Устройство для фокусировки излучения Советский патент 1992 года по МПК G02B26/06 

Изобретение относится к квантовой радиотехнике и может быть использовано в информационных и измерительных системах.

Известны различные модификации оптических систем коррекции искажений волнового фронта. Одни из них основаны на методе апертурного зондирования и представляют собой или одно зеркало с разделением его на отдельные сегменты, или решетку предварительно синхронизированных по частоте и фазе когерентных излучателей. В каждый канал излучения вводится фазовая модуляция и по отраженному от объекта сигналу посредством адаптивной подстройки фаз система в каждом канале корректирует такую аберрацию волнового фронта, как фазовый сдвиг.

Недостатком таких систем является отсутствие коррекции аберраций наклона волнового фронта.

Известна система исправления искажений волнового фронта, представляющая собой устройство регистрации искажений волнового фронта луча, отражаемого от обь- екта. В этом устрой,:гее отраженный луч комбинируется с модулированным эталонным лучом, разделяется на ряд пучков, каж- дый из которых фокусируется на светочувствительном устройстве, регистрирующем их положение. Электронное устройство определяет для каждого субпучка относительные положения отраженного и эталонного лучей и находит по ним ошибку наклона волнового фронта отраженного луча.

Ч

о о

01

IGJ

Недостатком этой системы является то. что при использовании решетки когерентных излучателей система отрабатывает только аберрации наклона и не корректирует фазовый сдвиг.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому является оптическая система с фазовой синхронизацией независимых когерентных излучателей, содержащая генератор опорного излучения, решетку когерентных излучателей, управляемых по частоте и фазе, и устройство смещения частоты генератора опорного излучения, электрически управляемое радиочастотным генератором. Каждому когерен- тному излучателю решетки соответствует контур управления частотой и фазой излучения. .Отраженная от мишени сферическая волна проходит слой турбулентной атмосферы, искажается и на приемном устройст- ве системы разделяется на N субпучков, каждый из которых комбинируется с опорным излучением, отраженным от зеркала, на входе соответствующего оптического приемника.

Колебание опорного генератора на входе i-ro оптического приемника

Dor fos ( (Dor + f% ) t + Фрг + Фо.г (1)

где ft) o.r - частота опорного генератора; Фо г - фаза опорного излучения, отраженного от зеркала: шр.г,Ф р.г - частота и фаза радиочастотного генератора.

Колебание излучения, отраженного от мишени в i-ом канале на входе оптического приемника, равно

UnpiHbs ад t 4- + ФМ| (2)

где tt) i - частота i-ro когерентного излучателя; Ф j - фаза i-ro когерентного излучателя относительно опорного излучения; Ф M.I - фаза отраженного от мишени излучения i-ro когерентного излучателя.

На выходе i-ro оптического приемника частота и фаза сигнала разности частот колебаний (1) и (2) следующая

-costraV -rfi r- m-Vj

(3)

Этот сигнал поступает на вход 1-го первого фазового компаратора..На его второй вход подается сигнал с выхода 1-го фотоэлектрического приемника, на входе кото- рого комбинируют излучения опорного генератора « Cos (оьг + (apj ) t + Фрг и I- го когерентного излучателя С о з(ад t + Ф| )

( ftfer + Wpr ) t - ОЦ t + Фрг - Ф|

(4)

Сигнал на выходе 1-го первого фазового компаратора равен

ифк1| Соз (Ф0г - Фм )

(5)

5 0 5

0

5

0

5

0

5

Этот сигнал поступает на вход f-го фа- зосдвигателя так же как и сигнал радиочастотного генератора Cos («ирг t + Фрг), в результате чего на выходе 1-го фазосдвига- теля имеем сигнал

ифоГСов ( QJpr t + Фрг - + Фог ) (6)

На выходе 1-го второго фазового компаратора при подаче на его входы сигналов (4) и (6) имеем

ифк2ГС05 (ftJbr -ft)t + Ум (Ф| -Фот )

(7)

После прохождения усилителя этот сигнал используется для подстройки частоты когерентных излучателей к частоте опорного генератора и для формирования фазового фронта излучения, выравненного относительно опорного и сопряженного по фазе принимаемому сигналу.

Недостатком описанной системы является то, что она отрабатывает только аберрации сдвига волнового фронта и не корректирует наклона элементов излучающей апертуры.

