Оптико-электронная система для определения спектроэнергетических параметров и координат источника лазерного излучения инфракрасного диапазона
OPTOELECTRONIC SYSTEM FOR DETERMINING SPECTRAL-ENERGY PARAMETERS AND COORDINATES OF INFRARED LASER RADIATION SOURCE

Изобретение относится к области приборостроения, измерительной и информационной техники, точнее к оптико-электронным приборам, обеспечивающим обнаружение факта и направления облучения защищаемого объекта лазерным излучением (ЛИ), и может быть использовано для решения задачи регистрации факта, параметров и направления воздействия лазерного излучения на защищаемый объект. В качестве защищаемых объектов рассматриваются объекты различного назначения, в первую очередь - летательные аппараты.
Оптико-электронные системы (ОЭС) для обнаружения, определения параметров и координат источников лазерного излучения инфракрасного (ИК) диапазона должны удовлетворять следующим требованиям:
- рабочие спектральные диапазоны регистрируемых длин волн лазерного излучения должны обеспечивать перекрытие области спектра электромагнитного излучения 1…12 мкм;
- должно регистрироваться как непрерывное, так и импульсное ЛИ;
- интервал времени определения спектроэнергетических параметров непрерывного ЛИ должен составлять не более 20…80 мс;
- для определения параметров импульсного ЛИ матричный фотоприемник в составе ОЭС должен обладать достаточно высоким быстродействием (малым временем фотоотклика);
- относительное спектральное разрешение ОЭС должно составлять не более 0,01;
- погрешность измерения ОЭС длины волны лазерного излучения должна составлять не более 0,01 мкм;
- ОЭС должна быть компактной, иметь незначительные массогабаритные характеристики, малое энергопотребление и не должна содержать механических сканирующих (подстраиваемых) узлов;
- устройство охлаждения матричного фотоприемника ИК диапазона должно обеспечивать его рабочий температурный режим на протяжении интервалов времени функционирования защищаемого объекта по целевому назначению.
Известны способы и устройства, предназначенные для обнаружения лазерного облучения с определением направления прихода ЛИ, описанные в патенте EP 1167991 A2 «Method and apparatus for direction recognition of pulsed laser beams using the time interval principle», классы G01S 3/781 и G01S 7/48 (приоритет от 01.07.2000 г., опубл. 29.06.2001 г.) [1] и в патенте RU 2334243 C1 «Устройство обнаружения лазерного облучения», класс G01S 3/783 (приоритет от 08.11.2006 г., опубл. 20.09.2008 г.) [2].
Первое из приведенных выше устройств содержит оптическую систему, состоящую из нескольких объективов, оси которых развернуты в пространстве для организации необходимой зоны обзора. В фокальной плоскости каждого объектива расположены входные торцы двух световолокон, причем одно из волокон является опорным и имеет длину, постоянную для каждой пары волокон, а длина второго волокна выбирается (при изготовлении устройства) по определенному правилу для каждой пары волокон. На выходных торцах группы опорных волокон и группы волокон с переменной длиной установлены фотоприемники. Направление падающего лазерного излучения определяется в блоке обработки сигналов по величине временного интервала между импульсами, поступившими на фотоприемник, соединенный с группой опорных волокон, и фотоприемник, соединенный с группой волокон с переменной длиной.
Второе из приведенных устройств содержит приемный объектив, оптически сопряженный световодом с фотоприемником, и блок обработки электронных сигналов. При этом приемный дисторзирующий объектив выполнен из термостойких материалов и снабжен входным оптическим компонентом в виде плоской пластины из сапфира, световод представляет собой многожильный световолоконный кабель, а перед фотоприемником дополнительно установлен объектив переноса изображения.
Общими недостатками указанных выше устройств являются невозможность определения спектроэнергетических параметров (включая длину волны) анализируемого лазерного излучения, а также ограничение точности определения направления на источник ЛИ количеством пар световолокон или жил в световолоконном кабеле. Использование световолокна для передачи преобразованного входной оптической системой изображения источника ЛИ на фотоприемник ограничивает рабочую спектральную область этих устройств спектральным диапазоном пропускания световолокна.
