Адаптивная система апертурного зондирования компенсации искажений волнового фронта в лазерных системах
ADAPTIVE APERTURE PROBING SYSTEM FOR WAVEFRONT DISTORTION COMPENSATION IN LASER SYSTEMS

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в лазерных системах локации, доставки энергии на космические аппараты, лидарах и других лазерных системах различного назначения с адаптивным управлением фазовым фронтом методом апертурного зондирования.
Из существующего уровня техники известен способ компенсации атмосферных искажений, вносимых турбулентной атмосферой в оптический сигнал, получаемый от наблюдаемого космического тела [1]. В способе с помощью лазера формируют на заданном упреждении в поле зрения системы визуализации, искусственный опорный источник - натриевую оптическую звезду (НЗ), направляют регистрируемый оптический сигнал от КТ (космического тела) и НЗ на адаптивную оптическую систему (АОС), через селективный оптический элемент отводят часть сигнала НЗ на регистратор. В качестве регистратора применяют счетчик фотонов прошедших через диафрагму дифракционного размера, сигнал с которого является управляющим АОС.
Данная адаптивная система не может управлять лазерным пучком. Она предназначена для построения исправленного изображения астрономических объектов и космических тел (КТ), близкого к дифракционному пределу, с использованием искусственного источника (лазерная опорная звезда или НЗ).
Известно также устройство управления лучом и метод управления мощным лазерным пучком [2] в котором применен метод обращения волнового фронта (ОВФ) на основе свойства нелинейного сопряжения оптической фазы (фазово-сопряженные зеркала в лазерном предусилителе и лазерном усилителе мощного излучения) и жидкокристаллические ОРА (ОРА - optical phase array, аналог деформируемого адаптивного зеркала), работающие при низких уровнях мощности, что позволяет избежать ограничений на мощность излучения, которые накладываются при установке адаптивного зеркала в канале мощного излучения. В устройстве при работе используется отдельный источник излучения (Master Oscillator) для освещения цели. В данном патенте реализован метод двойного преобразования предискажений с применением метода ОВФ, который предложен в монографии [3].
Основным недостатком данного устройства компенсации искажений мощного лазерного излучения является то, что для его работы требуется отражающий объект, а оно применимо только для режима фокусировки излучения на цель, а при более широкой подсветке объекта захватывается область с максимальной интенсивностью. То есть для замыкания контура адаптивной обратной связи (АОС) необходимо применять независимый удаленный от системы формирования и наведения (СФН) объект.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому изобретению, является адаптивная система [4]. В адаптивной системе применен метод апертурного зондирования с соосным распространением основного и зондирующего источника излучения, фокусированного на заданной дальности, и приемом, соосно с зондирующим пучком, излучения рассеянного назад атмосферным аэрозолем. Принятый сигнал используется для управления адаптивным зеркалом и компенсации искажений в зондирующем и основном пучке. В данной работе впервые в атмосфере экспериментально подтверждена возможность применения лидарного метода, основанного на приеме излучения рассеянного атмосферой, для управления адаптивной системой.
Адаптивная система апертурного зондирования компенсации искажений волнового фронта [4] включает, основной лазер длиной волны λ1, излучение которого, оптически и соосно, направляют через оптическую систему, плоское зеркало, первый вход блока объединения, адаптивное зеркало, плоское зеркало и оптическую систему формирования и наведения с заданным волновым фронтом в атмосферу, и зондирующий частотно-импульсный лазер длиной волны λ2, излучение, которого оптически и соосно, направляют через вторую оптическую систему, второй вход блока объединения, адаптивное зеркало, плоское зеркало и систему формирования и наведения, соосно с излучением основного лазера направляют в атмосферу и фокусируют на заданном расстоянии L. Излучение зондирующего источника, рассеянное в обратном направлении атмосферным аэрозолем из области фокусировки, плоским зеркалом, оптически и соосно с СФН, направляют через приемную оптическую систему, светофильтр на λ2, апертурную диафрагму, которая установлена в плоскости изображения области фокусировки зондирующего излучения, в фотоприемный блок. Сигнал с выхода фотоприемного блока через блок обработки сигнала и управления адаптивным зеркалом соединен с входами адаптивного зеркала. В данном устройстве блок обработки сигнала и управления выполнен на компьютере, в котором реализована программа стохастического алгоритма параллельного градиентного спуска (САПГС).