Целью изобретения является повышение интенсивности излучения на мишени за счет коррекции ошибок наклона волнового фронта.

Эта цель достигается введением в каждый из N контуров управления полосового фильтра, выход которого соединен с первым входом первого фазового компаратора, а вход соединен с выходом соответствующего оптического приемника, опорное зеркало выполнено модулирующим, введены последовательно соединенные модулирующий генератор и фазовращатель на л /2, выходы которых соединены с управляющим входом опорного модулирующего зеркала, кроме того, в устройство введены N корректирующих зеркал, каждое из которых оптически связано с соответствующим когерентным излучателем и первым входом соответствующего светоделительного устройства, N контуров управления наклоном корректирующих зеркал, каждый из которых состоит из последовательно соединенных режекторного фильтра и амплитудного детектора, а также из последовательно соединенных первого синхронного детектора, первого фильтра нижних частот, первого усилителя и двигателя коррекции по азимуту, и из последовательно соединенных второго синхронного детектора, второго фильтра нижних частот, второго усилителя и двигателя коррекции по углу места, причем, первые входы первого и второго синхронного детектора соединены с выходом амплитудного детектора, второй вход первого синхронного детектора соединен с выходом модулирующего генератора, второй вход второго синхронного детектора соединен с выходом фазовращателя на л /2, вход режекторного фильтра соединен с выходом соответствующего оптического приемника, а выходы двигателей коррекции по азимуту и углу места подключены к управляющим входам соответствующего корректирующего зеркала.

На чертеже представлена схема устройства, на которой использованы следующие обозначения:

1.1...1.N - решетка из N когерентных излучателей,

2- генератор опорного излучения,

3- устройство смещения частоты генератора опорного излучения,

4- радиочастотный генератор. 5.1...5.N - устройства деления-отражения луча,

6.1...6.N - оптические приемники,

7.1...7.N - светоделительные устройства,

8.1..:8.N - контуры управления фазой и частотой излучения когерентных излучателей, каждый из которых состоит из:

9i - полосовой фильтр,

101 - фотоэлектрический приемник,

11i, 13( - первый и второй фазовые компараторы,

12i - фазосдвигатель,

141 - усилитель,

15.1...15.N - корректирующие зеркала, являющиеся элементами излучающей апертуры,

16- опорное модулирующее зеркало,

17- модулирующий генератор,

18- фазовращатель на nil,

19.1... 19.N- контуры управления наклоном элементов излучающей апертуры, каждый из которых состоит из: 20 - режекторный фильтр, 211 - амплитудный детектор, 22i, 23i - синхронные детекторы, 241, 251 - фильтры нижних частот, 261, 271 - усипители,

281, 291 - двигатели коррекции по азимуту и по углу места.

Устройство работает следующим образом.

5Отраженная от блика на мишени сферическая волна, прошедшая через турбулентную атмосферу, имеет искаженный по фазовому сдвигу и наклону волновой фронт, который с помощью светоделительных уст- 10 ройств 7.1...7.N делится на N субпучков, каждый из которых поступает на соответствующий оптический приемник 6.1...6.N. Опорная волна создается генератором опорного излучения 2, работающим на час- 15 тоте а) о.г. При прохождении устройства смещения частоты опорного генератора 3, управляемого радиочастотным генератором 4, работающим на частоте (О р.г, получает сдвиг частоты на ш рг, проходит 0 устройства деления-отражения 5.1...5.N, в каждом из которых происходит отделение равной части опорной волны в направлении соответствующего светоделительного устройства 7.1...7.N, что осуществляется за счет 5 подбора коэффициентов пропускания каждого из N устройств деления-отражения луча 5.1...5.N, и падает на опорное модулирующее зеркало 16. Через светоделительные устройства 7.1...7.N субпучки 0 опорного излучения вместе с субпучками, отделенными светоделительными устройствами 7.1...7.N от излучения соответствующего когерентного излучателя решетки 1.1...1.N, направляемого посредством кор- 5 ректирующих зеркап 15.1...15.N, являющихся элементами излучающей апертуры, в направлении мишени, поступают на входы соответствующих фотоэлектронных приемников 10.1...10.N. Опорная волна отражает- 0 ся от опорного модулирующего зеркала 16, модуляция которого осуществляется в двух ортогональных плоскостях с помощью модулирующего генератора 17. на выходе которого сигнал Sin Q t, и фазовращателя на 5 ж II 18, имеющего на выходе сигнал Cos Qt. Отраженная от опорного модулирующего зеркала 16 промодулированная опорная волна делится на N равных субпучков с помощью устрог,. теа деления-отраже- 0 ния луча, что достигается подбором коэффициентов пропускания, и совместно с соответствующим субпучком излучения, отраженного от мишени и прошедшего через соответствующее светоделительное устрой- 5 ство, регистрируется соответствующим оптическим приемником 6.1..6.N. Таким образом, в результате комбинирования 1-го субпучка, принимаемого от мишени излучения, с модулированной по наклону опорной

