Способ оптического зондирования объектов в атмосфере Советский патент 1993 года по МПК G01W1/00 

оо оо го к

;&

фие.1

Изобретение отиоситсл к области атмосфериоЛ оптики и может Сыть ис- пользоппио при построении систем оитичйского зондирования об75ектов, расг1оложо1И1ых п атмосфере, а также для измерения расстояния до различ- 1ШХ оПъектоп, например,иоверхиости планет, с летательт ых и спускаемых аппаратог или для обнаружения место- положения движут1ихся в атмосфере объектов.

Целью изобретешш является увеличение дальности зондирования за счет повьачения плотности мощности нзлучен11я на объекте.

На фт1Г,1 изобралена блок-схема оптической установки дат реализаш яредлагаемого способа.

Суть предлагаемого способа заклго чается в следующем

Поскольку для увеличения дальиост действия локатора необходимо увеличить плотность энергии излучения в плоскости лоцируемого , то оп тическое )1ие фокусируют па объект. Присутствующие всегда в атмосфере оптические неоднородности на трассе локатор - объект уменьшают эту плотность. Так, средняя интенсив иость на оси оптической системы

1(0) л-Ч- Пс1 р,л(,)л(р)

exp{iS( р,) - iB(f;)5 из-за гМуктуапий фазы S(p) будет существенно отлиуатьрл от вакуумной 1ьйЛо) -П , где Я kaVb, k 2///Я ,

Л - ;у1ииа волны пзлучетпш;

а - разме) пучка источни7 :а излу-

чения на входе в среду; A(f) - распределение nojm па источнике.

Влиялие (luiyKTyaiurii фазы приводит к уменыаетпио плотности энергии.

Используя излучение, отраженное о объекта как опорное, можно осуществить адаптивную коррекцию, при зтом фазу отраженного от объекта сигнала по методу фазово1 о coiij nweHnn, т.е. с обратным знаком, вподят в исходное распределение, тогда на фиг.2 показано сопрялсппе фазы импу:пзса оптического излучения с фазой сигнала, принятого .по оспопному пппраплению

Л,ДГ) Л{/Г)е-

послоду10Щ}п 1 iiMnyjiiiC будет расп)остра т{яться без искажении. При этом средняя интснсипн(сть в области фокусировки будет совпадать с вакуумным значением 1вак(0) П .

Однако онисанный здесь случай предполагает, что адаптивная коррекция заключающаяся в приеме отраженного сигнала, выделении фазы сигнала и введении в исходное распределение фазы коррекции по методу фазового сопрядеппя, происходит мгповеино. Вместе с тем реально имеет место запаздывания по времени между двумя последовательными посыпками импульсо оптического излучения локатора, об- условле1П1ыми конечным временем формирования фазосопряжеиного волнового фронта совреме1П1ыми техническими .средствами.

С учетом временного запаздывания Г между соседними посылками излучения за счет перемещения под действием ветра турбуленти1-1х пеоднородносте атмосферы происходит уменьшение средней пнтеисивпости излучепия на объе те, так что

ут/пЪ -

дор - .,j-,,-y.-.,

где I.„ - распределеиие интенсивнос pQti

ти на объекте при фокусировке в вакууме; С - време1П1ая задержка между

импульсами; V - скорость ветра; г g - радиус когерентности Тур- . булептной среды между ло- катором и об75ектом; а - диаметр приемной апертуры

локатора.

. Смещение оптических неоднороднос- тей атмосферы под действием ветра приводит к тому, что отраженное от объекта излучение и излучение после- дующего пмпульса проходят через различные пеодпородности, при этом исчезает статистическая связь между фазой S(r,t) п фазой в момент времени ,(t +1;) - S(r, t + с).

Следует учесть тот факт, что за время Т происходит смещение неодно- родностей со скоростью ветра.

Если теперь осуществить, помимо основного направления, прием по двум дополнительным направле1П1ям, параллельным и равноудале1П 1-1М от основног направления и расположенным во взаимно перпендикулярных плоскостях, и при этом измерять фазы сигнплоп осMOTiiioro i ;u iiojiHMT(.jii Hoi-o н;|црлп;т.ии при рпппмстпе яилчоииГ niH MiMrnfiM корреляционной функции флпм сигналл оснопного нлттрлпленмя

К(х, у, t)-S (х, у, t -:

и значений взаимных корреляций фаз сигналов от основного и дополнительного напраплений

Six + п) ,у, t).S-(x, у, t) и

S(x, у а, t)-B-(x, у, t),

где Б(Х, у, t) - фаза сигнала основ-

него направления; (х, у) - координаты основног направления в плоскости приема;

а - расстояние между с новным и дополнительными направлениями;

.-. - обозначает вычисление среднего значе-

НИИ

SU,y,t)-S-(x,y,t +. С,

S(x, у, t)-S-(x + a,y,t) (1)

s(x,y,t)-B-(x,y,t + i:,) -

. S(x,y,t)-S-(x,y + a,t) (2)

можно измерить временные интервалы f, и , при которых выполняются соотношения (1) и (2), Если сместить направление распространения излучения параллельно прежнему направлению таким образом, что в плоскости приема составляюгще вектора смещения рав

, /х . fy-aC/D, , где f - время между приемом и после- дуюгцей посыпкой оптического излучения, тогда ВВ1ЩУ того, что временная эволюция фазовых шуктуащш связана с их пространственной изменчивостью, в соответствии с гипотезой заморо- женности

s-(r-t+ e) s-(r + vi:t)

получаем, что средняя плотность моп;- пости оптичеоаэго излучения нл ofiiieK те

а(о) I а

равняется дифракционной.

