Результат интеллектуальной деятельности: Система импульсной лазерной локации

Изобретение относится к приборостроению, технике оптических систем зондирования пространства и может быть применено, в частности, в системах лазерной локации и построения трехмерных изображений.

В настоящее время в технике оптической локации реализовано несколько способов и большое число устройств для измерения положения объектов в исследуемом пространстве, основанных на подсветке объектов лазерным излучением.

В большинстве устройств исследуемое пространство сканируют по двум координатам импульсами зондирующего лазерного излучения с узкой диаграммой направленности, а регистрацию интенсивности излучения, отраженного от различных точек поверхности объектов, осуществляют посредством одиночного приемника с узким полем зрения, которое сканируют синхронно с зондирующим лазерным пучком (патент US5528354 А, приоритет 10.07.1992 г., патент RU №2084925, приоритет 14.04.1995 г., МПК G01S 17/06). Аппаратура, реализующая этот способ, имеет наибольшее отношение сигнал/шум при одинаковых исходных данных и имеет наибольшую помехоустойчивость при воздействии внешних факторов

В качестве строчных сканирующих устройств в оптико-локационной аппаратуре в настоящее время наибольшее распространение получили вращаемые электромеханическим приводом зеркальные многогранники - призмы и пирамиды, позволяющие достигать достаточно больших углов сканирования при высокой частоте следования зондирующих лазерных импульсов и формирования сканируемого лазерного пучка высокого качества. Для кадровой развертки чаще всего используется качающееся зеркало, угол отклонения которого задается электромеханическим приводом.

Для систем двухкоординатного сканирования характерны аберрационные искажения кружка рассеяния регистрируемого излучения при его прохождении через объективы под углом к оптической оси (астигматизм, кома), им присущи ошибки сборки и деформации конструкции вследствие обусловленных вращением механических нагрузок, в частности отклонения от заданных углов между зеркальными гранями и осью вращения многогранника. При сканировании в системе с разнесенными строчным и кадровым дефлектором происходит смещение луча из главной плоскости строчного дефлектора, что приводит к неравномерности скорости сканирования и снижению точности позиционирования луча в области сканируемого пространства.

Наличие аберраций ведет к необходимости увеличения размеров граней многогранника и увеличения апертур формирующей оптики. И то, и другое приводит к увеличению габаритов сканирующего устройства, при этом необходимость сохранения угловой скорости сканирования при больших габаритах зеркального многогранника приводит к увеличению динамических возмущений, а также к необходимости увеличения мощности и массы двигателя привода. Достижимая скорость строчного сканирования в этом случае ограничивается возможностями применения мощных электромеханических двигателей и обеспечения динамической прочности конструкции дефлектора. Возможности ее повышения, увеличения частоты кадров и увеличения числа элементов разрешения в строке крайне ограничены.

Ближайшим аналогом является лазерная локационная система, в которой в качестве строчного дефлектора использован акустооптический дефлектор (патент RU 2528109 C1, приоритет 18.04.2013, G01S 17/02, G01S 17/06, G01S 17/93). Эта система импульсной лазерной локации содержит импульсный лазер, первое однокоординатное сканирующее устройство, включающее последовательно соединенные с лазером акустооптический дефлектор и выходную оптическую систему передающего канала, оптический объектив фотоприемного устройства, второе однокоординатное сканирующее устройство, осуществляющее сканирование по второй координате, ортогональной первой координате, фотоприемное устройство, вычислительное устройство, а также блок управления акустооптическим дефлектором, вход управления которого подключен к выходу управления дефлектором вычислительного устройства, а выход подключен к входу управления дефлектора, причем вход синхронизации лазера подключен к выходу синхронизации вычислительного устройства. Это устройство отличается от известных систем оптической локации тем, что в нее введены призменный светоделитель, измерительный канал и массив фотоприемных устройств, включающий К фотоприемников, а также К волоконно-оптических жгутов, содержащих М волокон, которые с одной стороны смонтированы вместе и обращены торцами к соответствующим фотоприемникам, а с другой стороны волокна каждого жгута смонтированы в однорядные линейки, которые суммарно образуют однорядную линейку из МК волокон, торцы которой обращены к выходу оптического объектива фотоприемного устройства и расположены в его фокальной плоскости. При этом выходы фотоприемников подключены к измерительным входам дальности вычислительного устройства, а призменный светоделитель размещен между выходом акустооптического дефлектора и входом выходной оптической системы передающего канала так, что оптический вход измерительного канала соединен со вторым выходом призменного светоделителя, а выход измерительного канала соединен с входом компенсации угловых ошибок вычислительного устройства.

