СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ И НАВЕДЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С ОПТОВОЛОКОННЫМИ ВЫВОДАМИ НА ЦЕЛЬ
SYSTEM FOR FORMING AND DIRECTING LASER RADIATION OF EMITTERS WITH OPTICAL FIBER OUTPUTS TO A TARGET

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может использоваться при разработке лазерных комплексов в части формирования и наведения лазерного излучения на удаленные цели.
Известна система формирования и наведения лазерного излучения n - излучателей на цель [1], включающая передающий лазерный комплекс из n - лазерных модулей, на основе волоконных лазеров каждый с выходом через высокоэффективный световод, торец сердцевины которого является источником излучения, создающего единичный лазерный пучок. На выходе отдельные световоды объединены в жгут и расположены по его периметру, так что середина жгута остается свободной. Излучение торца волоконного жгута через светоделительный элемент поступает на вход телескопической системы формирования выходного лазерного пучка. Одним из элементов оптической системы является трехкоординатный элемент сканирования, выполненный в виде подвижной линзы, что позволяет осуществлять точную фокусировку и сканирование лазерного пучка в двух поперечных направлениях. На выходе оптической системы суммарный лазерный пучок падает на плоское зеркало, конструктивно связанное с устройством грубого наведения, что позволяет наводить систему в широком диапазоне углов, и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей. Лазерный пучок на выходе из оптической системы имеет форму близкую к кольцу, где центральная часть используется оптико-электронной системой наведения излучения.
Предложенная система не позволяет формировать на выходе пучок дифракционного качества даже при использовании одномодовых волоконных лазеров. Также к основным недостаткам можно отнести:
- не высокую плотность излучения на цели из-за: отсутствия системы формирования каждого излучателя; фокусировки и наведения суммарного излучения n - излучателей на цель общей телескопической системой формирования;
- ухудшение качества излучения каждого излучателя при прохождении через светоделительный элемент, установленный под углом к оптической оси;
- большие лучевые нагрузки на окуляре телескопа из-за близкого его расположения к торцу излучающего тела излучателя;
- громоздкость конструкции, т.к. телескоп объединяет все излучатели и выходная апертура телескопа ~0 0,5-1 м;
- сложность замены отдельных лазерных модулей при выходе их из строя или падении их мощности.
Известна система формирования и наведения лазерного излучения на цель [2], включающая четыре волоконных излучателя с оптоволоконными выводами, четыре системы формирования лазерного излучения в виде короткофокусных коллиматоров, четыре направляемых на цель поворотных плоских зеркал, установленные за коллиматором каждого излучателя, двух - кратные расширители пучка с механизмом продольного перемещениям окуляра.
При использовании известной системы формирования и наведения излучения на цель существенными недостатками являются: широкая диаграмма направленности лазерного излучения из-за короткофокусное™ коллиматора ~ 250 мм, низкая точность наведения каждого излучателя на цель из-за отсутствия приемного канала и точного наведения; не высокая плотность излучения на цели из-за отсутствия фокусировки излучения на заданную дальность и широкой диаграммы направленности излучения излучателя.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является система формирования и наведения лазерного излучения n - излучателей с оптоволоконными выводами на цель [3], содержащая устройство грубого наведения суммарного излучения n - излучателей, передающее устройство, образованное из n - лазерных излучателей с оптической системой формирования излучения каждого излучателя в виде короткофокусного коллиматора из асферической линзы, сумматора единичных лазерных пучков из n светоделительных элементов, выполненных в виде дихроичных пластин, установленных под углом 45° к оптической оси, системы формирования необходимой диаграммы направленности суммарного лазерного излучения всех излучателей в зеркально - линзовым телескопе с внеосевым параболическим зеркальным объективом и подвижной асферической линзой окуляра, установленном на микропозиционере трехкоординатного блока сканирования для точного наведения и фокусировки суммарного излучения всех излучателей на цель, приемное устройство, включающее приемный объектив и приемник; дальномер, включающий передающий и приемный блоки, электронный блок управления и обработки, причем хотя бы один из n - излучателей может быть выполнен в виде зондирующего излучателя. На выходе оптической системы суммарный лазерный пучок лучей падает на внеосевое вогнутое параболическое зеркало телескопа, конструктивно связанное с устройством грубого наведения, и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей.
