СПОСОБ НАВЕДЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
LASER BEAMS GUIDANCE METHOD AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

I Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области лазерной локации и лазерной связи в открытом пространстве и может быть использовано в установках непрерывных лазеров для передачи световой энергии на расстояние.
II Предшествующий уровень техники
Транспортировка света в свободном пространстве связана с необходимостью точного наведения лазерных пучков, захвата и сопровождения движущихся объектов - приемников энергии (информации). Традиционно задача решается с применением систем автоматического регулирования (САР), при этом требования к точности слежения за объектом, надежности и дальности передачи излучения постоянно растут. В качестве примера можно привести демонстрационный сеанс лазерной связи между наземной станцией и спутником на лунной орбите, когда направленность лазерных пучков поддерживалась с точностью до одной угловой секунды [1]. Поэтому актуальна задача создания простых компактных высокоточных устройств наведения лазерных пучков.
Известен способ наведения лазерного пучка на какой-либо объект, согласно которому в оптический тракт между лазером и пеленгационным фотоприемником вводят вспомогательный двунаправленный пучок оптического излучения, распространяющийся от места ввода в оптически сопряженных направлениях: в одном направлении (диагностическом) пучок идет к резонатору лазера, формируя для фотоприемника сигнал с информацией о положении оптической оси резонатора лазера, в другом направлении (опорном) пучок идет к фотоприемнику, где измеряется рассогласование между положениями диагностического, опорного и пеленгационного (т.е. несущего информацию о направлении на объект) сигналов, на основании чего осуществляют управление оптическим узлом, служащим выходным для лазерного излучения и входным для сигнала пеленга [2].
Известный способ реализуется с помощью устройства, содержащего позиционно-чувствительный фотоприемник, дефлектор с одним или несколькими исполнительными элементами контура управления, светоделитель, пропускающий к дефлектору лазерное излучение и направляющий к фотоприемнику пеленгационный сигнал и вспомогательное излучение, оптический узел, разводящий вспомогательное излучение по двум оптически сопряженным направлениям, источник вспомогательного излучения. Недостатками известного решения являются техническая сложность создания оптической схемы двунаправленного светового пучка, а также возможность появления перекрестных помех при измерениях рассогласований между положениями сигналов в случаях, когда направление лазерного излучения совпадает с пеленгом.
Известны лазерные локационные станции (ЛЛС), оптические схемы которых включают в себя несколько объективов, позиционно-чувствительных фотоприемных устройства и один или более светоделитель, разделяющий в пространстве световые пучки таким образом, чтобы каждый пучок фокусировался с помощью соответствующего объектива в апертуре своего ФПУ [3]. Поскольку параллельные лучи отображаются объективом в некоторую точку, расположенную в фокальной плоскости объектива, а свет удаленного и лазерного источников можно рассматривать как пучки параллельных лучей, положение этой точки (центра пучка) в апертуре ФПУ определяет угловое смещение пучка. Нахождение положений центров пучков, их рассогласования и выдача сигналов управления происходит в режиме реального времени.
Недостатком разделения приемного тракта на несколько каналов является, во-первых, увеличение габаритов, массы и стоимости установки. Во-вторых, воздействие внешних возмущений на элементы оптического тракта приводит к одинаковым, либо ничтожным угловым смещениям световых пучков. При установке подобной конструкции на мобильный носитель требуется принятие дополнительных мер вибрационной защиты. В-третьих, значительные трудности вызывает первоначальная юстировка ЛЛС с несколькими ФПУ, которые необходимо установить строго в оптически сопряженных плоскостях.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании изобретения техническому результату - прототипом заявляемого изобретения, является способ наведения лазерных пучков, включающий прием пеленгационного оптического сигнала от удаленного объекта, создание изображения удаленного объекта с помощью единственного матричного ФПУ и нахождение центра пеленгационного светового пучка. При этом формируют лазерный пучок, который разделяют на две части, одну часть посылают в направлении удаленного объекта, а другую часть фокусируют в апертуре ФПУ для создания изображения лазерного источника и определяют положение центра парциального пучка [4]. По результатам измерений находят рассогласование между положениями центров пеленгационного и парциального пучков, и формируют управляющие сигналы для совмещения осей лазерного пучка и пеленгационного пучка.
