Способ управления волновым фронтом зондирующего излучения Советский патент 1993 года по МПК G01S17/00 G01C3/08 

Изобретение относится к квантовой радиотехнике и может быть использовано в информационных и измерительных системах. ,.;/ у,:- -. .- ....:.. . - .

: Наиболее близким к данному способу. является способ управления волновым фронтом передаваемого излучения, основанный на апертурном зондировании оптических каналов. Он основан на расщеплении исходного пучка частоты иь то2;тг на N субпучков, введении в каждый из субпучков фазовой модуляции на своей частоте излучения, фильтрации сигналов на частотах фазовой модуляции fi, f2, -., fn, ...fN их детектировании и во введении инвентиро- ванных по знаку полученных сигналов коррекции в каждый из субпучков.

При введении фазовой модуляций в каждый из субпучков к комплексная амплитуда поля а некоторой точке (например, на точечном объекте) равна

2. expj Oh+Un+. V;sln вЫ fet (1) n 1.

где А - амплитуда поля отдельного субпучка;

On - фаза субпучка на объекте;

1р п ( л fn - коэффициент и частота фазовой модуляций, вводимой в n-й субпучок (в начальный момент времениХип О);

Un - сигнал коррекции по фазе.

Тогда интенсивность излучения на мишени будет равна

О. . cos(ph--0Jk),

nk 1

где рп рп+ij OMt, a ySn Cfn+Un

Использовав разложение Бесселя- Фурье, получают известное выражение для отраженного сигнала со

г.1°2 ($ I X cos {fa - /Йс) 4 10 (V5 t i(V) х

nk 1

l

00

Ш

о

00 О CA

X 2 2, Sin ft)n t X Sin (6n - ) + 4 to(V)x

nk .- 1

Xl2($ 2, L COS 2 OM t COS (/Sn -fik)+... nk 1

Б процессе фильтрации гармонических составляющих на частотах фазовой модуляции ,.... ыы выделяются сигналы коррекции, которые пропорциональны величине фазовой ошибке в данном оптическом канале (субпучке)

Snopn Вп 81п(Дт-/Зпош)(4)

где Вп- амплитудный коэффициент пропорциональности,

arctg

1 1

; sin /а

2) cos /ft

1 1

)

опорная фаза для п субпучка.

В процессе адаптации достигается Biy Bnoui и тем самым обеспечивается фази- ровка всех субпучков на объекте, в том числе и при наличии динамических возмущений на траеее распространения излучения (например, атмосферных турбулентных).

Данный способ устойчив при работе с точечным объектом. В случае неподвижной протяженной мишени происходит фокусировка на наиболее яркую блестящую точку. Однако в случае вращения объекта спекл-структура отраженного излучения перемешивается по приемной апертуре.

Так, при вращении объекта вокруг оси у пространственная спектральная плотность мощности (СПМ) после детектирования определяется одномерным интегралом

1

00

S0(f) - /So(fx,fy)dfyfx f/vx (6)

Vx-OO

rfleSo(fx, fy) пространственная СПМ интенсивности слекл-сигнала, прошедшего через приемную апертуру;

Q- относительная скорость в направлении оси X на апертуре;

Й-тангенциальная составляющая скорости вращения мишени, т.е. проекция скорости, перпендикулярная оси, соединяющая апертуру и объект, точнее его центр вращения).

Анализ устойчивости способа апертур- нога зондирования показывает в частности, что при скоростях вращения мишени, при которых спектр спекл-шума совпадает с диапазоном модулирующих частот fi, ..., fw, способ управления волновым фронтом излучения на основе апертурного зондирования каналов излучения приводит к увеличению дисперсии фазовой ошибки в канале адаптивной системы, что ведет к снижению интенсивности излучения на мишени.

10

15

20

25

30

35

40

45

При неблагоприятных условиях наступает полная расфазировка пучков и данный способ становится неработоспособным, что является его существенным недостатком.

Целью изобретения является повышение интенсивности излучения на вращающемся протяжном объекте за счет уменьшения дисперсии фазовой ошибки.