Данная адаптивная система апертурного зондирования компенсации искажений волнового фронта имеет следующие недостатки.
а) Адаптивная система не позволяет уменьшить или исключить фоновую засветку из сигнала, широкополосный шум импульсного усилителя фотоприемного блока при применении непрерывного и частотно-импульсного источника зондирующего излучения, что уменьшает отношение сигнал/шум.
б) Адаптивная система не компенсирует аберрации 1-го порядка (наклоны волнового фронта) - низкочастотные угловые отклонения совмещенных осей основного и зондирующего пучков относительно оптической оси системы формирования и наведения возникающих при термодеформации зеркал, дрожания конструкций и влияния атмосферы. При этом практически весь или большая часть динамического диапазона адаптивного зеркала затрачивается не на исправление высокочастотных аберраций кривизны волнового фронта (аберрации 2-го порядка) и более высоких порядков (местные искажения волнового фронта), а на компенсацию этих угловых отклонений, требующих наклона плоской поверхности.
Техническими результатами заявляемого изобретения выделены:
- повышение в адаптивной системе апертурного зондирования отношения сигнал/шум при применении, как частотно-импульсного источника излучения, так и непрерывного, с синусоидальной или импульсной модуляцией.
- повышение быстродействия работы адаптивной системы апертурного зондирования.
Технические результаты достигаются следующим образом:
1. В известную адаптивную оптическую систему (АОС) апертурного зондирования между фотоприемным блоком (ФП) и блоком обработки сигнала и управления адаптивным зеркалом (БОУ) дополнительно включены блок селективного усилителя, выделяющего модулированный сигнал на фоне медленно меняющейся засветки, и блок детектора с фильтром нижних частот, который выделяет составляющую сигнала пропорциональную интенсивности обратно рассеянного излучения зондирующего пучка из области фокуса. Максимизация сигнала с фотоприемника является целевой функцией работы АОС. Селективный усилитель увеличивает отношение сигнал/шум, так как выделяет только частоту первой гармоники импульсного сигнала, исключая медленно меняющуюся фоновую засветку и все шумы импульсного усилителя фотоприемного блока вне полосы пропускания усилителя.
2. В адаптивную систему апертурного зондирования компенсации искажений волнового фронта по п.1 включен дополнительный контур измерения смещения изображения фокального пятна зондирующего пучка (низкочастотные направления распространения), построенного приемной оптической системой (ПОС), относительно оптической оси СФН и компенсации этих углов рассогласования управляемым плоским зеркалом (аберрации волнового фронта 1-го порядка) на участке между блоком согласования и адаптивным зеркало (АЗ). Контур включает светоделитель установленный на выходе ПОС один выход которого направляет изображение фокального пятна зондирующего пучка с длиной волны λ2 на апертурную диафрагму фотоприемника, а второй в последовательно соединённые блок измерения координат центра тяжести изображения фокального пятна (БИЦλ2), построенного ПОС, и плоское зеркало (УЗ), управляемое по углам, вход УЗ оптически соединен с выходом блока объединения, а выход входом АЗ. При этом контур адаптивной системы фотоприемник - АЗ компенсирует в основном аберрации волнового фронта 2 - ого и более высоких порядков (радиус волнового фронта и его внутренние искажения) с предельной скоростью.
Предлагаемое изобретение представлено на фиг. 1, где позициями обозначены следующие элементы: 1 - источник основного излучения, 2 - оптическая система (ОС-1), 3, 6, 11- плоские зеркала, 4 - блок объединения, 4 - адаптивное зеркало (АЗ), 7 - оптическая система формирования и наведения (СФН), 8 - источник зондирующего излучения, 9 - оптическая система (ОС-2), 10 - область фокусировки зондирующего пучка, 12 - приемная оптическая система (ПОС), 13 - светофильтр на длину волны зондирующего излучения, 14 - диафрагма, 15 - фотоприемный блок, 16 - блок обработки сигнала и управления (БОУ), 17 - селективный усилитель и 18 - детектор, L - расстояние фокусировки излучения зондирующего излучения в атмосфере.
