УГОЛКОВЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ

Изобретение относится к локационной технике и может быть использовано в качестве отражающего элемента в спутниковой лазерной дальнометрии для точного определения координат навигационных и геодезических спутников.

Известен уголковый отражатель [1], выполненный в виде тетраэдра с тремя металлизированными отражающими гранями, в котором два двугранных угла равны π/2, а третий - π/2(S+1), где s 1, 2, 3, 4. Длины его ребер R1, R2, R3 выбраны из соотношения R1:R2:R3=а:а:1.

Известен также призменный уголковый отражатель [2], выполненный в виде трехгранной пирамиды, двугранные углы между боковыми отражающими гранями которой также равны π/2, π/2 и π/2(S+1), где S - целое положительное число, ребра отражателя выполнены с размерами Р1 и Р2, определяемыми из математических соотношений. Показатель преломления материала отражателя также определяется из приведенного соотношения.

Известные уголковые отражатели используются для обеспечения отражения лазерного излучения от различных объектов, в том числе спутников Земли, строго в обратном направлении на передатчик.

Недостатком известных технических решений является то, что за счет аберрации скорости отраженный луч возвращается со смещением, достигающим нескольких угловых секунд, которое зависит от орбиты спутника, при этом в известных уголковых отражателях [1] и [2]) основная часть энергии приходится на центр пятна и расходуется впустую.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является уголковый отражатель [3], выполненный, например, из кварца в виде призмы, боковые грани которой выполнены в форме треугольника, при этом на поверхности боковых граней призмы нанесен слой отражающего металлического покрытия, например, из алюминия или серебра, с выполнением условия S_{покр.общ.}<S_гр.общ., где S_{покр.общ.} - суммарная площадь отражающего покрытия, S_гр.общ. - суммарная площадь боковых граней призмы, причем уголковый отражатель выполнен с обеспечением формирования многолепестковой диаграммы направленности с периферийными пятнами освещенности в ее сечении.

В других вариантах выполнения уголка [3] отражающее металлическое покрытие нанесено с выполнением условия , где i=1-3, S_покр.i. - площадь покрытия i-й боковой грани, S_гр.i.- площадь i-й грани призмы, или

нанесено с выполнением условия S_покр.i.<S_гр.i., где i=1-3, S_покр.i. - площадь покрытия i-й боковой грани, S_гр.i.- площадь i-й грани призмы.

Недостатками известного устройства [3] являются недостаточная точность и надежность локации для спутников, орбита которых находится на расстоянии примерно 19000 км от Земли.

Технический результат, заключающийся в повышении точности и надежности локации за счет увеличения доли энергии, которая распределяется по периферии отраженного лазерного пучка (по периферии диаграммы направленности), а также в повышении соотношения «сигнал/шум», достигается в предлагаемом уголковом отражателе, выполненном, например, из кварца в виде призмы с боковыми гранями в форме треугольника, на которых имеется отражающее покрытие, достигается тем, что на входную преломляющую грань призмы нанесена диэлектрическая пленка в виде круговой зоны с выполнением условия:

S_{кр.зоны}=¹/₂ S_вx.гр., где

S_{кр.зоны} - площадь круговой зоны диэлектрической пленки,

S_вx.гp. - площадь входной преломляющей грани призмы, причем диэлектрическая пленка выполнена, например, из окисла кварца с толщиной h, удовлетворяющей условию: h=λ/4(n-1), где λ - длина волны излучения, n - коэффициент преломления материала пленки, и нанесена с обеспечением получения кольцевой диаграммы направленности отраженного излучения.

Сущность полезной модели поясняется чертежами:

- на фиг.1 показан вид на боковую грань отражательного уголка;

- на фиг.2 показан вид на входную грань уголка;

- на фиг.3 показан вид на входную грань уголка;

- на фиг.4 показан уголок в разрезе с падающим и отраженным лазерным излучением;

- на фиг.5 приведена дифракционная картина в дальней зоне;

- на фиг.6 показана зависимость освещенности от углового расстояния до оси отраженного пучка от УО с пленкой, нанесенной на входную грань.

