УСТРОЙСТВО ПЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно к устройствам обнаружения факта и определения направления на источник лазерного облучения и его типа (импульсный, частотный, непрерывный). Изобретение может быть использовано как одна из систем защиты объекта от комплексов управляемого вооружения, имеющих в составе лазерный целеуказатель или дальномер.
Известно устройство обнаружения лазерного облучения [1], содержащее приемный объектив, оптически сопряженный световодом с фотоприемником, и блок обработки сигналов, причем приемный объектив дисторзирующего типа, выполненный из термостойких материалов, снабжен входным оптическим компонентом в виде плоской пластины из сапфира. Недостатком известного устройства является невозможность обеспечить угол обзора пространства не менее полусферы, поскольку входной оптический компонент объектива является плоской пластиной.
Известно устройство определения угловых координат источника импульсного лазерного излучения [2], содержащее блок управления, фотоприемное устройство на основе фотодиода и два сверхширокоугольных объектива, в фокальной плоскости которых расположены, соответственно, две светочувствительные матрицы, при этом блок управления обеспечивает поочередное накопление сигнала светочувствительными матрицами и определение угловых координат импульсного лазерного источника излучения и времени появления сигналов на выходе фотоприемного устройства. Недостатком известного устройства является невозможность определения частоты прихода импульсов лазерного излучения, превышающей кадровую частоту светочувствительных матриц (как правило, 60-100 Гц).
Известно устройство пеленгации точечного источника оптического излучения [3], содержащее оптическую систему, n кодирующих масок и фотоприемников системы двоичного кода Грея, отличающееся в частности тем, что оптическая система выполнена из n независимых идентичных оптических каналов, каждый из которых содержит широкоугольный объектив, при этом кодирующие маски двоичного кода Грея выполнены на единой плоскопараллельной пластинке, на плоской поверхности которой нанесены указанные кодирующие маски и фотоприемники, и совмещены с фокусами широкоугольных объективов, причем профили штрихов кодирующих масок двоичного кода Грея выполнены с коррекцией дисторсии этих объективов.
Недостаток известного устройства состоит в том, что определение положения источника лазерного излучения возможно лишь по одной угловой координате в направлении, вдоль которого изменяется ширина штрихов кодирующих масок двоичного кода Грея.
Для увеличения угла обзора пространства используют многоракурсные устройства обнаружения лазерного облучения, содержащие множество идентичных оптико-электронных блоков, каждый из которых содержит объектив, причем оптические оси всех объективов развернуты в пространстве, и поля зрения соседних оптико-электронных блоков перекрываются. Например, в известном устройстве определения направления прихода импульсного лазерного излучения [4] в фокальной плоскости каждого объектива расположены входные торцы двух световолокон, причем одно из волокон является опорным и имеет длину, постоянную для каждой пары волокон, а длина второго для каждой пары волокон различна. На выходных торцах группы опорных волокон и группы волокон с переменной длиной установлены фотоприемники и последовательно соединенные блоки колебательных контуров, блоки усилителей и блоки пороговой обработки. Выход блока пороговой обработки группы опорных волокон соединен с первым входом блока аналого-цифрового преобразования (АЦП), выход блока пороговой обработки группы волокон с переменной длиной соединен со вторым входом блока АЦП. Выход блока АЦП соединен с блоком счетчиков осуществляющим измерение временного интервала между приходом импульса на первый вход блока АЦП и приходом импульса на второй вход блока АЦП. Выход блока счетчиков соединен с вычислительным блоком. Блок счетчиков тактируется генератором частоты. Вычислительный блок определяет направление на источник лазерного излучения по величине измеренного временного интервала и формирует порог для блоков пороговой обработки.
Известное устройство является прототипом предлагаемой полезной модели. Недостаток известного устройства состоит в том, что количество возможных определяемых положений источника лазерного излучения равно количеству объективов, что делает устройство громоздким в случае требования высокой точности определения направления на источник излучения.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание устройства, обеспечивающего обнаружение факта лазерного облучения в пределах угла обзора пространства не менее полусферы, определение двух угловых координат источника излучения с точностью не хуже 1° в пределах угла обзора пространства не менее полусферы, определение длительности отдельного импульса величины не менее 5 не и частоты следования импульсов величины не более 100 кГц в пределах угла обзора пространства не менее полусферы.
