ИМИТАТОР БЛИКОВЫХ ПЕРЕОТРАЖЕНИЙ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
SIMULATOR OF GLARE RE-REFLECTIONS OF LASER LIGHT BY SEA SURFACE

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в качестве имитатора импульсных высокочастотных сигналов, образуемых на выходе матричного фотоприемного устройства с размерностью m n - элементов в матрице, принимающего лазерные излучения, переотраженные бликами морской поверхности, хаотически распределенные во времени и по пространству, при решении локационной задачи по низколетящим ракетам морского базирования (m - число столбцов, n - число строк в матрице).
Известен способ лазерной локации низколетящих ракет морского базирования (типа «Гарпун»), основанный на зондировании дифракционно ограниченного объекта, движущегося над поверхностью моря (океана), немодулированными излучениями одночастотного лазера непрерывного действия и многоканальной когерентной обработке принимаемых излучений матричным фотоприемным устройством с определением доплеровских сдвигов частоты в переотраженном излучении и последующей многоканальной параллельной согласованной фильтрацией выделенных радиосигналов, отличающийся тем, что когерентному приему и обработке дополнительно и одновременно подвергают отраженные от нескольких бликов морской поверхности излучения, поступающие на фотоприемную матрицу с разных произвольно распределенных угловых направлений, определяют в соответствующих каналах, связанных с матричным фотоприемным устройством, доплеровские сдвиги частоты в принятых излучениях от бликов морской поверхности и соответствующие им угловые координаты на эти морские блики, вычисляют текущие координаты местоположения объекта и его истинную скорость, а также статистически усредняют полученные результаты вычислений всей совокупности совместных измерений указанных параметров [1].
Известен также иной способ лазерной локации таких ракет, при котором не используются сигналы рассеянного излучения от ракеты в направлении ее зондирования из-за маскирующих ракету покрытий, снижающих ее эффективную поверхность рассеяния, и решение задачи обнаружения и автосопровождения ракеты осуществляется по перемещающейся с движением ракеты картины бликовых переотражений лазерного излучения бликами морской поверхности, над которой находится движущаяся ракета, рассеивающая зондирующее излучение локатора в направлении на локализованную морскую поверхность [2].
Аналогов заявляемого технического решения не имеется.
Целью изобретения является обеспечение возможности проверки работы радиоэлектронного тракта лазерного когерентного локатора, предназначенного для обнаружения, автосопровождения по угловым координатам и измерения параметров низколетящей ракеты морского базирования - ее радиальной скорости и наклонной дальности - и содержащего в приемном канале матричное фотоприемное устройство размерностью mn-элементов, воспринимающее бликовые переотражения лазерного излучения, рассеянного ракетой в локализованную зону морской поверхности.
Указанная цель изобретения достигается в имитаторе бликовых переотражений лазерного излучения морской поверхностью, включающем последовательно соединенные генератор синхроимпульсов, генератор линейно-частотно-модулированного сигнала, блок из N параллельно работающих смесителей, сумматор линейно-частотно-модулированных сигналов-эквивалентов, согласующий усилитель, дисперсионную линию задержки, компенсирующий потери широкополосный усилитель, амплитудный детектор, пороговое устройство, широкополосный усилитель и формирователь Х-координат бликов, второй вход которого связан с выходом генератора синхроимпульсов, а выход подключен к первому информационному входу персонального компьютера с дисплеем, а также N перестраиваемых по частоте высокочастотных генераторов, подключенных соответственно ко вторым входам смесителей в составе блока смесителей через N-2 управляемых электронных коммутаторов сигналов гетеродинирования, управляющие входы N перестраиваемых по частоте высокочастотных генераторов подключены к выходам N формирователей управляющих напряжений (или кодов), входы которых подключены к выходам N - канального датчика случайных чисел размерностью n каждое, синхронизируемого сигналами генератора синхроимпульсов, где n - число строк матрицы бликовых переотражений эквивалентной зоны морской поверхности, выход генератора синхроимпульсов также подключен ко второму входу персонального компьютера с дисплеем и к входу N-канального датчика случайных чисел размерностью m, где m - число столбцов матрицы бликовых переотражений эквивалентной зоны морской поверхности, выход этого датчика подключен к формирователю Y-координат бликов, выход которого соединен с третьим информационным входом персонального компьютера с дисплеем, кроме того, выход генератора синхроимпульсов соединен с датчиком случайных чисел размерностью N - 2, выход которого управляет формирователем числа включаемых управляемыми электронными коммутаторами N - 2 перестраиваемых по частоте высокочастотных генераторов, а N - 2 выходов этого формирователя связаны с N - 2 управляемыми электронными коммутаторами через соответствующие электронные приводы.
