СПОСОБ ОБРАЩЕНИЯ ВОЛНОВОГО ФРОНТА КОГЕРЕНТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF REVERSING WAVE FRONT OF COHERENT OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к области адаптивной пространственно-временной компенсации искажений когерентного оптического сигнала, вносимых трактом распространения, и может быть использовано в системах точной фокусировки лазерных лучей, системах обращения или компенсации фазового фронта.
i
i
Известен способ обращения волнового фронта оптического излучения (см., например, П.А.Бакут, Н.Д.Устинов, И.Н.Троицкий и др. Методы обработки световых полей при наблюдении объектов через турбулентную атмосферу. - М., Зарубежная радиоэлектроника, 1977, стр.74-79, В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. Лазерное гетеродирование. - М.: Наука, 1985, стр.278-281), основанный на делении волнового фронта опорного оптического излучения на N отдельных субволновых потоков (каналов), изменении частоты i-го субволнового потока на величину ω, где , N - число субволновых потоков, излучении субволновых потоков в направлении объекта, приеме искаженных трактом распространения отраженных от объекта субволновых потоков, изменении частоты i-го принятого субволнового потока на величину 2ω, смешивании i-го принятого субволнового потока с i-м субволновым потоком опорного оптического излучения, синхронном детектировании i-го смешанного потока, выделении сигнала промежуточной частоты полного тока i-го канала, определении фаз сигналов промежуточной частоты i-го канала относительно одного выбранного опорного сигнала промежуточной частоты, излучении i-го субволнового потока с изменением частоты на значение величины, соответствующей разности фаз промежуточной частоты i-го канала.
Недостатками способа является ограничение на число субволновых фронтов, при увеличении которого возрастает время обработки сигналов, приводящее к снижению точности фазовой коррекции.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в сокращении времени и повышении точности формирования фазосопряженного фронта обращенной волны.
j
1
2
Технический результат достигается тем, что в известном способе обращения волнового фронта когерентного оптического излучения, основанном на делении волнового фронта оптического излучения на N отдельных субволновых потоков, излучении субволновых потоков в направлении объекта, приеме искаженного трактом распространения волнового фронта, отраженного от объекта оптического излучения, смешивании i-го принятого субволнового потока с соответствующим i-м субволновым потоком опорного оптического излучения, где ; N - число субволновых потоков, синхронном детектировании i-го смешанного потока, детектировании i-х субволновых опорных потоков, запоминании значений величин i-х фототоков, вызванных действием i-х опорных субволновых потоков, дополнительном делении каждого i-го принимаемого субволнового потока на i-е равные по интенсивности потоки, где j=1, 2, детектировании i-го потока, смешивании i-го потока с соответствующим i-м опорным субволновым потоком, измерении разностной частоты между опорным и принимаемым излучениями, совмещении изменением частоты опорного излучения частот опорного и принимаемого излучений, выделении i-й переменной составляющей i-го суммарного фототока по формуле
перем.i
зап.i
Ci1
i-(i+i),
перем.i
2
зап.i
Ci1
1
2
где i - i-й суммарный фототок, вызванный действием смешиваемых i-го опорного и i-го принимаемого субволновых потоков, i - запомненное значение фототока, вызванное действием поля опорного i-го субволнового потока; i - значение фототока, вызванное действием поля i-го принимаемого субволнового потока, вычислении максимальных значений переменных составляющих фототоков по формуле , определении величины фазового рассогласования i-х опорных и принимаемых субволновых потоков как отношение i-й переменной составляющей суммарного фототока к его i-му максимальному значению, излучении i-x субволновых потоков с изменением их фаз на значения соответствующих величин фазовых рассогласований i-х опорных и i-х принимаемых субволновых потоков.
Сущность изобретения заключается в формировании максимальных значений переменных составляющих, определяющих максимальное согласование фазовых фронтов принимаемого и опорного полей каждой субапертуры на фоточувствительных площадках гетеродинных приемников и сравнении их с реальными переменными составляющими. По результатам сравнения определяются величины фазовых рассогласований принимаемых и опорных полей каждой субапертуры, вносимые в процесс формирования адаптивного суммарного волнового фронта.
