космических условиях.

Известно устройство измерения расстояния (2 - JP 2016080409 A Distance measuring device), в состав которого входит оптическая головка, содержащая отражательный элемент и конденсаторную линзу и соединённая оптоволоконным кабелем с основным корпусом, содержащим источник лазерного излучения, выходную систему оптических элементов, приёмное устройство и устройства для приёма и обработки сигналов.

Недостатком устройства [2] является обеспечение измерения только расстояния до цели, без определения направления на цель.

Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство излучения и приёма отраженного лазерного пучка (3 - Poujouly S. and Journet В. 1998 A two-fold modulation frequency laser range finder. J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 4 (2002) S356-S363) (фиг. 1), являющееся составной частью лазерного дальномера, принятое за прототип.

Устройство излучения и приёма отраженного лазерного луча "The optical head" (оптическая головка) содержит лазерный диод, излучающий пространственный лазерный луч; фиксированное зеркало, расположенное на оси оптической системы, отклоняющее лазерный луч в направлении цели; фокусирующую линзу, обеспечивающую фокусировку отражённого лазерного пучка на фотодиоде; лавинный фотодиод, преобразующий принятый оптический сигнал в электрический.

Недостатком прототипа [3] является обеспечение измерения только расстояния до цели, без определения направления на цель.

Другим недостатком устройства-прототипа для космических применений является наличие в устройстве активных полупроводниковых элементов: лазерного диода и лавинного фотодиода, которые имеют узкий диапазон рабочих температур.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является расширение функциональных возможностей в части определения направления на цель, а также повышение температурной и радиационной стойкости устройства для обеспечения его функционирования в космических условиях.

Для решения указанной технической проблемы предлагается сканирующее устройство излучения и приёма отражённого лазерного пучка для космических применений, содержащее фиксированное зеркало, расположенное на оптической оси фокусирующей линзы, отклоняющее лазерный пучок в направлении цели, и фокусирующую линзу, обеспечивающую фокусировку отражённого лазерного пучка.

Согласно изобретению, дополнительно введены сканирующее двухкоординатное микрозеркало, управляемое внешним удаленным драйвером, линзовый коллиматор с вводом лазерного пучка через оптоволоконный вход, оптоволоконный вывод, передающий принятый оптический сигнал на внешний блок, юстировочный узел, обеспечивающий юстировку конца оптоволоконного вывода в трех координатах относительно положения фокусирующей линзы.

Технический результат состоит в возможности применения сканирующего устройства в широком температурном диапазоне, соответствующем космическим условиям, в составе лидара для измерения дальности и скорости, а также в определении направления на цель. На фиг. 1 приведена схема прототипа.

На фиг. 2 приведена схема заявленного сканирующего устройства.

Сканирующее устройство излучения и приёма отражённого лазерного пучка для космических применений устанавливается снаружи корпуса космического аппарата, где температурный диапазон очень широкий, и полупроводниковые компоненты для обеспечения нормального режима работы должны охлаждаться или нагреваться дополнительными средствами, что увеличивает массу устройства и потребляемую мощность. На фигурах приняты следующие обозначения:

1 - лавинный фотодиод;

2 - фокусирующая линза;

3 - лазерный диод;

4 - зеркало;

5 - юстировочный узел;

6 - линзовый коллиматор;

7 - сканирующее двухкоординатное микрозеркало;

8 - оптоволоконный вывод;

9 - оптоволоконный вход.

Чтобы предлагаемое сканирующее устройство (фиг. 2) обеспечивало определение направления на цель, в него введено сканирующее двухкоординатное микрозеркало 7, управляемое внешним удаленным драйвером (на фиг. 2 не указан), отклоняющее лазерный пучок в двух координатах. Для управления поворотом сканирующего двухкоординатного микрозеркала 7 используется ток, формируемый внешним удаленным драйвером. Сканирующее двухкоординатное микрозеркало 7 является микроприбором, выполненным по технологии микро-электро-механики (МЭМС), и в нём отсутствуют полупроводниковые компоненты.

Для обеспечения возможности работы сканирующего устройства в широком диапазоне температур в нём заменены лазерный диод 3 и лавинный фотодиод 1. Вместо лазерного диода 3 стоит линзовый коллиматор 6, создающий узконаправленный пучок, поступающий на сканирующее двухкоординатное микрозеркало 7. Лазерный пучок поступает на линзовый коллиматор 6 через оптоволоконный вход 9. Лазерный пучок из линзового коллиматора 6 поступает на зеркало 4, являющееся фиксированным и расположенное на оптической оси фокусирующей линзы 2, при этом диаметр зеркала 4 много меньше диаметра фокусирующей линзы 2. Зеркало 4, расположенное под углом 45° к оптической оси фокусирующей линзы 2, отражает лазерный пучок с выхода линзового коллиматора 6 на сканирующее двухкоординатное микрозеркало 7, отражающее лазерный пучок в направлении на цель. Лазерный пучок, отраженный от цели, поступает на сканирующее двухкоординатное микрозеркало 7, отражаясь от которого, поступает на фокусирующую линзу 2, обеспечивающую фокусировку отраженного лазерного пучка.

Вместо лавинного фотодиода 1 стоит оптоволоконный вывод 8, на торец которого поступает сфокусированный лазерный пучок от фокусирующей линзы 2, отражённый сканирующим двухкоординатным микрозеркалом 7. Через оптоволоконный вывод 8 принятый оптический сигнал поступает во внешний блок (на фиг. 2 не указан).

Для обеспечения точной фокусировки лазерного пучка конец оптоволоконного вывода 8 закреплён в механическом юстировочном узле 5, обеспечивающем юстировку конца оптоволоконного вывода 8 в трёх координатах относительно положения фокусирующей линзы 2.

Предложенное сканирующее устройство в совокупности позволяет применить его в составе лидара для измерения дальности и скорости, расширить функциональные возможности в части определения направления на цель, а также повысить температурную и радиационную стойкость для обеспечения его функционирования в космических условиях.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в аппаратуре лазерного локатора. Сканирующее устройство содержит фиксированное зеркало, расположенное на оптической оси фокусирующей линзы, отклоняющее лазерный пучок в направлении цели, и фокусирующую линзу, обеспечивающую фокусировку отражённого лазерного пучка. Дополнительно введены сканирующее двухкоординатное микрозеркало, управляемое внешним удалённым драйвером, линзовый коллиматор с вводом лазерного пучка через оптоволоконный вход, оптоволоконный вывод, передающий принятый лазерный сигнал на внешний блок, котировочный узел, обеспечивающий юстировку конца оптоволоконного вывода в трёх координатах относительно положения фокусирующей линзы. Технический результат - повышение температурной и радиационной устойчивости сканирующего устройства для применения его в космических условиях в составе лидара для измерения дальности и скорости, а также определение направления на цель. 2 ил.

Сканирующее устройство излучения и приёма отраженного лазерного пучка для космических применений, содержащее фиксированное зеркало, расположенное на оптической оси фокусирующей линзы, отклоняющее лазерный пучок в направлении цели, и фокусирующую линзу, обеспечивающую фокусировку отражённого лазерного пучка, отличающееся тем, что дополнительно введены сканирующее двухкоординатное микрозеркало, управляемое внешним удалённым драйвером, линзовый коллиматор с вводом лазерного пучка через оптоволоконный вход, оптоволоконный вывод, передающий принятый оптический сигнал на внешний блок, юстировочный узел, обеспечивающий юстировку конца оптоволоконного вывода в трёх координатах относительно положения фокусирующей линзы.