Достижение цели изобретения объясняется формированием на выходе порогового устройства серии случайно распределенных во времени сверхкоротких импульсов, отображающих Х-координаты бликов, число которых случайно меняется в диапазоне от 2 до N в каждом цикле формирования, в котором также формируются соответствующие случайно распределенные Y-координаты бликов, что позволяет программным путем в персональном компьютере с дисплеем для заданных значений радиальной скорости предполагаемой ракеты, высоты ее полета над уровнем моря, начальной наклонной дальности предполагаемой ракеты и координат лазерного когерентного локатора определить динамику полета предполагаемой ракеты во времени с вычислением динамики изменения ее угловых координат - азимута и угла места, используя методику статистического усреднения XY-координат бликов в последовательности циклов их формирования для определения истинных текущих координат предполагаемой ракеты. Имитатор позволяет заменить натурные испытания лазерного когерентного локатора по реально летящей ракете на этапе проектирования структуры локатора, что диктуется экономической целесообразностью.
Структурная схема имитатора представлена на рис.1 и 2 и содержит:
1 - генератор синхроимпульсов (ГСИ),
2 - генератор линейно-частотно-модулированных сигналов (ГЛЧМ),
3 - блок из параллельно работающих N смесителей,
А…Н - N - 2 управляемых электронных коммутаторов,
4 - сумматор линейно-частотно-модулированных сигналов-эквивалентов,
5 - согласующий усилитель,
6 - дисперсионную линию задержки (ДЛЗ),
7 - компенсирующий потери широкополосный усилитель,
8 - амплитудный детектор,
9 - пороговое устройство,
10 - широкополосный усилитель,
Г-01…Г-10 - перестраиваемые по частоте высокочастотные генераторы (число их N),
11…20 - формирователи управляющих напряжений (число их N),
21 - N-канальный датчик случайных чисел размерностью n по каждому,
22 - N-канальный датчик случайных чисел размерностью m,
23 - формирователь Y-координат бликов,
24 - датчик случайных чисел размерностью N - 2,
25 - формирователь числа включаемых управляемыми электронными коммутаторами (от А до Н) N - 2 перестраиваемых по частоте высокочастотных генераторов Г-03…Г-10,
26…33 - электронные приводы (их число N - 2) коммутаторов А…Н,
34 - формирователь Х-координат бликов,
35 - персональный компьютер с дисплеем (с установленной программой обработки).
На рис.3 и 4 показаны летящая со скоростью V ракета 36 на высоте h над морской поверхностью и установленный на корабле лазерный когерентный локатор 37 на расстоянии L от ракеты.
