Как технология LiDAR совершила переворот в картографии и сборе геопространственных данных. Лазерный локатор Когерентный лидар

31.05.2020

Если вы видели автономные автомобили на фотографиях или вживую, то заметили – сверху у них на крыше закреплена какая-то странная штука.

Иногда она похожа на сирену, как в случае с прототипами Waymo от Google, что придает им вид очаровательного полицейского автомобиля.

Но, чаще эта штуковина напоминает крутящуюся консервную банку, установленную на распорках.

Это устройство на беспилотных автомобилях является лидаром, оборудованием, которое наделяет машину «зрением».

Слово лидар (LIDAR) состоит из начальных букв четырех английских слов – Light Identification Detection and Ranging, что означает «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света».

Автомобильный лидар в беспилотном автомобиле – это самая дорогостоящая штука. Ценой $75 000, лидар стОит дороже, чем многие автомобили. А между тем, это устройство лишь одно из многих, которым нужно оснащать беспилотный транспорт.

Однако, в этом году данная ситуация может измениться благодаря появлению так называемых твердотельных лидаров высокого разрешения и стоимостью всего несколько сотен долларов. На самом деле, слово твердотельные – не очень корректно. Лидары нового поколения отличаются от предыдущих, своей неподвижностью (статичностью).

Но, их изобретение серьезно приближает момент массового появления беспилотного транспорта на дорогах. Поэтому стоит понять, что такое автомобильный лидар, и в частности статичный (твердотельный).

Слово «лидар» передает саму суть его функционирования – это радар, который работает на световых волнах. Вспомнив школьную физику, мы знаем – излучая радиоволны, радар определяет расстояние до объекта на основании времени, которое требуется радиоволне для отражения от объекта.

Лидар действует по схожей схеме, но использует для этого не радиоволны, а короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Для получения более точной информации, лидары используют инфракрасное излучение и ближнее ультрафиолетовое.

Но, беспилотному автомобилю нужны данные о десятках объектов вокруг. Поэтому он крутится вокруг своей оси, испуская множество световых вспышек, и таким образом формирует из «облака точек» трехмерное 360-градусное изображение окружающей обстановки. И делать он это может в любых средах, погодных условиях и независимо от времени суток.

В этом музыкальном клипе группы Radiohead видно, как из таких «точек» формируется картинка.

Чтобы беспилотные автомобили могли без участия человека передвигаться в пространстве, им требуется комбинация видеокамер, радаров и лидаров. И лидар выполняет критически важную функцию – он дает автомобилю представление не только о собственной локализации, но и о местоположении окружающих объектов.

GPS в данном случае непригодно – оно определяет местоположение с формированием круга диаметром около 5 м, а лидар делает это с точностью до 10 см.

Уровень автономности – это международные критерии, принятые, дабы объяснить, насколько тот или иной транспорт является самостоятельным.

Существует 6 уровней автономности

И вот лидар необходим при автономности уровня 4 и выше.

Что такое статичный автомобильный лидар

На сегодняшний день большинство лидаров – это дорогостоящие подвижные устройства.

Конечно, как и все технологии, лидары со временем стали дешевле и уменьшились в размерах. Но, пока они стоят от $8 000 до $80 000, и быстро выходят из строя.

А вот статичные лидары – другое дело. Сделанные главным образом из кремния, в них нет подвижных частей и используется лазер с изменяемой длиной волны. Такое устройство легкое, маленькое, потребляет мало энергии (работает на батарейке АА), быстрое и точное, работает при любых погодных условиях, и стоит не тысячи, а сотни долларов.

Технологию статичных кремниевых лидаров изобрела американская компания Quanergy. Полный набор их лазерного сканера сейчас стоит $900, но разработчик обещает постоянно снижать цены, доведя до $100.

Твердотельный лидар не просто дешевле, он очень быстрый, высокоточный и работает дольше. Электромеханический лидар выдерживает максимум 2000 часов, что меньше, чем требуется на год эксплуатации автомобиля, а твердотельный – до 100 000 часов.

Когда беспилотные автомобили станут массовым продуктом

Первый лидар в 1999 году был установлен на автомобиль Jaguar стоимостью около $100 000. В то время лидары с датчиками были настолько дороги, что люди шутили «вы приобретаете лидар и получаете бесплатно в нагрузку Jaguar».

Сегодня эта функция в автомобилях уже стОит $18 000, а с применением твердотельных датчиков цена «лазерного зрения» упадет до $1000.

Предполагается, что первые твердотельные лидары Quanergy начнут устанавливать на серийный электромобиль Fisker EMotion с запасом хода до 640 км на одной зарядке.

Выпуск этого автомобиля пока еще большой стоимости – $130 000, запланирован на 2019 год.

А вот массовое появление беспилотных автомобилей, использующих технологию твердотельных лидаров, ожидают в 2020-2023 годах. Считается, что к этому времени минимум одна модель автономного транспорта будет почти у каждого крупного автопроизводителя. И хотя поначалу, скорее всего, способностью к автономности будут наделять дорогие и роскошные модели, очень скоро ею оснастят и бюджетные машины.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Сегодня для исследований атмосферы Земли, ее газового состава, перемещения воздушных масс применяются все новые и новые технологии. Одна из них - лидары наземного, воздушного, космического базирования.

Лида́р (транслитерация LIDAR англ. LIght Detection and Ranging ) - технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах. Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара - светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели. В отличие от радиоволн , эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды - достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.

Опыт западных стран свидетельствует об успешном использовании этой не так давно сугубо военной технологии в задачах экологического мониторинга, управления воздушным движением и т.п.

