Адаптивная оптическая система фокусировки Советский патент 1992 года по МПК G02B26/08 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано как в системах оптической локации, так и в оптических информационных и изКлерительных системах, работающих по отраженному сигналу в адаптивных режимах селекции, поиска и слежения.

Известны адаптивные оптические системы фокусировки, работающие по принципу фазового сопряжения и апертурного зондирования, в которых с целью улучшения энергетических характеристик каналов локационных систем в условиях различных фазовых возмущений среды получают дифракционно ограниченный пучок, т.е. фокусируют его на точечном или протяженном

объекте с помощью методов и средств адаптивной оптики. При этом фокусировка на протяженный объект достигается за счет эффекта сходимости луча на наиболее яркую точку.

Однако для однородно отражающих объектов зеркального или диффузного типов не удается получить дифракционно ограниченный пучок в зоне Фраунгофера.

Известны также адаптивные оптические системы фокусировки на протяженный объект, использующие метод апертурного зондирования и основанные, на анализе интерференционного поля.образованного излучаемой и отраженной волнами.

Однако эти устройства позволяют лишь частично улучшить качество адаптивной фокусировки.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является адаптивная оптическая система, работающая по методу апертурного зондирования с временным разделением каналов и анализирующая интенсивность отраженного поля оптическим приемником интенсивности. Система (фиг. 1) состоит из последовательно оптически связанных источника 1 когерентного света, корректора 2 из N фазосдвигающих элементов с передающей оптикой, турбулентной среды 3, отражающего свет протяженного объекта 4, телескопа и приемной оптики 5 и оптического приемника 6 интенсивности, а также цифрового устройства 7 формирования управляю1мих сигналов, в состав которого входят электрически соединенные аналого-цифровой преобразовав тель 7-1, процессор 7-2, цифроаналоговый преобразователь 7-3, дешифратор 7-4 адреса, а также N схем 7-5 запоминания напряжения. Причем выход телескопа и приемной оптики 5 соединен с входом оптического приемника 6, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7-1, а выход которого соединен с входом процессора 7-2, выход последнего подключен одновременно к входам дешифратора 7-4 адреса и цифроаналогового преобразователя 7-3, выходы которых подключены к соответствующим входам N схем 7-5 запоминания напряжения, а их выходы подключены к входам N фазосдв1 гающих элементов корректора 2.

Передающая апертура делится на N субапертур по количеству фазосдвигающих элементов, а также в процессе управления разбивается на равные по числу субапертур части (ансамбли субапертур), названные ортогональными пространственными плоскостями, которые могут быть построены с помощью функций Уолша.

Известная адаптивная оптическая система фокусировки работает следующим образом.

В исходном состоянии за счет случайных искажений фазового фронта турбулентной средой 3 или собственных аберраций оптики в дальней зоне(в плоскости объекта) формируется расфокусированный луч с некоторым числом локальных максимумов и минимумов. Ширина такого луча зависит от характера и статистических характеристик фазовых искажений и начального распределения фаз на субапертурах. Излучение лазера 1 направляется на корректор 2, в котором происходит расщепление пучка на N лучей.

Лучи направляются на соответствующие им фазосдвигающие элементы, которые последовательно во времени в соответствии с алгоритмом работы процессора изменяют их

фазу в небольших пределах Д - 20 .

Затем все лучи объединяются в пучок и направляются через турбулентную среду 3 к объекту 4, а отраженный от него сигнал попадает на приемный телескоп 5 и оптиче ский приемник 6.