Поставленная задача решается тем, что N идентичных оптико-электронных блоков соединены с вычислительным блоком, в каждый оптико-электронный блок дополнительно введены многоэлементное фотоприемное устройство (МФПУ), блок суммирования и блок суммо-разностной обработки, причем многоэлементное фотоприемное устройство расположено в предфокальной или зафокальной плоскости объектива и последовательно соединено с блоком усилителей, блоком аналого-цифрового преобразования (АЦП), блоком суммирования, блоком пороговой обработки и блоком счетчиков, блок суммо-разностной обработки соединен с выходом блока аналого-цифрового преобразования.
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
Структурная схема устройства представлена на фиг. 1. Предлагаемое устройство содержит N идентичных оптико-электронных блоков (ОЭБ), вычислительный блок, генератор частоты (ГЧ). Каждый оптико-электронный блок имеет 4 выхода x, y, τ, λ, k=1, …, N, и 2 входа F, T. Выходы x, y, τ, λ, соединены с вычислительным блоком. Вычислительный блок имеет 5 выходов φ, θ, τ, λ, T, а также 4N входов x, y, τ, λ, k=1, …, N. Выход T вычислительного блока соединен со входом Τ каждого оптико-электронного блока. Выход F генератора частоты соединен со входом F каждого оптико-электронного блока.
k
k
k
k
На фиг. 2 представлена структурная схема оптико-электронного блока устройства. Оптико-электронный блок содержит последовательно соединенные объектив 1, МФПУ 2, блок усилителей 3, блок АЦП 4, блок суммирования 5, блок пороговой обработки 6, блок счетчиков 7, а также блок суммо-разностной обработки 8, соединенный с выходом блока АЦП. Выходы блока счетчиков являются выходами τ, λ оптико-электронного блока. Выходы блока суммо-разностной обработки являются выходами x, y оптико-электронного блока. Блок АЦП и блок счетчиков имеют также вход F, являющийся входом оптико-электронного блока. Блок пороговой обработки имеет также вход T, являющийся входом оптико-электронного блока.
Количество N оптико-электронных блоков необходимое для покрытия угла обзора пространства не менее полусферы определяется величиной углового поля зрения МФПУ, формируемого объективом оптико-электронного блока, и величиной перекрытия полей зрения МФПУ соседних оптико-электронных блоков. Например, можно использовать 24 оптико-электронных блока с угловым полем зрения каждого МФПУ около 50°. На фиг. 3 представлено возможное расположение оптических осей шести оптико-электронных блоков одного квадранта. Оптические оси определяются угловыми координатами (φ, θ) точек A (45°, 75°), B (22,5°, 45°), C (67,5°,4 5°), D (15°, 15°), E (45°, 15°), F (75°, 15°).
i
k
k
k
k
k
k
Устройство работает следующим образом. Объектив 1 k-го оптико-электронного блока, k=1, …, N, формирует на чувствительной поверхности МФПУ 2 расфокусированное (поскольку МФПУ расположено в предфокальной или зафокальной плоскости объектива) изображение фоноцелевой обстановки в некотором угле поля зрения. При появлении в поле зрения источника излучения на каждом выходе МФПУ формируется импульс напряжения пропорциональный энергии излучения, приходящейся на соответствующий чувствительный элемент МФПУ. Импульсы, следующие с МФПУ, подвергаются усилению в блоке усилителей 3, после чего величины амплитуд импульсов оцифровываются в блоке АЦП 4. Блок АЦП тактируется внешней частотой F, формируемой генератором частоты ГЧ. Оцифрованные величины ν амплитуд импульсов суммируются в блоке суммирования 5, полученная сумма  сравнивается с порогом T, формируемым вычислительным блоком, в блоке пороговой обработки 6. Если , то блок пороговой обработки формирует на выходе высокий логический уровень, если , то блок пороговой обработки формирует на выходе низкий логический уровень. В блоке счетчиков 7 на основе внешней тактирующей частоты F, формируемой генератором частоты ГЧ, определяются длительности временных интервалов с высоким или низким логическим уровнем на входе. Затем в блоке счетчиков подсчитывается длительность τ и частота следования λ временных интервалов с высоким логическим уровнем на входе, т.е. длительность и частота следования импульсов излучения в пределах поля зрения МФПУ k-го оптико-электронного блока. В блоке суммо-разностной обработки 8 вычисляются смещения x, y пятна расфокусированного изображения источника излучения относительно центра МФПУ. Например, для квадрантного МФПУ расчет смещений x, y ведется по формулам:
k
1
2
3
4
1
2
3
4
x=(ν-ν-ν+ν)/(ν+ν+ν+ν),
k
1
2
3
4
1
2
3
4
x=(ν+ν-ν-ν)/(ν+ν+ν+ν).