В 60-70-е годы лидары, – лазерные локаторы, работающие в видимом или ближнем ИК-диапазонах волн, – в основном использовались в военной технике. Cегодня они с успехом применяются для решения многих задач, например для мониторинга состояния атмосферы, измерения скорости ветра и т.п. Установленные в районах аэропортов, лидары измеряют ветровые сдвиги на летном поле, завихренность следа самолета и другие атмосферные параметры, знать которые необходимо для обеспечения безопасности взлета и посадки. Хорошие результаты дает применение таких систем для измерения дальности, доплеровской скорости и при формировании изображений объектов, находящихся на летном поле. Так, один из лидаров, выпущенных германской фирмой DLR, установлен в аэропорту Франкфурта между двумя взлетно-посадочными полосами, расположенными близко друг к другу. Он измеряет скорость воздушных вихревых следов от двигателей самолета, приближающегося к одной посадочной полосе, а также перемещения воздуха над другой полосой, вызванного его приближением. Такая информация использовалась службой управления воздушным движением для обеспечения безопасной посадки самолетов по двум полосам. По всей территории Англии установлен компактный робастный лазерный измеритель доплеровской скорости с коническим сканированием, разработанный британской фирмой DRA Malvern. Информация о скорости ветра, получаемая с помощью этих устройств, существенно дополняет данные метеозондов. В 1994-1995 годах в аэропорту Хитроу (Лондон) проходил испытания лазерный измеритель скорости. В числе прочих задач он должен был определять вихревые следы от двигателя самолета и их распространение ветром по летному полю на высоте 30-150 метров. Интересно отметить, что в ходе испытаний был обнаружен неожиданный эффект - возвращение воздушного вихря почти с исходной мощностью в область глиссады примерно через 70 секунд после прохода самолета. Импульсный когерентный лидар на углекислом газе французской фирмы Laboratoire de Meteorologie Dynamique (LMD) применяется для измерения параметров атмосферы и скорости ветра. Дальность действия прибора в горизонтальном направлении - около 12 километров, в вертикальном – вплоть до тропопаузы. Основой аппаратуры лидара служит импульсный СО2-лазер с поперечной накачкой, одномодовым излучением и длиной волны 10,6 мкм. Для расширения луча используется 17-см телескоп Кассегрена со смещенной осью. Управление лучом осуществляется с помощью двухзеркального сканера. Отраженный сигнал собирается тем же телескопом и преобразуется гетеродином. Сдвиг частоты составляет 30 МГц. Принимаемый сигнал оцифровывается восьмиразрядным осциллоскопом с частотой выборки 100 МГц. Для хранения данных используется компьютер. Высокую точность при измерении малых доплеровских сдвигов частоты обеспечивает разработанный в Лаборатории атмосферных исследований НАСА доплеровский лидар, использующий краевой эффект. В устройстве частота излучения лазера выбирается на границе полосы пропускания оптического фильтра с высоким спектральным разрешением. При этом небольшие сдвиги частоты значительно изменяют амплитуду измеряемого сигнала. Доплеровские смещения частоты сигнала, вызванные ветровыми перемещениями, определяются по разности частоты излучения и частоты принимаемого сигнала, отраженного от атмосферы. В лидаре использован импульсный твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом (Nd:YAG-лазер). Длина волны излучения - 1064 нм, длительность импульса - 15 нс, ширина полосы - 40 МГц. Отраженные сигналы собираются телескопом диаметром 0,4 м с полем зрения 0,2 мрад. Сканирующая оптика позволяет направлять луч в секторе от 30 до 120о по углу места и от 0 до 360о - по азимуту. Лидарная установка прошла натурные испытания, в ходе которых измерялись ветровые сдвиги на высотах от 200 до 2000 метров. Интервал измерений по вертикали составлял 22-26 метров. Результаты измерений скорости ветра сопоставлялись с данными метеозондов. Расхождение не превысило 1 м/c, а разброс результатов при 10 измерениях оказался менее 0,4 м/с. Специалисты Лаборатории атмосферных исследований отмечают, что столь высокая точность измерений предоставляет уникальные возможности для изучения турбулентных процессов в нижних слоях атмосферы. Помимо научных исследований прибор можно с успехом применять для высокоточных измерений ветровых сдвигов и микротурбулентностей в районе аэропортов. В последние годы растет интерес ученых к изучению газового состава атмосферы Земли. Их внимание особенно привлекает озон как наиболее важный химически активный газ. Озон, находящийся в стратосфере, защищает биосферу Земли от вредного влияния ультрафиолетового излучения Солнца. В то же время большие концентрации озона в тропосфере способствуют развитию парникового эффекта и образованию фотохимического смога, что отрицательно воздействует на животный и растительный мир планеты, а также на здоровье людей. Как показывают наблюдения, с начала 70-х годов каждые 10 лет концентрация озона в тропосфере увеличивается примерно на 10% и на столько же снижается в нижних слоях стратосферы. Это говорит о крайней важности тщательного исследования данных процессов. Высокую точность измерения концентрации озона в тропосфере обеспечивают лидары дифференциального поглощения - наземные или размещаемые на самолетах. Они зондируют пространство с помощью двух лучей на разных частотах, по-разному поглощаемых озоном. Концентрацию озона в пространстве вычисляют по разнице амплитуд двух разнесенных по времени отраженных сигналов, которые собираются одним или несколькими телескопами. В таких лидарах особенно важно правильно выбрать частоты излучения, которые, кроме различного поглощения в озоне, должны иметь минимальное молекулярное и партикулярное поглощение. Наземный лидар дифференциального поглощения с диапазоном сканирования частоты излучения лазера от 286 до 292 нм создан специалистами Национальной лаборатории океанических и атмосферных исследований и Института изучения окружающей среды (США, шт.Колорадо). Поскольку на характеристики излучения влияет состояние атмосферы, в частности облачность, лидар установили на высоте 2,7 километра над уровнем моря. В состав установки включены два идентичных лазера на красителе, накачка производится от Nd:YAG-лазера. Лазеры возбуждаются последовательно с интервалом 400 мкс. Сигналы детектируются двумя автономными системами, оптимизироваными для приема сигналов с разных высот, и после обработки в специальных фильтрах поступают на фотоэлектронные умножители. Во время испытаний лидар работал непрерывно более суток, при этом отклонение длины волны излучения не превысило 0,01 нм. Исследования проводились на высотах от четырех километров над уровнем моря до уровня нижней стратосферы (примерно 12 километров). Шаг измерений по высоте составлял менее километра. Точность определения концентрации озона в тропосфере при ясной погоде для данной установки оказалась не хуже 10%. Лидар находится в эксплуатации с 1993 года. В последнее время лидарные установки все чаще устанавливают на самолетах для обнаружения ветровых потоков и измерения их скорости, определения истинной воздушной скорости летательного аппарата и других параметров. Кроме того, бортовые лидары используют в системах отслеживания рельефа местности и предупреждения о препятствиях. Одной из первых лазерных систем самолетного базирования стала система измерения истинной воздушной скорости LATAS (Laser True Airspeed System) производства английской фирмы Royal Signals and Radar Establishment (RSRE). В модернизированном варианте эта система применяется и сегодня. LATAS размещается в носовой части самолета. В ее состав входит лазер на углекислом газе с выходной мощностью 4 Вт, поляризационная оптика на четверть- и полуволновых пластинах, а также детектор на теллуриде кадмия и ртути с полосой 100 МГц. Для измерения воздушной скорости лидар фокусируют на расстояние 30-100 м перед носовой частью самолета, для измерения ветрового сдвига – на 250-300 м. Точность измерения скорости - 0,2 м/с. На многих воздушных судах, в частности на транспортных самолетах “Каравелла” , истребителях “Mираж”, вертолетах “Пума”, установлен доплеровский лидар Crouzet производства французской фирмы Crouzet SA. В его основе - СО2-лазер, излучающий непрерывный сигнал с выходной мощностью 3 Вт, диодный детектор с шириной полосы 200 МГц, выполненный на теллуриде кадмия и ртути, поляризационная волновая пластина и пластина Брюстера. Частота гетеродина задается при двойном прохождении луча через ячейку Брэгга. В системе использован телескоп Далла-Кирхама с эффективной апертурой 7,5 см. Принимаемые сигналы обрабатываются спектр-анализатором на ПАВ. Интервал измерения доплеровских скоростей составляет –25 ...+400 м/с, а дальность измерения - 10-100 м. Общий вес системы Crouzet - около 250 кг. По заказу правительств Франции и Великобритании консорциум фирм Dassault Electronique (Франция) и GEC Marconi (Великобритания) разрабатывает когерентный лазерный авиационный локатор CLARA (Coherent Laser Airborn Radar), работающий в диапазоне 10 мкм. Система предназначена для предупреждения о препятствиях, отслеживания рельефа местности, а также измерения воздушной скорости самолета и наведения на цель. Аппаратура, включающая СО2-лазер, сканер, процессор обработки сигналов и данных, размещается в контейнере под фюзеляжем. Обнаружение, классификация и отображение объектов производятся в реальном времени. Система CLARA проходила испытания на борту самолетов A6-E, HS748 и “Торнадо”. Доплеровский лидар для измерения скорости ветра WIND (Wind Infrared Doppler Lidar) разрабатывают французские фирмы CNRS и CNES и в сотрудничестве с германской DLR. В основе системы - лазер на углекислом газе с поперечной накачкой, формирующий одномодовое излучение. Лазер имеет выходную согласующую оптику с Гауссовой отражательной способностью, что позволяет выделить полезный сигнал на фоне поперечных мод высокого порядка, а также на фоне эхо-сигналов от целей с большой отражательной способностью. В системе использован телескоп Далла-Кирхама со смещенной осью (диаметр свободной апертуры - 20 см, коэффициент расширения апертуры - 15). Фокусное расстояние регулируется от 200 м до предельного значения. Летные испытания лидара проходили на борту самолета Falcon 20 (рис. 1). Во время испытаний производилось коническое сканирование в секторе 30о от надира. Период сканирования - 20 или 30 сек, частота повторения импульсов лазера - 4 или 10 Гц. Хорошие характеристики были получены при средней энергии излучения 360 мДж и частоте повторения 4 Гц. Успешно прошла испытания бортовая лидарная установка, разработанная специалистами Лаборатории им. братьев Райт ВВС США. Система предназначена для трехмерного измерения распределения скорости ветра по высоте (ветрового профиля) в реальном времени. Такие сведения важны для повышения точности десантирования и сбрасывания груза с самолета, увеличения вероятности поражения цели при ракетных и артиллерийских стрельбах. Сигнал, излучаемый лазером, отражается от перемещающихся по ветру частиц пыли и воздушных аэрозолей. Скорость ветра определяется путем измерения доплеровских сдвигов сигналов, отраженных от этих частиц. Сканирование лазерного луча - коническое, что позволяет производить измерения в различных направлениях. Размещение лидара в грузовом отсеке самолета показано на рис.2. Измерение ветрового профиля с помощью этой системы позволило повысить точность приземления при десантировании в 2-10 раз. Широкие возможности для изучения атмосферы Земли, проведения различных метеорологических и климатологических исследований открывают лидары космического базирования. Больших успехов в этой области достигли специалисты исследовательского центра Longley (НАСА). Они создали немало наземных и авиационных лидарных систем для изучения атмосферных аэрозолей и водяных паров, облаков, озоновых дыр. В частности, в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment) разработана первая в мире лидарная установка для изучения Земли из космоса. С помощью установки LITE изучалась структура облаков, процессы образования облачности, находящиеся в атмосфере аэрозоли, в том числе антропогенного происхождения, определялась высота приземного слоя атмосферы, измерялось горизонтальное распределение температуры и плотности воздушных слоев на высотах от 25 до 40 км, анализировались процессы отражения лазерного излучения от земной и морской поверхностей. LITE имеет традиционную конструкцию лидара прямого обнаружения: передающий лазерный блок, блок оптической юстировки и приемный блок. Передатчиком служит Nd:YAG-лазер с накачкой лампой-вспышкой. Для резервирования в передающем блоке установлены два идентичных квантовых генератора, из которых в рабочем состоянии находится только один. Передатчик одновременно формирует гармоники излучения с длиной волны 1064, 532 и 355 нм. Излучаемая мощность на этих частотах составляет 470, 560 и 160 мДж, соответствено. Блок оптической юстировки содержит поворотную призму для поддержания оптической центровки выходного лазерного луча и угла зрения приемника. В составе приемного блока - телескоп диаметром 1 м, оптические устройства передачи сигнала и электронные устройства предварительной обработки. Для разделения принимаемого сигнала на три частотные составляющие используется дихроичный расщепитель. В каналах обработки сигналов длин волн 532 и 355 нм установлен ударопрочный фотоэлектронный умножитель, для сигналов 1064-нм диапазона используется кремниевый лавинный фотодиод. В устройстве предусмотрены также узкополосные интерференционные фильтры и апертурный диск, которые служат для реконфигурации приборов при работе в дневное и ночное время. Размер дневной апертуры составляет 1,1 мрад, ночной – 3,5 мрад. После прохождения фотоприемников и фильтров сигналы поступают в электронный усилитель и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Ширина полосы усилителя - 2,1 МГц. АЦП - 12-разрядный, с тактовой частотой 10 МГц. Период стробирования данных - 550 мкс. Электронные устройства обработки включают также резисторную схему, установленную после первого каскада усиления. Схема обеспечивает подавление сигнала в пределах 0-63 дБ. Благодаря этому сильный сигнал, отраженный от плотных облаков или поверхности Земли, не выходит за рамки динамического диапазона 12-разрядных АЦП. Основные вычислительные операции производит быстродействущий сигнальный процессор. Масса аппаратуры составляет 990 кг. Потребляемая мощность в рабочем состоянии - 3,1 кВт, в резервном - 560 Вт. Мощность излучения лазера и расходимость луча выбираются таким образом, чтобы интенсивность лазерного пучка на поверхности Земли была значительно ниже принятых санитарных норм. Cобранные космическим лидаром LITE данные передавались на Землю двумя потоками: с низкой (~20,8 кбит/с) и высокой (~2 Мбит/с) скоростью передачи. Первый поток транслировался через систему связи S-диапазона, второй - через систему телеметрической связи. По мнению специалистов, испытания лидаров LITE в космических условиях прошли успешно. В ходе эксперимента собран большой объем высокоточной информации, на основании которой сформирована общедоступная база данных о состоянии атмосферы. Эксперимент подтвердил возможность применения лидаров в длительных орбитальных полетах. Ожидается, что новые разработки лазеров с диодной накачкой позволят снизить потребляемую мощность, что даст возможность устанавливать лидары на небольших спутниках.