Применение устройства строчного сканирования на основе акустооптического дефлектора позволяет без использования движущихся масс реализовать сканирование лазерного пучка с частотами, превышающими частоты известных оптико-механических сканеров. Замена оптико-механического строчного сканера на акустооптический сканер позволяет снять ограничения на скорость строчного сканирования и соответственно повысить информативность лазерного локатора.

Введение массива фотоприемных устройств и использование волоконно-оптических жгутов позволяет повысить надежность устройства.

Введение призменного светоделителя, размещенного между выходом акустооптического дефлектора и входом выходной оптической системы передающего канала, и измерительного канала позволяет повысить надежность локатора за счет адаптивной стабилизации углового положения сканирующего лазерного пучка.

Вместе с тем, акустооптические дефлекторы обладают рядом недостатков, ограничивающих эффективность их применения в оптических локационных системах. Отклонение пучка в таких дефлекторах обусловлено явлением дифракции световой волны на создаваемой в кристалле объемной дифракционной решетке плотности. Дифракционная эффективность такой решетки (0,5…0,6), ее поперечное сечение (<10 мм), оптическое качество, определяющее угловую расходимость сканируемого пучка (m²>2) и угловой диапазон сканирования (<10°), а также КПД использования мощности радиочастотных источников (<0,7), записывающих объемную решетку в акустооптическом кристалле, для реальных устройств существенно отличаются от предельных значений, что приводит к существенным потерям в энергетической эффективности и надежности системы.

Изобретение направлено на создание системы импульсной лазерной локации, использующей однокоординатное устройство сканирования. Техническим результатом предлагаемого изобретения является радикальное уменьшение времени обзора пространства, повышение информативности лазерного локатора, уменьшение габаритно-массовых характеристик, повышение надежности устройства без снижения целевых характеристик системы.

Структурная схема заявляемой системы импульсной лазерной локации приведена на фиг. 1.

В систему входит импульсный лазер 1. Выход лазера 1 оптически соединен с входом выходной оптической системы передающего канала 2. Выходная оптическая система передающего канала через промежуточное зеркало 3 оптически связана с однокоординатным сканирующим устройством 4, с которого лазерный пучок направляется в зону наблюдения. На вход фотоприемного устройства регистрации момента излучения лазерного импульса 5 поступает излучение, рассеянное поверхностями элементов оптической системы передающего канала 2, выход фотоприемного устройства 5 электрически соединен с входом блока обработки старт-сигналов вычислительного устройства 6.

Вход оптического объектива фотоприемного устройства 7 оптически связан с однокоординатным сканирующим устройством 4, с которого на объектив поступает излучение, рассеянное объектами в зоне наблюдения. Выход объектива фотоприемного устройства 7 оптически соединен с однорядной линейкой волокон 8 на входе оптического жгута, волокна на выходе оптического жгута оптически соединены с входами массива фотоприемных устройств 9, выходы фотоприемных устройств массива 9 электрически соединены со входами блока обработки сигналов вычислительного устройства 6.

Однокоординатное сканирующее устройство 4 снабжено приводом 10 и датчиком угла поворота 11. Выход датчика угла поворота электрически соединен с входом обратной связи блока управления приводом сканирующего устройства 12, выход блока управления привода сканирующего устройства 12 соединен с управляющим входом привода однокоординатного сканирующего устройства 10.

Для синхронизации работы узлов и электронных блоков системы оптической локации служит процессор вычислительного устройства 13, логические входы процессора электрически соединены с логическими выходами блока управления приводом сканирующего устройства 12 и блока обработки сигналов 6, выходы управления процессора электрически соединены со входами управления блока управления приводом сканирующего устройства, блока обработки сигналов 6 и блока питания импульсного лазера 14.

Сущность изобретения состоит в том, что в системе импульсной лазерной локации использована выходная оптическая система передающего канала, формирующая астигматический лазерный пучок с отношением угловых расходимостей по ортогональным координатам ϕ_х:ϕ_у=1:К, которая в каждом импульсе лазера обеспечивает зондирование прямоугольной области пространства. Угловая ширина этой области согласована с требуемым разрешением локационной системы ϕ_х, угловая высота согласована с угловым полем зрения системы ϕ_у=Кϕ_х по координате, перпендикулярно которой производится одномерное сканирование линейной диаграммы направленности. Кроме того, в отличие от известного аналога, массив фотоприемных устройств включает К фотоприемников и волоконно-оптический жгут, содержащий К волокон, которые с одной стороны обращены торцами к соответствующим фотоприемникам массива фотоприемных устройств, а с другой стороны волокна жгута смонтированы в однорядную линейку из К волокон, торцы которой обращены к выходу оптического объектива фотоприемного устройства и расположены в его фокальной плоскости. Диаметр оптоволокна в жгуте d и фокальное расстояние объектива F выбираются из условия d/F=ϕ_х.