На фиг.2 позициями обозначены: 19 - светоделитель, 20 - блок измерения координат центра тяжести изображения фокального пятна зондирующего пучка (БИЦλ2), 21 - плоское зеркало, управляемое по углам (УЗ).
Адаптивная система апертурного зондирования компенсации искажений волнового фронта включает, основной лазер (1) длиной волны λ1, излучение которого, оптически и соосно, направляют через оптическую систему (2), плоское зеркало (3), первый вход блока объединения (4), адаптивное зеркало (5), плоское зеркало (6) и оптическую систему формирования и наведения (СФН) (7) с заданным волновым фронтом в атмосферу, и зондирующий лазер (8), непрерывный или частотно-импульсный длиной волны λ2, излучение, которого оптически и соосно, направляют через оптическую систему (ОС-2) (9), второй вход блока объединения (4), АЗ (5), плоское зеркало (6) и СФН (7), соосно с излучением основного лазера (1) в атмосферу и фокусируют (10) на заданном расстоянии L. Излучение зондирующего источника, рассеянное в обратном направлении атмосферным аэрозолем из области фокусировки, например, зеркалом (11), оптически и соосно с СФН, направляют через приемную оптическую систему (ПОС) (12), светофильтр на λ2 (13), апертурную диафрагму (14), которая установлена в плоскости изображения области фокусировки зондирующего излучения (10), в фотоприемный блок (15), а также последовательно соединенные, блок обработки сигнала и управления (БОУ) (16) и АЗ (5). В адаптивную систему дополнительно включены, последовательно соединенные селективный усилитель (17), детектор с низкочастотным фильтром (18), вход селективного усилителя подключен к выходу фотоприемного блока (15), а выход через детектор (18) к входу БОУ (16), причем непрерывный лазер модулирован по амплитуде, а селективный усилитель настроен на частоту модуляции или частоту следования импульсов.
Адаптивная система апертурного зондирования компенсации искажений волнового фронта работает следующим образом. Излучение основного (1) и зондирующего (8) лазеров формируется в пучки с заданными параметрами ОС1 (2) и ОС2 (9), совмещаются соосно блоком объединения (4) и через АЗ (5) и СФН (5) направляются в атмосферу. Причем зондирующий лазер фокусируется на заданной дальности, а основной с заданным волновым фронтом. Излучение зондирующего пучка обратно рассеянное атмосферой из области заданной фокусировки (10) зеркалом (11), соосно с СФН направляет, через ПОС (12), светофильтр (13), выделяющий излучение зондирующего лазера и частично фона (9), апертурную диафрагму (14) в фотоприемный блок (15), причем апертурная диафрагма установлена в плоскости изображения области фокусировки зондирующего пучка ПОС, размер апертурной диафрагмы выбирается близким к наибольшему из дифракционного разрешения СФН и дифракционного разрешения ПОС с учетом степени когерентности лазера. Селективный усилитель (17) выделяет из всего частотного спектра импульсного сигнала, поступающего с фотоприемного блока (15), частоту первой гармонической составляющей (которая имеет наибольшую амплитуду в спектре сигнала) или частоту модуляции при гармонической модуляции непрерывного лазера. При этом из сигнала исключается медленно меняющаяся фоновая составляющая и шумы широкополосного импульсного усилителя за пределами полосы пропускания селективного усилителя. Сигнал детектируется детектором, сглаживается установленным в нем низкочастотным фильтром (18) и поступает в БОУ (16) в котором, по заданной программе, вырабатываются управляющие сигналы, поступающие на АЗ (5). Целевая функция управления адаптивным зеркалом - достижение максимального уровня сигнала на выходе фотоприемного блока. Для работы блока управления адаптивным зеркалом может быть применен алгоритм стохастического градиентного спуска, который уже нашел широкое применение в адаптивных системах апертурного зондирования [4].