На рис.5 дана блок-схема лазерного когерентного локатора, которая содержит:
2
O
38 - одночастотный газовый лазер непрерывного действия передающего канала, например, мощный СО-лазер с частотой излучения ν (с длиной волны 10,6 мкм),
39 - первый светоделительный кубик (с малым отражением и большим пропусканием),
40 и 41 - отражатели передающего канала,
42 - передающий телескоп,
43 - приемный объектив,
44 - матричный фотоприемник с матрицей размерностью mn-элементов, например, на основе соединения «кадмий-ртуть-теллур», охлаждаемого жидким азотом,
2
ГЕТ
45 - одночастотный газовый лазер гетеродинного канала, например, СО лазер, настроенный на частоту ν,
46 - пьезокорректор подстройки частоты излучения лазера 45,
47 - подвижное зеркало резонатора лазера 45,
48 - второй светоделительный кубик, аналогичный кубику 39,
49 и 51 - отражатели гетеродинного канала,
50 - фотометрический клин (для регулировки мощности гетеродинного канала),
52 - формирующая оптика гетеродинного канала,
53 - отражатель гетеродинного канала,
54 - третий светоделительный кубик с 50% пропусканием и отражением,
55 - фотосмеситель системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) гетеродинного лазера 45,
56 - смеситель радиочастотного канала системы АПЧ,
57 - гетеродин системы АПЧ,
ГЕТ
O
O
58 - резонансный фильтр, настроенный на частоту ν-ν+F,
59 - фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ),
O
60 - опорный генератор для работы ФЧВ, настроенный на частоту + F,
61 - интегратор системы АПЧ,
62 - усилитель постоянного тока,
63 - блок обработки данных приемного канала, включающий ДЛЗ-обработку,
64 - персональный компьютер с дисплеем (с введенной программой обработки),
65 - вычислитель угловых координат цели,
66 - привод управления азимутом β,
67 - привод управления углом места ε,
2
68 - кривая доплеровского контура усиления для СО-лазеров 38 и 45.
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
ИМП
MAX
MIN
MAX
MIN
C MIN
C MAX
C MAX
C MIN
ЛЧМ-Э
ЛЧМ
C
MIN
ЛЧМ
MAX
C MIN
C
C MAX
Генератор синхроимпульсов 1 вырабатывает короткие импульсы, определяющие период Т цикла работы устройства. Этими импульсами с задержкой ΔT запускается генератор ЛЧМ 2 высокочастотных импульсных сигналов длительностью t=Т-ΔT (задержка ΔT осуществляется внутри схемы ГЛЧМ, например, использованием схемы одновибратора). На выходе ГЛЧМ 2 образуется периодическая последовательность радиоимпульсов с линейной частотной модуляцией в диапазоне Δf=f-f, где f - максимальная частота перестройки, f - минимальная. ЛЧМ сигналы поступают параллельно на первые входы смесителей блока N смесителей 3, ко вторым входам которых поступают высокочастотные сигналы с выходов N перестраиваемых по частоте высокочастотных генераторов Г-01…Г-10. При этом два из этих генератором включены к соответствующим смесителям постоянно, а остальные N - 2 - через N - 2 управляемых электронных коммутаторов А…Н. В каждом из указанных генераторов частота колебаний в течение времени задержки ΔТ устанавливается в пределах полосы ΔF, то есть от минимальной частоты f до максимальной частоты f, так что f-f=ΔF. На выходе каждого из смесителей блока 3 образуются периодически следующие импульсные ЛЧМ сигналы-эквиваленты с суммарными частотами f(t)=f(t)+f(t), где f≤f(t)≤f и f≤f(t)≤f - диапазоны возможных изменений ЛЧМ сигнала в ГЛЧМ 2 и частоты колебаний в генераторах Г-01…Г-10 (фиксированные частоты в пределах данного цикла). Число сигналов гетеродинирования, поступающих на блок смесителей 3, может варьироваться в разных циклах от двух до N (в указанном на рис.1 устройстве N=10) в зависимости от того, сколько управляемых электронных коммутаторов А…Н включено с помощью электронных приводов 26…33.