k
k
k
k
-2
Из данных формул видно, что для определения смещений x, y необходимо чтобы все ν, были ненулевыми, т.е. чтобы пятно изображения захватывало все чувствительные элементы МФПУ. Это значит, что диаметр пятна расфокусированного изображения должен быть не менее поперечника элемента МФПУ, но не более поперечника всего МФПУ (см. фиг. 4, где показано пятно изображения на квадрантном МФПУ). Также из формул следует, что точность определения смещений x, y пятна изображения источника излучения с амплитудой в половину рабочего диапазона АЦП имеет порядок D, где D - разрядность АЦП.
k
k
k
k
Набор величин x, y, τ, λ с каждого оптико-электронного блока, принявшего входное излучение, поступает в вычислительный блок. В вычислительном блоке формируется набор величин φ, θ, τ, λ следующим образом:
k
k
, , τ=τ, λ=λ,
a
k
k
k
k
где (, ) - угловые координаты оптической оси k-го оптико-электронного блока, , b - масштабные коэффициенты, (φ, θ) - угловые координаты источника излучения, τ - длительность импульсов излучения, λ - частота следования импульсов излучения. Величина порога T может корректироваться вычислительным блоком в зависимости от входных значений x, y, τ, λ.
Реализация предлагаемого устройства с использованием 24 оптико-электронных блоков с угловым полем зрения каждого МФПУ около 50° и расположением оптических осей, представленным на фиг. 3, решает поставленную задачу в части обнаружения факта лазерного облучения в пределах угла обзора пространства не менее полусферы.
Реализация предлагаемого устройства с использованием современных АЦП, выполняющих до 250 млн преобразований в секунду, и вычислителей с тактовой частотой до 1 ГГц решает поставленную задачу в части определения длительности отдельного импульса величины не менее 5 не и частоты следования импульсов величины не более 100 кГц в пределах угла обзора пространства не менее полусферы.
-10
Реализация предлагаемого устройства с использованием квадрантных МФПУ и 10-разрядных АЦП позволяет определять смещения пятна расфокусированного изображения источника излучения относительно центра МФПУ с точностью порядка 2, что решает поставленную задачу в части определения двух угловых координат источника излучения с точностью не хуже 1° в пределах угла обзора пространства не менее полусферы.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает обнаружение факта лазерного облучения в пределах угла обзора пространства не менее полусферы, определение двух угловых координат источника излучения с точностью не хуже 1° в пределах угла обзора пространства не менее полусферы, определение длительности отдельного импульса величины не менее 5 не и частоты следования импульсов величины не более 100 кГц в пределах угла обзора пространства не менее полусферы.
1. Устройство обнаружения лазерного облучения. RU 2334243 C1. G01S 3/783. 20.09.2008.
2. Устройство определения угловых координат источника импульсного лазерного излучения. RU 2352959 C1. G01S 17/06. 20.04.2009.
2. Устройство пеленгации точечного источника оптического излучения. RU 2390790 C2. G01S 3/78. 27.05.2010.
3. Detector System. CA 1293038 C. G01J 1/20. 10.12.1991.