При наличии искажений или разъюстировки элементов оптической системы, например, за счет температурной нестабильности, термодеформаций оптических элементов при нагреве основным мощным излучением, атмосферной турбулентностью изменяется направление распространения, расходимость обоих пучков и распределение интенсивности в них. Эти искажения приводят к увеличению размера и формы зондирующего пучка в области фокусировки и аналогичному пропорциональному изменению его изображения на апертурной диафрагме и только часть изображения, через диафрагму радиусом близким к дифракционному изображению, направляется в фотоприемный блок, и уровень сигнала на его выходе уменьшается. Программа блока обработки сигнала и управления АЗ, вырабатывая сигналы работы управления элементами АЗ, достигает максимального значения, непрерывно сравнивая результат работы элементов зеркала с предыдущим. Процесс управления продолжается, непрерывно поддерживая максимум сигнала с фотоприемного блока, решая поставленную задачу.
Второй задачей технического решения, является повышение быстродействия работы адаптивной системы апертурного зондирования. Аберрации в лазерных пучках разделяются на 2 группы по средствам их компенсации. Аберрации 1-го порядка - наклоны, задают направление распространения пучка, более низкочастотные и достаточно большие по величине, а их компенсация требует плоской поверхности отражающего элемента, например плоское зеркало. Аберрации 2-го порядка - кривизна фазового фронта, задает угловую расходимость пучка, а аберрации более высокого порядка - определяют структуру нарушений в среднем фазовом фронте. Эти аберрации высокочастотные и значительно меньше аберраций 1-го порядка и для их компенсации необходимо высокое быстродействие, которым обладает АЗ.
В АОС дополнительно введен контур измерения смещения изображения фокального пятна зондирующего пучка построенного ПОС относительно оптической оси СФН и компенсации этих углов рассогласования управляемым по наклонам плоским зеркалом на участке между блоком согласования и АЗ. При этом контур адаптивной системы фотоприемник - АЗ компенсирует аберрации волнового фронта второго и более высоких порядков с предельной скоростью. Для достижения технического результата АОС дополнительно введен светоделитель, блок измерения координат центра тяжести изображения фокального пятна зондирующего пучка с длиной волны λ2 (БИЦλ2) построенного ПОС и плоское зеркало (УЗ), управляемое по углам.
В адаптивную систему апертурного зондирования для увеличения быстродействия компенсации искажений дополнительно включены светоделитель (19), блок БИЦλ2 (20) для измерения координат центра тяжести изображения зондирующего пучка с длиной волны λ2 и управляемое плоское зеркало УЗ (21), причем выход ПОС (12), оптически и соосно, через светофильтр (13), на длину волны λ2, связан с входом дополнительно введенного светоделителя (19), один выход которого, через апертурную диафрагму (14), оптически и соосно связан с входом фотоприемного блока (15), а другой выход, оптически и соосно связан с входом дополнительно введенного БИЦλ2 (20), вход БИЦλ2 и апертурную диафрагму (14) фотоприемного блока (15), устанавливают в плоскости изображения фокального пятна (10) зондирующего излучения. Выход блока БИЦλ2 (20), подключен к управляющим входам плоского зеркала УЗ (21), которое устанавливают между блоком объединения (4) и АЗ (5), оптический вход УЗ (21) соосно связан с оптическим выходом блока объединения (4), а выход соосно с оптическим входом АЗ (5).
