УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Полезная модель «Устройство обнаружения лазерных излучений» относится к области средств радиоэлектронной борьбы, а более конкретно, к области средств предупреждения об облучении объекта лазерными средствами управления оружием противника (пеленгования источников лазерного излучения).
С распространением применения лазеров в системах управления оружием, особенно с появлением высокоточного оружия с полуактивными лазерными системами наведения, получили развитие устройства обнаружения лазерных излучений. Основное назначение таких устройств - предупреждение о факте лазерного облучения объекта, определение угловых координат источника излучения, определение степени его опасности в целях принятия, при необходимости, соответствующих мер противодействия. В некоторых случаях, например в мирное время кораблями в открытых водах, такие устройства используются также для ведения лазерной разведки, то есть для сбора информации о тактических приемах применения иностранными государствами лазерных средств военного назначения, их носителях и тактико-технических характеристиках, в том числе частотных режимах излучения.
Известно достаточно большое количество таких устройств, используемых в комплексах защиты кораблей, объектов бронетанковой техники, авиационных носителей и наземных объектов [1…9]. Общим для всех этих устройств является решение задачи обнаружения излучений лазеров, работающих на длине волны излучения 1,06 мкм, так как именно эта длина волны используется во всех существующих системах полуактивного наведения ракет, бомб и артснарядов. Учитывая, что существуют лазерные системы военного назначения, в которых используются и другие длины волн излучения, в некоторых устройствах предусматривается возможность обнаружения излучений и на этих длинах волн.
Конструкции всех известных устройств обнаружения лазерных излучений, независимо от длины волны обнаруживаемого излучения, предусматривают наличие следующих обязательных элементов:
- входного защитного оптического окна, изготовленного из материала, прозрачного в спектральном диапазоне обнаруживаемых лазерных излучений (плоско-параллельная пластина из оптического стекла);
- расположенного за защитным окном оптического фильтра, пропускающего излучение на требуемой длине волны;
- диафрагмы, ограничивающей поток поступающего лазерного излучения размерами площадок фотодетекторов многоплощадочного фотоприемника;
- многоплощадочного фотоприемника, чувствительного в требуемом спектральном диапазоне;
- вычислительного устройства, предназначенного для обработки сигналов с выходов площадок фотоприемников с целью определения углового положения источника излучения и выявления частотно - временных характеристик зарегистрированных импульсных последовательностей, а также для выдачи этой информации на устройства запоминания, отображения и постановки помех.
В ряде случаев, например в [1], входные защитные оптические окна оборудуются предохранительными крышками для защиты от внешних климатических и механических воздействий при нахождении аппаратуры в нерабочем состоянии.
Учитывая возможность применения оружия с полуактивным лазерным наведением с любого направления, блоки обнаружения излучений таких устройств в большинстве случаев обеспечивают обзор до 180° в горизонтальной плоскости и до 90° в вертикальной плоскости. Установка двух таких блоков с ориентацией в противоположных направлениях позволяет осуществлять всеракурсное, беспоисковое по направлению и частоте обнаружение источников лазерных излучений во всей верхней полусфере.
Определение углового положения источника лазерного излучения в известных устройствах осуществляется за счет того, что, в зависимости от угла падения потока излучения, это излучение, пройдя входное защитное оптическое окно и оптический фильтр, через отверстие диафрагмы в виде параллельного потока попадает на соответствующий конкретной пространственной зоне обзора фотодетектор (площадку фотоприемника).
Угловое разрешение устройства (точность пеленгования) ограничено количеством таких фотодетекторов в многоплощадочном фотоприемнике, размерами отверстия диафрагмы и расстоянием между отверстием диафрагмы и фотоприемником.
2
2
Дальность обнаружения источников излучения определяется чувствительностью устройств на рабочей длине волны лазерного излучателя. Основными факторами, от которых зависит чувствительность устройств, являются чувствительность фотоприемника, коэффициент пропускания излучения в оптическом тракте устройства и размер отверстия диафрагмы. При создании таких устройств выбор фотоприемника и разработка оптического тракта осуществляются исходя из необходимости достижения максимальных значений чувствительности и коэффициента пропускания. Размеры отверстия диафрагмы определяются размерами площадок многоплощадочного фотоприемника и в любом случае соизмеримы с размерами этих площадок, т.к. прошедший через отверстие диафрагмы поток лазерного излучения должен попадать на участок многоплощадочного фотоприемника, соответствующий размеру площадки фотодетектора. При этом размеры площадок фотодетекторов современных матричных фотоприемников, используемых в устройствах обнаружения лазерных излучений, лежат в диапазоне от долей мм до десятков мкм.
