Способ и устройство эмуляции атмосферной турбулентности для настройки и тестирования адаптивных оптических систем
METHOD AND APPARATUS FOR EMULATING ATMOSPHERIC TURBULENCE FOR CONFIGURING AND TESTING ADAPTIVE OPTICAL SYSTEMS

Изобретение относится к оптике, в частности, к устройствам для формирования структуры и управления отклонением оптических лучей и может быть использовано для задания углов наклона волнового фронта, эмуляции атмосферной турбулентности при создании, настройке и тестировании адаптивных оптических систем, применяемых в астрономии и системах видения в турбулентной атмосфере.
Известна оптическая система, формирующая искажения, которые испытывает изображение объекта в турбулентной среде, которая описана в методической работе [Исследование передачи изображения через турбулентную среду. С.В. Алипов, В.А. Безуглов, О.М. Штейнберг // Московский физико-технический институт (государственный университет). Москва. 2012. С. 6-9]. Система состоит из кюветы, заполненной дистиллированной водой. На дне кюветы расположен обогреватель и сверху находится холодильник, охлаждаемый проточной водой. Оптические стекла, закрывающие боковые окна кюветы, позволяют получать изображение через слой турбулентной жидкости. Осветитель формирует тестовый объект это тонкая светящаяся линия. После прохождения излучения через кювету, изображение тестового объекта формируется объективом на передней плоскости фотоприемника, где исследуется функция передачи модуляции турбулентной среды. В плоском слое воды между холодильником и нагревателем устанавливается режим турбулентной конвекции. Он определяется возникновением некоторой устойчивой структуры вихрей, размер которых случаен и подчиняется закону распределения Колмогорова-Обухова. Вихри малых размеров соответствуют наиболее сильным изменениям показателя преломления воды. Вихри больших размеров соответствуют наименее слабым изменениям показателя преломления воды. Их наличие приводит к значительным долговременным случайным искажениям изображения тестового объекта, что является существенным недостатком.
Недостатком данной системы является то, что устройство, формирующее искажения, которые влияют на изображение объекта в турбулентной среде, работает в динамическом режиме и формирующая искажения среда (вода) должна находиться в строго определенных температурных режимах с заданным градиентом температур. Система формирует случайные, т.е. не воспроизводимые, не повторяющиеся структуры, описываемые только общей закономерностью. Это усложняет настройку и тестирование проверяемых устройств. Кроме того переход к разным режимам турбулентности связан с тепловой инерционностью кюветы и длительным изменением температурного режима, что существенно.
В реальных условиях повторяемость параметров атмосферы на открытых трассах низкая. Для исследования характеристик адаптивных оптических систем (АОС) применялось математическое моделирование и открытые атмосферные трассы.
Прототипом предлагаемого изобретения служит наиболее близкий аналог, описанный в работе В.Ю. Венедиктов, Д.В. Венедиктов, А.В. Горелая и др. «Исследование распространения и адаптивно-оптической коррекции лазерного пучка на изолированной от внешнего воздействия атмосферной трассе». Оптика атмосферы и океана 29, №11 (2016). Для отработки методов адаптивно-оптической коррекции лазерного пучка разработан опытный стенд для исследования распространения лазерного излучения, который позволяет создавать возмущения атмосферы на пути следования лазерного пучка. Он состоит из лазерного источника, искусственной атмосферной трассы (ИАТ) и системы контроля качества луча. Искусственная атмосферная трасса (ИАТ), длиной 700 м, сформирована 15 плоскими зеркалами, зигзагообразно расположенными двумя рядами. Расстояние между рядами составляет 40 м. Трасса расположена внутри здания и изолирована от внешних атмосферных воздействий, что позволяло обеспечивать внутри стенда приемлемую воспроизводимость исходных атмосферных условий и решать задачи коррекции реальных искажений, Источники искусственной турбулентности (вентиляторы и нагреватели), расположенные по периметру площадки для испытаний и в основаниях держателей зеркал, обеспечивают турбулентность атмосферы над стендом на пути прохождения лазерного пучка.