волной на выходе i-ro оптического приемника 6.N формируется сигнал

Uo,« t-JKVy-}KVV-fK€rV-ЈKVveeSiHQt-jK nVyjcosQ J cos ( - ДФг) ,

где 1р , Q - коэффициент и частота угловой модуляции; г - радиус зрачка оптического приемника; ш i , р - угловые ошибки наклона между субпучками принимаемого излучения и опорным излучением в ортогональных плоскостях; Дод , ДФ1 -результирующие частота и фаза излучения, отраженного от мишени.

Сигнал Uoni поступает на входы контура 8i управления фазой и частотой излучения i-ro когерентного излучателя и контура 19.N управления наклоном излучающей апертуры.

Работа i-ro контура управления фазой и частотой излучения 1-го когерентного излучателя заключается в следующем.

С выхода оптического приемника 6.1 сигнал (8) поступает на вход полосового фильтра 9 i, настроенного на частоту Дад . Так как спектр сигнала (8) представляет собой спектр амплитудно-модулированного колебания с несущей частотой и боковыми частотами Дй 4- Q , то на выходе полосового фильтра 9.1 сигнал имеет вид

Uo((M-ti+&vL}.

Далее работа контура управления фазой и частотой излучения 1-го когерентного излучателя аналогична работе прототипа. Сигнал (9) поступает на вход первого фазового компаратора 11,1, на второй вход которого подается сигнал с выхода фотоэлектрического приемника 10.1. На его входе комбинирует субпучок опорного излучения, отделенный устройством деления-отражения луча 5.1, и субпучок излучения i-ro когерентного излучателя 1.1, отделенный светоделительным устройством 7.1. С выхода первого фазового компаратора 11.1 сигнал поступает на вход фазосдвигателя 12.1, на второй вход которого подается сигнал радиочастотного генератора А. Сигналы с выходов фазосдвигателя 12.i и фазоэлектри- ческого приемника 10.1 поступают на соответствующие входы второго фазового компаратора 13.1, выход которого через усии

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

литель 14.1 подключен к управляющему входу когерентного излучателя 1 I. В результате частоты когерентных излучателей 1.1...1.N подстраиваются к частоте генератора опорного излучения 2 и формируется фазовый фронт излучения, выравненный относительно опорного и сопряженный по фазе принимаемому от мишени излучению.

Работа 1-го контура управления наклоном элементов излучающей апертуры заключается в следующем.

С выхода оптического приемника 6.N сигнал (8) поступает на вход режекторного фильтра 20.i, настроенного на частоту Дад . Так как спектр сигнала (8) представляет собой спектр амплитудно-модулированного колебания с несущей частотой Дад и боковыми частотами ( + Q), то после прохождения режекторного фильтра 20.1 и амплитудного детектора 21.1 сигналы на входах синхронных детекторов 22.1 и 23.1 пропорциональнывеличине

(V$ SinQ t + Cos Qt) . На второй вход синхронного детектора 22.i подаются сигналы модулирующего генератора 17.1, пропорциональные Sin Qt , а на второй вход синхронного детектора 23.i поступают сигналы модулирующего генератора 17, предварительно сдвинутые по фазе на л /2 с помощью фазовращателя на л /2 18, пропорциональные Cos Qt . Выходные сигналы синхронных детекторов 22.i и 23. после фильтрации фильтрами нижних частот 24. и 25.i несут информацию об ошибках наклона i-ro элемента волнового фронта и после усиления усилителями 26.i и 27.I соответственно с помощью двигателей коррекции по азимуту 28.i и углу места 29.1 соответственно поступают на управляющие входы корректирующего зеркала 15.i, являющегося элементом излучающей апертуры, изменяя его наклон в двух ортогональных плоскостях, что позволяет формировать на излучающей апертуре волновой фронт, сопряженный по наклону с волновым фронтом принимаемого излучения.