Наиболее близким техническим решением (прототипом), предназначенным для измерения длины волны зарегистрированного лазерного излучения, является устройство, описанное в патенте RU 2436038 С1 «Статический Фурье-спектрометр», класс G01B 9/00 (приоритет от 02.07.2010 г., опубл. 10.12.2011 г.) [3]. Этот статический Фурье-спектрометр содержит входной коллиматор, оптически связанный с интерферометрическим узлом, включающим светоделитель и, по меньшей мере, два зеркала, установленные с возможностью создания интерференционной картины, локализованной в плоскости зеркал, а также устройство регистрации изображения, оптически связанное с интерферометрическим узлом с помощью проективной системы. Проективная система включает сферическое зеркало и линзовый объектив, центрированный относительно нормали к оптической поверхности зеркала, а зеркало и линзовый объектив выполнены с возможностью прохождения оптического излучения через линзовый объектив от интерферометрического узла к сферическому зеркалу с отражением от него и прохождением через тот же линзовый объектив к устройству регистрации. Устройство регистрации выполнено в виде многоэлементного фотоприемника.
Основной недостаток указанного статического Фурье-спектрометра заключается в том, что он не позволяет одновременно определять длину волны и координаты источника ЛИ, а в его устройстве регистрации не реализованы алгоритмы обработки сигнала многоэлементного фотоприемника, позволяющие получить информацию о спектроэнергетических параметрах ЛИ (включая плотность мощности на входном зрачке устройства).
Целью настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего одновременное определение спектроэнергетических параметров анализируемого непрерывного или импульсного лазерного излучения ИК диапазона (длины волны непрерывного ЛИ или спектральной области импульсного ЛИ, а также плотности мощности ЛИ на входном зрачке устройства за время формирования одного видеокадра) и координат источника ЛИ.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве реализуется двухканальная оптико-электронная система, в которой в формируемом матричным фотоприемником видеосигнале одновременно совмещаются изображения интерферограммы и источника ЛИ. Использование одного матричного фотоприемника для регистрации спектроэнергетических параметров и определения координат источника ЛИ позволяет реализовать однозначную привязку определяемых параметров ЛИ к координатам его источника. Применение цифрового специального вычислителя обеспечивает одновременное определение спектроэнергетических параметров и координат источника ЛИ по одному видеокадру с изображениями этого источника и интерферограммы. Для достижения высокой чувствительности матричного фотоприемника в ИК диапазоне осуществляется его охлаждение с использованием криостата, подключенного к внешней системе охлаждения. Применение для регистрации ЛИ матричного фотоприемника с высокой степенью геометрической стабильности положения каждого фоточувствительного элемента (ФЧЭ) в матрице и пошаговым (цифровым) переходом от одного ФЧЭ к другому при их опросе позволяет каждому ФЧЭ присвоить идентификационный номер, сохраняющийся в процессе работы матричного фотоприемника, и соотнести в видеосигнале интервал времени опроса любого ФЧЭ с его номером в матрице, так чтобы видеосигнал матричного фотоприемника стал полностью цифровым и структурно устойчивым во времени. Регистрация импульсного ЛИ с малой длительностью импульса достигается использованием быстродействующего матричного фотоприемника смотрящего типа, у которого время реакции ФЧЭ на начало (завершение) воздействия излучения составляет не более 1 нс, а накопление сигнала осуществляется в течение всего времени формирования видеокадра. Указанным требованиям удовлетворяют матричные фотоприемники ИК диапазона, представляющие собой кремниевые приборы с зарядовой связью (ПЗС) с межстрочным переносом заряда на базе фоточувствительных элементов, представляющих собой фотодиоды с барьерами Шоттки ([4], С. 359). Требуемое время реакции в таких фотоприемниках достигается при условии генерации лазерным излучением в фотодиодах только основных неравновесных носителей заряда. Для этого фотодиоды с барьерами Шоттки изготавливаются с высотой потенциального барьера менее половины ширины запрещенной зоны материала кремниевой подложки, что обеспечивает инжекцию только основных носителей заряда из металлического слоя в полупроводниковый материал базовой области фотодиодов. Исключение генерации неосновных носителей заряда в самом полупроводниковом материале базовой области фотодиодов с барьерами Шоттки обеспечивается исключением попадания в него коротковолновых квантов излучения с энергией больше ширины запрещенной зоны полупроводникового материала. Это достигается проецированием результирующего изображения источника ЛИ и интерферограммы на фотодиоды Шоттки матричного фотоприемника через полупроводниковую подложку, отсекающую попадание указанных коротковолновых квантов в базовые области фотодиодов с барьерами Шоттки. К изготавливаемым отечественной промышленностью матричным фотоприемникам с указанными свойствами относится, например, матричный фотоприемник на базе ПЗС с барьерами Шоттки в составе фотоприемного устройства ФППЗ БШ-22М с кадровым накоплением сигнала, выполненный по схеме с межстрочным переносом заряда ([5], С. 39). «Мертвое время» между кадрами в таком фотоприемнике составляет примерно 0,1 мкс, а времена накопления сигнала и считывания кадра составляют по 10…20 мс.