К недостаткам этой системы относятся:
- конструктивное исполнение системы формирования результирующего лазерного пучка, не позволяющее получать на выходе пучки дифракционного качества с постоянным однородным и неизменным распределением плотности мощности по сечению пучка на протяженных трассах;
- большое количество оптических поверхностей в оптической системе, погрешности которых сказываются на точности формируемого волнового фронта и точности наведения на цель;
- сложность и дороговизна изготовления асферической оптики для коллиматора и телескопической системы, сложность юстировки внеосевого параболического зеркала;
- не высокая плотность излучения на цели из-за фокусировки и наведения суммарного излучения всех излучателей на цель общей телескопической системой формирования;
- большие лучевые нагрузки на коллиматоре и окуляре телескопа из-за близкого расположения оптических элементов к торцу излучающего тела излучателя;
- дополнительное согласование приемного и передающего каналов из-за несоосного их расположения относительно друг друга.
Задачей изобретения является:
- создание компактной оптической системы формирования и наведения лазерного излучения на цель, эффективно формирующей дифракционного качества излучение;
- повышение точности наведения;
- увеличение плотности излучения на цели;
- улучшение эксплуатационных характеристик;
- расширение функциональных возможностей оптической системы формирования и наведения для использования ее для широкого круга задач по наведению лазерного излучения на различные цели.
Поставленная задача решается тем, что в известной системе формирования и наведения лазерного излучения излучателей с оптоволоконными выводами на цель, содержащей излучатели с оптической системой формирования излучения, устройство грубого наведения суммарного излучения излучателей, оптическую систему формирования заданной диаграммы направленности излучения, устройство сканирования, устройство фокусировки лазерного излучения на цель, приемный объектив и приемник, устройство зондирующего излучения, дальномер, включающий передающий и приемный блоки, электронный блок управления и обработки, для каждого излучателя введены устройство сканирования, устройство фокусировки, дихроичное зеркало, масштабирующие и корректирующие линзы и приемник, при этом для всех излучателей введен общий длиннофокусный коллиматор, система формирования излучения, формирования заданной диаграммы направленности излучения и приемный объектив каждого излучателя выполнены в виде неосевой круговой зоны общего для всех излучателей длиннофокусного коллиматора, оси излучателей с оптоволоконными выводами расположены по окружности и наклонены к оси длиннофокусного коллиматора, в фокальной плоскости, которого расположены центры торцов сердцевин оптоволоконных выводов, наклонных к оси длиннофокусного коллиматора, устройство фокусировки лазерного излучения на цель выполнено в виде механизма продольного перемещения торца сердцевины оптоволоконного вывода, устройство сканирования выполнено в виде блока сканирования и плоского зеркала, установленного под углом к оптической оси за длиннофокусным коллиматором, дихроичное зеркало, отражающее излучение излучателя с оптоволоконным выводом и пропускающее зондирующее излучение, отраженное от цели, установлено под углом к оптической оси за плоским зеркалом устройства сканирования, масштабирующие и корректирующие линзы установлены за дихроичным зеркалом перед приемником.
На рисунке показана принципиальная оптическая схема для реализации предложенного устройства, где: 1 - длиннофокусный коллиматор; 1.1- неосевая круговая зона системы формирования каждого излучателя; 2 - излучатель с оптоволоконным выводом; 3 - торец сердцевины оптоволоконного вывода; 4 - устройство точного наведения; 4.1 - блок сканирования; 4.2 - плоское зеркало; 5 - устройство фокусировки с механизмом продольного перемещения торца сердцевины оптоволоконного вывода; 6 - дихроичное зеркало; 7 - масштабирующие и корректирующие линзы; 8 - приемник; 9 - устройство зондирующего излучения; 9.1 - зондирующий излучатель; 9.2 - система формирования зондирующего излучения; 10 - устройство грубого наведения; 10.1 - опорно-поворотная платформа; 10.2 - плоское зеркало; 10.3 - телекамера с объективом; 11 - устройство дальномера; 11.1 - передающий блок; 11.2 -приемный блок; 12 - электронный блок управления и обработки.