На фиг. 1 представлен вид протяжного вращающегося объекта в заданной системе координат; на фиг. 2 - устройство, реализующее данный способ, где обозначено: 1 - лазер; 2-1, ... 2-(N+1) - зеркала-делители; 3-1, ..., 3-N - фазовые модуляторы-корректоры; 4 - генератор опорной частоты; 5 - частотносдвигающее устройство; 6 - полупрозрачное зеркало, 7 - оптический приемник; 8 - полосовой фильтр; 9 -фазовый детектор; 10 - полосовой фильтр; 11-1, ,.., T1-N- фазовые детекторы; 12-1,..., 12-N- фильтры нижних частот; , .... 13-N - генераторы частот фазовой модуляции, 14- 1,..., 14-N - сумматоры.

Цель изобретения достигается тем, что исходный пучок частоты to расщепляют на пучки, вводит в каждый из пучков фазовую модуляцию на своей частоте fn, гетеродини- руют отраженное от объекта излучение с опорным пучком частоты f f0+fn, причем частоты fn выбирают из условия fn - г ° +

-. - ..- ; .- - С

+fmax, где т - угловая скорость вращения объекта радиуса р; с -скорость света; fnmax - максимальная частота фазовой модуляции, фильтруют и детектируют сигнал на частоте затем фильтруют и детектируют сигнал на частотах фазовой модуляции и вводят инвентированные по знаку полученные сигналы (коррекции) в субпучки.

Сущность способа - гетеродинйрова- ние отраженного от объекта излучения с опорным пучком с частотой fo+fn, где f0 - частота передаваемого излучения, для того, чтобы перевести диапазон рабочих частот из области частот, подверженной воздействию спекл помехи.

В данном способе используется априорное значение параметров о ир объекта.

Известно, .что размер существующих и перспективных космических аппаратов не превышает 20-50 м, а угловая скорость их вращения составляет: для стабилизированных объектов 1. рад/с, а нёстабилизированных - 10 рад/с. С учетом этих данных можно априорно сделать вывод о выборе частоты больше некоторого максимального прогнозирующего сдвига частоты, обусловленного вращением объекта.

Общими операциями для заявляемого способа и прототипа является расщепление исходного пучка частоты f0 на субпучки, введение в каждый из субпучков фазовой модуляции на частоте fn, фильтрация и детектирование сигналов на частотах фазовой модуляции, введение инвентированных по знаку полученных сигналов в субпучки.

Поле, отраженное от протяженной мишени, рассматриваемой в виде совокупности из L блестящих точек можно (с учетом выражения (1)) записать в виде суперпозиции полей, отраженных от L точек

Ё 2, м 2, ехР J (fini + У sln ° t +

I 1 N 1 + (Do t 4-а$е t + Ътре ).(8)

Теперь задача заключается в выделении отраженного сигнала только от точки с нулевым доплеровским сдвигом. Гетеродиниру- ют отраженное от протяженного объекта излучение с опорной волной амплитуды Еп, сдвинутой по частоте относительно исходного субпучка на fn (о выборе ее величины будет сказано ниже).

Тогда после гетеродинирования получэ- ют сигнал, пропорциональный

I En2+E2+2EnEcos(Wo+ft n-(Wo)t En2+E2+2EnEcoso t.(13)

Или с учетом (8) и (11)

„N & l Еп2+Е2+2Еп 2 AI 2) cos N 1

- ШдеР)Т + Sin ОМ- j8 ne- Ьтре

Изобретение относится к квантовой ра- диотехнике и может быть использовано в информационных и измерительных системах. Целью изобретения является повышение интенсивности улучшения на вращающемся протяженном объекте за счет уменьшения дисперсии фазовой ошибки. Цель изобретения Достигается тем, что отраженное от объекта излучение гетеродини- руют с опорным пучком частоты f f0+fn, фильтруют и детектируют на частоте fn, причем частоту fn выбирают из условия шр fo/c+fmax, где а) - угловая скорость вращения объекта радиуса р с - скорость света; fnmax максимальная частота фазовой модуляции. 2 ил.