Известный способ предложено реализовать с помощью упрощенной следящей системы, включающей телескоп для приема оптического сигнала от удаленного объекта и передачи лазерного пучка, координатно-чувствительное ФПУ, помещенное в фокальной плоскости формирователя изображений на оптической оси телескопа, светоделитель, помещенный на упомянутой оптической оси между упомянутыми телескопом и ФПУ, ретрорефлектор, помещенный с одной стороны светоделителя, дефлектор, расположенный по другую сторону светоделителя напротив ретрорефлектора, лазерную установку, формирующую лазерный пучок, падающий на упомянутый дефлектор и отклоненный дефлектором на упомянутый светоделитель, который отражает первую часть лазерного пучка в упомянутый телескоп для передачи по направлению линии визирования, а вторую часть лазерного пучка пропускает на ретрорефлектор для отражения назад в упомянутый светоделитель и далее для отклонения светоделителем в упомянутое ФПУ. Расстояние между центрами светового пучка и второго парциального лазерного пучка, найденное с помощью матричного ФПУ в фокальной плоскости формирователя изображений и определяющее угловое смещение первого парциального (выходного) пучка относительно пеленга, используется для вычисления сигналов управления дефлектором с целью совмещения направления выходного лазерного пучка с пеленгом.
Применение указанного способа ограничено возможностью появления перекрестных помех в случаях близкого расположения центров пучков, что приводит к наложению изображений поперечных сечений пучков, ошибке в измерениях величины и знака упомянутого относительного углового смещения, и, как следствие, к срыву сопровождения.
III Раскрытие изобретения
Задача и достигаемый при использовании изобретения технический результат - обеспечение высокой точности наведения путем устранения перекрестных помех и уменьшение ошибки в измерениях углового смещения первого парциального (выходного) пучка относительно пеленга.
Технический результат достигается тем, что в способе наведения лазерных пучков, включающем прием пеленгационного оптического сигнала от удаленного объекта, направление пеленгационного светового пучка в ФПУ для создания изображения удаленного объекта, формирование при помощи по меньшей мере одного лазерного источника соответственно одного лазерного пучка, который разделяют на две части, при этом первый парциальный пучок посылают в направлении удаленного светового объекта, а второй парциальный пучок фокусируют в апертуре ФПУ для создания изображения соответствующего лазерного источника, определение положения центров пеленгационного светового пучка и второго парциального лазерного пучка, по результатам рассогласования положения которых вычисляют сигналы управления для совмещения оси лазерного пучка с осью пеленгационного пучка, согласно изобретению, положение центров второго парциального и пеленгационного пучков измеряют по очереди, для чего оптический тракт второго парциального лазерного пучка перекрывают и открывают лишь на время измерения положения центра второго парциального лазерного пучка, при этом во время измерения положения центра упомянутого пучка изображение лазерного источника должно быть ярче изображения удаленного объекта.
Заявленный способ реализуется при помощи устройства, включающего телескоп для приема пеленгационного оптического сигнала от удаленного объекта, расположенные на оптической оси телескопа светоделитель, формирователь изображений и помещенное в фокальной плоскости формирователя изображений фотоприемное устройство, при этом вне оптической оси телескопа с одной стороны от светоделителя расположены оптический затвор и ретрорефлектор, а с другой стороны - дефлектор и лазерный излучатель.
В частных случаях осуществления изобретения:
- в качестве оптического затвора используется модулятор интенсивности;
- при этом в качестве модулятора интенсивности может быть использован электрооптический модулятор или акустооптический модулятор;
- в качестве в качестве фотоприемного устройства используется твердотельный матричный фотоприемник или координатно-чувствительный фотодиод или координатно-чувствительный фотоэлектронный умножитель.
IV Краткий перечень фигур графических изображений
Сущность изобретения иллюстрируется фигурами графических изображений.
На фиг. 1 изображена упрощенная оптическая схема устройства автоматического наведения одного лазерного пучка.
На фиг. 2 изображена упрощенная оптическая схема устройства автоматического наведения нескольких (двух) лазерных пучков.
На фиг. 3 приведены изображения удаленного объекта (+) и лазерного источника (о), полученные с помощью матричного ФПУ в режиме выключенной (а) и включенной (б) САР в экспериментах на действующей модели устройства, реализующего заявляемый способ.
