Адаптивная оптическая система апертурного зондирования Советский патент 1993 года по МПК G01C3/08 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в информационных и измерительных системах.

Известны различные устройства адаптивных оптических систем апертурного зондирования, в которых по отраженному сигналу происходит подстройка фаз когерентных излучателей.

В данных устройствах предлагается введение временной задержки в опорный сигнал, равной времени распространения излучения до мишени и обратно. Недостатком этих устройств является то, что ошибка в значении дальности до объекта приводит к ошибкам фазирования системы в целом.

Наиболее близкой по технической сущности является адаптивная оптическая система, содержащая источник когерентного излучения с фэзовращателем, детектор; синхронный детектор, фильтр нижних частот, сумматор, модулирующий генератор, амплитудный Детектор, ограничитель напряжения, управляемую линию задержки, блок определения знака; перемножитель. В процессе работы сигнал источника когерентного излучения проходит через фазовра- щатель, при этом фазовая модуляция отраженного излучения принимается детектором. Этот сигнал одновременно поступает на ограничитель напряжения и амплитудный детектор. Предварительно в линий задержки устанавливается величина задержки, соответствующая времени прохождения сигнала до мишени и обратно. На выходе синхронного детектора сигнал пропорционален разности фаз сигнала с выхода ограничителя и линии задержки. В зависимости от знака выходного напряжения синхронного детектора формируется соответствующий сигнал фазовой коррекции, который суммируется в сумматоре с модулирующим сигналом для управления фазовращателем. Тем самым обеспечивается уменьшение зависимости сигнала фазовой коррекции от ошибок измерения дальности/приводит к повышению точности фокусировки лазерного излучения источника на мишень.:

Недостатком данного устройства является необходимость предварительного измерения дальности от объекта, что требует наличия дополнительной измерительной дальности системы, при этом каналы измерения оптической системы и дополнительной дальномерной системы требует точного углового совмещения, что приводит к существенному снижению надежности работы адаптивной системы в целом.

Целью изобретения является повышение точности,

Эта цель достигается за счет использования комбинационных частот фазовой модуляции для измерения дальности до цели. Для этого в устройство-прототип дополнительно введены усилитель-ограничитель, смеситель, два полосовых фильтра и фазовый компаратор. При этом первый вход смесителя соединен с выходом одного из модулирующих генераторов, а второй вход

- с выходом другого модулирующего генераора, выход - с входом первого полосового фильтра, вход второго полосового фильтра соединен с выходом оптического детектора, а выход - с входом усилителя-ограничителя,

выход которого соединен со вторым входом фазового компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, а выход - с входом управляемой линии задержки.;

Сущность изобретения заключается в следующем.

Разложим в ряд Бесселя-Фурье выражение для :интенсивности отраженного от точечной цели сигнала

lf Xvi cos (% t sin QJ t)2, (1)

где vi - напряженность поля, создаваемая i-ой субапертурой на объекте;

Шо - частота оптического излучения; р - собственная фаза излучения i-ой субапертуры на объекте, содержащая собственную фазу генератора и геометрический набег фазы от I-ой субапертуры до объекта; $ - индекс фазовой модуляции в i-ом канале;

QI - частота фазовой модуляции в i-ом канале, ,

При преобразовании выражения (1) учтем только низкочастотные составляющие вида

+t/(Sinfii t- sin Qit) (2) где Ар у - fi ; ip $ Щ . После преобразований выражение (2) легко переписать в виде (с учетом третьей и четвертой гармоник частот фазовой модуляции)

A|j COS + 2l0l2COS2 Qi t +

+ 2l0l2cos 2 Qjt+2 I0 Ц cos 4 Qjt+

+ 4 l22 cos 2 Qi t cos 2 ujj t + 4 la Ucos 2 x

xQj t cos 4 QI t 4-...) + sin (2 I0 li sin

Qj t. + 2 h 12 sin Qj t) cos 2 Qi t +2 ttU sin

xQjt cos 4 Qit +2 0 lasin 3 Qjt +4I2I3X

Sin3 Qjt cos2 Qi t.+ 2 ioH sin Qit+ 2 Irl2 sin Qi t cos 2 Qjt+ ...),

где li - функция Бесселя i-го порядка от индекса фазовой модуляции.

