Лазерная локационная система Советский патент 1993 года по МПК G01S17/00 

Изобретение относится к лазерной локации, а конкретно к лазерным локационным системам для получения изображения земной поверхности с борта летательного аппарата.

Целью изобретения является повышение точности распознавания природных и искусственных объектов за счет использования флюоресценции, индуцированной лазерным излучением.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг, 2 - переходы между возбужденными подуровнями молекулы: на фиг. 3 - спектры флюоресценции и спектр возбуждающего излучения; на фиг. 4 - уровни сигналов компараторов флюоресценции и шума.

На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1 - пленко-протяжный механизм с фотопленкой, 2 - оптический затвор, 3 - второй лазер записи, 4 - сканирующее устройство, 5 - устройство смешения пучков, 6 - модулятор записи, 7 - первый лазер записи, 8 - первый объектив, 9 - первый приемник излучения. 10 - первый блок усиления, 11 - компаратор 12 - электронный ключ, 13 - лазер подсвета, 14 - расщепитель луча лазера, 15 - интерференционный светофильтр,. 16 - второй объектив, 17 - второй приемник излучения, 18 - второй блок усиления, 19 - генератор прямоугольных импульсов.

Данная система работает следующим образом.

Излучение лазера подсвета 13 с помощью сканирующего устройства 4, ось вращения которого параллельна продольной оси носителя системы, разворачивается на местности по строкам перпендикулярно направлению полета. ,

При падении лазерного излучения с длиной волны Ал на местности происходит его отражение, причем величина отраженного потока пропорциональна спектральному коэффициенту отражения р элементов местности. Элементы местности содержат живую растительность, следовательно, излучение от элемента местности помимо от- раженной составляющей содержит излучение флюоресценции. Оно возникает в результате переизлучения молекул хлоро- фила, возбужденных падающим лазерным излучением. Флюоресценция происходит на длине волны Афл Ал. Для молекул хлоро- фила максимум флюоресценции находится в пределах 645-702 нм.

Отраженное от местности излучение лазера подсвета собирается сканирующим устройством и направляется через расщепитель луча лазера 14 на первый объектив 8 который фокусирует его на чувствительной площадке первого приемника излучения 9. Сигнал с выхода первого приемника

излучения через первый блок усиления 10 поступает на модулятор записи 6. Излучение первого лазера записи 7 поступает на оптический ход модулятора записи б, где модулируется в зависимости от величины

спектрального коэффициента отражения, а затем через устройство смешения пучков 5 направляется на сканирующее устройство 4, которое разворачивает его в строку по фотопленке. Фотопленка, уста5 новленная в пленко-протяжном механизме

1. протягивается со скоростью, пропорциональной скорости полета к высоте полета носителя.

Часть отраженного от местности излу0 чения лазера подсвета с расщепителя 14 поступает на интерференционный светофильтр 15, настроенный на длину волны максимума флюоресценции живой растительности Афл max. При наличии излучения

5 флюоресценции оно пройдет через интерференционный светофильтр 15 и сфокусируется вторым объективом 16 на чувствительной площадке второго приемника излучения 17. Сигнал 18 подается на вход

0 компаратора 11, В качестве компаратора предлагается использовать однопороговый компаратор напряжения, в котором входной сигнал сравнивается с сигналом заданного уровня.

5При их равенстве сигнал на выходе компаратора 11,соединенном с первых входом электронного.ключа 12, для которого он является управляющим, будет равен нулю. Электронный ключ 12 будет закрыт.

0 Если входной сигнал компаратора 11 станет меньше сигнала заданного уровня, что свидетельствует о попадании в поле зрения системы искусственных объектов, на выходе компаратора появится сигнал, кото5 рый откроет электронный ключ 12. На второй вход электронного ключа 12 с генератора прямоугольных импульсов 19 подается сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов. Электронный

0 ключ 12 пропустит его только при наличии сигнала с компаратора 11, то есть при наличии искусственных объектов в поле зрения системы.

Сигнал в виде последовательности пря5 моугольных импульсов с выхода электронного ключа поступает на оптический затвор

2. на оптический вход которого поступает излучение второго лазера записи 3. С выхо: да оптического затвора 2 оптический сигнал, представляющий последовательность

световых импульсов, через устройство смешения пучков 5 направляется на сканирующее устройство 4, которое разворачивает его в строку на фотопленке.

В результате смешения оптических сигналов двух лазеров записи промодулиро- ванных соответствующим образом, на фотопленке формируется изображение в зависимости от спектрального коэффициента отражения, на участки которого, соответствующие.искусственным объектам, накладывается маска в виде, яр костных меток,

Частота следования яркостных меток соответствует частоте следования импульсов с генератора прямоугольных импульсов 19. Выбор этой частоты осуществляется из следующих соображений. Если угол поля зрения системы 2 /М20°, а мгновенный угол поля зрения, определяемый расходимостью луча лазера подсвета, у 1 мрад, то количество элементов в строке N 2/8/y 2093.

