Частотный способ измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой
FREQUENCY METHOD FOR RANGE MEASUREMENT WITH THE MEASUREMENT OF THE BEAT FREQUENCY BY A HOLOGRAPHIC MEASURING SYSTEM

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в аппаратуре измерения дальности до объекта локации.
Известен импульсный способ измерения дальности [1 - Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1983. - 536 с., ил., с. 15-20], заключающийся в формировании радиоимпульса, излучении его в направлении цели, приеме отраженного целью радиоимпульса, измерении времени задержки между излученным в направлении цели и принятым от цели радиоимпульсами и вычислении расстояния до цели на основе величины этого времени задержки.
Основными недостатками способа являются:
- необходимость больших импульсных мощностей передатчика;
- невозможность измерения малых дальностей;
- сложность обнаружения движущихся целей на фоне отражений от неподвижных объектов;
- неоднозначность измерения радиальной скорости цели допплеровским методом в случае необходимости ее измерения;
- ограниченная потенциальная разрешающая способность по дальности.
Известен фазовый способ измерения дальности до цели [1, с. 108-111], заключающийся в формировании высокочастотного гармонического сигнала и излучении его в направлении цели, приеме отраженного целью радиосигнала, измерении разности фаз излученного и принятого сигналов и вычислении дальности до цели на основе полученного значения разности фаз.
Основными недостатками способа являются:
- неоднозначность отсчета из-за повторения фазы через период;
- необходимость иметь устройства, исключающие неоднозначность фазы;
- фазовый сдвиг отраженного от цели радиосигнала, в зависимости от дальности до цели, может меняться циклично, что затрудняет процесс измерения расстояния;
- однозначный диапазон измерения дальности ограничен половиной длины волны используемого радиосигнала;
- необходимость использования на практике сложных схем, в которых присутствуют две и больше частот;
- не обеспечивается раздельное наблюдение двух и более целей;
- необходимость использования двух антенн (для излучения и приема).
Наиболее близким к предлагаемому частотному способу измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой является известный частотный способ измерения дальности до цели [1, с. 111-125], взятый за прототип, заключающийся в том, что формируют радиосигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), частота которого изменяется по пилообразному закону, излучают сформированный радиосигнал в направлении цели, принимают отраженный целью радиосигнал, измеряют частоту отраженного целью радиосигнала, формируют сигнал на частоте биений, равной разности между частотой радиосигнала, излучаемого в данный момент времени, и частотой радиосигнала в момент времени, предшествующий настоящему на время задержки, с помощью набора полосовых фильтров проводят спектральный анализ сформированного сигнала на частоте биений, определяют значение частоты биений и, на основе значения частоты биений, принимают решение о дальности до цели.
Основными недостатками способа являются:
- необходимость наличия двух антенн;
- высокие требования к линейности сигнала ЛЧМ;
- для измерения частоты биений необходимо использовать значительное число полосовых фильтров, полоса пропускания которых ограничивает точность измерения этой частоты и, соответственно, разрешающую способность и точность частотного дальномера по дальности;
- необходимость учета частотного сдвига за счет эффекта Доплера;
- минимальная измеряемая дальность ограничена значением частоты модуляции;
- зависимость разрешающей способности и точности частотного дальномера по дальности от девиации частоты зондирующего радиосигнала и разрешающей способности анализатора спектра.
Технической проблемой является недостаточная точность и разрешающая способность по дальности частотного способа измерения дальности.
Для решения указанной технической проблемы предлагается частотный способ измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой, заключающийся в том, что формируют радиосигнал с линейной частотной модуляцией, частота которого изменяется по пилообразному закону, излучают сформированный радиосигнал в направлении цели, принимают отраженный целью радиосигнал, измеряют частоту отраженного целью радиосигнала, формируют сигнал на частоте биений, равной разности между частотой радиосигнала, излучаемого в данный момент времени, и частотой радиосигнала в момент времени, предшествующий настоящему на время задержки, на основе измеренного значения частоты биений принимают решение о дальности до цели.