ЛЗ
ЛЗ
ИМП
ЛЗ
ЛЗ
ЛЗ
ЛЗ
1/2
Составной сигнал ЛЧМ-эквивалентов, число которых равно К (где 2≤К≤N) в рассматриваемом цикле, после его усиления в согласующем усилителе 5 поступает на вход дисперсионной линии задержки (ДЛЗ) 6, согласованной с К сигналами ЛЧМ-эквивалентов. Фактор согласования означает соблюдение равенства ΔF/τ=Δf/t, где ΔF и τ - соответственно полоса пропускания и длительность импульсной характеристики ДЛЗ 6. Отметим, что произведение ΔF τ=В>>1 - база ДЛЗ, а величина (В) определяет величину повышения отношения сигнал/шум на выходе ДЛЗ, что существенно увеличивает обнаружительную способность локационных устройств, использующих сложные радиосигналы (ЛЧМ) с их согласованной фильтрацией на основе ДЛЗ.
СЖ
СЖ
ЛЗ
1
2
3
K
C1
C2
C3
CK
СЖ
ИМП
ЛЗ
ЛЗ
ЛЗ
Длительность «сжатых» радиоимпульсов t на выходе ДЛЗ 6, как известно, равна t=1/ΔF, а их временное положение относительно фронта импульсов генератора синхроимпульсов 1 соответственно t, t, t, …t определяется значениями частот сигналов гетеродинирования f, f, f…f с выхода К действующих перестраиваемых по частоте высокочастотных генераторов Г-01…Г-10, где К≤N. «Сжатые» радиоимпульсы располагаются во временном интервале Δt=t-τ. Следовательно, максимальное число разрешаемых друг от друга «сжатых» радиоимпульсов равно R=τ Δf или R=В Δf/ΔF, то есть возможен раздельный прием и обработка большого числа ЛЧМ-эквивалентов или, что то же, значительное увеличение числа N, так как обычно R>>N.
ЛЗ
O
После прохождения «сжатых» радиоимпульсов в компенсирующем потери широкополосном усилителе 7 с полосой пропускания ΔF и их детектирования в амплитудном детекторе 8 К импульсных сигналов подвергаются пороговому ограничению в пороговом устройстве 9 с устанавливаемым порогом, отсекающим шумовые выбросы (помехи), и усилению в широкополосном усилителе 10, а его выходной сигнал поступает на формирователь Х-координат бликов 34, для объяснения действия которого обратимся к рассмотрению рис.3 и 4. Так, на рис.3 показано облучение летящей с радиальной скоростью V ракеты 36 вдоль оси X. Частота облучения равна ν. Это излучение рассеивается ракетой в различных направлениях корпусом ракеты на морскую поверхность на некоторую площадку. Размер этой площадки определяется рассеивающей поверхностью ракеты и может оказаться значительным. Однако видимый матричным фотоприемником лазерного когерентного локатора размер такой площадки на поверхности моря под летящей ракетой является ограниченным числом mn-элементов в фотоприемной матрице, где m - число столбцов, n - число строк в матрице.
PAC
O
PAC
O
1
2
2
O
1
2
1
O
8
Из теории эффекта Доплера известно [3-4], что частота рассеянного движущейся ракеты излучения определяется формулой ν=2ν V cos α/c, где α - угол между вектором скорости V и направлением рассеянного излучения, с=3·10 м/с - электродинамическая постоянная (скорость света в вакууме). Поэтому частота рассеянного излучения ν может быть как большей, так и меньшей частоты облучения ν лазерным когерентным локатором в зависимости от угла рассеяния α. Если размер D освещаемой зоны морской поверхности (см. рис.3) вдоль оси Х соответствует угломестному углу зрения фоточувствительной матрицы с n строками, то диапазон видимых локатором углов рассеяния ракетой лежит в пределах от α до α для заданного значения наклонной дальности L (рис.4). Соответственно частоты рассеянного излучения в указанном диапазоне углов α лежат в пределах ν≤ν≤ν и при этом угол α=π-α, а частота рассеянного ракетой излучения под углом π/2 равна частоте облучения ракеты ν.