Адаптивная система апертурного зондирования с учетом двух поставленных решений технических решений (фиг. 2) работает следующим образом. Совмещенные блоком совмещения (4) оптические оси основного лазера (1) и зондирующего частотно-импульсного или непрерывного модулированного по амплитуде (8), через плоское управляемое зеркало УЗ (21), АЗ (5) и СФН (7) соосно направляют в атмосферу, причем зондирующее излучение фокусировано на заданной дальности. Рассеянное атмосферой назад зондирующее излучение принимается ПОС (12) и через светоделитель (19) строит изображение фокального пятна на апертурной диафрагме (14) фотоприемного блока (15) и на входе блока измерения центра тяжести изображения БИЦλ2 (20). Измеренные координаты центра тяжести поступают на управляемое по углам плоское зеркало (21), которое компенсирует возникающие углы рассогласования между совмещенными оптическими осями лазеров и осью АЗ - СФН и поддерживает изображения фокального пятна на входе блоков (15) и (20). При этом обеспечивается совмещение оптических осей лазерных пучков с осью СФН при распространении в атмосфере. Селективный усилитель (17) выделяет из всего частотного спектра импульсного сигнала, поступающего с фотоприемного блока (15), частоту следования импульсов лазера или частоту модуляции при гармонической модуляции непрерывного лазера. Из сигнала с фотоприемного блока (15), пропорционального интенсивности излучения прошедшего через диафрагму (14), селективный усилитель (17) выделяет сигнал пропорциональный частоте модуляции зондирующего лазера, который детектируется детектором (18) сглаживается фильтром и поступает в БОУ (16) в котором, по заданной программе, вырабатываются управляющие сигналы, поступающие на АЗ (5). Программа БОУ, вырабатывая сигналы управления элементами АЗ, достигает максимального значения, непрерывно сравнивая результат работы элементов зеркала с предыдущим. Процесс управления продолжается, непрерывно поддерживая максимум сигнала с фотоприемного блок, решая поставленную задачу.
Введение в контур адаптивной системы фотоприемник - АЗ селективного усилителя и детектора решает задачу повышения отношения сигнал/шум путем исключения влияния фоновой засветки и шумов импульсного усилителя вне полосы пропускания селективного усилителя. Введение дополнительного контура блок БИЦλ2 - управляемое плоское зеркало компенсирует аберрации первого порядка (наклоны), освобождая АЗ от компенсации этих аберраций. При этом весь ресурс (скорость) АЗ направляется на компенсацию аберраций более высокого порядка.
К настоящему времени выполнены экспериментальные исследования в реальной атмосфере подтверждающие работоспособность технических решений, примененных в адаптивной системе [5-10].
Список используемых источников
1. Патент RU 2737230
2. Патент US 20030062468 A1, 2003
3. М.А. Воронцов, В.И. Шмальгаузен. Принципы адаптивной оптики. М.: Наука, 1975. 335с.
4. Кусков В.В. (ИОА, ТГУ), Шестернин А.Н. Изменение эхосигнала в ходе адаптивной коррекции при различных параметрах приёмо - передатчика излучения // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXIV Международного симпозиума, г.Томск, 02-05 июля 2018 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2018. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). ISBN 978-5-94458-172-3. C. B345-В348.
5. Банах В.А., Жмылевский В.В., Игнатьев А.Б., Морозов В.В., Смалихо И.Н., Цвык Р.Ш., Шестернин А.Н. Апробация метода адаптивного метода управления волновым фронтом лазерного пучка по обратному рассеянному излучению // Оптика атмосферы и океана, 2014. Т.27. № 11. С.962-969
6. Банах В.А., Жмылевский В.В., Игнатьев А.Б., Морозов В.В., Разенков И.А., Ростов А.П., Цвык Р.Ш. Управление начальным волновым фронтом оптического пучка по сигналу обратного атмосферного рассеяния // Квантовая Электроника, 2015. Т.45. №2. С.153-160.
7. Банах В.А., Жмылевский В.В., Игнатьев А.Б., Морозов В.В., Цвык Р.Ш., Шестернин А.Н. Подавление начальных искажений лазерного пучка при использовании рассеянного на экране излучения для управления гибким зеркалом // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26, № 12. С. 1023-1028.
8. Кусков В.В. (ИОА, ТГУ), Банах В.А., Гордеев Е.В. Компенсация случайных искажений волнового фронта по сигналу обратного атмосферного рассеяния // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы [Электронный ресурс]: Материалы XXVI Международного симпозиума, г.Москва, 06-10 июля 2020 г. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2020. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). C. B151 - B154. ISBN 978-5-94458-180-8.
9. US 2012/0018614 A1 Date: Jan. 26, 2012.
10. Шанин О.И. Адаптивные оптические системы коррекции наклонов. Резонансная адаптивная оптика / Москва: Техносфера, 2013. 296 с. ISBN 978-5-94836-347-9