Согласно изобретению, определение значения частоты биений осуществляют с помощью голографической измерительной системы на основе голографического интерферометра, состоящего из отражательно-пропускающей голограммы и плоского зеркала, размещенного непосредственно за этой голограммой и под малым углом к ней и реализующего пространственно-спектральный метод голографической интерферометрии [2 - Прыгунов А.Г., Сизов В.П., Безуглов Д.А. Метод определения перемещений объектов на основе анализа волновых фронтов оптического поля с использованием эталонных голограмм. // Оптика атмосферы и океана, 8, №6, 1995. - с. 826-830]; [3 - Безуглов Д.А., Прыгунов А.Г., Трепачев В.В. Анализ дифракции света на эталонной голограмме при измерении перемещений объектов пространственно-спектральным методом // Автометрия СО РАН. 1998. №5. С. 21-28.]. Формируют когерентный световой поток со сферическим волновым фронтом и направляют его на отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра [2]. Этот когерентный световой поток частично дифрагирует от отражательно-пропускающей голограммы голографического интерферометра, а частично проходит через отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра и отражается его плоским зеркалом. Электрическим сигналом, пропорциональным сформированному сигналу на частоте биений, осуществляют модуляцию фазы или кривизны волнового фронта сфокусированного когерентного светового потока со сферическим волновым фронтом или осуществляют модуляцию сигналом на частоте биений части голографического когерентного светового потока, прошедшей через отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра и отражаемой плоским зеркалом голографического интерферометра. Когерентный световой поток, отраженный плоским зеркалом голографического интерферометра, направляют на отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра, через которую он повторно частично проходит, но в обратном направлении. Используя когерентный световой поток со сферическим волновым фронтом, падающий на отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра и частично дифрагировавший от этой голограммы и когерентный световой поток, прошедший через отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра насквозь, отраженный плоским зеркалом голографического интерферометра и частично повторно прошедший через отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра, но в обратном направлении, формируют интерферограмму. Анализируют пространственно-спектральное распределение интенсивности оптического поля в плоскости сформированной интерферограммы, изменяющееся в соответствии с изменениями электрического сигнала на частоте биений, модулирующего фазу или кривизну волнового фронта одного из двух интерферирующих световых потоков. По результатам анализа параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в сформированной интерферограмме определяют значение частоты биений.
Пространственно-спектральное распределение интенсивности оптического поля в области интерферограммы, сформированной голографическим интерферометром голографической измерительной системы, однозначно определяется разностью фаз интерферирующих световых потоков. Для модуляции фазы или кривизны волнового фронта того или иного из двух интерферирующих световых потоков используют либо модуляторы на основе электрооптического эффекта [4 - Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. М., «Сов. радио», 1977, 336 с, с. 49-52], либо на основе акустооптического эффекта [5 - Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. М., «Сов. радио», 1978, 112 с., с. 31-39], либо модуляторы, изменяющие оптический путь светового потока, отражаемого плоским зеркалом голографического интерферометра, нанесенным на торцевую поверхность пьезоэлемента, которая перемещается в результате пьезоэффекта при воздействии на пьезоэлемент модулирующего электрического сигнала на частоте биений [6 - Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с: ил., с 7-12]. При использовании модуляторов на основе электрооптического либо акустооптического эффектов под воздействием электрического напряжения, подаваемого на управляющие электроды соответствующих модуляторов, осуществляют перемещение в пространстве фазового центра светового потока, падающего на объемную голограмму со стороны источника оптического излучения (лазера). При использовании модулятора на основе пьезоэффекта осуществляют перемещение в пространстве плоского зеркала голографического интерферометра [2], что также приводит к перемещению в пространстве фазового центра светового потока, отражаемого этим плоским зеркалом. В качестве отражательно-пропускающей голограммы голографического интерферометра используют объемную голограмму точечного источника света, экспонированную в линейном режиме во встречных световых пучках [2]. Голографический интерферометр с отражательно-пропускающей голограммой формирует интерферограмму в виде интерференционных полос кольцевой формы [7 - Прыгунов А.