СПОСОБ ДОСТАВКИ НА ТОЧЕЧНУЮ ЦЕЛЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА
METHOD OF DELIVERING TO POINT TARGET OF LASER RANGE FINDER RADIATION

Изобретение относится к области квантовой электроники и измерительной техники и предназначается для использования в корабельных активно-пассивных оптико-электронных системах (АП ОЭС), включающих телевизионные (ТВ), тепловизионные (ИК) каналы обнаружения и наведения, а также лазерные каналы измерения дистанции до цели (ЛД).
В ряде случаев объектами обнаружения, дистанцию до которых необходимо измерить, являются малоразмерные (точечные) цели, размер которых меньше размера лазерного пятна в момент измерения дистанции. Обнаружение цели производится с помощью ТВ или ИК канала, затем производится наведение на нее лазерного канала ЛД и измерение дистанции. Расходимость лазерного луча позволяет скомпенсировать погрешность непараллельности визирных осей ТВ, ИК и ЛД каналов, но не может полностью устранить влияние внешних помех, в первую очередь, рефракции оптических лучей в атмосфере. При сочетании некоторых гидрометеорологических условий отклонение визирных осей ТВ и ИК каналов может превышать угловую расходимость лазера дальномера, что делает невозможным попадание лазерного луча в точечную цель по данным ТВ и ИК каналов. Так как автомат сопровождения целей АП ОЭС удерживает строб сопровождения по изображению цели в ТВ или ИК канале, то попытки оператора переместить луч лазера в любую другую точку будут парированы системой автоматического сопровождения. Указанный недостаток существенно ограничивает применение современных АП ОЭС с жестким совмещением осей каналов.
Известны способы доставки излучения лазера на цель, заключающиеся в обнаружении цели пассивным оптическим каналом, определении ее угловых координат, совмещении диаграммы направленности лазерного излучения с линией визирования сигнала с направлением, определенным по пассивному каналу, и последующей посылке лазерного луча на цель [1-10].
В аналогах [2], [3] оптические оси каналов обнаружения и лазерного луча жестко соединены конструктивным образом, а наведение на цель и ее сопровождение осуществляется с помощью следящей, как правило, гиростабилизированной платформы, на которой размещены пассивные каналы обнаружения и канал лазерного дальномера. Описанные в [2], [3] способы и устройства носят общий характер и не предусматривают адаптацию к внешним условиям, влияющим на погрешности наведения лазерного луча, по данным, полученным в других спектральных диапазонах, нежели рабочая длина волны лазера.
В [4], [5] заявленные способы и устройства, их реализующие, имеют целью повышение точности попадания лазерного луча на движущуюся цель и основаны на одновременном детектировании на одном фотоприемнике трех сигналов - опорного, диагностического и пеленгационного, с помощью чего увеличивается точность определения упрежденной точки, в которую нацеливается лазерный луч. В этих аналогах распространение оптического излучения происходит, в основном, в космическом пространстве и не испытывает искажающего воздействия среды распространения, в частности, не испытывает рефракционного искажения траекторий лучей.
В способе [6] для сокращения времени измерения и повышения достоверности определения дальности до выбранной цели при наличии мешающих объектов при одном излучении лазера определяются дальности до каждой из нескольких целей в поле зрения дальномера, а данные поочередно выводятся на многоразрядный цифровой индикатор с присвоением соответствующего индекса. Этот способ также не учитывает искажающее воздействие атмосферной трассы, в частности, влияние рефракции, из-за которого одна и та же точечная цель будет иметь разные угловые координаты и восприниматься как два разных объекта при ее одновременном обнаружении в телевизионном и тепловизионном каналах.
В работе [7] для повышения дальности действия и повышения помехозащищенности лазерного дальномера в оптическую схему лазерного излучателя вводится перемещающийся элемент, с помощью которого компенсируются технологический разброс параметров деталей и неточности сборки устройства, приводящие к несовпадению оптических осей выходных пучков, что уменьшает концентрацию энергии зондирующего излучения на малоразмерных целях с соответствующим снижением дальности действия. При этом остается без учета влияние среды распространения оптических лучей, в том числе их рефракция.