Частота сканирования выбирается из соотношения

Vnon/fcK уН,

где /пол, Н - соответственно скорость и высоте полета летательного аппарата; fcK - частота сканирования луча лазера.

Для наиболее вероятных режимов полета при Vno/i 170-220 м/с и Н --170-500 м среднее значение частоты сканирования, необходимое для стыковки строк на местности, равно 750 Гц. При этом частота просмотра элементов местности равна

Я-fcK N.

МГц.

Функционирование устройства обеспечивается следующим. Физическая сущность явления флюоресценции молекул хлорофи- ла заключается в том. что лазерное излучение, воздействующее на растительность, претерпевает поглощение и возбуждает молекулы хлорофила, которые, возвращаясь в исходное энергетическое состояние, переизлучают энергию со смещением длины волны относительно возбуждающего излучения. Смещение длины волны флюоресцирующего излучения зависит от спектроскопических параметров молекул и их квантового состояния на момент воздействия возбуждающего излучения,

Смещение объясняется наличием без- излучательных релаксационных переходов между возбужденными подуровнями молекулы (см. фиг. 2). Поэтому энергия кванта h г фл, испускаемого в результате флюоресценции, всегда меньше энергии поглощенного кванта h vn и следовательно спегф флюоресценции сдвинут в длинноволновую область по отношению к длине войны воз буждающего излучения и представляет ши5 рокополосное излучение (см. Фиг. 3). Поскольку максимум флюоресценции определяется энергией излучательного перехода, то длина волны излучения лазера подсвета должна находиться в пределах от

0 200 до 550 нм. В частности, могут использоваться азотный лазер с Я 337 нм, аргоновый лазер с А 480-530 нм. лазер иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, работающий на второй гармонике с Я 532 нм.

5Поскольку излучение лазера происходит в узком спектральном диапазоне, то принято говорить о спектральном коэффициенте отражения р%. Для различных участков земной поверхности спектральные

0 коэффициенты отражения принимают различное значение. Поэтому величина отраженного потока излучения Фе отр РП Фе.л при постоянном значении потока излучения лазера подсвета Фе.л. пропорционзль5 на спектральному коэффициенту отражения

качестве основного элемента устройства смещения пучков 5 в заявленной системе используется дихроическое зеркало.

0 представляющее собой многослойную пленку со слоями различной толщины и различными показателями преломления, нанесенную на поверхность различных прозрачных элементов. Подбирая показатели

5 преломления и толщины слоев пленки, создают условия, при которых обеспечивается максимальный коэффициент пропускания и, соответственно, минимальных коэффициент отражения для излучения первого лазе0 ра записи 7 с длиной волны 0,5 мкм. и наоборот, обеспечивается минимальный коэффициент пропускания и, соответственно, максимальный коэффициент отражения для излучения второго лазера записи 3 с длиной

5 волны 0.62 мкм. 8 заявляемой.системе устройство смешения пучков, в частности, представляет собой дихроическое зеркало, выполненное в виде стеклянной пластинки, на которую лучи лазеров записи падают под

0 углом 45°, как показано на фиг. 1.

Компаратор 11 представляет собой операционный усилитель без обратной связи, что позволяет получать большое значение коэффициента усиления и сравнивать ма5 лые по величине сигналы. Компаратор предназначен для сравнения входного сигнала с опорным или сигналом заданного уровня. При этом, если входной сигнал больше или равен сигналу заданного уровня, то есть

UPX и: Узад, на выходе компаратора устанавливается напряжение логического О. Если же входной сигнал меньше сигнала заданного уровня, то есть UBx и3ад, на в ыходе устанавливается напряжение логической 1.

В заявляемой системе сигнал заданного уровня компаратора 11 задается из следующих соображений (см. фиг. 4). Он не должен превышать минимального значения сигнала, вызванного излучением флюоресценции ифл.гЫп, и должен быть больше уровня максимального значения шума Um.max. То есть должно выполняться условие иш. ифл.гЫп. Определение значений Uui.max и ифл.т1п производится экспери- ментально. в частности, экспериментально исследования флюоресценции живой растительности при облучении лазерным излучением показали, что поток излучения флюоресценции растительности составляет 3-6% от падающего потока излучения.

В заявляемой системе сигнал, обусловленный излучением флюоресценции живой растительности, непосредственно для регистрации не используется и служит только как управляющий сигнал для электронного изображений всех участков местности, не содержащих живой растительности, а именно бетонные и асфальтовые покрытия, поверхности покрытые краской, поверхности накрытые материалом, имитирующим растительность, различные строения и т.п.

Лазер подсвета 13 и лазеры записи 3 и 7 являются функционально независимым блоками, работающими в непрерывном режиме, каждый из которых имеет свой блок питания..