Лазерные лидарные комплексы (ЛЛК) также предназначены для оперативного дистанционного контроля биологической и химической обстановки. Комплексы осуществляют наблюдение за аномальными изменениями атмосферы, обусловленными наличием в ней аэрозолей, а также определение параметров перемещения облаков. Комплексы являются автоматизированной дистанционной системой оперативного контроля экологической обстановки промышленных центров и способны быстро, в автоматическом режиме обнаруживать аварии и обеспечивать информационную поддержку действий аварийно-спасательных служб.

Проблема мониторинга техногенного загрязнения окружающей среды и особенно атмосферного воздуха является в настоящее время чрезвычайно актуальной как в экологическом аспекте, так и в связи с современными проблемами общественной безопасности. Технологии лазерного дистанционного зондирования атмосферной среды дают возможность устранить недостатки и ограничения, присущие традиционным методам локального мониторинга: низкая информативность, трудность обеспечения широкой зоны покрытия, большое время развертывания сетей локальных датчиков и т.п. Особенно эффективным представляется применение мобильных многофункциональных комплексов дистанционного лазерного зондирования – мобильных лидаров. Создание малогабаритного мобильного лидарного комплекса для мониторинга и прогнозирования экологической обстановки над критически важными (опасными) объектами и в районах вероятных террористических атак позволит:

определять концентрации широкого спектра веществ на расстояниях до 8 км;

в режиме реального времени отображать на карте местности районы загрязнения и количественные характеристики масштаба заражения;

определять распространение ядовитого облака;

прогнозировать развитее ситуации над критическими объектами;

контролировать содержание опасных веществ атмосфере и оповещать сигналом тревоги в случае превышения ПДК или обнаружения выбросов на контролируемых объектах или территории.

Сканирование сектора ответственности может осуществляться в различных временных режимах: непрерывном, периодическом и по требованию оператора (дежурного). Лазерный анализ позволяет определить в течение нескольких минут факт аномального выброса, вид вещества, интенсивность и направление его распространения. Среди типовых аварийно – химических опасных веществ (АХОВ) можно выделить следующий перечень загрязнителей, заражение которыми представляет интерес на большинстве территорий, требующих усиленного контроля:

Аммиак - NH 4
Диоксид серы - SO 2
Диоксид азота - NO 2
Соляная кислота - HCl
Продукты нефтепереработки.

Помимо указанных выше веществ существуют угрозы аварий на специфических объектах по производству, хранению и утилизации особо опасных химических веществ, а также СДЯВ и ОВ.