Система формирования и наведения лазерного излучения излучателей на цель с помощью предложенного устройства включает приемный и передающий каналы.
Приемный канал каждого излучателя состоит из неосевой круговой зоны 1.1 общего для всех излучателей длиннофокусного коллиматора 1, плоского зеркала 4.2, дихроичного зеркала 6, пропускающего приемное зондирующее излучение, отраженное от цели, масштабирующих и корректирующих линз 7 и приемника 8 и предназначен для приема отраженных бликов от цели и построения изображения цели в плоскости приемника 8. Предметной плоскостью приемного канала является плоскость цели, плоскостью изображений - чувствительная плоскость приемника 8.
Передающий канал каждого излучателя состоит из неосевой круговой зоны 1.1 общего для всех излучателей длиннофокусного коллиматора 1, плоского зеркала 4.2, дихроичного зеркала 6, отражающего излучение излучателя с оптоволоконным выводом. Предметной плоскостью передающего канала является плоскость торца сердцевины 3 оптоволоконного вывода излучателя 2, плоскостью изображений - плоскость цели. Передающий канал предназначен для формирования необходимой диаграммы направленности лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом и его фокусировки на заданные дальности.
Приемный и передающий каналы оптически разделены дихроичным зеркалом 6.
Длиннофокусный коллиматор 1 предназначен для формирования излучения необходимой диаграммы направленности и представляет собой двух или трех линзовую систему со стандартными сферическими поверхностями. Формирование излучения и формирование заданной диаграммы направленности для каждого излучателя осуществляется неосевой круговой зоной 1.1 общего для всех излучателей длиннофокусного коллиматора 1. Линзы располагаются на достаточно большом расстоянии от торца сердцевины оптоволоконного вывода, откуда выходит расходящееся мощное лазерное излучение, обеспечивая при этом сильное уменьшение лучевых нагрузок на оптические поверхности линз.
Излучатель 2 с оптоволоконным выводом предназначен для создания лазерного излучения. Излучатели наклонены к оси длиннофокусного коллиматора, в фокальной плоскости которого расположены центры наклонных торцов сердцевин оптоволоконных выводов 3. При исходном положении оптической длины длиннофокусного коллиматора через него выходит пучок, сфокусированный на бесконечность и сфокусированный на заданную дальность при его изменении (увеличении).
Устройство точного наведения 4, установленное за длиннофокусным коллиматором 1, состоит из блока сканирования 4.1, плоского зеркала 4.2 и предназначено для точного наведения лазерного излучения на цель.
Устройство фокусировки 5 с механизмом продольного перемещения торца сердцевины оптоволоконного вывода предназначено для фокусировки лазерного излучения на цель.
Дихроичное зеркало 6 предназначено для оптического разделения приемного и передающих каналов и пропускает приемное зондирующее излучение, отраженное от цели, и отражает излучение излучателя с оптоволоконным выводом.
Устройство зондирующего излучения 9 состоит из излучателя 9.1 и системы формирования излучения 9.2 и предназначено для создания зондирующего излучения и облучения зоны предполагаемого расположения цели зондирующим лазерным излучением.
Устройство грубого наведения 10 состоит из опорно-поворотной платформы 10.1, на котором установлены плоское зеркало 10.2 и телекамера с объективом 10.3, и предназначено для поиска целей и грубого наведения системы на цель.
Опорно-поворотная платформа 10.1 предназначена для осуществления вращения по азимуту и наклону по углу места установленных на него устройств.
Плоское зеркало 10.2 предназначено для отражения суммарного излучения излучателей и приема зондирующего излучения, отраженного от цели.
Телекамера с объективом 10.3 предназначена для приема отраженных от цели бликов и построения изображения цели в плоскости телекамеры.
Устройство дальномера 11 предназначено для определения дальности до цели и состоит из блоков передающего и приемного.
Передающий блок 11.1 устройства дальномера предназначен для облучения обнаруженных целей.
Приемный блок 11.2 устройства дальномера предназначен для приема отраженного от целей излучения и определения дальности до обнаруженных целей.
