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 US 5528354 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 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 присуши 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.

Известна также 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).

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.

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.

Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является лазерная локационная система (патент RU 2612874, приоритет 12.11.2015), в которой для радикального уменьшения времени обзора пространства, повышения информативности лазерного локатора, уменьшения габаритно-массовых характеристик, повышения надежности устройства без снижения целевых характеристик системы используется однокоординатное устройство сканирования.

При этом в системе импульсной лазерной локации использована выходная оптическая система передающего канала, формирующая астигматический лазерный пучок с отношением угловых расходимостей по ортогональным координатам ϕ_x:ϕ_y=1:К, которая в каждом импульсе лазера обеспечивает зондирование прямоугольной области пространства. Угловая ширина этой области согласована с требуемым разрешением локационной системы ϕ_x, угловая высота согласована с угловым полем зрения системы ϕ_y=Кϕ_x по координате, перпендикулярно которой производится одномерное сканирование линейной диаграммы направленности. Кроме того, в отличие от известных систем лазерной локации, 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_x.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что при больших отношениях поля зрения локационной системы и ее разрешения (на практике К≥100) необходимо на выходе оптической системы передающего канала сформировать сильно астигматический зондирующий пучок с соотношением размеров по главным осям, равным или превышающим К. Известные методы формирования астигматических пучков, основанные на использовании цилиндрической оптики или дифракционных оптических элементов, не обеспечивают равномерности распределения плотности потока мощности лазерного излучения по сечению сильно астигматического пучка. В результате локационное изображение оказывается неравномерным по полю зрения.

Задачами предлагаемого изобретения являются улучшение равномерности локационного изображения по полю зрения и сокращение времени обзора.

Поставленная задача решается за счет уменьшения астигматизма сечения зондирующего пучка без ухудшения углового разрешения локационной системы.

Для этого предлагается использовать выходную оптическую систему передающего канала, формирующую астигматический лазерный пучок с не слишком большим отношением угловых расходимостей по ортогональным координатам ϕ_x:ϕ_y=М:К (М<К), и массив фотоприемных устройств, включающий М*К фотоприемников, а также волоконно-оптический жгут, содержащий М*К волокон, которые с одной стороны обращены торцами к соответствующим фотоприемникам массива фотоприемных устройств, а с другой стороны волокна жгута смонтированы в М-рядную линейку из М*К волокон по К волокон в ряду, причем большая расходимость ϕ_y соответствует координате, параллельной оси вращения однокоординатного сканирующего устройства и ориентации линеек из К волокон в фокальной плоскости оптического объектива фотоприемного устройства, меньшая расходимость ϕ_x соответствует угловому размеру М элементов разрешения системы, а диаметр оптоволокна в жгуте d и фокальное расстояние объектива F выбираются из условия d/F=ϕ_x/М.

При использовании рассматриваемой выходной оптической системы передающего канала частота обновления информации (частота кадров) в заявляемой системе лазерной локации увеличивается в М раз при той же скорости кадровой развертки.

Структурная схема заявляемой системы импульсной лазерной локации приведена на чертеже.

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 М-рядной 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 выходная оптическая система передающего канала включает оптику, формирующую астигматический лазерный пучок с угловой расходимостью по ортогональным координатам θ_x=Мϕ, θ_y=Кϕ, где ϕ - угловая разрешающая способность системы. Массив фотоприемных устройств включает М*К фотоприемников (М≤К), а волоконно-оптический жгут содержит М*К волокон, которые с одной стороны обращены торцами к соответствующим фотоприемникам массива фотоприемных устройств, а с другой стороны торцы волокон жгута смонтированы в М-рядный массив из М*К волокон по К волокон в ряду, причем большая расходимость θ_y соответствует координате, параллельной оси вращения однокоординатного сканирующего устройства и ориентации линеек из К волокон в фокальной плоскости оптического объектива фотоприемного устройства, меньшая расходимость θ_x соответствует координате, перпендикулярной оси вращения сканирующего устройства М элементов разрешения системы, а диаметр оптоволокна в жгуте d и фокальное расстояние объектива F выбираются из условия d/F=θ_x/M.

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 равна θ_x, расходимость по координате, параллельной оси вращения устройства сканирования, θ_y. В результате в каждом импульсе лазерный луч зондирует внутри поля зрения локационной системы строку с угловыми размерами θ_x, θ_y.

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/(Mϕ) 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 части 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 попадет на М-рядную линейку волокон 8, размещенную в плоскости изображения объектива. При выборе диаметра волокна равным d=Fϕ, где F - фокусное расстояние объектива, числа волокон в линейке равным К и числа линеек в массиве торцов волокон равным М, на массиве торцов волокон будет построено изображение всех объектов в зондируемой данным импульсом области пространства. Последовательность из N импульсов, сканируемых с угловым интервалом θ_x, позволит зафиксировать все объекты в угловом поле зрения системы (N*M*ϕ, К*ϕ) с разрешением ϕ.

Отраженный от объекта лазерный импульс, в зависимости от углового положения объекта относительно оси визирования объектива, изображается на группу волокон М-рядной 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 и номеру ряда торцов волокон в фокальной плоскости объектива. Код направления по строке определяется номером волокна в ряду.

В результате за каждый цикл сканирования (кадр) вычислительное устройство регистрирует 3 массива данных измерений, из которых первый массив из N*M данных - это угловые положения 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 один ряд массива торцов волокон в плоскости изображения объектива. Наконец, третий массив данных, содержащий K*N*M 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. 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). При макетировании устройства нами был 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. Нами были использованы моментный двигатель 6ДБМ40-0,04-5-3 и энкодер 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). Нами был использован фотографический объектив «Волна-3» с интерференционным фильтром на длину волны 1,053 мкм вместо штатного светофильтра.

В качестве фотоприемных устройств может использоваться набор одиночных лавинных или p-i-n 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. Нами были использованы волокна с диаметром ядра и оболочки 400/430 мкм и p-i-n фотодиод фирмы Хамаматсу.

Каждый фотодиод, связанный с ним трансимпедансный усилитель и пороговая схема формирования импульса, соответствующего моменту прихода эхоимпульса, 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.

Технический результат заключается в улучшении качества локационного кадра, сокращении времени обзора, уменьшении габаритно-массовых характеристик локационной системы, повышении надежности и информативности лазерного локатора за счет повышения равномерности плотности потока мощности по сечению зондирующего лазерного пучка и увеличения числа рядов торцов волокон в фокальной плоскости приемного объектива.