Основным недостатком известных устройств, в том числе устройства принятого в качестве прототипа [1], является низкая чувствительность, обусловленная, главным образом, необходимостью значительного ограничения падающего потока лазерного излучения за счет его диафрагмирования. По этой причине в известных устройствах обнаружение лазерного излучения возможно только в пределах участка облучаемого объекта, охватываемого пятном лазерного луча. Для современных лазерных целеуказателей и дальномеров, при дистанциях облучения объектов, достигающих 10 и более км, диаметр пятна лазерного луча в плоскости объекта при типовой расходимости луча лазерного целеуказателя 1…2 мрад может составлять 10…20 м. Поэтому на пространственно протяженных объектах (например, на кораблях), существенно превышающих указанные размеры, устанавливается несколько блоков обнаружения лазерных излучений, отстоящих один от другого на 20…30 м. Вследствие этого в составе устройства - прототипа [1] предусмотрена возможность использования, в зависимости от размеров корабля, от 2 до 12 блоков обнаружения лазерных излучений, размещаемых побортно вдоль надстроек корабля. В корабельном варианте аналогичного зарубежного устройства [6; 9] по этой же причине в составе устройства предусмотрена возможность применения от 2 до 16 блоков обнаружения лазерных излучений. Указанное обстоятельство приводит к существенному увеличению нагрузки на корабль, усложнению алгоритмов обработки информации, увеличению стоимости устройств. Кроме того, необходимость размещения большого количества блоков обнаружения лазерных излучений с обеспечением для них максимальных зон обзора приводит к значительным трудностям в размещении устройств на объектах.
Другим недостатком, присущим известным устройствам, в том числе прототипу, является ограничение по угловой разрешающей способности, обусловленное необходимостью применения многоплощадочных фотоприемников с большим числом фото детекторов. Такие фотоприемники достаточно дороги. Кроме того, малые размеры фотоприемных площадок, в случае их большого количества, являются основным фактором, ограничивающим чувствительность устройств.
Следует также отметить, что ввиду малых пространственных зон обнаружения лазерных излучений в известных устройствах, вероятность правильной регистрации частотно-временных характеристик регистрируемого лазерного излучения в этих устройствах недостаточна из-за имеющих место пропусков импульсов лазерных сигналов при «рыскании» лазерного луча относительно направления облучения объекта с воздушных носителей. Последнее обстоятельство особенно важно в связи с использованием в современных лазерных целеуказателях кодирования временной расстановки импульсов в излучаемых кодовых пачках.
Предлагаемое устройство решает задачи повышения чувствительности и угловой разрешающей способности устройства обнаружения лазерных излучений, увеличения зоны обнаружения излучений, сокращения приборного состава и стоимости устройства, повышения вероятности правильной регистрации частотно-временных характеристик импульсной последовательности лазерных сигналов.
Для достижения указанного технического результата заявляемое устройство обнаружения лазерных излучений содержит ряд соединенных параллельно и ориентированных в различных направлениях фотоприемных каналов, каждый из которых состоит из входного защитного оптического окна, расположенного за защитным окном оптического фильтра, фотоприемника и вычислительного устройства для обработки сигналов с выходов площадок фотоприемника. При этом входные защитные оптические окна каналов выполнены в виде одинаковых фокусирующих оптических линз (объективов), фотоприемники во всех каналах также одинаковы и имеют малое количество фотоприемных площадок (фотодетекторов) с относительно большой площадью, например четырехквадрантных, размещаемых в плоскости, смещенной относительно фокальной плоскости линз.