Использование высокочувствительных и разработанных лидарных методов зондирования атмосферы на наличие опасных веществ, таких как дифференциальное поглощение (DIAL) и дифференциальное рассеяние (DISC) позволяет измерять величины концентраций на уровнях ПДК рабочих и жилых зон. Для проведения комплексного анализа и прогноза экологической ситуации необходимо, чтобы все полученные данные были согласованы в пространстве, как по размерам зон покрытия, так и по пространственному разрешению, синхронизированы во времени и имели единый формат.

Нештатная экологическая ситуация или террористический акт сопровождается характерным аэрозольным выбросом. Аэрозольный лидар, построенный на основе безопасного для глаз Er - лазера или Nd:YAG - лазера, определяет наличие атмосферного аэрозоля и измеряет его концентрацию, строит пространственное распределение в реальном времени и анализирует его физическую природу. Для этого аэрозольный Ми-лидар и поляризационный лидар объединены в единый функциональный узел.

Лидар дифференциального поглощения видимого и ближнего ИК-диапазона на основе двухканального перестраиваемого импульсного лазера на сапфире с титаном дистанционно измеряет распределение концентрации окислов азота, серы и широкого набора неорганических загрязнителей воздушной среды на уровне ПДК.

Многоспектральный лидар дифференциального поглощения дальнего ИК-диапазона на основе перестраиваемого импульсного СО 2 -TEA лазера измеряет поле концентраций широкого класса органических веществ, а также озона.

Объединение аэрозольного и флуоресцентного лидара, а также лидаров дифференциального поглощения видимого, УФ, ближнего и дальнего ИК-диапазонов на единой платформе увеличивает габариты системы до контейнера, способного разместиться на носителе с грузоподъемностью несколько тонн. Поэтому целесообразно разделить возлагаемые на комплекс задачи следующим образом:

1. Детектирование аэрозольных выбросов и слежение за динамикой (аэрозольный лидар);

2. Детектирование аэрозольных выбросов и идентификация неорганических АХОВ (аэрозольный лидар, коротковолновый ДИАЛ);

3. Детектирование аэрозольных выбросов и идентификация органических АХОВ и ОВ (аэрозольный лидар, длинноволновый ДИАЛ или пассивный ИК- спектрометр).

Дополнительная информация. Состав и технические характеристики предлагаемых вариантов:

1. Детектирование аэрозольных составляющих выброса можно определить с помощью одного лазера. Лазер для аэрозольного канала может быть построен на базе безопасного для глаз эрбиевого волоконного излучателя с длиной волны 1,55 мкм или лазера на неодимовом стекле 1,064 мкм. Высокая частота следования импульсов позволяет производить сканирование с высокой угловой скоростью без потери углового разрешения, а короткие лазерные импульсы обеспечивают высокое пространственное разрешение.

Основные ТТХ комплекса

Параметр	Значение
	не менее 5 км
	не более 0,5 м
Углы обзора


	0,5 – 11 мкм
	1,55 (1,064) мкм
	не более 130 с

Энергия импульса
Длительность импульса
Частота следования импульсов
Диаметр приёмо-передающего телескопа
Вес системы	Менее 1 т.

)* - с автоматическим сканированием)** в зависимости от шага сканера и выбранного сектора обзора

Состав оборудования:

Поворотная платформа (одно или двухзеркальный сканер)

Система термостабилизации отсеков комплекса

Аппаратура проводной и беспроводной передачи данных

Бортовой компьютер

Лазерный излучатель аэрозольного лидара

Система синхронизации подсистем комплекса

Приемо-передающий телескоп

Приемники излучения

Аналоговый электронный блок управления и диагностики

Цифровой электронный блок обработки данных

Система автономного электропитания

Система видео наблюдения

2. Детектирование аэрозольных составляющих выброса с возможностью идентификации неорганических АХОВ подразумевает использование наряду с аэрозольным лидаром лидара дифференциального поглощения в УФ, видимом и ближнем ИК-диапазоне. Линии поглощения основных АХОВ лежат в диапазоне перестройки лазера на титан сапфире, так для SO 2 это – 300,05 нм (On) и 299,51 нм (Off), для NO 2 – 448,25 нм (on) 446,83 нм (off).

Основные ТТХ комплекса

Параметр

Значение

Максимальная дальность измерений в режиме сканирования

не менее 8 км

Максимальная дальность измерений в режиме измерения

не менее 3 км

Минимальная дальность измерений в режиме сканирования

не более 0,5 м

Углы обзора

Вертикальное направление (угол места)*

Горизонтальное направление (азимут)*

Размер детектируемых аэрозолей

0,5 – 11 мкм

Длина волны в режиме аэрозольного сканирования

1,55 (1,064) мкм

Время сканирования выбранного сектора **

не более 130 с

Пространственное разрешение в режиме сканирования

Энергия импульса

1 – 2 мДж (1,55 мкм) 100 мДж (1,064 мкм)

Длительность импульса

Частота следования импульсов

Ti:Sph лазер (2 шт.)

Диапазон длин волн

350 – 480 нм 230 – 310 нм

Частота следования импульсов

Энергия импульса L=450 нм L=300 нм

25 мДж 6 мДж

Вес системы

Владельцы патента RU 2575766:

Изобретение относится к области лазерной локации и квантовой электроники и предназначено для использования в лазерных локационных системах и комплексах с целью обнаружения движущихся объектов и определения параметров их движения, включая пространственные координаты и скорость движения. Предлагаемое устройство может также быть использовано в системах лазерной космической связи для осуществления связи с космическим кораблем в ближнем или дальнем космосе, а также для осуществления связи с космическим кораблем при осуществлении его посадки на Землю через слой плазмы, окружающей космический корабль. Предлагаемое устройство относится к классу лазерных систем, использующих метод лазерного гетеродинирования при приеме и обработке лазерных локационных сигналов. Данный метод приема лазерных сигналов известен и исследован в научной литературе, где отмечены некоторые преимущества этого метода по сравнению с методом прямого фотодетектирования лазерных сигналов. Однако ряд недостатков при практической реализации лазерного гетеродинирования не позволял в полной мере использовать потенциальные возможности данного метода для создания эффективных лазерных локационных систем широкого применения. Основным техническим недостатком указанного метода лазерного гетеродинирования является необходимость высокоточного согласования волновых фронтов принимаемого лазерного излучения (ЛИ) и излучения лазерного гетеродина на фоточувствительной площадке приемного фотодетектора. В монографии на стр. 156 показано, что при наличии углового рассогласования величиной порядка 12 угловых минут принимаемого и гетеродинного лазерных излучений сигнал на выходе фотоприемника - фотосмесителя на промежуточной частоте уменьшается в пять раз по сравнению с уровнем сигнала при нулевом угловом рассогласовании. Такая зависимость уровня выходного сигнала приводит к сильным флуктуациям и периодическому полному пропаданию выходного сигнала, уменьшению вероятности обнаружения наблюдаемых объектов и снижению эффективности работы лазерной системы приема в реальных условиях слежения за быстро движущимися объектами.

Известен лазерный дальномер с гетеродинной схемой обработки по патенту Германии (з. №2819320) , содержащий лазер, генератор тактовых импульсов, приемо-передающую оптическую систему, лазерный гетеродин, оптический смеситель принимаемого лазерного излучения с излучением гетеродина, фотодетектор, блок усиления и обработки сигналов промежуточной частоты с выхода фото детектора, блок памяти и обработки информации. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую эффективность и невысокую обнаружительную способность устройства при его работе в реальных условиях наблюдения за движущимися объектами при наличии различных фоновых помех на входе приемной оптической системы. Указанные недостатки обусловлены значительной зависимостью уровня сигнала промежуточной частоты (сигнала фотосмешения) от согласования углов падения на площадку фотодетектора излучения гетеродина и принимаемого лазерного излучения. При осуществлении слежения за быстро движущимся объектом угол падения принимаемого лазерного излучения подвержен непрерывным изменениям, что приводит к значительным флуктуациям уровня величины сигнала промежуточной частоты на выходе фотодетектора и снижению этого уровня, вследствие чего уменьшается вероятность правильного обнаружения объекта, снижается точность определения параметров движения объекта и эффективность работы всего устройства в целом.