Г., Синютин С.А., Прыгунов А.А., Синютин Е.С. Анализ формы страт в эмульсии голограммы и вида изображения, реконструированного фурье-голограммой // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 9, NO. 12, DECEMBER 2014, P. 2603-2607]. Колебания амплитуды электрического сигнала с частотой биений, модулирующего световой поток, участвующий в формировании интерферограммы, вызывают соответствующее каждому значению амплитуды этого сигнала однозначное изменение пространственного положения фазового центра модулируемого светового потока относительно плоскости отражательно-пропускающей голограммы голографического интерферометра. При этом при удалении фазового центра источника модулируемого светового потока от отражательно-пропускающей голограммы голографического интерферометра, интерференционные полосы кольцевой формы разбегаются от центра интерферограммы, а при приближении к этой голограмме - сбегаются к центру интерферограммы [2]; [8 - Звездина М.Ю., Прыгунов А.Г., ШоковаЮ.А., Прыгунов А.А. Анализ распределения интенсивности оптического поля в эмульсии отражательной фурье-голограммы // Сборник научных трудов XII Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития инновационной деятельности в новом тысячелетии», 13-14 февраля 2015 г., Новосибирск, Россия]. Период смены направления движения интерференционных полос в точности равен периоду колебаний электрического сигнала на частоте биений, что позволяет с точностью не хуже, чем до полупериода колебаний измерять частоту биений и, таким образом, обеспечить высокую точность измерения дальности до цели и высокую разрешающую способность по дальности.
Проведенный сравнительный анализ выявил следующие отличия заявленного способа от способа-прототипа:
1) способ характеризуется наличием дополнительных действий над материальным объектом:
- формированием когерентного светового потока со сферическим волновым фронтом;
- направлением когерентного светового потока со сферическим волновым фронтом на отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра;
- использованием оптического модулятора на основе либо электрооптического, либо акустооптического, либо пьезоэффекта;
- подачей электрического сигнала с частотой биений на электроды оптического модулятора;
- анализом параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром;
2) изменена совокупность действий над материальным объектом:
- электрический сигнал с частотой биений подается не на входы набора полосовых фильтров, а на электроды оптического модулятора;
- отсутствует набор полосовых фильтров, рассчитанных на различные значения частоты биений;
- дополнительно формируется когерентный световой поток со сферическим волновым фронтом, который направляют в плоскость отражательно-пропускающей голограммы голографического интерферометра;
- проводится анализ параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром, реализующим пространственно-спектральный метод голографической интерферометрии.
Технический результат заключается в повышении точности и разрешающей способности измерения дальности объекта локации.
При реализации способа выполняется следующая последовательность действий:
1. Формируют радиосигнал ЛЧМ, частота которого изменяется по пилообразному закону.
2. Излучают сформированный радиосигнал в направлении цели.
3. Принимают отраженный целью радиосигнал.
4. Измеряют частоту отраженного целью радиосигнала.
5. Формируют сигнал на частоте биений, равной разности между частотой радиосигнала, излучаемого в данный момент времени, и частотой радиосигнала в момент времени, предшествующий настоящему на время задержки.
6. Проводят спектральный анализ сформированного сигнала на частоте биений по параметрам пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в формируемой интерферограмме, для чего:
6.1. Формируют когерентный световой поток со сферическим волновым фронтом и направляют его на отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра.
6.2. Электрическим сигналом, пропорциональным сформированному сигналу на частоте биений, осуществляют модуляцию фазы или кривизны волнового фронта сфокусированного когерентного светового потока со сферическим волновым фронтом или осуществляют модуляцию сигналом на частоте биений части этого когерентного светового потока, прошедшей через отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра и отражаемой плоским зеркалом голографического интерферометра.
6.3. Когерентный световой поток, отраженный плоским зеркалом голографического интерферометра, направляют на отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра, через которую он повторно частично проходит, но в обратном направлении.