Источником оптического излучения служит непрерывный неодимовый лазер, работающий на основной и на второй гармониках на длинах волн 1,06 и 0.53 мкм. Плоский волновой фронт лазерного пучка формируется с помощью диафрагмы, клина, сферического и плоского зеркал и подается на вход ИАТ. С выхода ИАТ луч попадает на диафрагму и оптический клин, который направляет его на приемную часть установки, которая состоит из адаптивной оптической системы и дополнительной системы контроля пучка, состоящей из компьютера регистрации изображения, позволяющей регистрировать распределение интенсивности для неискаженного пучка и пучка после прохождения атмосферы с турбулентностью.
Однако в реальных условиях, во время работы на искусственной атмосферной трассе отмечалось что, даже слабые источники тепла (например, тепловое излучение самих операторов, работающих на стенде) оказывают заметное и невоспроизводимое воздействие на искажения волнового фронта. Поэтому после работы источников искусственной турбулентности, смены режимов исследования, перенастройки и переюстировки оптической системы весь персонал удалялся, и требовалось весьма значительное время для релаксации атмосферы на стенде ИАТ. Также сложным является воспроизведения требуемой турбулентности при значительных при больших размерах стенда.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание способа и стенда, позволяющего эмулировать распространение оптического излучения через турбулентную атмосферу, генерировать оптический пучок с турбулентными искажениями различного типа, с возможностью программного управления параметрами оптического пучка, углом наклона волнового фронта и локальными наклонами в широком динамическом диапазоне, с целью отработки алгоритмов адаптивной коррекции, исследования и тестирования элементов оптических систем, с возможностью моделирования и многократного воспроизведения заданных условий распространения излучения.
Задачи заявляемого изобретения:
- создание способа для формирования оптического пучка с эмуляцией излучения, проходящего через турбулентную атмосферу, путем наложения на одной оптической оси пучков от двух и более лазерных источников излучения с разной длиной волны, у каждого из которых программно задается интенсивность излучения, диаметр пучка и угол наклона волнового фронта;
- создание стенда, формирующего оптический пучок с оптическими неоднородностями, эмулирующими атмосферную турбулентность и подвижные участки в пучке с программно регулируемыми параметрами, рассчитанными по численным моделям для отработки методов наблюдения и коррекции в следящей адаптивной системе.
Заявляемое изобретение фактически является специальным инструментом и позволяет решить актуальную задачу создания оптических систем, их отладки и исследования технических характеристик. Проведение на стенде всех подготовительных операций с оптическими системами и их работа с моделируемыми пучками в лабораторных условиях замещает часть натурных работ, существенно сокращает время, повышает точность оптических систем и их надежность.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что для формирования программно управляемых оптических пучков, эмулирующих искажения, характерные для крупномасштабной и мелкомасштабной турбулентности оптического излучения, создается стенд эмуляции атмосферной турбулентности для настройки и тестирования адаптивных оптических систем, на котором устанавливаются два или более модуля с лазерными источниками излучения, отличающимися друг от друга длиной волны излучения, например: красный, зеленый и ИК, для исключения возможности возникновения интерференции, формирующими оптические пучки с независимо регулируемыми диаметрами, радиусами волнового фронта и регулируемой интенсивностью оптического излучения каждого.
Оптические пучки от всех лазерных модулей, поступают на оптические дефлекторы, программно задающие им углы наклона волнового фронта, и соосно совмещаются по оси, первого пучка, накладываются друг на друга в пределах площади поперечного сечения первого пучка.