Известен лазерный локатор с гетеродинным методом приема лазерных сигналов разработки США, приведенный в книге Лазерная локация на стр. 230, содержащий приемо-передающий телескоп, лазерный передатчик с каскадами лазерного усиления, лазерный гетеродин, фотоприемный блок с блоком усиления, задающий лазерный генератор, второй фотодетектор, блок измерения и контроля частоты, блок обработки информации и управления. К недостаткам данного комплекса следует отнести низкую эффективность работы при значительной сложности комплекса. В комплексе отсутствуют средства, обеспечивающие непрерывное согласование углов падения на фотоприемный блок лазерного излучения гетеродина и принимаемого лазерного излучения, отраженного от сопровождаемого быстро движущегося объекта. В результате возможных изменений угла падения на площадку фотоприемника принимаемого лазерного излучения в рабочем режиме обнаружения и сопровождения объекта происходит динамическое рассогласование указанных углов падения, приводящее к сильным дополнительным флуктуациям уровня сигнала промежуточной частоты и к полному пропаданию сигнала и срыва обнаружения и сопровождения объекта. В данном комплексе использована система подстройки частоты генерации (длины волны) излучения задающего лазерного генератора (лазерного передатчика). Однако использованный метод подстройки длины волны генерации лазера с помощью внутрирезонаторного пьезокорректора не обладает необходимой точностью, что дополнительно снижает точность и эффективность работы лазерного локатора.

В качестве прототипа выбран лазерный локатор с импульсным режимом излучения, схема которого приведена в книге Лазерная локация на стр. 245. Данный лазерный локатор содержит приемный и передающий телескоп с блоком наведения (сканирования), объектив, фотоприемный блок, блок обработки сигналов и управления, лазерный передатчик, лазерный гетеродин, блок измерения частоты, фиксированные ослабители -поглотители излучения, светоделители. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую эффективность работы по реальным движущимся объектам, а также невысокую вероятность правильного обнаружения движущегося объекта вследствие наличия рассогласования углов падения на площадку фотоприемного блока принимаемого лазерного излучения и излучения гетеродина в режиме обнаружения и динамического сопровождения движущихся объектов.

Достигаемым техническим результатом является следующее: уменьшение зависимости уровня выходного сигнала от изменений угла прихода принимаемого лазерного излучения (ЛИ), повышение эффективности работы системы лазерной локации в условиях обнаружения и слежения за движущимися объектами и при наличии сильных фоновых засветок, повышение вероятности правильного обнаружения наблюдаемых объектов, реализация устойчивой лазерной связи с космическим кораблем через слой окружающей плазмы при входе в плотные слои атмосферы во время посадки космического корабля на Землю.

Новый технический результат достигается следующим образом.

1. В лазерный локатор, содержащий последовательно установленные на первой оптической оси телескоп с блоком наведения, первый объектив, первый фотоприемный блок, выход которого подключен к блоку спектральных фильтров, выходами подсоединенный к блоку управления, лазерный передатчик, лазерный гетеродин и блок измерения частоты, выход лазерного передатчика оптически связан с телескопом и, посредством полупрозрачного и отражательного зеркал, с первым оптическим входом блока измерения частоты, второй оптический вход которого оптически связан посредством полупрозрачного зеркала с оптическим выходом лазерного гетеродина, управляющие входы лазерного передатчика, лазерного гетеродина и выход блока измерения частоты подключены к блоку управления, введены последовательно оптически связанные первый управляемый ослабитель, первый блок сдвига частоты лазерного излучения, первый блок сканирования лазерного излучения, оптический выход которого посредством отражательного и двух полупрозрачных зеркал оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, последовательно оптически связанные второй управляемый ослабитель, второй блок сдвига частоты лазерного излучения, второй блок сканирования лазерного излучения, оптический выход которого посредством двух полупрозрачных зеркал оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, оптические входы первого и второго управляемых ослабителей оптически связаны посредством полупрозрачных зеркал с оптическим выходом лазерного гетеродина, последовательно оптически связанные третий управляемый ослабитель, третий блок сдвига частоты лазерного излучения и третий блок сканирования лазерного излучения, последовательно установленные на второй оптической оси оптически связанные акустооптический модулятор с блоком управления, второй объектив, первое полупрозрачное зеркало, управляемый пространственный фильтр, третий объектив, второе полупрозрачное зеркало, второй фотоприемный блок, выход которого подсоединен к входу второго блока спектральных фильтров, подключенного к блоку управления, оптический вход акустооптического модулятора оптически связан посредством отражательного зеркала и полупрозрачного зеркала с оптическим выходом лазерного гетеродина, оптический выход третьего блока сканирования лазерного излучения оптически связан посредством отражательного зеркала и второго полупрозрачного зеркала с оптическим входом второго фотоприемного блока, оптический вход третьего управляемого ослабителя оптически связан с оптическим выходом лазерного гетеродина, третий фотоприемный блок, оптический вход которого связан посредством первого полупрозрачного зеркала с оптическим выходом второго объектива, а выход подсоединен к блоку управления фотоприемным блоком, подключенного к блоку управления, первое и второе выносные зеркала, механически связанные с блоком перемещения, управляющий вход которого подключен к блоку управления, динамический спектральный фильтр, оптический вход которого посредством первого сканирующего зеркала и первого выносного зеркала оптически связан с оптическим выходом телескопа, а оптический выход динамического спектрального фильтра посредством второго сканирующего зеркала и второго выносного зеркала оптически связан с оптическим входом первого объектива, управляющие электроды первого и второго сканирующих зеркал подсоединены к блоку управления сканирующими зеркалами, вход которого подключен к блоку управления, управляющий вход динамического спектрального фильтра подключен к блоку управления, выносной уголковый отражатель, оптически связанный с оптическим входом телескопа и механически связанный с блоком перемещения уголкового отражателя, подключенного к блоку управления, четвертый управляемый ослабитель, оптически связывающий оптический выход лазерного передатчика с телескопом, управляющие входы управляемых ослабителей подключены к блоку управления, управляющие входы блоков сдвига частоты лазерного излучения и блоков сканирования лазерного излучения подключены к блоку управления.

2. Блок сдвига частоты лазерного излучения содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, акустооптическую ячейку с блоком управления, первую линзу, точечную диафрагму, вторую линзу и выходную диафрагму, при этом управляющий электрод акустооптической ячейки подключен к блоку управления акустооптической ячейкой.

3. Блок сканирования лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, обеспечивающие изменение направления распространения лазерного излучения.

4. Динамический спектральный фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, взаимодействующие с проходящим через ячейку принимаемым лазерным излучением.

5. Лазерный передатчик и лазерный гетеродин выполнены на основе лазерных генераторов с возможностью перестройки длины волны генерируемого лазерного излучения.

На фиг. 1 представлена блок-схема лазерного локатора. На фиг. 2 представлена блок-схема блока сдвига частоты лазерного излучения. На фиг. 3 и 4 представлены экспериментально полученные спектры принимаемых информационных сигналов, формируемых в системе лазерного локатора, а на фиг. 5 представлен спектр фонового помехового излучения.