Структурно-функциональная схема ОЭС для определения спектроэнергетических параметров и координат источника ЛИ приведена на фигуре 1. Конструкция предлагаемого устройства включает: первый оптический канал 1, состоящий из оптического устройства 2 с широким углом поля зрения, интерферометра 3, угол поля зрения которого согласован с задним апертурным углом оптического устройства 2, и первого объектива 4; второй оптический канал 5, состоящий из второго объектива 6 с широким углом поля зрения, прозрачной диэлектрической пластины с френелевским отражением 7, установленной под углом 45° к оптической оси второго объектива 6, причем главные оптические оси первого оптического канала 1 и второго оптического канала 5 на участке перед прозрачной диэлектрической пластиной с френелевским отражением 7 перпендикулярны, а после нее совпадают, при этом задние фокальные плоскости второго объектива 6 и первого объектива 4 также совпадают; охлаждаемое фотоприемное устройство 8, состоящее из криостата 9 с входным окном, подключенного к внешней системе охлаждения, в котором размещен матричный фотоприемник 10, фоточувствительная поверхность матричного фотоприемника 10 расположена в задней фокальной плоскости второго объектива 6, причем геометрический центр этой поверхности и задний фокус второго объектива 6 совмещены, а также размещенного за пределами корпуса криостата 9 блока предварительной обработки электрического сигнала 11, вход которого соединен с выходом матричного фотоприемника 10; цифровой специальный вычислитель 12, вход регистрирующего блока 13 которого соединен с выходом блока предварительной обработки электрического сигнала 11, а выход регистрирующего блока 13 соединен с входами координатного блока 14 и спектрального блока 15 в составе цифрового специального вычислителя 12.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Поток ЛИ от удаленного источника одновременно падает на входные зрачки первого оптического канала 1 и второго оптического канала 5. Поток ЛИ, падающий на входной зрачок первого оптического канала 1, проходит через оптическое устройство 2, например с дисторзирующим объективом ([6], С. 330, [7], С. 44-47), которое преобразует пришедший на его входную апертуру параллельный пучок ЛИ в слабосходящийся выходной пучок, направляемый в интерферометр 3, формирующий интерферограмму, которая переносится первым объективом 4 через прозрачную диэлектрическую пластину с френелевским отражением 7 на фоточувствительную поверхность матричного фотоприемника 10, предварительно охлажденного в криостате 9 для обеспечения его высокой чувствительности в рабочей спектральной области ИК диапазона. Поток ЛИ, падающий на входной зрачок второго оптического канала 5, попадает во второй объектив 6, который совместно с прозрачной диэлектрической пластиной с френелевским отражением 7 формирует изображение источника ЛИ на фоточувствительной поверхности матричного фотоприемника 10. В результате прохождения ЛИ в первом оптическом канале 1 и втором оптическом канале 5 на фоточувствительной поверхности матричного фотоприемника 10 формируется результирующее изображение, представляющее суперпозицию изображений интерферограммы и источника ЛИ. Указанное результирующее изображение фиксируется матричным фотоприемником 10, видеосигнал с выхода которого подается на вход блока предварительной обработки электрического сигнала 11, в котором в результате аналого-цифрового преобразования формируется цифровой видеокадр, причем каждому фоточувствительному элементу (ФЧЭ) матричного фотоприемника 10 присваивается номер, который сохраняется в процессе его работы и связывает в видеокадре интервал времени опроса любого ФЧЭ с его номером в матрице ФЧЭ. Кроме того, в блоке предварительной обработки электрического сигнала 11 проводится замена значения сигнала каждого дефектного ФЧЭ на усредненное значение сигналов от соседних ФЧЭ (по горизонтали) в соответствии с таблицей замены дефектных ФЧЭ, записанной в блоке предварительной обработки