СПОСОБ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНЫМ КОГЕРЕНТНЫМ ЛОКАТОРАМ
METHOD FOR COUNTERACTING USING COHERENT LASER RADAR

Изобретение относится к области физической оптики и лазерной техники, в частности к лазерной когерентной локации сложными сигналами, и может быть использовано для противодействия локаторам потенциального противника в боевых операциях ВМФ на море с использованием низколетящих крылатых ракет.
2
Известно применение лазерных когерентных локаторов для обнаружения низколетящих ракет морского базирования, измерения их скорости, наклонной дальности и угловых координат [1-12]. Одним из перспективных решений задачи обнаружения и измерения локационных параметров ракет является построение локаторов с одночастотными газовыми лазерами непрерывного действия, например СО-лазерами, излучение которых модулируют линейно-частотно-модулированными (ЛЧМ) колебаниями во внешних электрооптических модуляторах. Это позволяет существенно увеличить обнаружительную способность локатора при использовании в его приемном тракте согласованных фильтров на дисперсионных линиях задержки (ДЛЗ) и измерять радиальную скорость ракеты по величине доплеровского сдвига в принимаемом излучении, рассеянном движущейся ракетой.
Это ставит задачу противодействия таким локаторам потенциального противника, что является целью заявляемого способа. Для решения этой задачи используют специальные покрытия на корпусе ракеты, снижающие альбедо ракеты, а также выбирают стреловидную форму ракеты, уменьшающую рассеяние зондирующего излучения локатора в направлении линии ее визирования, что приводит к снижению эффективной поверхности рассеяния ракеты. Однако полностью решить поставленную задачу маскировки ракет не представляется возможным.
Заявляемый способ аналогов не имеет.
Целью изобретения является повышение эффективности противодействия лазерным когерентным локаторам потенциального противника в интересах маскировки низколетящих крылатых ракет в боевых операциях ВМФ страны.
Указанная цель достигается в заявляемом способе противодействия лазерным когерентным локаторам, состоящем в том, что в носовую часть ракеты устанавливают уголковый отражатель, защищенный прозрачным для лазерного излучения обтекателем, падающее на уголковый отражатель излучение предварительно пропускают через электрооптическую модулирующую поляризацию лазерного излучения среду, а в качестве модулирующего электрического сигнала используют смесь постоянного напряжения смещения с шумовым напряжением, среднеквадратическое значение этого шумового напряжения выбирают соизмеримым с постоянным напряжением смещения, которое задают так, что принимаемое лазерным когерентным локатором потенциального противника излучение, отраженное от уголкового отражателя и дважды проходящего через электрооптическую модулирующую среду, имеет поляризацию, ортогональную поляризации зондирующего излучения, причем спектр шумового напряжения устанавливают соизмеримым с полосой модулирующего излучения лазера.
Достижение цели изобретения заявляемым способом объясняется воздействием на фотоприемник, работающий в режиме фотосмешения части зондирующего излучения лазера и принятого рассеянного ракетой излучения (гомодинный режим фотосмешения), смешиваемых компонент с ортогональными поляризациями, что препятствует возможности регистрации на выходе фотоприемника электрического сигнала разностной частоты при соответствующем выборе постоянного напряжения смещения, подаваемого на электрооптическую модулирующую поляризацию среду, размещенную на маскируемой ракете между уголковым отражателем и прозрачным для лазерного излучения обтекателем. Кроме того, действие широкополосного шумового напряжения в смеси с указанным напряжением смещения приводит, во-первых, к существенному ухудшению отношения сигнал//шум на выходе фотоприемника и к появлению большого числа паразитных откликов на выходе согласованного фильтра на ДЛЗ в приемном тракте локатора, маскирующих полезный отклик при зондировании ракеты.
Рассмотрим сущность заявляемого способа на примере реализующего его устройства, работающего совместно с лазерным когерентным локатором потенциального противника с плоскополяризованным излучением.
На рис.1 представлена блок-схема лазерного когерентного локатора с гомодинным режимом фотосмешения, включающего следующие элементы и блоки:
2
1 - оптический квантовый генератор (ОКГ) непрерывного действия, например СО-лазер,
2 - блок накачки (БН), например высоковольтный выпрямитель,
3 - электрооптический модулятор (ОМ), внешний,
4 и 5 - первый и второй отражатели передающего канала локатора,
6 - передающий телескоп,
7 - приемный объектив,
2
8 - фотоприемное устройство (ФПУ) или сокращенно фотоприемник, выполненное на тройном соединении кадмий-ртуть-теллур (КРТ), охлаждаемом жидким азотом (для излучений СО-лазера инфракрасного диапазона),
9 - расщепитель лазерного (немодулированного) излучения лазера,
10 - малоапертурный отражатель гомодинного канала,
11 - генератор линейно-частотно-модулированного (ГЛЧМ) модулирующего колебания, в частности, вырабатывающий треугольные ЛЧМ-сигналы,
12 - генератор синхроимпульсов (ГСИ),
13 - блок определения данных (БОД) локатора - радиальной скорости V, наклонной дальности D, азимута β и угла места ε линии визирования на цель,
На рис.2 представлено взаимодействие лазерного когерентного локатора 14 с ракетой 15, снабженной уголковым отражателем 16 с другими компонентами, которые показаны на рис.3 - электрооптической модулирующей поляризацию лазерного излучения средой 17, электрически связанной с выходом генератора белого шума (ГБШ) 18, и прозрачного для лазерного излучения обтекателя 19.