Поток излучения от элементов местности состоит из отраженного потока и излучения флюоресценции. При этом каждая из составляющих общего потока излучения содержит информацию об одном и том же элементе местности. С помощью расщепителя луча 14 осуществляется разделение этих составляющих потока излучения и дальнейшая их обработка происходит параллельно по двум каналам. В первом канале, включающем блоки 8, 9, 10, 6 и 7 формируется сигнал по отраженному потоку излучения, а во втором канале, включающем блоки 15, 16, 17, 18, 19, 11. 12. 2 и 3 - сигнал по излучению флюоресценции.:

Сигнал с генератора прямоугольных импульсов 19 постоянно дежурит на втором входе электронного ключа 12, который пропускает его только при отсутствии излучения флюоресценции. Сигнал с выхода электронного ключа в виде последовательности прямоугольных импульсов поступает на управляющий вход оптического затвора 2, который до этого находится в закрытом состоянии. В результате на выходе оптического затвора получается оптический сигнал в виде последовательности световых импульсов, соответствующий участкам местности с искусственными образованиями. Таким образом сигналы, сформированные в обоих каналах, синхронно приходят на устройство смещения пучков 5,-где происходит их сложение.

В качестве оптического затвора может быть использован электрооптический затвор на кристалле KDP, частота срабатывания которого составляет 20 МГц. В качестве второго приемника излучения может быть применен фотоэлектронный умножитель. Для удобства различения на формируемом изображении природных и искусственных образований, его записи производится на спектрозональной фотопленке. При этом первый лазер записи 7 должен излучать в зеленой области спектра на длине волны

0,5 мкм, а второй лазер записи 3 - в красной области спектра на длине волны 0,62 мкм. Тогда метки, указывающие на присутствие в поле зрения системы искусственных объектов, будут красного цвета.

Пленко-протяжный механизм состоит из электродвигателя, передаточного, редуктора, системы валиков, приемной и подающей катушек с фотопленкой. Электродвигатель через передаточный редуктор приводит во вращение валики и приемную катушку. Частота вращения электродвигателя задается управляющим напряжением, которое пропорционально отношению скорости полета к высоте и определяется по сигналам

скорости и высоты в вычислителе пилотаж- но-навигационной системы. Поэтому такой вычислитель является внешним устройством.:

При записи изображения на фотопленку

шириной 80 мм полоса изображения составляет 70 мм, а размер одного элемента записи 33 мкм. Для обнаружения яркостной метки дешифровщиком ее размер должен быть не менее 100 мкм, то есть перекрывать

четыре элемента записи. Интервал между метками также должен быть равен четырем элементам записи. Следовательно, частота следования яркостных меток и, соответственно, частота следования импульсов с генератора прямоугольных импульсов 19тимп- 1/8 ,5 кГц. Такая частота следования импульсов обеспечивается генератором, собранным по схеме мультивибратора на базе дифференциального усилителя.

В результате введения в лазерную локационную систему расщепителя луча лазера, интерференционного светофильтра, второго объектива, второго приемника излучения, второго блока усиления, компаратора, электронного ключа, генератора прямоугольных импульсов, второго лазера записи, оптического затвора, устройства смешения пучков появляется возможность различения на формируемом изображении природных и искусственных образований, что увеличивает информативные возможности лазерной локационной системы и повышает точность распознавания природных и искусственных объектов.

Формула изобретения Лазерная локационная система, содержащая оптически сопряженные лазер подсвета и сканирующее устройство, оптически сопряженные первый объектив и первый приемник излучения, оптически сопряженные первый лазер записи, модулятор записи и пленкопротяжный механизм с фотопленкой, оптически сопряженные расщепитель луча и первый отражатель, а также блок усиления, выход которого соединен с вторым входом модулятора записи, а

0

вход - с выходом первого приемника излучения, отличающаяся тем. что. с целью повышения точности распознавания природных и искусственных объектов за счет использования флюоресценции, индуцированной лазерным излучением, введены последовательно установленные и оптически сопряженные интерференционный фильтр; второй объектив и второй приемник излучения, последовательно . установленные и оптически сопряженные второй лазер записи, оптический затвор. второй отражатель и устройство смещения пучков, последовательно соединенные вто- 5 рой блок усиления, компаратор и электронный ключ, выход которого соединен с вторым входом оптического затвора, а также генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с вторым входом электронного ключа, при этом выход второго приемника излучения соединен с входом второго усилителя, а расщепитель луча и первый отражатель оптически сопряжены со сканирующим устройством и первым объективом, устройство смещения пучков оптически сопряжено с модулятором записи и со сканирующим устройством.

0

5

Изобретение относится к лазерной локации, а именно к системам получения изображения земной поверхности с борта летательного аппарата. Целью изобретения является повышение точности распознавания природных и искусственных обьектов за счет использования флюоресценции, индуцированной лазерным излучением. Поставленная цель достигается введением в устройство расщепителя луча лазера 14, интерференционный светофильтр 15, второй объектив 16, второй приемник излучения 17. второй блок усиления 18, компаратор 11, электронный ключ 12, генератор прямоугольных импульсов 19, второй лазер записи 3, оптический затвор 2 и устройство смешивания пучков 5. 4 ил.

УроЬни Возбужденном состояния

бы

u«.i

УлогО

ФигЬ