электрического сигнала 11 (в постоянном запоминающем устройстве). После этого осуществляется выравнивание разброса «темновых» сигналов и чувствительности отдельных ФЧЭ матричного фотоприемника 10. Полученный в результате проведения указанных операций цифровой видеокадр поступает с выхода блока предварительной обработки электрического сигнала 11 на вход регистрирующего блока 13 цифрового специального вычислителя 12. В регистрирующем блоке 13 в результате обработки цифрового видеокадра вырабатывается пороговое значение сигнала для последующего использования в адаптивных алгоритмах пороговой фильтрации. При этом значение порога устанавливается равным максимальному значению сигнала в элементах цифрового видеокадра, соответствующих области интерференционных полос. Из регистрирующего блока 13 цифровой видеокадр и выработанное пороговое значение сигнала одновременно подаются в координатный блок 14 и в спектральный блок 15. В координатном блоке 14 по всем элементам цифрового видеокадра проводится пороговая фильтрация, в результате которой формируется цифровое изображение сигнала высокого уровня в виде сплошного пятна, после чего проводится вычисление координат центра энергетической яркости (ЦЭЯ) изображения такого пятна внутри выбранного рабочего массива ФЧЭ по формулам [8]:
x
y
где C, C - координаты ЦЭЯ изображения пятна по осям x и y соответственно;
n, m
I - сигналы ФЧЭ, соответствующие распределению яркости в выбранном рабочем массиве ФЧЭ;
N, М - число столбцов и строк матрицы яркостей выбранного рабочего массива ФЧЭ, содержащего обрабатываемое изображение пятна;
n, m - порядковые индексы отсчетов сигналов по столбцам и строкам матрицы яркостей выбранного рабочего массива ФЧЭ.
Используя полученные расчетные значения координат ЦЭЯ пятна и данные об ориентации оптической оси предлагаемого устройства в пространстве, в координатном блоке 14 определяются угловые координаты источника ЛИ относительно оптической оси данного устройства, которые поступают на выход координатного блока 14. Путем сравнения максимального значения сигнала в видеокадре с результатами предварительно проведенной калибровки в координатном блоке 14 определяется средняя за время формирования одного видеокадра плотность мощности ЛИ на входном зрачке второго оптического канала 5. Полученное значение средней плотности мощности передается на выход координатного блока 14.
В спектральном блоке 15 цифрового специального вычислителя 12 по всем элементам цифрового видеокадра проводится замена значений сигналов элементов цифрового видеокадра, превышающих пороговый уровень сигнала, на среднее по кадру значение сигнала, в результате которой формируется цифровое изображение сигнала низкого уровня в виде интерференционных полос. Это позволит в последующем при проведении преобразования Фурье ([9], С. 835) снизить уровни паразитных спектральных компонент в сформированном выходном сигнале спектрального блока 15, что исключит неоднозначность при определении длины волны или спектральной области ЛИ. Затем проводится усреднение по столбцам значений сигналов элементов цифрового видеокадра и на основе сформированной таким образом последовательности усредненных значений сигналов вычисляются коэффициенты разложения в ряд Фурье и проводится сравнение полученного в результате проведенного преобразования набора коэффициентов ряда Фурье с набором, подготовленным при проведении предварительной спектральной калибровки предлагаемого устройства. Полученные в результате сравнения данные о спектральном составе ЛИ поступают на выход спектрального блока 15.
Предлагаемое устройство обеспечивает достижение эффекта обнаружения факта и направления облучения защищаемого объекта лазерным излучением в интересах своевременного применения способов и средств его защиты от обнаружения и распознавания, а также снижение негативного влияния воздействия ЛИ на функционирование защищаемого объекта (информационной оптико-электронной аппаратуры различного целевого назначения и других устройств).