Электронный блок управления и обработки 12 предназначен для осуществления: управления процессами формирования излучения, поиска целей, грубого и точного наведения и фокусировки излучения на цель; анализа и обработки полученных изображений.
Система формирования и наведения лазерного излучения излучателей с оптоволоконными выводами на цель работает следующим образом.
С электронного блока управления и обработки 12 подается командный сигнал на включение и функционирование телекамеры 10.3 и опорно-поворотной платформы 10.1 устройства грубого наведения 10.
Осуществляется обзор местности, поиск целей вращением и наклоном опорно-поворотной платформы 10.1 в рабочем диапазоне углов и построение изображений обнаруженных целей объективом в плоскости телекамеры 10.3. Полученная информация поступает в электронный блок управления и обработки 12 и производится анализ и обработка полученных изображений, определяется зона предполагаемого нахождения обнаруженной цели. Для определения уязвимого места обнаруженной цели подается команда с электронного блока управления и обработки 12 на зондирование этой местности зондирующим излучением и включается устройство зондирующего излучения 9.
Излучение зондирующего излучателя 9.1, сформированное в системе формирования зондирующего излучения 9.2, производит зондирование пространства предполагаемого нахождения обнаруженной цели, отражается от цели и принимается объективом телекамеры 10.3 устройства грубого наведения 10. Сигналы о расположении обнаруженной цели с чувствительной площадки телекамеры 10.3 поступают в электронный блок управления и обработки 12, производится измерение координат обнаруженной цели. С электронного блока управления и обработки 12 подается командный сигнал на грубое наведение системы на цель. Вращением и наклоном опорно-поворотной платформы 10.1 с установленным на ней плоским зеркалом 10.2 производится грубое наведение на цель, изображение цели подводят в центр углового поля зрения телекамеры 10.3 с точностью грубого наведения, совпадающей или меньшей углового поля зрения устройства точного наведения 4. Система с точностью устройства грубого наведения наведена на обнаруженную цель, и цель попадает в поле зрения устройства точного наведения.
Производится точное наведение. Отраженное от цели зондирующее излучение принимается плоским зеркалом 10.2, отражается от него, попадает в систему общего для все излучателей длиннофокусного коллиматора 1, проходит через его неосевую круговую зону 1.1, отражается от плоского зеркала 4.2 устройства точного наведения 4, проходит через дихроичное зеркало 6, масштабирующие и корректирующие линзы 7 и строит изображение цели близкого к дифракционному качеству в плоскости приемника 8 в рабочем диапазоне углов поля зрения устройства точного наведения 4.
В электронный блок управления и обработки 12 с приемника 8 поступают сигналы о расположении обнаруженной цели, производят измерение координат обнаруженной цели. С электронного блока управления и обработки 12 подается командный сигнал на сканирование плоского зеркала 4.2 устройства точного наведения 4. Производится точное наведения системы на цель, изображение цели подводят в центр углового поля зрения приемника 8 сканированием плоского зеркала 4.2. Цель находится на оси приемного канала.
Поскольку предметной плоскостью приемного канала является плоскость цели и плоскостью изображений - плоскость приемника, а предметной плоскостью передающего канала является плоскость торца сердцевины оптоволоконного вывода излучателя, откуда выходит единичный лазерный пучок и плоскостью изображений - плоскость цели, то когда система точно наведена на цель устройством точного наведения и изображение цели находится на оси приемного канала, то цель находится и на оси передающего канала, и выходное излучение каждого излучателя точно наведено на цель. При этом обеспечивается сопряженность каждого торца сердцевины оптоволоконного вывода излучателя, откуда выходит лазерный пучок, и цели.
Необходимость использования масштабирующих и корректирующих линз определяется следующими характеристиками оптических элементов, использующихся при построении изображения цели в приемном канале. Поскольку диаметр и фокусное расстояние коллиматора 1 определяется в первую очередь заданными параметрами диаграммы направленности излучения излучателя с оптоволоконным выводом 2 и габаритами системы, то для согласования размеров изображения цели в рабочем диапазоне углов поля зрения устройства точного наведения 4 и линейного поля приемника 8 необходимо увеличить масштаб изображения целей, построенных длиннофокусным коллиматором 1. Кроме того при прохождении через дихроичное зеркало 6, установленное под углом к оптической оси, изображение цели деформируется. Поэтому для получения изображения цели близкого к дифракционному качеству и построения его в плоскости приемника 8 в рабочем диапазоне углов поля зрения устройства точного наведения 4 необходимо использование масштабирующих и корректирующих линз 7, установленных за дихроичным зеркалом 6.