На рис.4 показано соединение нескольких (трех) элементов 20 среды 17 (вид сбоку). Каждый из элементов среды 17 содержит прозрачную пластину из электрооптического вещества, на обе поверхности которой напылены электропроводящие покрытия - электроды. При этом используется, например, продольный эффект Поккельса, изменяющий поляризацию проходящего излучения, прозрачные для излучения. Этот эффект является практически безынерционным, допускающим модуляцию в широкой полосе спектра.
На рис.5 показана структура электрооптически модулирующей поляризацию среды 17 в виде набора элементов 20 с электрическими сборками А и В, соединенными с генератором белого шума 18. Пунктирными линиями показаны проводниковые связи сзади от элементов 20, прямыми линиями - связи спереди элементов 20.
На рис.6 показана структура генератора белого шума 18 из следующих блоков:
21 - генератора широкополосного шума (ГШШ),
22 - полосового фильтра (ПФ),
23 - суммирующего элемента (Сум),
24 - широкополосного усилителя мощности (ШУМ), работающего на все параллельно соединенные элементы 20 среды 17,
O
25 - регулируемый источник постоянного напряжения (РИПН) смещения U.
MIN
MAX
На рис.7 приведен график периодически следующего треугольного ЛЧМ колебания, вырабатываемого в ГЛЧМ 11 с длительностью Т и большой скважностью Т/Δt >> 1. Перестройка частоты в этом сигнале происходит в широкой полосе ΔF от f до f, так что база такого сигнала В=Т ΔF/2 >> 1. Обработка такого сигнала в двух ДЛЗ позволяет найти радиальную скорость V цели и ее наклонную дальность D.
O
ш
ш
На рис.8 показан вид модулирующего сигнала на выходе ГБШ 18, состоящего из постоянного напряжения смещения U, вырабатываемого в РИПН 25, и широкополосного шумового напряжения со спектром ΔF ≈ ΔF и размахом среднеквадратического значения шумового напряжения 2 U.
2
и
o
o
D
8
Лазерный когерентный локатор (рис.1) с лазером непрерывного действия 1, например одночастотным СО-лазером с длиной волны 10,6 мкм, внешним электрооптическим модулятором 3, возбуждаемым колебаниями ГЛЧМ 11 по треугольному закону с частотой следования ЛЧМ сигналов, модулирующих по амплитуде лазерное излучение, определяемой частотой следования импульсов от ГСИ 12 F=1/ (T+Δt), где Т - длительность ЛЧМ сигнала, Δt - пауза между смежными ЛЧМ сигналами, облучает летящую ракету 15 (рис.2) и принимает рассеянное ею излучение, сдвинутое по частоте на величину доплеровского сдвига Δν=2 ν V/с, где ν - частота лазерного излучения, V - радиальная скорость ракеты, с=3*10 м/с - скорость света в вакууме, при этом в режиме фотосмешения на выходе ФПУ 8 образуются два сигнала ЛЧМ, каждый из которых в БОД 13 в двух ДЛЗ, согласованных с этими двумя ЛЧМ-сигналами, образует короткий радиоимпульс, и эта пара радиоимпульсов разнесена во времени на интервал ΔТ, пропорциональный измеряемой наклонной дальности D; длительность радиоимпульсов равна 1/ΔF.
Важной особенностью работы лазерного когерентного локатора является то, что поляризации смешиваемых оптических колебаний на фоточувствительной поверхности фотоприемника 8 должны совпадать, чтобы эффективность фотосмешения была бы максимальной для увеличения отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника. Так, если поляризации смешиваемых оптических колебаний являются взаимно ортогональными, то эффективность фотосмешения равна нулю, то есть никакого полезного отклика на выходе фотоприемника не будет. Это важное обстоятельство как раз и используется в заявляемом способе.