6.4. Используя когерентный световой поток со сферическим волновым фронтом, падающий на отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра и частично дифрагировавший от этой голограммы и когерентный световой поток, прошедший через отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра насквозь, отраженный плоским зеркалом голографического интерферометра и частично повторно прошедший через отражательно-пропускающую голограмму голографического интерферометра, но в обратном направлении, формируют интерферограмму.
6.5. Анализируют пространственно-спектральное распределение интенсивности оптического поля в сформированной интерферограмме.
6.6. По результатам анализа параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости сформированной интерферограммы определяют значение частоты биений.
7. На основе измеренного значения частоты биений принимают решение о дальности до цели.
Для сравнения в таблице 1 представлены последовательности и совокупности действий при реализации способа, взятого за прототип, и способа, предлагаемого для патентования. Анализ содержания таблицы 1 позволяет сделать вывод о существенных отличиях предлагаемого частотного способа измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой от частотного способа измерения дальности, взятого за прототип.
На фигуре 1 представлен один из вариантов структурной схемы устройства, позволяющий реализовать предложенный частотный способ измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой.
На фигуре 2 показан вид интерференционных полос формируемой интерферограммы для различных разностей фаз Аф интерферирующих световых потоков: а) Δϕ=0°; б) Δϕ=45°; в) Δϕ=90°; г) Δϕ=135°; д) Δϕ=150°; е) Δϕ=180°.
На фигуре 1 использованы следующие обозначения:
1 - лазер;
2 - коллиматор с регулируемым фокусным расстоянием;
3 - плоское поворотное зеркало;
4 - отражательно-пропускающая голограмма;
5 - плоское зеркало;
6 - тонкопленочный многослойный пьезоэлектрический актюатор;
7 - электроды тонкопленочного многослойного пьезоэлектрического актюатора;
8 - фотоприемное устройство;
9 - пороговое устройство;
10-10' - линия передачи цифрового двоичного кода;
11 - устройство обработки и анализа сигналов;
12 - оконечное устройство;
О - точка фокусировки светового потока;
α - угол между отражательно-пропускающей голограммой 4 и плоским зеркалом 5;
б
U - напряжение электрического сигнала на частоте биений.
Лазер 1, коллиматор с регулируемым фокусным расстоянием 2, плоское поворотное зеркало 3, отражательно-пропускающая голограмма 4 и фотоприемное устройство 8 связаны оптически. Линиями со стрелками и без обозначений показаны лучи световых потоков между оптически связанными элементами схемы измерителя частоты биений голографической измерительной системой. Фотоприемное устройство 8, пороговое устройство 9, устройство обработки и анализа сигналов 11 и оконечное устройство 12 связаны электрически.
б
б
б
Структурная схема устройства, представленная на фигуре 1, работает следующим образом. Световой поток, формируемый лазером 1, направляется на коллиматор с регулируемым фокусным расстоянием 2. В коллиматоре с регулируемым фокусным расстоянием 2 световой поток от лазера 1, падающий на его вход, изменяется по диаметру, коллимируется и фокусируется. На выходе коллиматора с регулируемым фокусным расстоянием 2 формируется световой поток требуемого диаметра, фокусирующийся в точке фокусировки светового потока О. Сфокусированный световой поток из точки фокусировки светового потока О направляют на плоское поворотное зеркало 3. Плоское поворотное зеркало 3 направляет падающий на него световой поток на отражательно-пропускающую голограмму 4. Световой поток, падающий от плоского поворотного зеркала 3 на отражательно-пропускающую голограмму 4, частично дифрагирует от нее, а частично проходит насквозь через эту голограмму, отражается плоским зеркалом 5 и частично повторно проходит через отражательно-пропускающую