На фиг. 1 цифрами обозначены следующие элементы лазерного локатора.

1. Телескоп.

2. Блок наведения.

3. Первый объектив.

4. Первый фотоприемный блок.

5. Блок спектральных фильтров.

6. Блок управления.

7. Лазерный передатчик.

8. Лазерный гетеродин.

10. Первый блок сдвига частоты лазерного излучения.

11. Первый блок сканирования лазерного излучения.

12. Второй блок сдвига частоты лазерного излучения.

13. Второй блок сканирования лазерного излучения.

14. Первый управляемый ослабитель.

15. Второй управляемый ослабитель.

16. Третий управляемый ослабитель.

17. Третий блок сдвига частоты лазерного излучения.

18. Третий блок сканирования лазерного излучения.

19. Акустооптический модулятор.

29. Блок управления акустооптического модулятора.

20. Второй объектив.

21. Первое полупрозрачное зеркало.

22. Управляемый пространственный фильтр.

23. Третий объектив.

24. Второе полупрозрачное зеркало.

25. Второй фотоприемный блок.

26. Второй блок спектральных фильтров.

27. Третий фотоприемный блок.

28. Блок управления третьим фотоприемным блоком.

29. Блок управления акустооптического модулятора поз. 19 (указан выше).

30. Динамический спектральный фильтр.

31. Блок управления сканирующими зеркалами поз. 35 и 36.

32, 33. Первое и второе выносные зеркала.

34. Блок перемещения.

35. Первое сканирующее зеркало.

36. Второе сканирующее зеркало.

37. Выносной уголковый отражатель.

38. Блок перемещения уголкового отражателя.

39. Полупрозрачное зеркало.

40. Отражательное зеркало.

41, 42, 43, 44. Полупрозрачные зеркала.

59. Отражательное зеркало.

45, 46. Отражательные зеркала.

47, 48. Полупрозрачные зеркала.

49. Отражательное зеркало, расположенное в оптической тени контррефлектора

50 телескопа поз. 1.

58. Четвертый управляемый ослабитель.

59. Отражательное зеркало.

На фиг. 2 обозначены следующие элементы.

51. Входная диафрагма.

52. Акустооптическая ячейка.

53. Блок управления акустооптической ячейкой.

54. Первая линза.

55. Диафрагма точечная.

56. Вторая линза.

57. Выходная диафрагма.

60. Пьезоэлемент.

Принцип действия лазерного локатора заключается в следующем.