При формировании обращенного фазового фронта оптического излучения необходимо определить конфигурацию искаженного трассой распространения фазового фронта в пределах принимаемой апертуры (см., например, А.С.Батраков, М.М.Бутусов, Г.П.Гречка и др. Лазерные измерительные системы. - М.: Радио и связь, 1981, стр.28). Одним из методов адаптивных измерений искажений фазового фронта является метод, основанный на применении гетеродинных приемников, так как при гетеродинном приеме выходные сигналы содержат информацию о фазе принимаемого поля.
При смешивании волн принимаемого и опорного излучений, если они однородны и согласованы по поляризации и частоте, то амплитуда сигнала, образованная в результате биений полей, будет определяться степенью фазового согласования указанных волн. Таким образом, используя зависимость сигнала, образованного в результате фотосмешания принимаемого и опорного излучений от величины их фазового рассогласования, можно осуществить измерение значение разности фаз смешиваемых излучений.
В основе гетеродинного детектирования оптических излучений (см., например, В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. Лазерное гетеродирование. - М.: Наука, 1985, стр.5) лежит явление интерференции двух волн на чувствительной площадке фотодетектора и выходной фототек определяется выражением:
Г
C
c
Г
с
Г
П
где i - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля опорного оптического излучения; i - постоянная составляющая фототока, вызванная действием поля принимаемого оптического излучения; Ω=ω-ω - разностная частота анализируемого ω и опорного ω оптических излучений;  - модуль единичного вектора поляризации исследуемого оптического излучения;  - модуль единичного вектора поляризации опорного оптического излучения; α - угол между векторами исследуемого и опорного оптических излучений; Δφ - разность фаз принимаемого и опорного оптических полей.
Третье слагаемое выражения (1) описывает результат интерференции полей, то есть определяют переменную составляющую фототока, изменяющуюся с разностной частотой (Ω).
П
Из выражения (1) следует, что при условии поляризационного (α=0) и частотного (Ω=0) согласований величина суммарного фототока будет определяться разностью фаз (Δφ).
Для формирования адаптивного обращенного волнового фронта оптическое излучение от опорного источника делится на N-e количество субволновых потоков (каналов). Часть каждого i-го () субволнового потока излучается в направление объекта, а вторая часть направляется в на фоточувствительную поверхность i-го гетеродинного фотодетектора. Величина фототока каждого i-го канала, образованная в результате детектирования каждой второй i-й части субволнового опорного потока, запоминается. Отраженное от объекта оптическое излучение принимается каждым i-м каналом. При этом каждый i-й принимаемый поток делится на две равные по интенсивности части. Первая часть каждого i-го принимаемого субволнового потока детектируется, а вторая часть смешивается с i-м субволновым опорным потоком. Тогда фототок i-го гетеродинного канала, образованный суммарным полем, в пределах фоточувствительной площадки фотодетектора представляется выражением
i
Гi
ci
ci
Гi
ci
ci
где i - номер канала (); Δφ(t)=φ(t)-φ(t)+δ(t), где φ(t) - фаза i-го опорного субволнового потока; φ(t) - фаза i-го принимаемого субволнового потока; δ(t) - случайный набег фазы i-го принимаемого субволнового потока, вносимый трассой распространения.
i
i
-3
При условии поляризационного и частотного согласований величина суммарного фототока каждого i-го гетеродинного канала будет определяться разностью фаз Δφ(t) смешиваемых полей на площадках приемников. С учетом того, что время формирования адаптивного волнового фронта меньше времени «замороженности» трассы распространения отраженного от объекта оптического излучения, составляющего 10 секунды, то Δφ можно считать функцией, не зависящей от времени (см., например, А.С.Батраков, М.М.Бутусов, Г.П.Гречка и др. Лазерные измерительные системы. - М.: Радио и связь, 1981, стр.28) и выражение (2) принимает вид
i
Г
ci
ci
где Δφ=φ-φ+δ.
Г
Г1
Г2
ГN
i
При этом фазы опорных субволновых потоков на фоточувствительных площадках гетеродинных фотодетекторов равны между собой (φ=φ=φ…=F). Тогда Δφ есть фаза каждого i-го принимаемого субволнового потока относительно фазы опорного потока на фоточувствительной площадке i-го гетеродинного фотодетектора.
i
Из выражения (3) следует, что величины фототоков гетеродинных каналов имеют максимальные значения при cos(Δφ)=1, которые могут быть получены использованием значений фототоков прямого детектирования частей принимаемого и опорного субволнового потоков каждого i-го канала.