Существенными отличительными признаками предлагаемого устройства от прототипа являются:
вх
вх
1 Применение в качестве входных оптических элементов приемных каналов одинаковых фокусирующих линз. При этом такие линзы выполняют функции не только входного защитного оптического окна, как и в известных устройствах, но также формируют одинаковые угловые поля зрения приемных каналов, выполняя роль объективов. Фокусирующие линзы каждого приемного канала своими фланцами закреплены на гранях корпуса блока обнаружения и ориентированы в определенных направлениях таким образом, чтобы в совокупности всеми приемными каналами был перекрыт без пропусков весь требуемых сектор обзора пространства. Помимо этого, фланцы крепления фокусирующих линз к корпусу блока обнаружения являются одновременно диафрагмами оптических трактов приемных каналов. Применение фокусирующих линз имеет следствием также повышение чувствительности заявляемого устройства в сравнении с прототипом. Такое повышение чувствительности, по сравнению с прототипом, обусловлено увеличением освещенности площадки фотоприемника в заявляемом устройстве на величину, пропорциональную геометрической светосиле используемого объектива, то есть на величину , где D - диаметр входного отверстия объектива, f - его фокусное расстояние [10]. Так, например, при D=50 мм и f=5 мм чувствительность устройства (освещенность фотоприемника), по сравнению с прототипом, повышается примерно в 100 раз. Такое повышение чувствительности устройства позволяет обнаруживать не только прямое лазерное излучение, то есть в пределах пятна лазерного луча на объекте, как это имеет место в прототипе и других известных устройствах, но и рассеянное в атмосфере лазерное излучение в пределах пятна, измеряемого сотнями метров, так как интенсивность рассеянного вперед лазерного излучения в пределах угла 1°…2° примерно на 2 порядка меньше, чем в прямом луче [11]. Для приведенного выше примера лазерной подсветки объекта 10 км, диаметр рассеянного лазерного пучка с достаточной для обнаружения интенсивностью в угле 1°…2° в плоскости объекта составит 170…340 м. Пятно таких размеров заведомо превышает размеры защищаемого объекта, например корабля. Поэтому для обнаружения факта лазерного облучения корабля достаточно разместить на каждом его борту по одному блоку обнаружения лазерных излучений заявляемого устройства с зоной обзора каждого блока не менее 180° по азимуту и 90° по углу места. Благодаря этому значительно сокращаются приборный состав устройства, его масса, габариты, энергопотребление и стоимость. Кроме того, существенно облегчается размещение устройства на объекте, так как найти место с необходимой зоной обзора для установки одного блока обнаружения гораздо легче, чем для нескольких блоков. Увеличение зоны обнаружения лазерных сигналов до сотен метров практически исключает возможность пропуска регистрации излучаемых противником импульсов в процессе «рыскания» лазерного луча по поверхности объекта, что способствует повышению достоверности и сокращению времени выявления временной расстановки импульсов в кодовых пачках.
2 Применение фотоприемников с малым количеством фотодетекторов (например четырехплощадочных) и их размещение в плоскости, смещенной относительно фокальной плоскости объектива.
При нахождении источника лазерного излучения в поле зрения фотоприемного канала и попадании лазерного луча на поверхность объектива, оптическое изображение удаленного источника лазерного излучения строится в фокальной плоскости объектива в виде близкого к точке пятна, размеры которого определяются кружком рассеяния объектива. Положение этой точки на фокальной плоскости зависит от величины углового смещения источника излучения относительно оптической оси фотоприемного канала. В случае размещения матрицы фотоприемников в фокальной плоскости объектива, изображение источника излучения, имеющее близкий к точечному размер, в зависимости от положения источника излучения относительно оптической оси фотоприемного канала, будет попадать на одну из площадок фотоприемника, расположенных симметрично относительно оптической оси канала. При этом угловая разрешающая способность фотоприемного канала будет определяться количеством фотоприемных площадок, каждая из которых соответствует определенной пространственной зоне обзора. Как отмечалось выше, фотоприемные матрицы с большим количеством фотоплощадок, необходимым для обеспечения высокой угловой разрешающей способности, достаточно дороги, а малые размеры фотоплощадок таких матриц существенно ограничивают чувствительность устройства.