Фототок принимаемого сигнала, пропорциональный его интенсивности (И Ti при изменении фазы пучка на +А.(р BI момент времени ti и la Т2 при изменении

фазы пучка на -А в момент времени t2), с выхода фотоприемника 6 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 7-1, далее сигнал в цифровом виде поступает на вход процессора 7-2. Процессор (ЭВМ) рассчитывает разницу А ii И - 1о и А12 12 - io. где 1о - фототок с выхода фотоприемника в момент времени to. соответствующий начальному положению фотосдвигающих элементов на данном такте управления. На

выходе процессора вырабатывается цифровой код, пропорциональный положительному значению Al, которое соответствует увеличению интенсивности принимаемого луча. Здесь же содержится код адреса схем запоминания напряжения, которые работают на данном шаге алгоритма и управляют соответствующим ансамблем субапертур. Устройство дешифровки кода адреса считывает код адреса и своим выходным сигналом на данном такте управления включает соответствующие схемы запоминания напряжения. Цифровой сигнал ошибки с выхода процессора поступает на цифроаналоговый преобразователь и далее на вход схем запоминания напряжения, с выхода которых управляющий сигнал подается на вход фазосдвигающих элементов. В такой последовательности происходит управление фазосдвигающими элементами ансамбля субапертур до достижения ими положения, когда станет выполняться условие А И о, А 1 о , которое соответствует максимальной интенсивности принимаемого фотоприемником отраженного излучения. Затем по сигналу процессора 7-2 начинает работать следующая совокупность схем 7-5 запоминания напряжения, соответствующая очередному ансамблю субапертур.

Таким образом, последовательно во времени осуществляется управление всеми элементами корректора до достижения компенсации фазных набегов, что приводит к

максимизации интенсивности отраженного от объекта поля.

Однако с помощью такой системы не достигается полная фокусировка на протяженный объект с однородно отражающей поверхностью, т.е. не формиру(5тся дифракционно ограниченное пятно на объекте, расположенном в дальней зоне дифракции. Это связано с тем, что в плоскости апертуры анализируется интенсивность отраженного от объекта поля, образующего некоторую интерференционную картину (спекл-картину). В результате максимизация интенсивности на точечной приемной апертуре, как правило, достигается за счет увеличения интенсивности одного из спеклов интерференционной картины. Размер этого спекла равен

гз

где Я-дли на волны;

Р-расстояние до объекта;

R- линейный размер объекта, что на объекте соответствует распаду лазерного пучка на несколько лучей.

Цель изобретения - повышение качества фокусировки, например получение дифракционно orpaHj/i4eHHpro пучка или максимально возможной интенсивности на объекте с однородно отражающей поверхностью. .

Поставленная цель достигается тем, что в процессе адаптации учитываются как энергетические, так и информационныехарактеристики отраженного поля в плоскости апертуры, т.е. используются критерии энтропийного типа. Физическая сущность получения дифракционно ограниченных пучков при максимизации интенсивности и энтропии отраженного поля заключается в следующем. Сфокусированный в плоскости объекта пучок в дальней зоне (в плоскости апертуры) дает отраженное поле с однородной характеристикой направленности в пределах размера апертуры. Такое .однородное поле обладает максимальной энтропией, записываемой в виде м

(MI17

1;5,-тГ(Н

где Im - отсчеты интенсивности в плоскости апертуры в т-й точке анализа;

М -общее количество точек анализа;

00

In 2 f полная интенсивность в

плоскости апертуры..

Для достижения максимальной интенсивности в пределах объекта необходимо также еще максимизировать принимаемую

интенсивность. Тогда для эффектной фокусировки на однородно отражающий объект необходимо выбирать критерии, максимизирующие как интенсивность, так и энтроПИЮ поля, например функционал;

Rl Slm-Ilm(En(),(1)

m 1 тЧ

который может быть преобразован к виду

R2 lm(A-fnlm),(2)

m 1

где А - постоянная, котораявыбирается из

условия А 1 + Enln на основании прогноза.

Для достижения поставленной цели в

адаптивную оптическую систему фокусировки введены М устройств обработки, матрица фотодетекторов из М элементов, источник постоянного тока и сумматор, причем выходм фотодетекторов соединены с

первь1ми входами устройств обработки, вторые входы которых соединены с выходом источника постоянного тока, а выходы подключены к входам сумматора, выход которого подключен к входу цифрового устройства

формирования управляющих сигналов.