Анализируя выражение (3) можно выделить члены вида ., sin Apij 2 h 12 sin Qi tcos2 Qj t(4.1),

sin 2 H 2 sin QJ t cos 2.Qi t (4.4)

co:s 4

I22cos2 Q;t cos 2 Qit(4.3).

| cos 4 h 2 sin QI t sin QJ t (4.4) и т.п.

В спектре сигналов (4) присутствуют комбинационные частоты, например, для выражения (4.4)

1 cos Apij 2 (Q|-Qj) (Qi+Qj)t (5) При распространении излучения от излучающей апертуры до объекта и обратно каждая частотная составляющая за счет задержки сигнала в канале получит дополнительный фазовый сдвиг, пропорциональный дальности до объекта. Низкие разностные частоты позволяет однозначно измерить дальность до объекта.

На чертеже показана структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник 1 когерентного излучения, фазовращатель 2, де- 3, ограничитель 4 напряжения, амплитудный детектор 5, синхронный детектор 6, модулирующий генератор 7, управляемая линия задержки 8, фильтр 9 нижних частот, блок 10 определения знака, перемножитель 11, сумматор 12, смеситель 13 усилитель-ограничитель 14, первый по- лоёовой фильтр 15 комбинационной частоты), второй полосовой фильтр 16 комбинационной частоты, фазовый детектор 17.- . Описание устройства в статике. Источник 1 когерентного излучения оптически соединен с входом фазовращателя 2, выход которого оптически соединен через объект с входом детектора 3, выход которого одновременно соединен с входами амп- литудного детектора 5, ограничителя напряжения 4 и входом второго полосового фильтра комбинационной частоты 16. Выход ограничителя напряжения 4 соединен с входом синхронного детектора 6, второй вход которого соединен с выходом управляемой линии задержки 8, а выход с входом фильтра нижних частот 9, выход которого соединен с входом блока определения знака 10, выход которого соединен с первым вхбдом перемножителя 11, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 5, выход перемножителя 11 соединен с первым входом сумматора 12, второй вход которого соединен с выходом модулирующего генератора 7, а выход. - с

управляющим входом фазовращателя 2, первый и второй входы смесителя 13 соединены с выходами модулирующих генераторов 7 двух различных каналов устройства, а 5 выход - с входом первого полосового фильтра комбинационной частоты 15, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 17, второй вход которого соеди-. нен с выходом усилителя ограничителя 14,

0 вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра комбинационной частоты 16, выход фазового детектора 17 соединен со входами управляемой линии задержки 8 всех каналов.

5 Устройство работает следующим образом. - :

Оптическое излучения источника 1 когерентного излучения проходит через фазовращатель 2, где приобретает в каждом

0 канале дополнительный фазовый сдвиг, состоящий из фазы управления и фазовый сдвиг на частоте модуляции в канале. Излучение отдельных каналов достигает объекта, где создается интерференционная

5 картина излучения всей аппаратуры. Отраженное от цели излучение принимается детектором 3, с выхода которого сигнал поступает на вход ограничителя напряжения 4 и амплитудного детектора 3, а также

0 на вход второго полосового фильтра 16 комбинационной частоты. Ограничитель напряжения 4 позволяет исключить зависимость процедуры определения знака сигнала от его амплитуды, которая производится бло5 ками 6, 9 и 10. Сигнал с выхода ограничителя напряжения 4 подается на вход синхронно-, го детектора 6 на второй вход которого подается сигнал с выхода модулирующего генератора 7 через управляемую линию за-/

0 держки 8. Сигнал с выхода синхронного детектора подается на фильтр нижних частот 9, где выделяется низкочастотный сигнал, пропорциональный разности фаз принятого и модулирующего колебаний на частоте дан5 ного канала. Амплитудный детектор 5 выделяет величину отклонения фазы данного канала от опорной фазы, т.к. она пропорциональна амплитуде колебаний .в отраженном сигнале на частоте данного канала, как

0 это известно из теории адаптивных систем апертурного зондирования (см, Адаптивная оптика сб. статей под ред. Вейриченко). Блок определения знака 10 определяет знак напряжения на выходе фильтра низких ч.ас5 тот 9.