k
Как несложно понять, морская поверхность всегда испытывает то или иное волнение (от штиля до бури) и поэтому может быть интерпретирована как совокупность хаотически распределенных на ней квазиточечных отражателей рассеянного ракетой лазерного излучения. Такая поверхность представляет собой пространственный модулятор бликовых переотражений, распределенных пространственно стохастически во времени. Такие бликовые переотражения лазерного излучения воздействуют в лазерном когерентном локаторе (рис.5) на соответствующие элементы матрицы фотоприемника 44 размерностью mn. При этом на m элементах k-ой строки матрицы, где k=1, 2, 3, …n, частота рассеянного ракетой излучения ν(α) является одинаковой (вдоль координаты Y) и определяется углом рассеяния α.
Стохастизм время-пространственного распределения бликовых переотражений лазерного излучения морской поверхностью имитируется в заявляемом устройстве с помощью трех датчиков 21, 22 и 24 (рис.2) случайных чисел, запускаемых импульсами с генератора синхроимпульсов 1. С помощью N-канального датчика 21 случайных чисел размерностью n по каждому в каждом цикле работы устройства задаются формирователями управляющих напряжений 11…20 (их число также равно N) случайно распределенные в диапазоне Δf частоты генерируемых колебаний в перестраиваемых по частоте высокочастотных генераторах Г-01…Г-10. С помощью N-канального датчика 22 случайных чисел размерностью m задаются N случайных координат Y для всех бликовых переотражений с координатами X, то есть N-канальный датчик 22 вырабатывает параллельно N случайных кодовых комбинаций, каждая из которых в формирователе Y-координат бликов 23 сопоставляется координате X, формируемой в формирователе Х-координат бликов 34. И полученные группы координат Х и Y бликовых переотражений передаются в персональный компьютер с дисплеем 35. Наконец, с помощью датчика 24 случайных чисел размерностью N - 2 в каждом цикле работы устройства задается конкретное число действующих бликов, число которых в цикле может изменяться от двух до N. Это достигается работой связанного с этим датчиком формирователя 25 числа включаемых управляемыми электронными коммутаторами (от А до Н) N - 2 перестраиваемых по частоте высокочастотных генераторов Г-03…Г-10. Электронные коммутаторы включаются с помощью электронных приводов 26…33.
Информация о тактировании циклов работы устройства, работающего по соответствующей программе обработки данных о бликовых координатах и их числе, достигается связью генератора синхроимпульсов 1 с персональным компьютером с дисплеем 35. Распределения имитируемых бликов в серии последовательных циклов статистически обрабатывается, в результате чего находятся текущие координаты рассеивающей лазерное излучение предполагаемой движущейся ракеты. Задавая параметры радиальной скорости V ракеты, ее исходной наклонной дальности L и высоты полета h над уровнем моря, компьютер рассчитывает текущие координаты ракеты и угловые координаты на нее - азимут β и угол места ε.
2
2
ГЕТ
O
ГЕТ
O
Работа имитатора аналогична действию лазерного когерентного локатора при работе его по реальной низколетящей ракете морского базирования. Структура такого локатора изображена на рис.5 и ранее описана автором в разных вариантах [5-11]. В локаторе используется мощный одночастотный CO-лазер непрерывного действия 38 и гетеродинный маломощный CO-лазер непрерывного действия 45 с возможностью перестройки частоты излучения ν>ν с помощью изменения длины резонатора пьезокорректором 45 с закрепленным на нем отражателем 47 резонатора, как это видно на кривой доплеровского контура усиления 68. С помощью системы автоподстройки частоты разность частот ν-ν поддерживается с требуемой точностью [12]. Частоты принятых в приемном канале матрицей фотоприемника 44 бликовых переотражений от морской поверхности смешиваются с частотой оптического гетеродина, и радиосигнал разностной частоты когерентного фотосмешения передается в блок обработки данных 63 приемного канала, структура которого аналогична той, которая представлена в составе заявляемого имитатора (рис.1) с использованием ДЛЗ 6.