В [8], [9] для определения дальностей до движущихся объектов, их угловых координат и скоростей движения используются расчеты, включающие значения скорости света в среде распространения. Эти способы также имеют ограниченное применение в земной атмосфере, поскольку в них не учитывается температурная зависимость показателя преломления воздуха, то есть способы, описанные в [8], [9] не позволяют адаптироваться к текущим условиям работы.
В работах [9], [10] способы основаны на посылке на цель серий лазерных импульсов, приеме отраженных сигналов с последующим вычислением дальности до цели. Однако в этих способах не учитывается ситуация, при которой возникают погрешности целеуказания лазерному дальномеру от пассивных каналов из-за разной рефракции видимых и ИК лучей в атмосфере, которая не позволит доставить излучение лазера на нужный малоразмерный объект.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, описанный в [1], выбранный в качестве прототипа. В прототипе перед посылкой лазерного луча на цель производится корректировка направления лазерного луча, призванная компенсировать рассогласование осей пассивных и передающего лазерного каналов, возникающее из-за температурных и механических воздействий на конструктивные элементы оптико-электронной системы и ее носителя. Способ включает формирование изображения цели, регистрацию изображения цели, усиление, обращение волнового фронта и формирование мощного сигнала на цель. При этом изображение цели регистрируют в виде изменения локальных параметров среды. Затем в плоскости изображения цели для формирования задающей волны совмещают центр кривизны сферической задающей волны с точкой изображения цели путем лазерной генерации. После этого и перед формированием мощного сигнала на цель проводят обращение волнового фронта задающей волны четное число раз при ее одновременном усилении. Принципиальной физической особенностью предлагаемого в [1] способа является необходимость регистрации изображения цели на той же самой длине волны, на которой в дальнейшем производится формирование мощного сигнала на цель.
Основным недостатком прототипа является учет только ошибок наведения лазерного излучения на цель, возникающих вследствие факторов, связанных с воздействием на конструкцию оптического тракта температурных и механических возмущений. Не принимаются во внимание физическое явление расхождения траекторий распространения лазерного луча и лучей пассивных каналов обнаружения, работающих в разных спектральных диапазонах, из-за влияния атмосферной рефракции. При работе в протяженном слое атмосферы из-за спектральной зависимости рефракции воздуха ошибки наведения лазерного луча на цель, осуществляемого с помощью телевизионных или тепловизионных каналов, могут быть существенно больше других ошибок и приводить к промахам при лазерном лоцировании точечной цели. Поскольку рефракция на горизонтальных приземных трассах зависит от разности температур воздуха и подстилающей поверхности, то нет возможности заранее ввести упреждающие поправки в целеуказания, то есть учет влияния динамической окружающей среды на работу оптико-электронного комплекса должен основываться на измеренных ее параметрах и должен носить адаптивный характер.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа компенсации погрешности данных целеуказания АП ОЭС, обусловленной внешними помехами, в первую очередь, оптической рефракцией, позволяющего обеспечить наведение лазерного луча на точечную цель.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в компенсации влияния оптической рефракции при наведение лазерного канала активно-пассивной оптико-электронной системы на точечную цель.
Указанный технический результат достигается тем, что осуществляют адаптивную корректировку данных целеуказания лазерному каналу, для чего рассчитывают спектральный показатель преломления воздуха в приводном слое атмосферы на центральной рабочей длине волны телевизионного канала по формуле:
тв
где λ - центральная рабочая длина волны телевизионного канала.
Одновременно рассчитывают спектральный показатель преломления воздуха на центральной рабочей длине волны тепловизионного канала по формуле:
ик
где λ - центральная рабочая длина волны тепловизионного канала.
Также рассчитывают спектральный показатель преломления воздуха на центральной рабочей длине волны лазерного канала по формуле:
лд
где λ - центральная рабочая длина волны лазерного канала.