Сигнал с выхода блока определения знака 10 перемножается в перемножителе 12-с сигналом с выхода амплитудного детектора 5. В результате на выходе получаем сигнал коррекции фазы.в данном канале.

Сигнал с выхода перемножителя 11 складывается с модулирующим колебанием с выхода модулирующего генератора 7 в сумматоре 12, сигнал с выхода которого является управляющим для фазовращателя 2.

Можно считать, что канал определения знака сигнала коррекции, содержащий ограничитель напряжения 4, синхронный детектор 6, фильтр 9 нижних частот и блок 10 определения знака, реализует точное измерение дальности до объекта в данном кана- ле. Для реализации грубой шкалы измерения дальности измерения нужно проводить на низкой частоте, чтобы обеспечить однозначность измерений в диапазоне .максимальных дальностей и ввести грубо значения временной задержки в управляе- .мую линию задержки 8 во всех каналах одновременно. Для этого в устройстве выбираются два канала так, чтобы выполнялось условие

C/(Qi-Qj)DMax.(6) где С - скорость света;

Qi, QJ - модулирующие частоты;

Омах - максимальная дальность работы адаптивной оптической системы.

Сигналы с выходов модулирующих генераторов 7 двух каналов, удовлетворяющих

условию (6), поступают на входы смесителя 13. Сигнал с выхода смесителя 13 поступает на вход первого полосового фильтра 15 комбинационной частоты, настроенного на разностную частоту. Сигнал с выхода детектора 3 поступает на вход второго полосового фильтра 16 комбинационной частоты, настроенного на ту же частоту, что и первый, с выхода которого сигнал поступает на вход

усилителя-ограничителя 14, который усиливает и ограничивает сигнал разностной частоты для исключения зависимости выходного сигнала фазового детектора 17 от амплитуды сигнала комбинационнойчастоты. На выходе фазового детектора 17 сигнал пропорционален разности фаз колебаний комбинационных частот, формируемой смесителем 13 и выделенной из отраженного сигнала, которая пропорциональна дальности до объекта. Сигнал с выхода фазового детектора 17 поступает на управляющие входы управляемых линий задержки 8 всех каналов.

Таким образом, в управляемую линию

задержки вводится информация о дальности, где и происходит компенсация временной задержки в канале распространения излучения.

Использование: в информационных и измерительных системах. Сущность изобретения: устройство содержит источник коге- peflTHoro излучения 1 с фазовращателем 2, детектор 3, соединенный с амплитудным детектором 5 и последовательно соединенными ограничителем напряжения 4, синхронным детектором 6, фильтром 9 нижних частот, блоком 10 определения знака, выход которого соединен с входом перемножителя 11, а выход последнего - с входом сумматора 12, второй вход которого соединен с выходом модулирующего генератора 7. а выход с управляющим входом фазовра- щателя 2. Модулирующий генератор соединен с входом управляемой линии задержки 8. выход детектора соединен с входом последовательно соединенных второго полосового фильтра комбинационной частоты, усилителя-ограничителя 14 и фазового детектора 17, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 15, 1-2-3-16-14-17-8-6-9-10-11-12 1-2-3- 5-11-12-13-15-17 1-2-3-4-6-9-10-11-12. 1 ил. ел С

Формула изобретения Адаптивная оптическая система апертурного зондирования, содержащая источник когерентного излучения с ф азов- ращателем, детектор, выход которого соединен с входом амплитудного детектора и последовательно соединенных ограничителя напряжения, синхронного детектора, фильтра нижних частот, блока определения знака, выход которого соединен с вторым входом перемножителя, первый вход которого соединен с входом управляемой линии задержки, вход которой соединен с вторым входом синхронного детектора и первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом переключателя, а выход - с управляющим входом фазовращателя, о т- л и чающаяся тем, что, с целью повышения точности работы устройства, дополнительно введены усилитель-ограничитель, смеситель, первый и второй полосовые фильтры комбинационной частоты, фазовый детектор, причем выход детектора соединен с входом второго полосового фильтра комбинационной частоты, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, первый вход смесителя соединен с выходом модулирующего генератора 1-го канала, а второй вход - с выходом модулирующего генератора j-ro канала, выход смесителя соединен с входом первого полосового фильтра комбинационной частоты, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, выход которого соединен с управляющими входами управляемых линий задержки;