Уголковый отражатель выполнен в виде призмы 1 (фиг.1) с тремя боковыми гранями 2, 3 и 4 и входной фронтальной гранью 5.

На входную фронтальную грань 5 наносится тонкая пленка 6 из окисла кремния круглой формы площадью S_{кр.зоны} таким образом, чтобы она закрывала половину площади S_вx.гp. входной грани 5 уголкового отражателя.

Предлагаемый уголковый отражатель работает следующим образом.

Пучок падающего лазерного излучения 9 (фиг.4) входит в уголковый отражатель 1 через его входную (фронтальную) грань 5. После полных внутренних отражений от боковых граней 2, 3 и 4 пучок отраженного лазерного излучения выходит из отражателя 1 через фронтальную грань 5 в направлении 10, противоположном направлению падения.

Для спутников навигационной системы ГЛОНАСС оптимальная форма распределения освещенности имеет вид кольца с угловым расстоянием до оси, примерно равным пяти угловым секундам (фиг.5).

Дифракционная картина в дальней зоне и зависимость освещенности от углового расстояния до оси отраженного пучка от уголкового отражателя 1 с пленкой 6, нанесенной на входную грань 5, показаны на фиг.6.

Толщина пленки 6 должна обеспечивать сдвиг фаз между центральным и периферийным пучком, равный π. Интерференция этих параллельных пучков в дальней зоне (на бесконечности) приводит к выдавливанию энергии на периферию отраженного пучка.

Уголковый отражатель с нанесенным на его грань рисунком покрытия является радиальным амплитудно-фазовым дифракционным элементом, свойства которого зависят от состояния поляризации падающего излучения. Это обеспечивает в дальней зоне особый вид диаграммы направленности и позволяет управлять как ее угловой шириной, так и распределением энергии внутри нее.

Ретрорефлекторные системы на базе уголковых отражателей устанавливаются на геодезических и навигационных спутниках для отражения луча лазерного дальномера. Измерение времени пути лазерного импульса позволяет с высокой точностью определить параметры орбиты спутника и координаты наземного пункта. Боковые грани 2,3,4 уголкового отражателя 1, как правило, выполняются с металлическим покрытием из алюминия или серебра. Если все двугранные углы при этом не имеют отклонений от 90°, то распределение интенсивности отраженного света в дальней зоне представляет собой дифракционную картину Эйри с угловой шириной центрального максимума между первыми нулями 2γ≈2,44λ/D, где D - диаметр апертуры УО.

Специфика применения УО в системах спутниковой дальнометрии заключается в том, что отраженный лазерный луч отклоняется от направления на передатчик вследствие так называемого явления скоростной аберрации, причем величина угла отклонения составляет 2 u/с, где u - тангенциальная составляющая скорости движения спутника, а с - скорость света. Это отклонение зависит от высоты орбиты спутника и может достигать при небольших высотах примерно 10 угловых секунд, что означает смещение центра светового пятна на поверхности Земли на десятки-сотни метров от передатчика. Следовательно, для работы дальномерной системы необходимо, чтобы энергия отраженного лазерного пучка была сосредоточена не на оптической оси, а на его периферии.

Уголковый отражатель выполнен из кварца.

Геометрические размеры: каждая грань представляет собой треугольник со сторонами 24 мм, при этом углы граней срезаны для удобства закрепления.

Источники информации

1. Патент РФ на изобретение №2020668, М. кл. H01Q 15/18, опубл. 30.09.1994.

2. Патент РФ на изобретение №2101740, М. кл. H01Q 15/18, опубл. 30.09.1994.

3. Патент РФ на полезную модель №84141, МПК G02B 5/122, опубл. 27.06.2009.