В
М
ВМ
В
М
ЦТВ
ЦИК
ЦТВ-ЦИК
ЦТВ
ЦИК
Затем измеряют текущие значения температур воздуха в приводном слое атмосферы Т и воды на поверхности моря Т, вычисляют их разность ΔТ=Т-Т, далее измеряют угловую координату цели ϕ в вертикальной плоскости с помощью телевизионного канала и угловую координату цели в вертикальной плоскости ϕ с помощью тепловизионного канала, находят их разность Δϕ=ϕ-ϕ, а затем определяют значение угла нацеливания лазерного луча в вертикальной плоскости по формуле:
ЦТВ-ЦИК
ВМ
ЦТВ-ЦИК
ВМ
ЦЛД
ЦЛД
ЦДД
причем знак «-» ставят перед Δϕ при разности между измеренными значениями температур воздуха в приводном слое атмосферы и воды на поверхности моря при ΔТ>0, а знак «+» перед Δϕ при разности между измеренными значениями температур воздуха в приводном слое атмосферы и воды на поверхности моря при ΔТ<0, в дальнейшем смещают лазерный луч на вычисленный угол ϕ в вертикальной плоскости вверх при положительном значении угла ϕ и соответственно, в вертикальной плоскости вниз при отрицательном значении угла ϕ, а затем осуществляют посылку лазерного луча на цель.
Сущность способа доставки на точечную цель излучения лазерного дальномера заключается в том, что после обнаружения точечной цели и предварительного наведения на нее луча ЛД по данным ИК или ТВ канала, производится дополнительное смещение луча ЛД на величину Δϕ в вертикальной плоскости.
Предлагаемый способ поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2.
ВМ
ВМ
В
М
В
М
Фиг. 1 - положение визирных осей каналов АП ОЭС при ΔТ<0 (ΔТ=Т-Т), где позиция 1 соответствует положению АП ОЭС, позиция 2 - положению цели, позиции 3, 4, 5 - положению визирных осей ИК, ЛД и ТВ каналов соответственно; Т - измеренное текущее значение температуры воздуха в приводном слое атмосферы, Т - измеренное текущее значение температуры воды на поверхности моря.
ВМ
ВМ
В
М
В
М
Фиг. 2 - положение визирных осей каналов АП ОЭС при ΔТ>0 (ΔТ=Т-Т), где позиция 1 соответствует положению АП ОЭС, позиция 2 - положению цели, позиции 3, 4, 5 - положению визирных осей ИК, ЛД и ТВ каналов соответственно; Т - измеренное текущее значение температуры воздуха в приводном слое атмосферы, Т - измеренное текущее значение температуры воды на поверхности моря.
Обратимся непосредственно к обоснованию предлагаемого изобретения.
В условиях морской атмосферы зависимость показателя преломления от длины волны рассчитывается по формуле, приведенной в [11]:
-2
-1
-2
-1
n=1+0.05792105 (238.0185 - λ)+0.00167917 (57.362 - λ).
в
Расчетные значения показателя преломления воздуха для температуры Т=287К приведены в таблице 1.
B
M
Количественной характеристикой углового отклонения «кажущегося» направления на цель относительно истинного выбран угол полной рефракции α - угол между касательной к направлениям лучей в начальной и конечной точках их траектории, знак и значение которого определяются градиентом n(λ) и который, в первом приближении, возможно предсказать по текущему соотношению температур воздуха в приводном слое атмосферы Т и воды на поверхности моря Т [12]
ВМ
B
M
ΔТ=Т-Т
ВМ
В первом приближении угол рефракции линейно зависит от разности температур ΔТ
ВМ
Формула (1) позволяет оценить зависимость углового отклонения Δϕ лучей в ТВ и ИК каналах от луча ЛД при визировании объекта, находящегося на расстоянии  Лучи лазера, ИК и видимого каналов будут лежать в одной вертикальной плоскости, при этом лучи ЛД будут находиться между лучами видимого и ИК диапазонов. Знак разности ΔТ будет определять, лучи какого диапазона (ИК или видимого) будут находиться ближе к поверхности моря - при распространении оптического излучения траектория лучей будет изгибаться в ту сторону, где больше плотность воздуха, то есть где он холоднее.