В случае смещения положения фотоприемника относительно фокальной плоскости, изображение источника излучения строится не в виде точки, а в виде пятна конечных размеров, зависящих от величины смещения. Положение центра такого пятна также зависит от величины углового смещения источника излучения относительно оптической оси фотоприемного канала. Если смещение положения фотоприемника относительно фокальной плоскости выбрано таким, что размеры пятна изображения источника излучения несколько превышают размеры площадки фотоприемника, изображение источника излучения будет попадать сразу на несколько фотоприемных площадок. При этом доля пятна, попадающая на каждую из фотоприемных площадок, зависит от положения центра пятна, то есть от углового смещения источника излучения относительно оптической оси фотоприемного канала. Соответственно и амплитуда сигнала на выходе каждой из облучаемых фотоприемных площадок, определяемая долей пятна, попадающего на его поверхность, в этом случае будет зависеть от углового положения источника лазерного излучения относительно оптической оси фотоприемного канала. На рисунке Фиг.1 на примере четырехквадрантного фотоприемника иллюстрируется зависимость соотношения амплитуд сигналов на выходах приемных площадок от углового положения источника излучения относительно оптической оси фотоприемного канала. Если источник лазерного излучения расположен в направлении оптической оси объектива канала обнаружения (случай 1, на Фиг.1 в центре), то пятно изображения источника излучения расположено симметрично по отношению к квадрантам фотоприемника и сигналы на всех четырех выходах фотоприемных площадок имеют одинаковые амплитуды. При изменении направления прихода лазерного излучения (случаи 2…9 на Фиг.1) изменяется соотношение амплитуд сигналов на выходах фотоприемных площадок, что при дальнейшей суммарно-разностной обработке дает возможность определять угловые координаты источника лазерного излучения. На Фиг.1 показаны только наиболее характерные случаи расположения изображения источника лазерного излучения на плоскостях симметрии квадрантного фотоприемника. Очевидно, что в заявляемом устройстве также имеется возможность определения угловых положений источников лазерного излучения иных, чем изображенные на Фиг.1. Как следует из представленной на Фиг.1 зависимости, в заявляемом устройстве точность измерения угловых координат источника лазерного излучения определяется не столько количеством фотоприемных площадок, сколько достижимыми точностями калибровки измерительных каналов, измерения и суммарно-разностного сравнения сигналов с выходов площадок фотоприемника.
На иллюстрации, представленной на рисунке Фиг.2, приведена блок-схема варианта устройства. В представленном варианте устройство содержит 2 одинаковых блока обнаружения лазерных излучений 1. Поля зрения блоков обнаружения лазерных излучений ориентируются во взаимно противоположных направлениях. Каждый блок обнаружения лазерных излучений состоит из нескольких каналов обнаружения лазерных излучений 2. На Фиг.2 в составе каждого блока обнаружения лазерных излучений 1 изображено в качестве примера по 5 каналов обнаружения лазерных излучений 2, расположенных в горизонтальной плоскости, и по одному каналу 2 ориентированному в зенит (изображены кругами). Поля зрения каждого из каналов обнаружения лазерных излучений 2 одинаковы, ограничены зоной обзора, границы которой обозначены как 3, и в сумме охватывают всю верхнюю полусферу. Выходы блоков обнаружения лазерных излучений 1 соединены с входами блока обработки информации 4, выход которого соединен с входом блока отображения, документирования информации и управления средствами создания помех 5 (блок 5 в состав устройства не входит).
На рисунке Фиг.3 приведена блок-схема канала обнаружения лазерных излучений 2. Все каналы обнаружения лазерных излучений 2 идентичны и различаются только пространственной ориентацией. Каждый канал обнаружения лазерных излучений 2 содержит входную фокусирующую линзу 7, оптический фильтр 8, четырехплощадочный фотоприемник 10. Сигналы с выходов каждой приемной площадки фотоприемника поступают на соответствующие логарифмические усилители >, после чего через выходы Вых.1…Вых.4 подаются на вход блока обработки информации 4.