где ofge и MgeT - радиальная и тангенциальная составляющие доплеровского сдвига частоты излучения при отражении от 1-й точки;

VWe фазовый коэффициент отражения 1-й точки;

AI-амплитуда полнот 1-й точки с учетом ее амплитудного коэффициента отражения;

Рпв - набег п-го субпучка до 1-й точки.

Величина радиальной составляющей доплеровского сдвига.при вращении объекта (рассмотрим случай вращения вокруг оси у, однако полученные выводы справедливы и для общего случая вращения) максимальна у точек 1 и 2, т.е. у точек пересечения оси х с поверхностью объекта (фиг. 1) и равна

,

Л 1.2-Иг

2

(9)

где Q -угловая скорость вращения объекта

радиуса р,...

A c/fo длина волны излучения.

При этом (при показанном на фиг. 1)

направлении вращения объекта) частота

сигнала, отраженного от точки 1 сигнала

будет f0+ дЛ а от точки 2 f0 - д Л

В точке 3, лежащей на пересечении поверхности объекта и оси, соединяющей центр вращения объекта с точкой наблюдения,

fg3p«0, (10)

(11)

Поэтому можно считать, что для остальных точек, лежащих на поверхности объекта,

|fgP1.2 I(12)

20

Выбирают частоту опорной волны fn из условия

(Ун ftJgmax+ ft)n от max

(15)

т.е. больше суммы частоты максимально возможных доплеровского сдвига при вра- . щении объекта и максимальной из частот

фаЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ (Уподтзх. ВВОДИМОЙ В

субпучки. . - Тогда в предположении, что после гетеродинирования осуществлена фильтрация сигнала на частоте , то все составляющие сигнала (14) с доплеровскими составляющими по частоте ft)gip будут отфильтрованы (с точностью до ширины полосы пропускания, фильтра). В это равносильно тому, что все сигналы, отраженные от блестящих точек на поверхности вращающегося объекта и получивших доплеровский сдвиг по частоте будут отфильтрованы, кроме сигнала, отраженного от точки, у которой такого доплеровского сдвига не будет. Такой точкой является точка, лежащая на пересечении поверхности объекта с линией, соединяющей точку приема отраженного сигнала и центр вращения объекта. Т.е. данная точка явится как бы опорной точкой для фокусировки излучения на поверхности вращающегося объектаПосле фильтрации сигнал (14) на частоте fn его детектировании (например, фазовом детектировании) получил сигнал только от опорной точки объекта

2) cos n+V- sin «)ht) (16)

n. 1

(фазовый коэффициент i/Аэтре опущен, так как отражение происходит лишь от одной

71810863 8

точки и, следовательно, он одинаков дляN, на вторые входы которых поступают

всех сигналов).опорные напряжения на частотах coi,;... ом

Дальнейшая реализация способа ана-от генераторов частот фазовой модуляции

логична прототипу. Действительно, перепи-13-1, .... 13-N от генераторов частот фазосывают{16) в виде 5 вой модуляции 13-1,.... 13-N и затем через

фильтры нижних частот 12-1,..., 12-N на

Ы, .jсумматоры 14-1, ..., 14-N. Таким образом,

I 2ЕПА cos РП cos(y sm ftht)-полученные сигналы коррекции подаются

cin и п7я ein л t i и-nна фазовые модуляторы-корректоры. Ре- sin/3sinpslnft nt) (17)10 зу/|ьтатом является фокусировка излучения

л,.г к ./- на опорной точке протяженного объекта,

8оДВаТТОТИПе ПРИМаЛЫХ(/Т° Технико-экономическая эффектив«200-30°)MO«Hoc4HTaTb,4TOCos(Vsln ew)Н0сть данного способа заключается в следу ,..ющем.