голограмму 4, но в обратном направлении. Световой поток, дифрагировавший от отражательно-пропускающей голограммы 4, и световой поток, отраженный плоским зеркалом 5 и повторно прошедший насквозь через отражательно-пропускающую голограмму 4, но в обратном направлении, направляют в плоскость фотоприемного устройства 8, на которой формируют интерференционную картину в виде светлых и темных полос света эллиптической формы с малым эксцентриситетом эллипсов. Параметры пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля на входной плоскости фотоприемного устройства 8 зависят от оптической разности хода интерферирующих световых потоков. Эта оптическая разность хода зависит (фигура 1) от параметров оптического поля, экспонированного на отражательно-пропускающей голограмме 4, от расстояния и угла α между отражательно-пропускающей голограммой 4 и плоским зеркалом 5, от кривизны волнового фронта интерферирующих световых потоков и углов их падения на отражательно-пропускающую голограмму 4. К контактам электродов тонкопленочного многослойного пьезоэлектрического актюатора 7 подводится усиленное напряжение электрического сигнала на частоте биений U, вырабатываемый приемным устройством радиолокатора. Для повышения чувствительности оптической схемы устройства, диапазон измеряемых частот биений подбирается таким образом, чтобы частота сигнала биений совпадала или была близка к рабочему диапазону частот тонкопленочного многослойного пьезоэлектрического актюатора 6. В зависимости от величины и полярности напряжения электрического сигнала на частоте биений U, подаваемого на электроды тонкопленочного многослойного пьезоэлектрического актюатора 7, торцевая грань тонкопленочного многослойного пьезоэлектрического актюатора 6, с напыленным на нее плоским зеркалом 5, перемещается вдоль продольной оси симметрии тонкопленочного многослойного пьезоэлектрического актюатора 6. Перемещение плоского зеркала 5 вызывает изменение оптической разности хода лучей световых потоков, интерферирующих в плоскости фотоприемного устройства 8. Это приводит к изменению параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости интерференции (фигура 2). Параметры пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости интерферограммы, формируемой в плоскости фотоприемного устройства 8, будут однозначно соответствовать пространственному положению плоского зеркала 5 относительно плоскости отражательно-пропускающей голограммы 4 и будут периодически повторяться. Период смены направления перемещения интерференционных полос в плоскости интерферограммы относительно ее центра (к центру или от центра интерферограммы) будет равен половине периода напряжения электрического сигнала на частоте биений U. Каждый отдельный фотоприемник фотоприемного устройства 8 формирует на своем выходе электрические сигналы, пропорциональные интенсивности светового потока на его фоточувствительной площадке. Выход каждого отдельного фотоприемника фотоприемного устройства 8 электрически соединен с соответствующим этому фотоприемнику входом порогового элемента порогового устройства 9. В соответствии с пороговым значением, установленным на каждом отдельном фотоприемнике, на выходах пороговых элементов порогового устройства 9 формируются электрические сигналы, соответствующие «единицам» и «нулям» цифрового двоичного кода, которые, через линию передачи цифрового двоичного кода 10-10', подаются на входы устройства обработки и анализа сигналов 11. На основе анализа комбинаций цифрового двоичного кода, поступающих на его входы, устройство обработки и анализа сигналов 11 определяет численное значение частоты биений и расстояние до цели. С выхода устройства обработки и анализа сигналов 11 выходной сигнал в виде измеренного значения дальности до цели подается на вход оконечного устройства 12. В качестве оконечного устройства 12 могут быть использованы устройства индикации дальности до объекта.