При этом из известной системы импульсной лазерной локации (патент RU 2528109 C1, приоритет 18.04.2013) исключено однокоординатное сканирующее устройство, включающее последовательно соединенные с лазером акустооптический дефлектор, призменный светоделитель и измерительный канал.

На фиг. 2 приведен чертеж общего вида макета заявляемой системы импульсной лазерной локации.

Система работает следующим образом. Вычислительное устройство, состоящее из блоков обработки сигналов вычислительного устройства 6, процессора вычислительного устройства 13 и блока управления приводом сканирующего устройства 12, считывает показания датчика угла поворота однокоординатного сканирующего устройства 11 и устанавливает сканирующее устройство в начальную позицию.

Подается команда на начало сканирования, вычислительное устройство 13 формирует синхроимпульсы, подаваемые на вход синхронизации блока питания лазера 14, и производится включение лазера в режиме генерации последовательности коротких импульсов с заданной частотой, соответствующей угловому повороту лазерного луча за промежуток времени между импульсами на угол, равный расходимости пучка по координате сканирования.

Момент излучения каждого импульса регистрируется фотоприемным устройством регистрации момента лазерного импульса 5 и сохраняется в оперативной памяти вычислительного устройства.

Выходная оптическая система передающего канала 2 формирует лазерный луч с анизотропным пространственным распределением энергии, при котором расходимость луча по координате сканирования ϕ_х равна угловой разрешающей способности системы, а расходимость по координате, параллельной оси вращения устройства сканирования ϕ_у=Кϕ_х, равна угловому полю зрения оптической локационной системы, которое в К раз больше разрешающей способности системы. В результате в каждом импульсе лазерный луч зондирует внутри поля зрения локационной системы строку с угловыми размерами ϕ_х, ϕ_у.

Положение лазерной строки в наблюдаемом пространстве определяется угловым положением зеркала однокоординатного сканирующего устройства 4. В кадре с угловым размером в направлении развертки, равным Ω, может быть сформировано N=Ω/ϕ_x лазерных строк.

Если в пределах лазерной строки имеется объект, отражающий или рассеивающий излучение зондирующего лазера, на оптический объектив фотоприемного устройства 7 попадет часть рассеянного объектом излучения и объектив построит изображение объекта в фокальной плоскости. Так как направление излучаемого лазерного импульса и направление оси визирования объектива в каждый момент времени совпадают, изображение освещенной лазерным импульсом области объекта будет построено в центральном сечении плоскости изображения объектива и при показанной на фиг. 2 ориентации координатных осей попадет на однорядную линейку волокон 8, размещенную в этом сечении. При выборе диаметра волокна равным d=Fϕ_x, где F - фокусное расстояние объектива, и числа волокон в линейке равным К=ϕ_у/ϕ_x на линейке волокон будет построено изображение всех объектов в зондируемой данным импульсом области пространства. Последовательность из К импульсов, последовательно сканируемых с угловым интервалом ϕ_х, позволит зафиксировать все объекты в угловом поле зрения системы Кϕ_х,ϕ_у с разрешением ϕ_х.

Отраженный от объекта лазерный импульс, в зависимости от углового положения объекта относительно оси визирования объектива, изображается на группу волокон однорядной линейки 8, соответствующую угловому положению и размеру объекта по строчной координате. Принятый каждым волокном лазерный поток направляется на одно фотоприемное устройство из массива фотоприемных устройств 9 и преобразуется в электрический импульс, задержанный на время t_З=2L/c относительно времени излучения, где L - дальность до наблюдаемой точки объекта, с - скорость света.

Блок обработки сигналов вычислительного устройства 6 измеряет величину временной задержки принятого лазерного импульса относительно излученного лазером светового импульса и вычисляет текущую дальность по данному направлению до отражающего объекта. Выходными данными блока обработки являются текущий код направления по строке, текущий код направления по кадру и дальность. Массив этих данных, получаемый за один кадр сканирования, позволяет построить трехмерное изображение исследуемого пространства.