С электронного блока управления и обработки 12 подается командный сигнал на включение и функционирование устройства дальномерного 11. Лазерное излучение передающего блока 11.1 дальномера 11 направляется на обнаруженную цель. Отраженное от цели излучение, поступает в приемный блок 11.2 дальномера 11. Производят измерение дальности до цели. С электронного блока управления и обработки 12 подается командный сигнал на включение устройства фокусировки 5. Производится фокусировка каждого излучателя 2 на цель продольным перемещением торца сердцевины 3 оптоволоконного вывода излучателя 2.
С электронного блока управления и обработки 12 подается управляющая команда на подачу электропитания каждому излучателю с оптоволоконным выводом. Каждый излучатель начинает генерировать когерентные электромагнитные волны, передаваемые по своему оптоволоконному выводу, торец сердцевины которого 3 является источником излучения, откуда выходит единичный лазерный пучок.
Выходное лазерное излучение, исходящее из торца сердцевины оптоволоконного вывода 3, падает на дихроичное зеркало 6, отражается от него, отражается от плоского зеркала 4.2 устройства точного наведения 4 и проходит через неосевую часть линз 1.1 общего для всех излучателей длиннофокусного коллиматора 1, формируя излучение заданной диаграммы направленности близкое к дифракционному качеству и выходит сфокусированным на цель.
Излучение каждого излучателя отражается от плоского зеркала 10.2 устройства грубого наведения 10 и наводится на цель. Выходное излучение каждого излучателя точно наведено и сфокусировано на цель.
В предложенной системе формирования и наведения лазерного излучения излучателей использование в качестве оптической системы приема отраженных бликов от цели, формирования излучения излучателя с оптоволоконным выводом и формирования его заданной диаграммы направленности для каждого излучателя неосевой круговой зоной общего для всех излучателей длиннофокусного коллиматора из нескольких сферических линз, в фокальной плоскости которого расположены центры торцов сердцевин оптоволоконных выводов, наклонных к оси длиннофокусного коллиматора, откуда выходит единичный лазерный пучок; введение для каждого излучателя точного наведения лазерного излучения на цель; масштабирование и корректировка изображений цели, построенных неосевой круговой зоной общего для всех излучателей длиннофокусного коллиматора, позволяют:
- создать компактную систему формирования и наведения лазерного излучения на цель, эффективно формирующую дифракционного качества излучение, как каждого излучателя, так и суммарное излучение всех излучателей;
- повысить точность наведения лазерного излучения на цель за счет формирования дифракционного качества излучения в каждом излучателе, использования неосевой круговой зоны общего для всех излучателей длиннофокусного коллиматора из нескольких сферических линз в качестве системы формирования излучения, системы формирования заданной диаграммы направленности излучения и приемного объектива, точного наведения и фокусировки каждого излучателя на обнаруженную цель, упрощения юстировки и использования стандартной сферической оптики;
- увеличить плотность излучения на цели за счет формирования дифракционного качества излучения на выходе, как каждого излучателя, так и суммарного излучения всех излучателей, повышения точности наведения на обнаруженную цель;
- улучшить эксплуатационные характеристики системы, повысить устойчивость системы к отказам, так как при выходе из строя одного или даже нескольких лазерных излучателей система может продолжать выполнять задачу;
- расширить функциональные возможности оптической системы формирования и наведения для ее использования для широкого круга задач по наведению лазерного излучения на различные цели.
Источники информации:
1. В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012.. Т. 48, №2. с. 59-66.
2. Sprangle, Phillip & Ting, А. & Penano, J.R. & Fischer, Richard & Hafizi, Bahman. (2008). Incoherent Combining of High-Power Fiber Lasers for Directed-Energy Applications. 2. 25.
3. Патент RU 2663121, опубликован 07.08.2018, бюл. №22, МПК: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01) - прототип.