Суть заявляемого способа заключается в том, что на стенде эмуляции формируется оптический пучок, которому программно задается колебание по координатам Х, У, формирующее изменение общих углов наклона волнового фронта пучка в целом на выходной апертуре оптической системы. На него соосно накладываются вспомогательные пучки с другими длинами волны, которым программно задаются колебания по координатам Х, У, задающие изменение локальных турбулентных углов наклона волнового фронта. Таким образом, результирующая интенсивность суммарного пучка, формируемого стендом, является неоднородной по его поперечному сечению, изменяется по заданному программой алгоритму и на монохромном фото приемном устройстве регистрируется как смещающееся неравномерно освещенное поле оптического пучка с программно управляемыми углом общего наклона волнового фронта с флуктуирующими подвижными фрагментами с локальными неоднородностями интенсивности излучения.
В отличие от прототипа, заявляемый способ позволяет эмулировать по математической модели или предварительной записанной натурной реализации, программно управляемый пучок с параметрами, близкими к параметрам формируемыми турбулентной атмосферой, а также формировать в сечении формируемого суммарного пучка неоднородности интенсивности излучения, эмулирующие подвижные объекты, с возможность многократного воспроизведения во времени заданных условий распространения излучения с целью отработки алгоритмов адаптивной коррекции, исследования и тестирования элементов оптических систем.
Для расширения функциональных возможностей стенда каждый оптический пучок в отдельности и общий результирующий пучок проходит над электронагревательными элементами с независимыми регулируемыми нагревами, создающими тепловые турбулентные потоки, что позволяет значительно увеличить число вариантов эмулируемой турбулентности.
На примере реализации изобретения рассмотрен стенд эмуляции атмосферной турбулентности для настройки и тестирования адаптивных оптических систем, содержащий три модуля фиг.1.
Блок схема устройства фиг.1: 1 - лазер; 2 - светофильтр нейтральный; 3 - точечная диафрагма; 4 - масштабирующая оптика основного пучка; 5 - регулируемая диафрагма; 6 - электронагревательный элемент; 7 - совмещающий кубик светоделительный; 8 - пьезокерамический дефлектор общего наклона волнового фронта результирующего пучка; 9 - пьезокерамический дефлектор локального наклона волнового фронта второго вспомогательного пучка; 10 - кубик светоделительный; 11 - электронагревательный элемент; 12 - ЭВМ; 13 - блок управления электронагревательными элементами; 14 - блок управления дефлектором 8; 15 - блок управления дефлектором 9; 16 - блок управления дефлектором 17; 17 - пьезокерамический дефлектор локального наклона волнового фронта первого вспомогательного пучка; 18 - кубик светоделительный; 19 - кубик светоделительный; 20 - масштабирующая оптика результирующего пучка; 21 - электронагревательный элемент; 22 - регулируемая диафрагма; 23 - масштабирующая оптика пучка; 24 - точечная диафрагма; 25 - светофильтр нейтральный; 26 - лазер; 27 - электронагревательный элемент; 28 - регулируемая диафрагма; 29 - масштабирующая оптика пучка; 30 - точечная диафрагма; 31 - светофильтр нейтральный; 32 - лазер; 33 - светофильтр; 34 - линза; 35 - видеокамера контроля.
Стенд эмуляции атмосферной турбулентности, включающий жестко связанные между собой на общем основании три источника лазерного излучения, на оптических осях которых, на равной высоте, установлены светофильтры, точечные диафрагмы и масштабирующая оптика, регулируемые диафрагмы, электронагревательные элементы, видео камера контроля, в состав стенда введены пьезокерамические дефлекторы, подключенные к системе управления ЭВМ, и совмещающий светоделительный кубик, на котором совмещаются оптические оси всех трех источников лазерного излучения, а пучки соосно накладываются друг на друга.
Стенд работает следующим образом:
Работа стенда эмуляции атмосферной турбулентности основана на совмещении нескольких оптических пучков. Они формируются идентичными модулями, которые содержат двух координатные пьезокерамические дефлекторы, предназначенные для управления угловым положением оптических пучков для каждого модуля. Сигналы управления дефлекторами рассчитываются на ЭВМ согласно модели задаваемой турбулентности.