Формула изобретения

Устройство для фокусировки излучения, содержащее решетку из N когерентных излучателей, генератор опорного излучения, оптически связанный с устройством смещения частоты генератора опорного излучения, управляемым разночастотным генератором, N оптических приемников, N контуров управления фазой и частотой излучения когерентных излучателей, каждый из которых состоит из фотоэлектрического приемника и последовательно соединенных первого фазового компаратора, фазосдви

гателя, второго фазового компаратора и усилителя, выход которого подключен к управляемому входу соответствующего когерентного излучателя, при этом первый вход первого фазового компаратора соединен с выходом соответствующего оптического приемника, а вторые входы первого и второго фазовых компараторов соединены с выходом соответствующего фотоэлектрического приемника, а второй вход фазосдвигателя соеди- нен с выходом радиочастотного генератора, а также N последовательно оптически взаимосвязанных устройств деления-отражения луча, четвертый оптический выход каждого из которых соединен с соответствующим опти- ческим приемником, а первый оптический вход первого из N устройств деления-отражения луча оптически связан с выходом устрой- ства смещения частоты генератора опорного излучения, N светоделительных устройств, вторые оптические входы и выходы каждого из которых замкнуты через удаленную мишень, третий вход и выход каждого из которых соединены с третьим выходом и входом соответствующего уст- ройства деления-отражения луча, а первые выходы соединены с входами соответствующего фотоэлектрического приемника, а также опорное зеркало, оптически взаимосвязанное с вторыми входом и выхо- дом N-ro устройства деления-отражения луча, отличающееся тем, что, с целью повышения интенсивности излучения на мишени за счет коррекции ошибок наклона волнового фронта, в каждый из N контуров управления введен полосовой фильтр, выход которого соединен с первым входом первого фазового компаратора, а вход соединен с выходом соответствующего оптического приемника, опорное зеркало выполнено модулирующим, введены последовательно соединенные модулирующий генератор и фазовращатель на л /2, выходы которых соединены с управляющим входом опорного модулирующего зеркала, кроме того, в устройство введены N корректирующих зеркал, каждое из которых оптически связано с соответствующим когерентным излучателем и с первым входом соответствующего светоделительного устройства, N контуров управления наклоном корректирующих зеркал, каждый из которых состоит из последовательно соединенных режекторного фильтра и синхронного детектора, а также из последовательно соединенных первого синхронного детектора, первого фильтра нижних частот, первого усилителя и двигателя коррекции по азимуту и из последовательно соединенных второго синхронного детектора, второго фильтра нижних частот, второго усилителя и двигателя коррекции по углу места, причем первые входы первого и второго синхронных детекторов соединены с выходом амплитудного детектора, второй вход первого синхронного детектора соединен с выходом модулирующего генератора, второй вход второго синхронного детектора соединен с выходом фазовращателя на л /2, вход режекторного фильтра соединен с выходом соответствующего оптического приемника, а выходы двигателей коррекции по азимуту и углу места подключены к управляющим входам соответствующего корректирующего зеркала.

L

I

Использование: в квантовой радиотехнике. Сущность изобретения: оптическая система коорекции искажений волнового фронта дополнительно содержит N полосовых фильтров, N корректирующих зеркал, являющихся элементами излучающей апертуры, N устройств деления-отражения луча, N светоделительных устройств, опорное модулирующее зеркало, модулирующий генератор, фазовращатель на л /2 и N контуров управления наклоном элементов излучающей апертуры. При работе системы вследствие гетеродинирования субпучков принимаемого излучения и субпучков опорного излучения, предварительно промоду- лированного по наклону в двух ортогональных плоскостях, на выходах контуров управления наклоном элементов излучающей апертуры формируются сигналы, пропорциональные ошибкам наклона элементов излучающей апертуры, которые служат для управления угловым положением элементов излучающей апертуры, что ведет к повышению интенсивности излучения решетки когерентных излучателей на мишени. СО

Редактор Е Новикова

Техред М.Моргентал

Заказ 3186ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Корректор Н.Тупица