Анализ предлагаемого частотного способа измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой позволяет сделать следующие выводы:
1. Точность и разрешающая способность по дальности для частотного способа измерения дальности до цели определяются точностью задания частот девиации и модуляции и точностью измерения частоты биений [1, с. 112]. При этом дальность до цели для частотного способа ее измерения прямо пропорциональна частоте биений. Таким образом, точность измерения частоты биений решающим образом определяет точность и разрешающую способность радиолокационной станции (РЛС) по дальности. Использование способа измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой позволяет с точностью до тысячных и менее долей периода колебаний сигнала на частоте биений, измерять период этого сигнала на этой частоте и, следовательно, с высокой точностью определять значение частоты биений [9 - Прыгунов А.А. Некоторые особенности практического использования пространственно-спектрального метода голографической интерферометрии. // Системный анализ, управление и обработка информации. Труды 3-го Международного семинара / Под общ. ред. Р.А. Нейдорфа. - Ростов-н/Д: Изд. центр Доне. гос. тех. ун-та, 2012 г. - с. 121-134]; [10 - Прыгунов А.Г., Прыгунов А.А., Трепачев В.В., Трепачева А.В. Увеличение плотности энергии информационного поля оптического интерферометра дифракционным голографическим методом. // Современные проблемы радиоэлектроники. / Материалы четвертой научной международной конференции. Ростов-на-Дону: РИО РТИСТ ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2012 г. - с. 178-181]; [11 - Прыгунов А.Г. Выбор параметров конструкции оптических голографических преобразователей оптических систем обработки информации. // Применение инноваций при разработке радиотехнических систем / Коллективная монография под общ. ред. М.Ю. Звездиной. М: Изд. Дом Академии Естествознания, 2015. с. 106-126]. Для повышения чувствительности голографической измерительной системы величину перемещений фазовых центров световых потоков, формирующих голографическую интерферограмму, можно увеличить путем повышения амплитуды модулирующего электрического сигнала с частотой биений, подаваемого на электроды оптического модулятора, или многократным переотражением оптического сигнала внутри кристаллического волновода (для модуляторов на основе электрооптического или акустооптического эффектов). Для модуляторов на основе пьезоэффекта чувствительность голографической измерительной системы может быть увеличена путем использования оптического модулятора на основе использования тонкопленочного многослойного пьезоэлектрического актюатора из чередующихся тонких слоев пьезокерамики с напыленным на его торцевую грань плоским зеркалом голографического интерферометра [12 - Бобцов А.А., Бойков В.И., Быстрое С.В., Григорьев В.В. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений. - СПБ ГУ ИТМО, 2011. - 131 с., с. 46-49]; [4]. Пьезоэлектрический актюатор такого типа обеспечивает повышенную амплитуду управляемых перемещений напыляемого на его торцевую грань плоского зеркала голографического интерферометра [2]. Таким образом, частотный способ измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой обеспечивает возможность точного измерения значения частоты биений и, следовательно, повышения точности и разрешающей способности измерений РЛС по дальности.
2. При использовании оптического модулятора, основанного на пьезоэффекте, частотный способ измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой обеспечивает снижение влияния фоновых шумов и импульсных помех на работу РЛС, что также повышает точность и разрешающую способность измерений РЛС по дальности. Это обеспечивается тем, что рабочий диапазон частот колебаний торцевой поверхности тонкопленочного многослойного пьезоэлектрического актюатора в оптическом модуляторе может выбираться с учетом возможного диапазона измеряемых частот биений, что ограничивает уровень помеховых сигналов, частоты которых лежат за пределами диапазона рабочих частот этого актюатора, используемого в оптическом модуляторе. Использование в качестве информативных параметров диапазона и скорости перемещений максимумов интерференционных полос различных порядков, формируемой интерферограммы, позволяет снизить влияние фоновых шумов на работу РЛС, по сравнению с известными способами измерения дальности до цели.
3. Сочетания отличительных признаков и свойства предлагаемого способа из доступной литературы не известны. Впервые предложено измерять частоту биений в частотном способе измерения дальности путем использования голографической измерительной системы на основе голографического интерферометра, реализующего пространственно-спектральный метод голографической интерферометрии, что отвечает критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
В качестве коллиматора с регулируемым фокусным расстоянием 2 может быть использован коллиматор с регулируемым фокусным расстоянием фирмы THORLABS марки С40АРС-С. Плоское поворотное зеркало 3 представляет собой зеркало без защитного внешнего покрытия, выполненное напылением отражающего слоя на поверхность стекла. Отражательно-пропускающая голограмма 4 экспонирована на высокоразрешающей голографической фотопластинке во встречных световых пучках в линейном режиме. Плоское зеркало 5 нанесено методом напыления на торцевую грань тонкопленочного многослойного пьезоэлектрического актюатора 6 и выполнено без защитного покрытия. В качестве фотоприемного устройства 8 могут быть использованы линейка или матрица фоточувствительных элементов. В качестве порогового устройства 9 могут быть использованы линейки или матрицы пороговых элементов в интегральном исполнении (например, триггеров Шмитта) или другие типы пороговых устройств. Выход каждого фоточувствительного элемента фотоприемного устройства 8 электрически соединен со входом соответствующего ему порогового элемента порогового устройства 9. В качестве устройства обработки и анализа сигналов 11 могут быть использованы либо микроконтроллер (например, шестнадцати битный микроконтроллер MSP430F163), либо устройство обработки сигнала, выполненное на основе отдельных электронных элементов.