Первый оптический пучок, генерируется лазером (1), проходит через светофильтр (2), задающий интенсивность пучка. Точечная диафрагма (3) и масштабирующая оптика (4), формируют коллимированный пучок, диаметр которого устанавливается регулируемой диафрагмой (5). Пучок проходит над программно управляемым электронагревательным элементом (6), создающем регулируемые тепловые воздушные потоки и вызывающем турбулентные искажения в пучке, и поступает на совмещающий светоделительный кубик (7).
Аналогично во втором модуле формируется второй оптический пучок, генерируемый лазером (26), он проходит через светофильтр (25), задающий интенсивность этого пучка, точечную диафрагму (24) и масштабирующую оптику (23), формирующую коллимированный пучок, который проходит через регулируемую диафрагму (22), задающую диаметр эмулируемой локальной неоднородности. При прохождении над электронагревательным элементом (21) во втором пучке формируются турбулентные искажения волнового фронта, после чего пучок поступает на пьезокерамический дефлектор (17), задающий колебания угла наклона пучка, в светоделительном кубике (18), пучок поворачивается на 90 градусов, проходит через светоделительный кубик (10) и поступает на совмещающий световые пучки светоделительный кубик (7), где соосно совмещается с первым пучком.
В третьем модуле формируется третий оптический пучок, генерируемый лазером (32), проходит через светофильтр (31), задающий его интенсивность, точечную диафрагму (30) и масштабирующую оптику (29), формирующие коллимированный пучок, который проходит через регулируемую диафрагму (28), задающую диаметр эмулируемой локальной неоднородности. При прохождении над электронагревательным элементом (27) в третьем пучке формируются турбулентные искажения волнового фронта, после чего он поступает на пьезокерамический дефлектор (9), задающий колебания угла наклона пучка и на светоделительном кубике (10), пучок поворачивается на 90 градусов и поступает на светоделительный кубик (7), где соосно совмещается с первым - основным пучком, сгенерированным лазером (1)
При настройке оптического тракта второй и третий пучок соосно совмещаются с первым пучком, в результате на выходе, суммарная интенсивность результирующего пучка, формируемого стендом, неоднородна по его сечению, изменяется блоком ЭВМ по заданным программой алгоритмам и на монохромном фотоприемном устройстве регистрируется, как неравномерно освещенное поле с программно управляемым общим углом наклона волнового фронта с переменной флуктуирующей интенсивностью оптического излучения и подвижным фрагментом с программно управляемым углом локального наклона.
Таким образом все три оптических пучка совмещаются на светоделительном кубике (7) и соосно поступают на дефлектор (8), задающий колебания общего угла наклона волнового фронта всего образованного оптической системой пучка в целом. Сформированный системой пучок проходит над электронагревательным элементом (11), формирующем его турбулентные искажения, и поступает на светоделительный кубик (19), где разветвляется и одна ветвь поступает на выход стенда через масштабирующую оптику (20), откуда направляется на вход настраиваемой (тестируемой) оптической системы. Другая ветвь полученного пучка проходит через светофильтр (33), линзу (34) и формирует изображение на видеокамере контроля стенда (35).
Сигнал с видеокамеры контроля поступает в ЭВМ (12) и используется для настройки и контроля работы элементов стенда, измерения турбулентных характеристик пучков. Также, ЭВМ через блок управления электронагревательными элементами (13) обеспечивает формирование тепловых потоков воздуха над электронагревательными элементами (6, 11, 21, 27) и их интенсивность для создания в оптических пучках требуемой турбулентности. ЭВМ через блоки управления (14, 15, 16) программно задает наклоны зеркал дефлекторов (9, 8, 17), формируя углы наклона волнового фронта соответствующих пучков.
Таким образом, на стенде могут формироваться:
1. Программно управляемые дефлекторами оптические пучки, с возможностью их повторного воспроизведения.
2. Турбулентные пучки, сформированные над программно управляемыми электронагревательными элементами с регулируемой температурой нагрева.
3. Множественное количество сочетаний из двух первых вариантов.