На фиг,2 изображена структурная схема адаптивной оптической системы фокусировки.

Схема состоит из оптически связанных

источника 1 когерентного света, корректора 2 из N фазосдвигающих элементов, турбулентной среды - 3, отражающего свет протяженного объекта 4, телескопа и приемной оптики 5, матрицы 6 фотоприемников интенсивности, а также М устройств 7 обработки, источника 8 постоянного тока, сумматора 9, цифрового устройства 10 формирования управляющих сигналов. Выход телескопа и приемной оптики 5 оптически

связан с входом матрицы 6 фотоприемников, а их выходы подключены к входам устройств 7 обработки, отдельный вход которых соединен с выходом источника 8 постоянного тока, а выходы соединены с

входами сумматора 9. Выход последнего соединен с входом- цифрового устройства 10 формирования управляющих сигналов, выходы которого подключены к соответствующимэлектрическимвходам

фазосдвигающих элементов корректора 2.

Каждое из М устройств 7 обработки выполнено в виде последовательно соединенных логарифмического усилителя 11с коэффициентом усиления KEnI, вычитающегО устройства 12 и устройства 13 перемножения-, а также усилителя 14 постоянного тока с коэффициентом усиления К. Такое устройство во взаимодействии с сумматором 9 и источником 11 постоянного тока

выполняет преобразование (которое соответствует функционалу Rz):

п}-1

KIm(lc-ftiKlm).

т 1

где 1с - постоянный ток с выхода источника 8 постоянного тока, выполняющий роль постоянной А в соотношении (2).

Система работает следующим образом.

Отраженный от протяженного объекта 4 пучок поступает на вход телескопа с приемной оптикой 5 и на матрицу б фотодетекторов, состоящую из М элементов.

С выхода каждого фото/детектора на вход соответствующего устройства 7 обработки подается электрический сигнал, пропорцио альный принятой интенсивности, и обрабатывается определенным образом. Далее сигналы с выходов устройств обработки поступают на входы сумматора 9, а с его выхода результирующий сигнал поступает на вход цифрового устройства 10 формирования управляющих сигналов, с выходов которого сигналы поступают на соответствующие электрические входы корректора 2.

Ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я Адаптивная оптическая система фокусировки излучения с модальным управлением и временным разделением каналов, состоящая из последовательно оптически связанных источника когерентного света.

gtjue.i

корректора, состоящего из N фазосдвигающих элементов, телескопа и приемной оптики, оптического приемника и цифрового устройства формирования управляющих

сигналов, причем N выходов цифрового устройства формирования управляющих сигналов подключены к соответствующим электрическим входам корректора, отличающаяся тем, что, с целью повышения

качества фокусировки излучения на протяженный объект, оптический приемник выполнен в виде матрицы фотодетекторов из М элементов, причем размеры этой матрицы согласованы с размерами апертуры корректора, в систему введены М устройств обработки, каждое из которых состоит из усилителя постоянного тока и последовательно соединенных логарифмического усилителя, вычитающего устройства и

устройства перемножения, причем вход усилителя тока подключен к входу логариф-. мического усилителя, а выход соединен с вторым входом устройства пе|земножения. а также источник постоянного тока и сумматор, выходы фотодетекторов соединены с входами логарифмических усилителей, выход источника постоянного тока подключен к вторым входам вычитающих устройств, а выходы устройств перемножения подключены к входам сумматора, выход которого соединен с входом цифрового устройства формирования управляющих сигналов.

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - повышение качества- фокусировки на протяженный объект с однородно-отражающей поверхностью. Это достигается тем. что в плоскости приемной апертуры анализируется распределение интенсивности отраженного от протяженного объекта поля и максимизируется сложный функционал, учитывающий не только знер- гетические. но и пространственные информационные (энтропийные) характеристики этого поля. Для этого в адаптивную оптическую систему фокусировки с временным разделением каналов введены М устройств обработки, матрица фотодетекторов из М элементов, источник постоянного тока, сумматор и связи между ними. 2 ил.•ч*^^