Если между приемом оптического излучения и посьиткпй иилуче.иия с соnp IWIMIUnl l ф,ПГ11 И ЧМ. Т ИГЧ 1О Я)1 М1МП1(И

запазд1.гпа11ие па f , г-(акс.им.ч,1гт,11лч плотность Moi uintrri ип.пучпнпя на обь- екте пыракл(;тся формулой

1(0) Ь-,.-,(з)

(1+3,52

г .t/.i

о

а f

где V - средняя скорость ветра поперек трассы зомдиропания;

г. - радиус когерентности атмосферы ; а - размер апертуры локатора.

Если измере)ия фазы отраженного сигнала проводить, помимо основного . направления, одновременно по двум допол И1телытым направлениям, параллельным, равноудаленн1-1м от основного направлё1гия и расположенным во взаимно перпендикулярных плоскостях, измерить времешие интерпалы О, и Uj , соответствующие (1) и (2) равенствам значений временной корреляционной функции фйзы сипгала от основного направления и значениз взаим1тых корре- ляци фаз сигналов от основного и дополнителыгых направлений, затем, сместить параллельно ось основного направления относительно прежнего положения таким образом, что в плоскости приема составляю1аие вектора смещения равшч произведениям отногае- НИИ времени между приемом и последующей посыпкой оптического излучения к nor луче1пгым временным интервалам коррекции

и

С, на величину расстояния

j , j

между основным и дополнителып гми направлениями, удается сформировать в плоскости объекта распределение средней плотности мощности излучения

(4)

Bdk

j , j 5

0

5

равной дифракционной.

Способ реализуется следукпдим образом (см. фиг.1).

. Источник 1 излуче)И1Я через форми- pywpiyio оптику 2 и полупрозрачную nJbTCTiiiiy 3 посылает оптическое излучение на объект А. Рассеянный объектом сигнал приемной системой 5 при- иимается одновременно по оснонному и двум дополнительным на11равлен)1ям. Блоки 6 выделяют фазы пpинимae n-IX оптических сигналом, г ычислякп гто- средством блока 7 временную ксч реля- ционную функцию фазы стенала по основному напраплениш и пначемия nr.i- имных коррелятпп флг1 сигнл.чов но осионному и m дополнительных направлений.Схемы 8 cpanneHnVi нэ усло- пня равенстна знйчиниГ временной корреляционной функции фазы сигнала lioro нппрлвления и энпчеин взаимных корреляци определяют нсл11чины нременинх интерпалоп v, и

илок 9

деления юрмируют два мнсла, равные е,/ ,, , здесь ли Г - постоянные мнокители. Блок 10 управления смещення приемной апертуры сдвигает оснопное направление приема на величину вектора, составляювдте которого соответственно равны

(l . - а). 1 1

Источник 1 оптического излучения формирует следующий импульс оптического излучения, фаза которого посредством адаптивного оптического элемента сопряжена с фазой сигнала, принятого по осиоиному направлению (см.- фиг.2). Схематически изоПралсны формирующий излучение объектив 11, полупрозрачная пластина 12, плоское зеркапо 13, адаптивное зеркало 14 и блок управления адаптип)1ым зеркалом 15.

Формула изобретения

Способ опт гческого зондиропанш объектов в атмосфере путем посылки

///////////////////// f3

импульса оптического излучения лазе- ря, приема от15аженного обт ектом си1- нала и пылнления его фазы, последующей посылки импульса оптического излучения с фазой, сопряхеиной выделен ной, о тллчаюпий с я тем, что, с целью увеличеиия дальности зондиропания за счет повышения плотности мощности излучения на объекте, прием отраженного сигнала осуществляют в плоскости приема одновременно по двум дополнительным направлениям, равноудаленным от основного направлеНИЛ приема оптического излучения и расположенным во взаимно перпендику-г лярных плоскостях, . измеряют времен- la-ie интервалы i и при равенстве значений временной корреля11иониой

функции фазы сигнала от основного направления и значений взаимных кор- реляц1п фаз сигналов от основного и дополнительт тх направлений, смещают основное направле}П1е относительно

прежнего положения в плоскости приема на положение, определяемое координатами с учетом величин

Д:х

аС -- и

У

Т,

где а - расстояние между основным и

дополнительным направлениями; D - время между приемом и посылкой оптического излучения.