Текущий код направления по кадровой координате определяет угловые координаты точечных объектов в направлении сканирования с точностью до размера элемента разрешения. Код определяется по данным датчика угла поворота однокоординатного сканирующего устройства. Код направления по строке определяется номером волокна в линейке, отсчитываемым от центрального волокна.

В результате за каждый цикл сканирования (кадр) вычислительное устройство регистрирует 3 массива данных измерений, из которых первый массив из К данных - это угловые положения линейной диаграммы направленности лазера в зоне наблюдения, отсчитанные в плоскости сканирования по показаниям датчика угла поворота сканирующего устройства с поправкой на величину скоростной аберрации в случае больших дистанций и высоких скоростей сканирования, второй массив из К данных - это угловые координаты осей диаграммы направленности фотоприемных апертур волокон, формирующих однорядную линейку. Если , то без учета возможной коррекции технологических ошибок при формировании линейки волокон, элемент этого массива может быть записан в виде . Наконец, третий массив данных, содержащий К² элементов, - это массив дальностей до обнаруженных в зоне наблюдения объектов, привязанный к массивам угловых направлений.

Полученные данные измерений позволяют для каждого кадра построить 3-мерную картину расположения объектов в пространстве, а сравнение последовательных кадров - измерить характеристики движения этих объектов.

Лазер 1, работающий в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов в десятки кГц и генерирующий импульсы наносекундной длительности, может быть реализован на активном элементе из граната с неодимом (длина волны 1,06 мкм) или кристалле ИЛФ с неодимом (длина волны 1,053 мкм) с использованием оптической накачки полупроводниковыми лазерными диодами. Весьма перспективным является также использование волоконных лазеров с легированием иттербием (длина волны 1,07 мкм) или эрбием (длина волны 1,55 мкм). Волоконные лазеры обеспечивают КПД на уровне 25% и частоты генерации до единиц МГц. Для подводной локации и локации в условиях космоса могут быть использованы зеленые (длина волны 0,53 мкм) лазеры на основе легированных неодимом сред с нелинейным удвоителем частоты. При построении системы импульсной лазерной локации, безопасной для зрения, кроме эрбиевого волоконного лазера может быть использован лазер на активном элементе из граната с неодимом с параметрическим внутрирезонаторным преобразованием в безопасную для глаз длину волны (длина волны 1,57 мкм). В системе, изображенной на фиг. 2, использован серийно выпускаемый твердотельный лазер ТЕСН-1053 (http:www.laser-compact.ru/prod/1053.html).

Однокоординатное сканирующее устройство 4 может быть реализовано на основе сканирующего зеркала с шаговым или бесколлекторным вентильным двигателем и датчиком углового положения зеркала. На фиг.2 показан вариант использования моментного двигателя 6ДБМ40-0,04-5-3 и энкодера ЛИР-219Б.

В качестве объектива фотоприемного устройства 7 может быть использован как специально разработанный объектив с просветлением и интерференционным фильтром на лазерную длину волны, так и стандартный объектив видимого диапазона с интерференционным фильтром на лазерную длину волны на входе. При угловом поле зрения системы импульсной лазерной локации, равном Ω, фокусное расстояние объектива фотоприемного устройства 7 должно быть равным F=Kd/(2tgΩ). На фиг. 2 показан вариант использования фотографического объектива «Волна-3» с интерференционным фильтром на длину волны 1,053 мкм вместо штатного светофильтра.

В качестве фотоприемных устройств может использоваться набор одиночных лавинных фотодиодов, геометрические размеры фоточувствительных площадок которых обеспечат прием лазерного излучения с выхода одиночного волокна оптического жгута. Диаметр фоточувствительных площадок лавинных фотодиодов должен превышать диаметр волокон на 10…40 процентов. При введении оптических элементов для фокусировки лазерного излучения с выхода волокон, диаметр площадок может быть уменьшен.

Каждый фотодиод, связанный с ним трансимпедансный усилитель и пороговая схема формирования импульса, соответствующего моменту прихода эхо-импульса, монтируются на общую плату массива фотоприемных устройств, снабженную схемой термостабилизации.

Блок обработки сигналов вычислительного устройства 6 и процессор вычислительного устройства 13 могут быть реализованы, например, на микросхеме FPGA Spartan-6, имеющей высокую тактовую частоту и достаточное число каналов параллельной обработки данных. Блок управления приводом сканирующего устройства поставляется изготовителем привода.