Лазерный передатчик 7 генерирует импульсы лазерного излучения, подсвечивающего наблюдаемый объект. Телескоп 1 с помощью блока наведения 2 направляется в некоторую заданную область наблюдаемого пространства, в которой возможно нахождение и передвижение обнаруживаемого и наблюдаемого объекта. Отраженное от объекта лазерное излучение улавливается телескопом 1 и с выхода телескопа с помощью первого объектива 3 фокусируется на фоточувствительной площадке (оптическом входе) первого фотоприемного блока 4. При этом из оптического тракта телескопа 1 с помощью блока перемещения 38 вынесен уголковый отражатель 37, используемый в режиме тестирования и настройки лазерного локатора. Одновременно из оптического тракта приемного канала лазерного локатора убраны выносные зеркала 32 и 33 с помощью блока перемещения 34. При этом динамический спектральный фильтр 30, используемый при сильных внешних фоновых помехах, выключен из оптического тракта. Управляемый ослабитель 58 переведен в режим стандартного полного пропускания излучения лазерного передатчика 7 (режим нулевого ослабления). Лазерное излучение с выхода телескопа 1 поступает непосредственно на оптический вход первого объектива 3, который далее фокусирует принятое лазерное излучение, отраженное от объекта, на фоточувствительную площадку первого фотоприемного блока 4. Одновременно на фоточувствительную площадку поступает лазерное излучение, генерируемое лазерным гетеродином 8, через полупрозрачные зеркала 42, 43 и две ветви изменения параметров лазерного гетеродинного излучения поз. 14, 10, 11 - первая ветвь и поз. 15, 12, 13 - вторая ветвь. Указанные две ветви формируют два гетеродинных лазерных излучения, с помощью которых в первом фотоприемном блоке 4 реализуется режим гетеродинного лазерного приема (фотосмешения) принимаемого лазерного излучения на двух различающихся частотах гетеродинного лазерного излучения. Соответственно на выходе фотоприемного блока 4 формируются два электрических сигнала на двух различных промежуточных частотах f 1 и f 2 , поступающих далее на входы первого блока спектральных фильтров 5, в котором осуществляется раздельная фильтрация и усиление каждого из сформированных сигналов промежуточных частот. Сформированное лазерное гетеродинное излучение поступает на вход первого фотоприемного блока 4 через отражательное зеркало 46 и полупрозрачные зеркала 47, 48 с выходов 11 и 13. При этом первое лазерное гетеродинное излучение, сформированное элементами поз. 14, 10, 11 является основным, а второе лазерное гетеродинное излучение, сформированное элементами поз. 15, 12, 13 является дополнительным и служит для тестирования и функционального контроля работы лазерного локатора, а также для настройки и подстройки параметров функционирования лазерного локатора непосредственно в рабочем режиме обнаружения и сопровождения движущегося объекта. Первый 10 и второй 12 блоки сдвига частоты лазерного излучения (ЛИ) служат для компенсации доплеровского сдвига частоты принимаемого лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого движущегося объекта. Первый 11 и второй 13 блоки сканирования ЛИ обеспечивают компенсацию рассогласования волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений на оптическом входе первого фотоприемного блока 4. Следует отметить, что наличие двух гетеродинных излучений на входе первого фотоприемного блока 4 не приводит к снижению потенциала (чувствительности) приема лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта, так как величина амплитуды сигнала соответствующей промежуточной частоты (биений) на выходе фотоприемного блока 4 пропорциональна величине указанного принимаемого лазерного излучения и величине интенсивности лазерного гетеродинного излучения, задаваемого лазерным гетеродином 8. В результате одновременной регистрации фотоприемным блоком 4 принимаемого лазерного излучения, поступающего от телескопа 1, и лазерного излучения от лазерного гетеродина 8, поступающего через элементы основной ветви поз. 14, 10, 11, на выходе фотоприемного блока 4 формируется сигнал промежуточной частоты f 1 , который поступает в блок спектральных фильтров 5, где осуществляется фильтрация и усиление сигнала в соответствующей ячейке фильтра, настроенной на соответствующую величину промежуточной частоты электрического сигнала. Далее усиленный и оцифрованный сигнал с выхода блока 5 поступает в блок 6 для окончательной обработки и регистрации результата обнаружения отраженного лазерного излучения фотоприемным блоком 3 и фиксации величины промежуточной частоты f 1 по номеру ячейки фильтрации сигнала промежуточной частоты в блоке спектральных фильтров 5. При этом зафиксированная величина f 1 промежуточной частоты определяет величину радиальной скорости наблюдаемого объекта (по лучу визирования), так как она равна разности частот принимаемого отраженного от объекта лазерного излучения и гетеродинного лазерного излучения, поступающего на вход фотоприемного блока 4 с выхода блока поз. 11 через зеркала 46, 47, 48. Данное (основное) гетеродинное излучение имеет величину частоты, равную сумме частоты излучения лазерного гетеродина 8 и дополнительного сдвига частоты лазерного излучения, осуществляемого первым блоком сдвига частоты лазерного излучения 10, работающего по сигналам управления с выхода блока управления 6. Величина разности частот лазерного излучения лазерного передатчика 7 и лазерного гетеродина 8 измеряется непрерывно блоком измерения частоты 9 и с его выхода поступает в блок управления 6, в котором образуется вся информация о величинах частот лазерных излучений, сформированных подсвечивающим объект лазерным передатчиком 7, лазерным гетеродином 8, а также информация о величине сигнала сдвига частоты лазерного излучения с помощью блока 10 и величине промежуточной частоты f 1 сигнала на выходе первого фотоприемного блока 4 (по номеру фильтра в блоке спектральных фильтров 6, осуществившего фильтрацию выходного сигнала от фотоприемного блока 4). По полученной указанной информации в блоке 6 непрерывно вычисляется величина сдвига частоты лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта по сравнению с частотой подсвечивающего лазерного излучения и вычисляется величина текущей радиальной скорости объекта по известной формуле Доплера. Таким образом, блок сдвига частоты лазерного излучения 10 осуществляет некоторый фиксированный сдвиг частоты лазерного излучения, сформированного лазерным гетеродином 8. Данная величина сдвига частоты задается блоком управления 6 и выбирается таким образом, чтобы промежуточная частота сигнала f 1 на выходе первого фотоприемного блока 4 попадала в сетку фиксированных частот блока фильтрации 5. При очень высокой скорости движения наблюдаемого объекта, например, при слежении за космическими объектами, величина сдвига частоты лазерного излучения выбирается достаточно большой (порядка нескольких Гигагерц), что обеспечивает эффективное слежение за быстро движущимися объектами. Блок сканирования лазерного излучения 11 обеспечивает установление оптимального угла падения пучка лазерного гетеродинного излучения на фоточувствительную площадку первого фотоприемного блока 4. Блок сканирования 11, а также аналогичные блоки поз. 13 и 18 выполнены на основе акустооптических быстродействующих сканеров и обеспечивают прецизионное двухкоординатное изменение направления распространения лазерного гетеродинного излучения на выходе блоков сканирования независимо в двух перпендикулярных друг к другу плоскостях, каждая из которых является также перпендикулярной к плоскости фоточувствительной площадки первого фотоприемного блока 4. Дополнительно можно отметить, что блоки сканирования 11 и 13 осуществляют изменение направления распространения гетеродинного лазерного излучения, падающего на фоточувствительную площадку фотоприемного блока 4, относительно первой оптической оси, нормальной к плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 4. Нормальное стандартное направление распространения лазерного гетеродинного излучения на выходе блока сканирования 11 и, соответственно, на входе фотоприемного блока 4, является параллельным и совпадающим с первой оптической осью, при котором гетеродинное лазерное излучение с выхода блока сканирования 11 падает нормально (перпендикулярно) на фоточувствительную площадку фотоприемного блока 4 после отражения от полупрозрачного зеркала 48. В блоке сканирования 11 в этот момент фиксируются управляющие параметры, обеспечивающие указанное нормальное падение гетеродинного лазерного излучения на фоточувствительную площадку фотоприемного блока 4. Одновременно в блоке сдвига частоты 10 фиксируются параметры управления от блока управления 6, обеспечивающие определенную установленную величину промежуточной частоты сигнала на выходе первого фотоприемного блока 4, поступающего на вход блока спектральных фильтров 5. Этим обеспечивается стандартный режим работы лазерного локатора на основе гетеродинного метода приема лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта. Одновременно с этим вторая ветвь формирования второго гетеродинного излучения, содержащая элементы поз. 15, 12 и 13 формирует второй сигнал гетеродинного лазерного излучения также на основе лазерного излучения, генерируемого лазерным гетеродином 8 и поступающего на вход указанных элементов с выхода лазерного гетеродина 8 через полупрозрачное зеркало 43. Второй блок сдвига частоты лазерного излучения 12 обеспечивает такую величину сдвига, при которой величина промежуточной частоты сигнала на выходе фотоприемного блока 4 равна некоторой величине f 2 и существенно отличается от первой промежуточной частоты f 1 , что позволяет обеспечить их раздельную фильтрацию в блоке фильтров 6 и последующую раздельную обработку в блоке управления 6. В блоке спектральных фильтров 5 предусмотрен набор электрических фильтров, для обеспечения фильтрации и последующего усиления сигналов промежуточной частоты в некотором спектральном диапазоне в районе второй промежуточной частоты f 2 . Данные спектральные электрические фильтры предназначены для приема и обработки указанных сигналов биений (фотосмешения) принимаемого лазерного излучения и второго гетеродинного лазерного излучения, сформированного второй ветвью элементов поз. 15, 12 и 13 и поступающего на фоточувствительную площадку первого фотоприемного блока 4 с выхода блока 13 через полупрозрачные зеркала 47 и 48. В момент приема лазерного излучения, отраженного от наблюдаемого объекта, с помощью второго блока сканирования лазерного излучения 13 по командам от блока управления 6 осуществляется периодическое изменение направления распространения указанного второго гетеродинного лазерного излучения относительно направления первой оптической оси, то есть относительно нормали к плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 4. Изменение направления распространения второго гетеродинного лазерного излучения осуществляется с помощью двухкоординатного сканера 13 в двух перпендикулярных направлениях относительно нормали к плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 4. В результате происходит периодическое изменение угла рассогласования между направлением (вектора) распространения принимаемого лазерного излучения и второго гетеродинного излучения при их падении на фоточувствительную площадку фотоприемного блока 4. В результате на выходе фотоприемного блока 4 образуется второй сигнал промежуточной частоты f 2 , амплитуда которого отражает непрерывное изменение угла рассогласования направления принимаемого лазерного излучения с направлением распространения второго лазерного гетеродинного излучения. При отсутствии такого рассогласования, то есть при нулевом угле указанного рассогласования и параллельности векторов распространения принимаемого и второго гетеродинного лазерных излучений уровень (амплитуда) сигнала второй промежуточной частоты на выходе фотоприемного блока 4 будет стремится к наибольшему значению. При этом величина уровня сигнала первой промежуточной частоты f 1 на выходе первого фотоприемного блока 4 остается неизменной вследствие того, что направление вектора распространения первого гетеродинного лазерного излучения на выходе первого блока сканирования 11 также неизменно и фиксировано вследствие фиксированного управляющего сигнала, поступающего на блок сканирования 11 с выхода блока управления 6. Соответственно является неизменным и угол рассогласования между векторами распространения принимаемого лазерного излучения и первого гетеродинного лазерного излучения, сформированного элементами первой ветви поз. 14, 10, 13. Таким образом, в блоке управления 6 непрерывно формируется информация о величинах сигналов двух промежуточных частот f 1 и f 2 , полученных на выходе первого фотоприемного блока 4 в результате взаимодействия (биений) принимаемого лазерного излучения и первого и второго гетеродинных лазерных излучений. Указанные два сигнала промежуточных частот f 1 и f 2 получены от одного и того же принимаемого лазерного излучения и различаются только характером изменения угла рассогласования между векторами принимаемого лазерного излучения и первого и второго гетеродинных лазерных излучений. В остальном параметры сигналов первой и второй промежуточных частот являются одинаковыми. Сигнал первой промежуточной частоты получен при неизменном направлении вектора распространения первого гетеродинного лазерного излучения и, соответственно, при неизменном указанном угле рассогласования. Величина этого первого сигнала промежуточной частоты принята за основу сравнения. Сигнал второй промежуточной частоты получен при условиях непрерывного изменения направления вектора распространения второго гетеродинного лазерного излучения, и, соответственно, при непрерывном изменении указанного угла рассогласования векторов принимаемого и второго гетеродинного лазерных излучений. В блоке управления 6 осуществляется непрерывное сравнение изменения амплитуды (уровня) сигнала второй промежуточной частоты относительно уровня сигнала первой промежуточной частоты в тот же момент времени при одном и том же принимаемом лазерном излучении и одинаковом уровне генерируемого излучения лазерного гетеродина. Различием условий получения сигналов первой и второй промежуточных частот является только различие в уровнях указанных углов рассогласования векторов принимаемого и гетеродинных лазерных излучений. Поэтому при превышении уровня сигнала второй промежуточной частоты над уровнем сигнала первой промежуточной частоты в некоторый момент времени и при некотором значении направления вектора распространения второго гетеродинного лазерного излучения в этот момент времени в блоке управления 6 выносится решение о достижении более точного согласования волновых фронтов принимаемого и второго гетеродинного лазерных излучений, в результате чего произошло относительное увеличение уровня сигнала второй промежуточной частоты на выходе первого фотоприемного блока 4. Далее блок управления 6 вырабатывает управляющий сигнал, поступающий в первый блок сканирования лазерного излучения 11, в результате которого блок сканирования 11 устанавливает направление вектора распространения лазерного излучения на выходе данного блока, аналогичное направлению вектора распространения второго гетеродинного лазерного излучения на выходе второго блока сканирования 13 в момент времени наибольшей величины уровня второго сигнала промежуточной частоты, относительно уровня сигнала первой промежуточной частоты. Данное новое найденное направление вектора первого гетеродинного лазерного излучения фиксируется в первом блоке сканирования лазерного излучения 11. Второй блок сканирования 13 лазерного излучения далее продолжает непрерывное изменение во времени направления вектора распространения лазерного излучения на выходе блока 13 относительно вновь найденного направления вектора распространения лазерного излучения в горизонтальном и вертикальном направлениях (плоскостях). Можно утверждать, что на основе двух ветвей формирования первого и второго гетеродинных лазерных излучений, первого фотоприемного блока 4 и блока управления 6 реализована система автоматического слежения и управления углом рассогласования векторов распространения принимаемого и гетеродинного лазерных излучений, устанавливающая оптимальный (минимальный) угол рассогласования в гетеродинном методе приема лазерных локационных сигналов. Указанное слежение за уровнем рассогласования принимаемого лазерного излучения и двух гетеродинных лазерных излучений осуществляется далее непрерывно и постоянно при приеме и слежении за движущимся наблюдаемым объектом. Первый и второй 14 и 15 управляемые ослабители служат для уравнивания величин (интенсивности) первого и второго гетеродинных лазерных излучений на фоточувствительной площадке первого фотоприемного блока 4.