Для обеспечения маскировки ракеты необходимо, чтобы принимаемое локатором излучение от облучаемой им ракеты, во-первых, имело бы поляризацию, ортогональную поляризации зондирующего излучения, во-вторых, принимаемое излучение должно быть существенно более мощным по сравнению с рассеянным излучением от ракеты с совпадающей поляризацией с зондирующим излучением. Первое из указанных обстоятельств приводит к резкому снижению эффективности фотосмешения, а второе подавляет слабый полезный сигнал сильным слепящим оптическим сигналом на входе фотоприемника, учитывая нелинейный характер преобразования оптических сигналов в электрические.
o
ш
o
Применение уголкового отражателя 16 в носовой части ракеты существенно увеличивает мощность отраженного им излучения в направлении линии визирования (зондирования). Однако это отраженное излучение дважды проходит через электрооптически модулирующую поляризацию среду 17 (рис.3), что обеспечивает фактор ортогональности поляризации в отраженном излучении по отношению к поляризации зондирующего излучения. Для осуществления такого изменения поляризации к электродам элементов 20 (рис.4 и 5) прикладывается постоянное напряжение смещения U в составе сигнала, вырабатываемого в ГБШ 18, структура которого показана на рис.6. Сложение к этому постоянному напряжению смещения еще и шумового напряжения с заданным спектром, задаваемым при работе ГШШ 21 и ПФ 22, приводит к возникновению в решающем устройстве приемного канала локатора множества «забивающих» импульсных откликов, маскирующих и без того ослабленную пару полезных импульсов-откликов. Размах среднеквадратического значения этого шумового напряжения сопоставим с постоянным напряжением смещения, то есть имеем приблизительное равенство 2 U≈U (рис.8).
MAX
MIN
На рис.7 показан вид ЛЧМ-сигналов. Сравнивая период Т этого сигнала с шумовым сигналом, показанным на рис.8, отмечаем то обстоятельство, что спектр шумового напряжения соизмерим с диапазоном перестройки ЛЧМ-сигналов. При этом полосовой фильтр 22 с полосой пропускания порядка ΔF=f - f настраивают в полосу прозрачности используемых в приемном канале ДЛЗ, что дезорганизует их работу сильными помехами.
Таким образом, повышение мощности отраженного от ракеты излучения с ортогональной поляризацией по отношению к поляризации зондирующего излучения достигается операцией установки в носовой части маскируемой ракеты уголкового отражателя.
Для преобразования поляризации в отраженном излучении последнее дважды пропускают через электрооптическую среду, которую возбуждают смесью соизмеримых по амплитуде постоянного напряжения смещения и шумового напряжения, а спектр последнего соизмерим с полосой перестройки ЛЧМ-сигналов используемого лазерного когерентного локатора. Принимаемое рассеянное ракетой излучение от других частей ее поверхности оказывается существенно малым по мощности по сравнению с мощностью отраженного излучения от уголкового отражателя, что обеспечивает в нелинейном фотоприемнике подавление слабого сигнала сильным, что увеличивает маскировку ракеты.
Модификацией заявляемого способа может быть использование в реализующем его устройстве, вместо элементов 20 среды 17, подключенных параллельно к ГБШ 18, четвертьволновых пластин, которые при двойном проходе через них лазерного излучения преобразуют плоскую поляризацию принимаемого излучения ортогонально к зондирующему. Это приводит к существенному упрощению устройства. Однако при этом отсутствуют шумовые сигналы-отклики на входе решающего устройства приемного канала локатора, но полезные сигналы оказываются существенно ослабленными, что положительно сказывается на маскирующем эффекте.
Заявляемый способ и реализующие его устройства могут быть реализованы на предприятиях оптико-механической промышленности, например во ФГУП «ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова» (Санкт-Петербург).
Литература
1. Лазерная локация. Под ред. Н.Д.Устинова, М., Машиностроение, 1984.
2. Протопопов В.В., Н.Д.Устинов. Инфракрасные лазерные локационные системы. М., Воениздат, 1987.
3. Меньших О.Ф. Способ анализа спектра сигналов. Авт.свид. СССР, №1817554, 1988.
4. Меньших О.Ф. Измеритель частоты сигналов лазерного доплеровского локатора, Авт.свид. СССР №1621728 и Авт.свид. СССР №1621729, 1988.
5. Меньших О.Ф. Спектроанализатор лазерного доплеровского локатора, Авт.свид СССР №1595219,1988.
6. Меньших О.Ф. Лазерный доплеровский локатор, Авт.свид. СССР №1741553, 1990.
7. Меньших О.Ф. Способ обнаружения детерминированного радиосигнала, Авт.свид. СССР №1828280, 1991.
8. Меньших О.Ф. Обнаружитель лазерного доплеровского локатора. Авт.свид. СССР №1805756 и №1829640, 1991.
9. Меньших О.Ф. Лазерный доплеровский локатор. Патент РФ №2335785, 2008.
10. Меньших О.Ф. Лазерный когерентный локатор. Патент РФ №2352958, 2009.
11. Меньших О.Ф. Способ лазерного гетеродинного приема излучений. Патент РФ №2349930, 2009.
12. Меньших О.Ф. Способ обработки информации в лазерном когерентном локаторе с матричным фотоприемником. Патент РФ №2354994, 2009.