На фиг. 4 представлены экспериментальные графики временных зависимостей углового смещения пеленгационного (TargetX, TargetY) и лазерного (X, Y) пучков при работе САР в условиях имитации движения объекта.
На фиг. 5 приведены расчетный по методу, описанному в [5], и экспериментальные графики функции подавления ошибки ERJ(f).
V Осуществление изобретения
Заявленный способ реализуется при помощи устройства, представленного на фиг. 1 (в случае автоматического наведения одного лазерного пучка) и фиг. 2 (в случае автоматического наведения нескольких лазерных пучков), включающего телескоп 1 для приема пеленгационного оптического сигнала 2 от удаленного объекта. На оптической оси телескопа 1 расположены светоделитель 3, формирователь изображений 4, в фокальной плоскости которого размещено фотоприемное устройство 5. Вне оптической оси телескопа с одной стороны светоделителя расположены оптический затвор 6 и ретрорефлектор 7, с другой стороны - дефлектор 8 и лазерный блок с по меньшей мере одним лазерным источником 9.
Для устройства наведения одного лазерного пучка в качестве дефлектора 8 может служить акустооптический модулятор или плоское управляемое зеркало (фиг. 1). В случае применения многолучевой лазерной установки (фиг. 2) дефлектором может быть сегментированное зеркало, отражающая пластина которого разделена на n частей, способных независимо друг от друга отклоняться от плоскости под действием электрических сигналов управления и отражать n соответствующих падающих на зеркало лазерных пучков.
Поскольку принцип действия устройства одинаков для любого количества лазерных пучков, в дальнейшем рассмотрим заявленный способ на примере работы системы наведения одного лазерного пучка.
При помощи телескопа 1 осуществляют прием пеленгационного оптического сигнала от удаленного объекта. Пеленгационный световой пучок направляют в ФПУ 5 для создания изображения удаленного объекта. При помощи лазерного источника 9 формируют лазерный пучок, который после дефлектора попадает на светоделитель 3, где основная его часть в виде первого парциального пучка отражается в направлении телескопа 1 и удаленного объекта, а второй парциальный пучок через оптический затвор 6 проходит на ретрорефлектор 7 и возвращается обратно на светоделитель 3, отражается от светоделителя 3 и фокусируется посредством формирователя изображений 4 в апертуре ФПУ 5 для создания изображения лазерного источника 9.
Измеряют по очереди положение центров второго парциального и пеленгационного пучков.
C
В цифровых САР передача информации от датчика в управляющее устройство происходит через дискретный интервал времени, называемый периодом дискретизации. Согласно изобретению, устройство наведения лазерного пучка работает следующим образом: один период дискретизации T разбивают на два временных промежутка, в течение которых происходит измерение центра либо пеленгационного пучка, либо лазерного пучка:
0
1
где t - время измерения пеленгационного пучка, t - время измерения лазерного пучка.
0
В течение промежутка времени t оптический затвор 6 закрыт, в апертуру ФПУ 5 попадает лишь пеленгационный пучок, происходит измерение положения центра пеленгационного пучка. В течение промежутка времени оптический затвор открыт, причем изображение лазерного источника, создаваемое вторым парциальным пучком должно быть ярче изображения удаленного источника. Это достигается, например, выбором коэффициента деления светоделителя. Тогда, несмотря на одновременный прием двух световых потоков (пеленгационного и лазерного), автоматически измеряется положение центра именно лазерного пучка, как более яркого. Проведенные эксперименты показали, что при отношении освещенностей, создаваемых лазерным и пеленгационным пучком в апертуре ФПУ, 2:1 влияние перекрестных помех на результат измерения ничтожно.
C
По окончании периода дискретизации T на основе найденного рассогласования измеренных положений центров пучков вычисляются сигналы управления дефлектором для совмещения оси лазерного пучка с осью пеленгационного пучка.
C
0
i
Аналогичным образом работает устройство наведения n лазерных пучков. В этом случае период дискретизации T разбивают на n+1 временных промежутков, длительность каждого из которых равна времени измерения центра либо пеленгационного пучка t, либо времени измерения одного из лазерных пучков t(i=1,…,n):
0
i
В течение промежутка времени t закрыты все оптические затворы, в апертуру ФПУ попадает лишь пеленгационный пучок, происходит измерение положения центра пеленгационного пучка. В течение каждого следующего промежутка времени t{i=1,…,n) закрыты все затворы, кроме i-го, причем изображение i-го лазерного источника, создаваемое ФПУ в данный промежуток времени, ярче пеленгационного, и автоматически измеряется положение центра i-го лазерного пучка.