Частотное согласование принимаемого и опорного излучений достигается подстройкой частоты опорного источника на частоту принимаемого сигнала. Поляризационное согласование также достигается изменением поляризационных свойств опорного излучения или поляризационной фильтрацией принимаемого излучения.
Сигналы фототоков, образованные прямым детектированием каждых частей i-х принимаемого и опорного субволновых потоков, используются для формирования максимальных значений переменных составляющих фототоков по формуле
где штрих обозначает значения величин фототоков каждого i-го канала, полученных прямым детектированием.
Пi
Значения реальных переменных составляющих i каждого i-го вычисляются путем вычитания из каждого i-го суммарного фототока суммы постоянных составляющих фототоков каждого канала i-го, полученных прямым детектированием частей субволновых потоков принимаемого и опорного излучений (5)
Значения оценки разности фаз  принимаемого и опорного субволновых потоков каждого i-го канала определяется отношением величин реальных переменных составляющих к их максимальным значениям
ci
ci
Значение фазового рассогласования  (содержащего δ) каждого i-го канала вносятся в каждый соответствующий i-й излучаемый субволновый поток и формируют обращенный суммарный фазовый фронт, который в силу принципа взаимности распространения оптических лучей в атмосфере (см., например, А.С.Батраков, М.М.Бутусов, Г.П.Гречка и др. Лазерные измерительные системы. - М.: Радио и связь, 1981, стр.28) претерпевает обратные искажения (т.е. компенсирует δ). Тем самым достигается фокусировка оптического излучения на объекте.
Таким образом, предложенный способ позволяет устранить зависимость скорости формирования обращенного волнового фронта от числа каналов, что приводит к сокращению времени процесса адаптации и соответственно к увеличению точности фазового повторения фронта за время постоянства характеристик трассы распространения. При этом обеспечивается определение величин фазового рассогласования в независимых каналах. Справедливость данного утверждения подтверждается тем, что процесс адаптации преимущественно определяется временем подстройки опорного источника оптического излучения на частоту приминаемого сигнала и вносимых фазовых коррекций в независимых каналах, что при современной элементной базе составит временной цикл, меньший времени «замороженности» трассы распространения.
На чертеже представлена блок-схема устройства, с помощью которого может быть реализован предлагаемый способ.
Блок-схема устройства содержит: входную оптику 1; N-e число фазовращателей 10, 20 и 30; зеркало 2; 2N+1-e число светоделителей 11, 12, 21, 22, 31, 32 и 33; N-e число фотодетекторов 3, 13 и 23; N-e число гетеродинных фотодетекторов 5, 15 и 25; N-e число блоков запоминания 6, 16 и 26; N-e число сумматоров 4, 14 и 24; N-e число блоков вычитания 7, 17 и 27; N-e число блоков вычисления максимальных значений переменных составляющих 8, 18 и 28; N-e число блоков вычисления относительных фаз 9, 19 и 29; блок определения разностной частоты 34; блок перестройки частоты гетеродина 35; гетеродин 36.
Устройство функционирует следующим образом. Оптическое излучение гетеродина 36 с помощью светоделителей 12, 22, 32 и 33 делится на N+1-e число субволновых потоков, которые направляются на входы соответствующих гетеродинных фотодетекторов 5, 15 и 25 и блока определения разностной частоты 34. При этом N+1-й субволновый поток используется для определения разностной чистоты опорного и принимаемого оптических излучений. N потоков детектируются гетеродинными фотодетекторами 5, 15 и 25. Значения выходных сигналов фототоков гетеродинных фотодетекторов 5, 15 и 25, вызванные действием только опорных потоков, поступают в соответствующие блоки запоминания 6, 16 и 26. Часть оптического излучения, прошедшего светоделители 12, 22, 32 и 33, отражается зеркалом 2. Отраженное зеркалом 2 излучение также делится с помощью светоделителей 12, 22, 32 и 33 на N+1-e число субволновых потоков, которые через фазовращатели 10, 20 и 30 и фокусирующую оптику 1 излучаются в направлении объекта. При этом суммарный волновой фронт является плоским. Отраженное от объекта оптическое излучение принимается N+1-м числом каналов. При этом N+1-й субволновый поток через фокусирующую оптику 1 и светоделитель 33 смешивается с N+1-м субволновым опорным потоком и направляется в блок определения разностной частоты 34. В блоке определения разностной частоты 34 производится определение частотного рассогласования Ω принимаемого и опорного излучений.