Для оптической схемы устройства, представленного на фигуре 1, необходимо учитывать следующее:
- при увеличении кривизны волнового фронта светового потока, падающего на отражательно-пропускающую голограмму 4 (фазовый центр источника светового потока приближается к плоскости этой голограммы), интерференционные полосы на интерферограмме сбегаются к ее центру;
- при уменьшении кривизны волнового фронта светового потока, падающего на отражательно-пропускающую голограмму 4 (фазовый центр источника светового потока удаляется от плоскости голограммы), интерференционные полосы на интерферограмме разбегаются от ее центра;
- при полном совпадении кривизны волнового фронта светового потока, падающего на отражательно-пропускающую голограмму 4, с кривизной волнового фронта светового потока, экспонированного на этой голограмме, в плоскости интерференции будет наблюдаться сплошная засветка (реально это условие получить практически невозможно, и оно может не учитываться).
Расчеты и результаты натурного эксперимента показывают, что ширина интерференционных полос, формируемых в плоскости фотоприемного устройства 8, при размерах оптической части схемы измерителя дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой (фигура 1) от 5 см до 20 см и углах, 0°<α<3° может изменяться от микрометров до сантиметров и более. Для обеспечения точности измерения параметров интерферограммы размеры элементов оптической схемы, представленной на фигуре 1, и угол а между отражательно-пропускающей голограммой 4 и плоским зеркалом 5 выбираются такими, чтобы параметры интерферограммы без технических сложностей измерялись фотоприемными устройствами, выпускаемыми современной промышленностью.
б
б
Помимо анализа вида кодовых комбинаций цифрового двоичного кода, поступающих на вход устройства обработки и анализа сигналов 11 (фигура 1), оно также осуществляет их сравнение с эталонными комбинациями цифрового двоичного кода, хранящимися в запоминающем устройстве устройства обработки и анализа сигналов 11, измеряет интервал времени между поступлением одинаковых кодовых комбинаций, соответствующий периоду колебаний напряжения электрического сигнала на частоте биений U, а также интервал времени между сменой направления перемещения интерференционных полос относительно центра интерферограммы, соответствующий половине периода колебаний напряжения электрического сигнала на частоте биений U. Это позволяет с высокой точностью определять численное значение частоты биений.
Таким образом, разработанный частотный способ измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой обеспечивает высокое качество измерений, обусловленное:
а) высокой точностью измерения частоты биений;
б) возможностью снижения влияния фоновых шумов и импульсных помех на работу РЛС, по сравнению с известными способами измерения дальности до цели;
в) применением заранее экспонированной отражательно-пропускающей голограммы с известным амплитудно-фазовым распределением оптического поля при ее экспонировании;
г) применением пространственно-спектрального метода голографической интерферометрии, обеспечивающего высокую точность и чувствительность измерения перемещений плоского зеркала, нанесенного на торцевую грань тонкопленочного многослойного пьезоэлектрического актюатора;
д) простотой технической реализации устройства, его малыми габаритами и энергопотреблением;
е) возможностью съема параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля на интерферограмме непосредственно в цифровой форме представления.
Проведенные исследования показали осуществимость заявленного частотного способа измерения дальности с измерением частоты биений голографической измерительной системой и подтвердили его практическую значимость. Положительным эффектом является повышение точности и разрешающей способности по дальности частотного способа измерения дальности.
Устройства, реализующие предлагаемый способ измерения частоты биений, могут быть технически реализованы на современной элементной базе, что отвечает критерию «промышленная применимость».