На основе найденных рассогласований положений центров пучков вычисляются сигналы управления дефлектором для совмещения осей каждого лазерного пучка с осью пеленгационного пучка.
В качестве оптического затвора 6 может использоваться оптический модулятор интенсивности, например, акустооптический или электрооптический модуляторы, которые надежно работают в режиме синхронизации с ФПУ в широкой полосе частот.
C
Эффективность предлагаемого изобретения подтверждена в лабораторных испытаниях, для чего авторами создана действующая модель устройства и ее программное обеспечение [6]. В состав модели входили электрооптический модулятор МЛ-5, выполняющий функцию оптического затвора, матричное ФПУ Basler асА800-510u, дефлектор, два гелий-неоновых лазера, один из которых имитировал удаленный объект, а второй - наводимый на объект лазерный пучок. Яркость второго парциального лазерного пучка при открытом оптическом затворе примерно в 2 раза превышала яркость пеленгационного пучка, а при закрытом затворе была сравнима с уровнем шума. Синхронно с ФПУ Basler асА800-510u оптический затвор на базе модулятора МЛ-5 запирался и отпирался импульсами прямоугольного напряжения типа меандр с периодом T=600 мкс. Время измерения положения центра каждого пучка, равное длительности одного кадра ФПУ, составляло
Ниже представлены изображения удаленного объекта (+) и лазерного источника (о) в режиме выключенной (Фиг. 3а) и включенной (Фиг. 3б) САР. Погрешность наведения лазерного пучка, измеренная в экспериментах, составила примерно 1 микрорадиан, что существенно меньше погрешности наведения известных систем космической лазерной связи, которая может быть от 5 до 50 микрорадиан [7].
Качество сопровождения движущегося объекта проиллюстрировано на фиг. 4. Показаны временные зависимости углового смещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях пеленгационного (TargetX), (TargetY) и лазерного (X), (Y) пучков при заданных параметрах движения объекта - возмущения в виде гармонических колебаний с частотой 50 Гц.
Количественная оценка эффективности устройства и метода основана на измерении функции подавления ошибки от частоты возмущения ERJ(f) (Фиг. 5). Как видно из графика, относительная ошибка ERJ(f) по заявляемому способу существенно меньше полученной нами ранее в экспериментах без временного разделения световых пучков.
Заявленное изобретение обеспечивает более высокую точность наведения лазерных пучков по одному пеленгу за счет устранения перекрестных помех при измерении положений центров лазерных пучков. Кроме того, заявленный способ реализуется при помощи устройства, имеющего по сравнению с аналогами небольшой вес и габариты, и позволяет унифицировать алгоритм поиска положений центров пучков.
ЛИТЕРАТУРА
2. Патент RU №2343412 C1, опубл. 10.01.2009, Ораевский И.Н. и др. «Способ наведения лазерного излучения на объект».
3. Барышников Н.В. Использование полунатурных методов моделирования при проектировании сложных лазерных оптико-электронных систем. «Наука и образование», 2011, №2, с. 14-25. http://engineering-science.ru/doc/166411.html
4. Патент US №5517016 А, опубл. 31.03.1994, Lesh; James R. (Arcadia, CA), Chen; Chien-Chung (San Gabriel, CA), Ansari; Homayoon (Los Angeles, CA), «Lasercom system architecture with reduced complexity»
5. Matthew R. Whiteley, J.S. Gibson "Adaptive Laser Compensation for Aero-Optics and Atmospheric Disturbances". 38th Plasmadvnamics and Lasers Conference, 2007, 10.2514/6.2007-4012.
6. Программное обеспечение для поиска и сопровождения фокального пятна «РЭЙ», версия 1.0. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018617446 от 25.06.2018.
7. Характеристики бортовых лазерных локационных систем и уголковых отражателей для увеличения дальности измерений до 2000 км при сближении космических аппаратов. «Космическая техника и технологии», 2014, №4 (7), стр. 47-53.