Значение разностной частоты Ω поступает в блок перестройки опорного излучения 35, который подстраивает частоту излучения гетеродина 36 на частоту принимаемого излучения. Каждый из N принимаемых субволновых потоков делится с помощью светоделителей 11, 21 и 31 на две части. При этом каждая первая часть детектируется фотодетекторами 3, 13 и 23. Каждая вторая часть смешивается с соответствующим опорным субволновым потоком. N-e число смешанных потоков детектируется гетеродинными фотодетекторами 5, 15 и 25. С выхода каждого гетеродинного фотодетектора 5, 15 и 25 сигнал полного фототока поступают на вход соответствующего блока вычитания 7, 17 и 27. С выходов каждого фотодетектора 3, 13 и 23 сигнал фототока поступает на входы соответствующих блока вычисления максимальной переменной составляющей 8, 18 и 28 и сумматора 4, 14 и 24. Сигнал каждого запомненного значения фототока из запоминающего блока 6, 16 и 26 поступает на входы соответствующих блока вычисления максимальной переменной составляющей 8, 18 и 28 и сумматора 4, 14 и 24.
В каждом блоке вычисления максимальной переменной составляющей 8, 18 и 28 производится вычисление максимального значения величины переменной составляющей полного фототока по формуле (4), которое поступает на вход соответствующего блока вычисления относительной фазы 9, 19 и 29. В каждом сумматоре производится суммирование величины сигнала фототока соответствующего фотодетектора 3, 13 и 23 и соответствующего запомненного значения величины фототока из запоминающего блока 6, 16 и 26. Значение каждой суммы с выхода сумматора 4, 14 и 24 поступает на вход соответствующего блока вычитания 7, 17 и 27. В каждом блоке вычитания 7, 17 и 27 производится вычисление значения величины реальной переменной составляющей каждого смешиваемого субволнового потока по формуле (5), которое поступает на вход соответствующего блока вычисления относительной фазы 9, 19 и 29. В каждом блоке вычисления относительной фазы 9, 19 и 29 производится определение величины фазового рассогласования смешиваемых соответствующих принимаемых и опорных субволновых потоков по формуле (6). Сигнал каждого значения фазового рассогласования из блока вычисления относительной фазы 9, 19 и 29 поступает на вход соответствующего фазовращателя 10, 20 и 30, который изменяет фазу излучаемого каждого субволнового потока на это значение.
j
1
2
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестен способ обращения волнового фронта когерентного оптического излучения, осуществляющий детектирование i-x субволновых опорных потоков, запоминание значений величин i-x фототоков, вызванных действием i-x опорных субволновых потоков, дополнительное деление каждого i-го принимаемого субволнового потока на i-е равные по интенсивности потоки, где j=1, 2, детектирование i-го потока, смешивание i-го потока с соответствующим i-м опорным субволновым потоком, измерение разностной частоты между опорным и принимаемым излучениями, совмещение изменением частоты опорного излучения частот опорного и принимаемого излучений, выделении i-й переменной составляющей i-го суммарного фототока по формуле
перем.i
зап.i
Ci1
i-(i+i),
перем.i
2
зап.i
Ci1
1
2
где i - i-й суммарный фототок, вызванный действием смешиваемых i-го опорного и i-го принимаемого субволновых потоков, i - запомненное значение фототока, вызванное действием поля опорного i-го субволнового потока; i- значение фототока, вызванное действием поля i-го принимаемого субволнового потока, вычисление максимальных значений переменных составляющих фототоков по формуле , определение величины фазового рассогласования i-х опорных и принимаемых субволновых потоков как отношение i-й переменной составляющей суммарного фототока к его i-му максимальному значению, излучение i-x субволновых потоков с изменением их фаз на значения соответствующих величин фазовых рассогласований i-x опорных и i-х принимаемых субволновых потоков.
Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые оптические и радиотехнические узлы и устройства. Силами заявителей был произведен эксперимент, который подтвердил техническую реализуемость предлагаемого технического решения.