ВМ
ВМ
ЛД
ВМ
ЛД
Знак отклонения лазерного луча от направления визирования, задаваемого ТВ каналом, определяется по знаку ΔТ. Если ΔТ>0, то лазерный луч нужно отклонять в сторону поверхности моря на угол Δϕ. Для ΔТ<0, наоборот, лазерный луч надо отклонять на угол Δϕ в сторону небосвода.
ВМ
На основании измеренных значений ΔТ определяются разности углов рефракции лучей ЛД и ТВ каналов и ЛД и ИК каналов, исходя из формулы (1):
тв
ик
лд
тв
ик
лд
где α, α и α - углы рефракции лучей для ТВ, ИК и ЛД каналов, n, nи n - показатели преломления воздуха для центральных длин волн ТВ, ИК и ЛД каналов.
Разность углов рефракции лучей в ТВ и ИК каналах равна:
тв-ик
лд-тв
лд-ик
Δα=Δα-Δα,
Разность угловых координат цели в вертикальной плоскости, измеряемых с помощью ТВ и ИК каналов, равна разности углов рефракции в них:
Угол отклонения лазерного луча от оси визирования цели ТВ каналом в вертикальной плоскости равен разности углов рефракции для ТВ и ЛД каналов:
Из выражений (4) и (5) следует, что  подставляя полученное отношение в (6), получаем выражение:
Угол нацеливания луча ЛД канала в вертикальной плоскости тогда будет определяться выражением:
ВМ
ВМ
где знак «-» выбирают при разности температур воздуха в приводном слое атмосферы и воды на поверхности моря ΔТ>0, а знак «+» при ΔТ<0.
Пропорция П из-за рефракции разделяет изображение точечной цели в ТВ, ИК и ЛД каналах, зависит только от оптических постоянных воздуха.
В широком диапазоне условий наблюдения эта пропорция может приниматься постоянной и вычисляться заранее для рабочих длин волн каналов конкретной АП ОЭС.
Пример такого расчета приведен в таблице 2.
Предложенный способ реализуется следующим образом. Рассчитывают спектральный показатель преломления воздуха на центральной рабочей длине волны телевизионного канала по формуле:
тв
где λ - центральная рабочая длина волны телевизионного канала.
Одновременно рассчитывают спектральный показатель преломления воздуха на центральной рабочей длине волны тепловизионного канала по формуле:
ик
где λ - центральная рабочая длина волны тепловизионного канала.
Затем рассчитывают спектральный показатель преломления воздуха на центральной рабочей длине волны лазерного канала по формуле:
лд
В
М
ВМ
В
М
где λ - центральная рабочая длина волны лазерного канала, далее измеряют текущие значения температур воздуха в приводном слое атмосферы Т и воды на поверхности моря Т, вычисляют разность между измеренными температурами воздуха в приводном слое атмосферы и воды на поверхности моря по формуле: ΔТ=Т-Т.
ЦТВ
ЦИК
Затем измеряют угловую координату цели ϕ в вертикальной плоскости с помощью телевизионного канала и угловую координату цели в вертикальной плоскости ϕ с помощью тепловизионного канала.
ЦТВ-ЦИК
ЦТВ
ЦИК
Потом вычисляют их разность Δϕ=ϕ-ϕ, затем определяют значение угла нацеливания лазерного луча в вертикальной плоскости по формуле:
ЦТВ-ЦИК
ВМ
ЦТВ-ЦИК
ВМ
причем знак «-» ставят перед Δϕ при разности между измеренными значениями температур воздуха в приводном слое атмосферы и воды на поверхности моря при ΔТ>0, а знак «+» перед Δϕпри разности между измеренными значениями температур воздуха в приводном слое атмосферы и воды на поверхности моря при ΔТ<0.
Предлагаемый способ компенсации погрешности целеуказания основан на однозначной связи углов рефракции оптических лучей с соотношением температур воды на поверхности моря и воздуха в приводном слое атмосферы.