Устройство работает следующим образом. При облучении объекта одним или несколькими источниками лазерного излучения 6, лазерный луч или его рассеянная в атмосфере составляющая попадают на вход одного из каналов обнаружения лазерных излучений 2, в поле зрения которого находится источник лазерного излучения 6. Параллельный поток лазерного излучения, приходящийся на всю поверхность входного окна канала обнаружения лазерных излучений 2, представляющего из себя фокусирующую линзу (объектив) 7, фокусируется в сходящийся пучок. Этот пучок, пройдя оптический фильтр 8, расположенный между объективом и фотоприемником и пропускающий только лазерное излучение с требуемой длиной волны, попадает на фотоприемник 10. Фотоприемник с малым числом площадок, например четырехквадрантный, расположен в плоскости, смещенной относительно фокальной плоскости объектива таким образом, чтобы размер пятна сходящегося лазерного пучка 9 был не меньше размера одной фотоприемной площадки. При этом фотоприемные площадки расположены симметрично относительно оптической оси фотоприемного канала 2. В зависимости от углового положения источника лазерного излучения 6 в пределах поля зрения фотоприемного канала 2, зарегистрировавшего излучение, соотношение амплитуд сигналов на выходах площадок фотоприемника этого канала будет изменяться согласно зависимости, иллюстрируемой Фиг.1. Сигналы с выходов площадок фотоприемника 10 поступают на входы соответствующих логарифмических усилителей >. С выходов логарифмических усилителей всех каналов, входящих с состав каждого блока обнаружения лазерных излучений, сигналы подаются на входы блока обработки информации 4. В блоке обработки информации 4 происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы требуемой амплитуды, оцифровка временных интервалов между зарегистрированными импульсами лазерного излучения, а также производится суммарно-разностное сравнение сигналов с выходов площадок фотоприемника 10 канала обнаружения лазерных излучений 2, зарегистрировавшего лазерное излучение источника 6. В результате такой обработки производится определение угловых координат источника лазерного излучения 6, а также интервалов (закона) временной расстановки импульсов, излучаемых источником 6. Эти данные с выхода блока обработки информации 4 поступают на вход блока отображения, документирования и управления средствами создания помех 5.
В случае необходимости обнаружения лазерных излучений на достаточно близких длинах волн, например 1,06 и 1,54 мкм, задача может быть решена за счет применения в устройстве оптического фильтра 8 с полосой пропускания, обеспечивающей прохождение через него излучения на этих длинах волн. Другим вариантом решения задачи обнаружения излучений на нескольких длинах волн является использование в составе устройства нескольких комплектов блоков обнаружения 1, отличающихся используемыми в них оптическими фильтрами. В этом случае число комплектов блоков обнаружения определяется числом обнаруживаемых длин волн, а полосы пропускания используемых оптических фильтров должны соответствовать длинам волн обнаруживаемых излучений.
Изложенные выше описание конструкции заявляемого устройства и его действия (работы) свидетельствуют о возможности осуществления данной полезной модели на современном техническом уровне и достижения того технического результата, для которого предназначена заявляемая полезная модель. Подтверждением технической реализуемости устройства является фото, представленное на Фиг.4, иллюстрирующее внешний вид одного из вариантов заявляемого устройства. Наземные испытания этого варианта устройства подтвердили достижимость заявленного технического результата.
Перечень использованных источников информации
1 Корабельная станция обнаружения лазерного излучения «Спектр-Ф», «Морская радиоэлектроника», Краткий справочник. С-Пб, изд. «Политехника», 2003, стр.65.
2 «Штора», автономный комплекс индикации лазерного облучения системы защиты. «Оружие России», Каталог вооружения, военной и специальной техники. ЗАО «ОВК «Бизон», 2010.
3 Система предупреждения о лазерном облучении. Janes Defens Weekly, 2004, v.41, №51, p.21.
4 Морские лазерные системы предупреждения о лазерном облучении. NAVAL FORCES, 1/2007, p.15-17.
5 Аппаратура дистанционного сбора разведывательных данных. Иностранная печать об экономическом и военном потенциале государств - участников СНГ и технических средствах его выявления. Серия: «Технические средства разведывательных служб зарубежных государств», М., ВИНИТИ, №11, 2002, стр.4.
6 NLWS - Naval laser-warning system. Laser detection and identification. SAAB GROUP. ALL RIGHTS RESERVED, 2010.
7 Устройство обнаружения лазерного облучения. Патент на изобретение №2334243 (RU). Опубликовано 20.09.2008.
8 Детектор углового положения оптического источника. Патент на изобретение №2399063 (RU). Опубликовано 10.09.2010.
9 COLDS NG B - Корабельное средство обнаружения вооружений с лазерным наведением. Рекламный проспект фирмы CASSIDIAN. ALL RIGHTS RESERVED 2012.
10 Якушенков Ю.Г. «Оптические системы фотоэлектрических систем», Изд. «Машиностроение», М., 1966.
11 Зуев В.Е. «Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере», Изд. «Советское радио», М., 1970.