O
O
O
O
ГЕТ
O
ЛЗ
ЛЗ
ИМП
2
1
13
Рассмотрим пример реализации лазерного когерентного локатора, выполненного по схеме рис.5. Пусть матрица фотоприемника имеет размерность 100×100 элементов, то есть m=n=100. Частоты принимаемого бликового лазерного излучения ν(α) лежат в пределах ν-Δν*≤ν(α)≤ν+Δν*, где Δν*=1,414 V ν/с=40 МГц при условии, что V=300 м/с, ν - 2,83·10 Гц, 45°≤α≤135°, D=2h и ν=ν+120 МГц. Если в качестве ДЛЗ использовать линию с полосой пропускания ΔF=40 МГц и длительностью импульсной характеристики τ=50 мкс (база ДЛЗ В=2000), то полоса перестройки в ГЛЧМ 2 Δf=80 МГц с длительностью ЛЧМ импульса t=100 мкс при Т=1 мс. Тогда разностная частота бликовых переотражений и частоты лазерного гетеродина 45 на выходе фотоприемника 44 будет лежать в диапазоне от 80 МГц до 160 МГц. Более высокая разностная частота будет соответствовать наибольшим углам рассеяния α (рис.3), а наименьшая - минимальным углам α. Частота 120 МГц соответствует центральному (50-му) элементу матрицы фотоприемника или той строке морской поверхности, над которой расположена ракета.
Таким образом, о местоположении ракеты потенциального противника можно судить о положении центра совокупности бликовых переотражений рассеянного ракетой лазерного излучения после статистической обработки в персональном компьютере с дисплеем 64 группы бликов для нескольких последовательных циклов обработки, следующих с частотой 1/Т. Это также позволит найти угловые координаты линии зондирования ракеты - азимут β и угол места ε - в вычислителе угловых координат цели 65 и проводить автосопровождение цели приводами управления 66 и 67 соответственно по азимуту и углу места.
Источники информации
1. Меньших О.Ф. Способ локации. Патент РФ №2296350, опубл. в бюлл. №9 от 27.03.2007.
2. Меньших О.Ф. Способ обнаружения низколетящих крылатых ракет морского базирования. Заявка на изобретение №2009148918/28 (072324) с приоритетом от 28.12.2009 (экспертиза по существу проводится с 09.03.2010).
3. Ландсберг Г.С. Оптика, 5-ое изд., M., 1976.
4. Франкфурт У.И., Френк A.M. Оптика движущихся тел, M., 1972.
5. Меньших О.Ф. Лазерный доплеровский локатор. Патент РФ №1829641, приоритет от 25.03.1991.
6. Меньших О.Ф. Обнаружитель моноимпульсного радиосигнала. Патент РФ №2046370, опубл. в бюлл. №29 от 20.10.1995.
7. Меньших О.Ф. Обнаружитель радиоимпульсного сигнала. Патент РФ №2310882, опубл. в бюлл. №32 от 20.11.2007.
8. Меньших О.Ф. Лазерный доплеровский локатор. Патент РФ №2335785, опубл. в бюлл. №28 от 10.10.2008.
9. Меньших О.Ф. Лазерный когерентный локатор. Патент РФ №2352958, опубл. в бюлл. №11 от 20.04.2009.
10. Меньших О.Ф. Способ лазерного гетеродинного приема излучений. Патент РФ №2349930, опубл. в бюлл. №8 от 20.03.2009.
11. Меньших О.Ф. Способ обработки информации в лазерном когерентном локаторе с матричным фотоприемником. Патент РФ №2354994, опубл. в бюлл. №13 от 10.05.09.
12. Меньших О.Ф. Устройство автоподстройки частоты лазерного доплеровского локатора. Авторское свид. СССР №1591675 с приоритетом от 24.08.1988.