ЦТВ
ЦИК
При этом положительный результат предлагаемого технического решения достигается за счет исключения промахов при наведении ЛД на точечную цель в результате определения положения конечной точки траектории лазерного луча по измерениям угловой координаты точечной цели в телевизионном ϕ и тепловизионном ϕ каналах.
Таким образом, заявленный способ доставки на точечную цель излучения лазерного дальномера обеспечивает компенсацию влияния оптической рефракции при наведение лазерного канала активно-пассивной оптико-электронной системы на точечную цель. Источники информации.
8
1. Способ доставки на цель лазерного излучения: пат.1839888, Рос. Федерация: МПК G01C 3/00, G01C3, G01B, G03B; патентообладатель Государственное предприятие "Всероссийский научный центр "Государственный оптический институт имени С.И. Вавилова" (RU), - №3180164/28; заявл. 14.09.1987; опубл. 20.06.2006 Бюл. №17, 2006.
2. Малашин М.С., Калинский Р.П., Борисов Ю.Б. "Основы проектирования лазерных локационных систем". М.: Высшая школа. 1983. С. 162-166.
3. Петковский В.И., Пожидаев О.А. "Локаторы на лазерах". М: Воениздат.1969.
8
4. Способ доставки лазерного излучения на объект и устройство для его осуществления: пат.2270523, Рос. Федерация: МПК Н04В 10/10, G01S 17/00; патентообладатель Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика" (RU), - №2004121652/09; заявл. 14.07.2004; опубл. 20.02.2006 Бюл. №5, 2006.
8
5. Способ наведения лазерного излучения: пат.2343412, Рос. Федерация: МПК G01C 3/08, G01S 3/08; патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт прецизионного приборостроения" (RU), - №2007115915/2; заявл. 27.04.2007; опубл. 10.01.2009 Бюл. №1, 2009.
8
6. Способ измерения дальности: пат. 2422770, Рос. Федерация: МПК G01C 3/08; патентообладатель Вильнер Валерий Григорьевич (RU), Вильнер Антон Валерьевич (RU), Волобуев Владимир Георгиевич (RU) и др., - №2010114668/28; заявл. 14.04.2010; опубл. 27.06.2011 Бюл. №18, 2011.
8
7. Лазерный дальномер: пат. 2620765, Рос. Федерация: МПК G01C 3/08; патентообладатель Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" имени М.Ф. Стельмаха" (RU), - №2016104736; заявл. 12.02.2016; опубл. 29.05.2017 Бюл. №16, 2017.
8
8. Способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат и устройство для его осуществления: пат. 2521203 Рос. Федерация: МПК G01С 3/08; патентообладатель Бардин А.В. (RU), Филонов О.М. (RU), Меткин Н.П. (RU), Озеров В.П. (RU), - №2012157907/28; заявл. 27.12.2012; опубл. 27.06.2014 Бюл. №18, 2014.
8
9. Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта: пат.2385471, Рос. Федерация: МПК G01S 17/50, G01C 3/08; патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" имени М.Ф. Стельмаха" (RU), - №2008116164/28, заявл. 25.04.2008; опубл. 27.03.2010 Бюл. №9, 2010.
8
10. Способ лазерного дальнометрирования: пат. 2538432 Рос. Федерация: МПК G01C 3/08; патентообладатель Открытое акционерное общество "Научно-производственное корпорация "Системы прецизионного приборостроения" (ОАО "НПК "СПП") (RU), - №2013131191/28; заявл. 09.07.2013; опубл. 10.01.2015 Бюл. №1, 2015.
11. G.J. Kunz, А. М. J. van Eijk, D. Tsintikidis, and S. M. Hammel, "Effects of atmospheric refraction and turbulence on long-range IR imaging in the marine surface layer: Comparisons between experiment and simulation,"Proc. SPIE5891, 58910A (2005).
12. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Введение в проектирование оптико-электронных приборов: системный подход. Москва. Университетская книга. 2016. С. 486.