Тогда после фильтрации сигнала (17) на15 П р и ме р 1. Пусть длина волны излучечастотах ом,.., адм и последующего детек-и АНмкм. объект радиусом нахотирования получим сигналы ошибки, про-дйтся на расстоянии км и период его

порциональные , , лобращения с, т.е. ш 2 п /Т

5ош1 Vstn/ i,.... Зошы Vs«n /frj г/30(рад/с). Тогда сигналы, отраженные от

, 20 блестящих точек объекта, приобретут до- После инвентирования по фазе в субпучкиПЛеровские сдвиги до вводят сигналы коррекции

5кор1 -5ош1... 5корЫ -5ошЫ.fgmax 2 2 ° 1,05 МГц.

25 30-10 Результатом является /Si fh... , т.е.

выравнивание фаз всех субпучков на опор-Очевидно, что при сравнительно малой

ной точке, что обеспечит фокусировку излу-угловой скорости вращения объекта радичения. Данный способ работоспособен какальная составляющая доплеровскогосдвига

при работе по точечному объекту, так и не-Зп П0 частоте Довольно велика (105 МГц) и сигвращающемуся протяженному (в этом слу- алы с такими частотами и меньше будут

чае, как и в прототипе, фокусировка будетлегко отфильтрованы после гетеродиниропроизводиться на наиболее яркую блестя-вания,

щую точку.Доплеровский сдвиг для точек, лежащих

Устройство, реализующее данный спо-35 относительно опорной точки не более, чем

соб, функционирует следующим образом.на 9° - 10 см- 6УДет в У// 5С) Раз меньПосредством зеркал-делителей 2-1,.... 2-Nше. т.е. составит порядка 20 кГц, т.е. по

исходный пучок частоты f0 от лазера 1 рас-величине соизмерим с диапазоном модулищепляется на N субпучков, в каждый изрующих частот (обычно AfMofl 10-30 кГц),

которых с помощью фазовых модуляторов-40 Т е можно ожидать, что область фокусировкорректоров 3-1,..., 3-N, управляемых гене-ки составит пятно порядка 20 см.

раторами частот фазовой модуляции 13-1,Учитывая, что в адаптивных оптических

.- ..., 13-N вводится фазовая модуляция насистемах при работе по протяженным врачастотах ft)t,.., WN.щающимся объектам, как правило не удаетОтраженное от объекта излучение пада-45 ся сжать луч меньше, чем размера Объекта,

ет через полупрозрачное зеркало б на опти-то использование данного способа управлеческий приемник 7. Часть излучения отния при соответствующих размерах апертулазера 1 проходит через частотосдвигаю-Ры позволит2 увеличить интенсивность

щее устройство 5 (например, ячейку Брегга),порядка в 650 2500 раз.

управляемое генератором опорной частоты50 Другим достоинством данного способа

приемника 7, где гетеродинирует с излуче-реализации данного способа будет осущением, отраженным от объекта. После гете-ствляться режим прецизионного слежения

родинирования на выходе приемника55 за цельюсигнал проходит через полосовой фильтр 8,... -.

настроенный на частоту fn. и затем на фазо-Ф ормул а и зо б рете н и я

вый детектор 9, Полосовой фильтр 10 выде-Способ управления волновым фронтом

ляет сигнал (см. выражение 16). которыйзондирующего излучения, основанный на

поступает на фазовые детекторы 11-1....,11-расщеплении исходного пучка излучения с

частотой to на N субпучков, фазовой модуляции каждого из N субпучков на частоте fn, направлении излучения на объект, приеме отраженного излучения, фильтрации сигналов на частотах фазовой модуляции, детектировании сигналов и инвертировании сигналов по фазе и введении полученных сигналов в субпучки, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности излучения на вращающемся протяженном объекте за счет уменьшения дисперсии фазовой ошибки, отраженное от объекта излучения гетеродинируют с опорным пучком с частотой f fo+fn, фильтруют и детектируют

сигналы на частоте fn, причем частоту fn выбирают из условия

+f,

пмакс.

где О) - максимально возможная угловая скорость вращения объекта;

р - максимально возможный радиус вращающегося объекта;

с-скорость света;

fdMaicc максимальная частота фазовой модуляции.