Для экспериментального подтверждения работоспособности предлагаемой двухканальной ОЭС авторами был разработан ее лабораторный макет. На фиг. 2 приведена структурно-функциональная схема первого (интерференционного) канала данного макета, реализованного на стенде ЛСФП-ИК-1 в ВКА имени А.Ф. Можайского.
На фиг. 3 приведен видеокадр, содержащий интерферограмму (поз. 1), зарегистрированную высокочувствительным матричным ИК фотоприемником цифровой тепловизионной камеры ТВС-300Сп в составе макета первого (интерференционного) канала предлагаемой ОЭС при воздействии в ее поле зрения непрерывного ЛИ с длиной волны 3,39 мкм, а также графический результат (поз. 2) преобразования Фурье сигнала одной строки цифрового видеокадра, содержащего изображение указанной интерферограммы. Полученные результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о регистрации факта воздействия ЛИ на макет ОЭС и позволяют определить длину волны лазерного излучения.
Возможность определения координат изображения источника ЛИ с использованием камеры ТВС-300Сп в составе макета второго (координатного) канала ОЭС была подтверждена авторами в ходе проведенных ранее натурных и лабораторных экспериментов ([10], С. 40-42; [11], С. 60-63; [12], С. 120-124).
Источники информации
1. Патент EP 1167991 А2 «Method and apparatus for direction recognition of pulsed laser beams using the time interval principle», классы G01S 3/781 и G01S 7/48 (приоритет от 01.07.2000 г., опубл. 29.06.2001 г.).
2. Патент RU 2334243 С1 «Устройство обнаружения лазерного облучения», класс G01S 3/783 (приоритет от 08.11.2006 г., опубл. 20.09.2008 г.).
3. Патент RU 2436038 С1 «Статический Фурье-спектрометр», класс G01B 9/00 (приоритет от 02.07.2010 г., опубл. 10.12.2011 г.).
4. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 2. - 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. - 456 с.
5. В.А. Арутюнов, Н.Г. Богатыренко, В.Г. Иванов, А.Е. Прокофьев. Эффективность передачи мелкоструктурных и точечных изображений матричными инфракрасными ПЗС с барьерами Шоттки диапазона 1,2-5,5 мкм // Изв. Вузов, серия Приборостроение. - 2004, том 47, №9. - С. 38-45.
6. Волосов Д.С. Фотографическая оптика (Теория, основы проектирования, оптические характеристики). - М.: Искусство, 1978. - 543 с.
7. В.В. Тарабукин. Современные сверхширокоугольные дисторзирующие фотографические объективы. - В сб. «Разработка и испытания оптических систем» // Под ред. Волосова Д.С. - Труды ГОИ им. С.И. Вавилова. - 1981, том 49, вып. 183. - С. 44-51.
8. Д.С. Брондз, Е.Н. Харитонова. Коррекция геометрического шума МФПУ с помощью аппроксимации методом наименьших квадратов передаточных характеристик матрицы полиномом Т-го порядка // Журнал «Радиоэлектроника», 2008, №11, http://jre.cplire.ru/jre/nov08/index.html.
9. Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. A.M. Прохоров - М.: Советская энциклопедия, 1984. - 944 с.
10. Арутюнов В.А., Иванов В.Г., Кассиров С.А. Тепловизионная камера ЦНИИ «Электрон» на основе матричных ИК ПЗС с барьерами Шоттки и ее возможности для регистрации быстродвижущихся малоразмерных объектов // Оптический журнал. - 1997, том 64, №2. - С. 38-42.
11. Арутюнов В.А., Богатыренко Н.Г., Иванов В.Г., Прокофьев А.Е. Испытания экспериментальной матричной тепловизионной камеры диапазона 1,2-5,5 мкм на базе кремниевых ИК ПЗС с барьерами Шоттки в условиях мониторинга городских сюжетов // Оптический журнал. - 1999, том 66, №12. - С. 60-63.
12. Каменев А.А., Найшулер Д.В., Савин С.В. Малоэнергетические дифракционные механизмы взаимодействия лазерного излучения со структурой инфракрасного фотоприемника на базе ПЗС // Журнал «Вопросы радиоэлектроники», сер. Общетехническая. - М.: 2011, вып. 5. - С. 120-124.