Одновременно с осуществлением управления углом рассогласования принимаемого и гетеродинного лазерных излучений в лазерном локаторе осуществляется автоматическая подстройка и слежение за величиной промежуточной частоты биений, образующейся при взаимодействии принимаемого и гетеродинного лазерных излучений в первом фотоприемном блоке 4. Для выполнения указанной функции служит акустооптический модулятор 19, который совместно со вторым объективом 20 осуществляет в реальном масштабе времени спектральный анализ поступающих с выхода первого фотоприемного блока 4 электрических сигналов промежуточных частот в когерентном свете излучения, поступающего с выхода лазерного гетеродина 8 через полупрозрачное зеркало 44 и отражательное зеркало 59 на оптический вход акустооптического модулятора 19. Электрический сигнал с выхода первого фотоприемного блока 4 (с одного из центральных фоточувствительных элементов) поступает на управляющий электрод акустооптического модулятора 19 через блок управления этого модулятора 29. В акустооптическом модуляторе 19 возбуждается акустическая ультразвуковая волна под воздействием усиленного в блоке 29 электрического сигнала, поступившего с выхода фотоприемного блока 4 и содержащего сформированные сигналы первой и второй промежуточных частот. На оптический вход акустооптического модулятора 19 поступает монохроматический пучок лазерного излучения с выхода лазерного гетеродина 8 через полупрозрачное зеркало 44 и отражательное зеркало 59. В акустооптическом модуляторе 19 указанный лазерный пучок взаимодействует с возбужденной ультразвуковой волной, в результате чего на выходе акустооптического модулятора 19 и одновременно на входе второго объектива 20 образуется пучок лазерного излучения, промодулированный электрическим сигналом с выхода первого фотоприемного блока 4. Объектив 20 осуществляет оптическое Фурье-преобразование в когерентном свете лазерного излучения лазерного гетеродина 8 и формирует пространственный спектр модулированного лазерного пучка в фокальной плоскости объектива 20, совмещенной с плоскостью управляемого пространственного фильтра 22 и одновременно совмещенной с фоточувствительной площадкой третьего фотоприемного блока 27. Сформированный пространственный спектр считывается третьим фотоприемным блоком 27 и через его блок управления 28 поступает в блок управления 6. Одновременно осуществляется пространственная фильтрация сформированного пространственного спектра с помощью управляемого пространственного фильтра 22. Сформированный в реальном масштабе времени пространственный спектр модулированного лазерного пучка представляет собой два спектральных порядка, соответствующих двум сигналам промежуточных частот f 1 и f 2 , сформированным на выходе первого фотоприемного блока 4 в результате взаимодействия принимаемого лазерного излучения и двух гетеродинных лазерных излучений. Управляемый пространственный фильтр 22 по управляющим сигналам с выхода блока управления 6 пропускает на оптический вход третьего объектива 23 только распределение излучения какого либо одного спектрального порядка, соответствующего, например, сигналу первой промежуточной частоты f 1 . Возможна также фильтрация и исключение некоторых шумовых и помеховых составляющих, сопутствующих или содержащихся вблизи и вместе с сигналом первой промежуточной частоты. (Аналогично и для второй промежуточной частоты). Далее осуществляется операция обратного преобразования (превращения) отфильтрованного распределения излучения первой промежуточной частоты в электрический сигнал для ввода в блок управления 6, осуществляемое с помощью второго фотоприемного блока 25. Третий объектив 23 осуществляет обратное Фурье-преобразование в когерентном свете и формирует в фокальной плоскости объектива 23, распределение лазерного пучка, в котором отфильтрована с помощью управляемого пространственного фильтра 22 (исключена) вторая составляющая сигнала со второй промежуточной частотой, а также исключены некоторые помеховые и мешающие составляющие в сигнале первой промежуточной частоты. Управляемый пространственный фильтр 22 выполняет функцию динамической пропускающей диафрагмы (окна), которая пропускает распределение светового пучка, соответствующее сигналу первой промежуточной частоты f 1 . Одновременно на фоточувствительную площадку второго фотоприемного блока 25 поступает третий гетеродинный лазерный пучок с выхода лазерного гетеродина 8, дополнительно сформированный с помощью третьей ветви элементов формирования гетеродинного лазерного излучения поз. 16, 17, 18. Данный лазерный пучок поступает на оптический вход (фоточувствительную площадку) фотоприемного блока 25 через отражательное зеркало 45 и полупрозрачное зеркало 24. В результате взаимодействия (биений) сформированных на фоточувствительной площадке фотоприемного блока 25 лазерных пучков на выходе данного фотоприемного блока 25 образуется отфильтрованный в реальном масштабе времени электрический сигнал, содержащий информацию, соответствующую информации, содержащейся ранее в сигнале первой промежуточной частоты f 1 на выходе первого фотоприемного блока 4. При этом частота (центральная) этого сигнала определяется как величиной первой промежуточной частоты f 1 , так и величиной установленного сдвига частоты лазерного излучения f 3 в третьем блоке сдвига частоты ЛИ 17, который устанавливается по управляющему сигналу с выхода блока управления 6. Данная частота сигнала биений на выходе фотоприемного блока 25 равна сумме частот f 1 +f 3 , где f 3 - величина указанного устанавливаемого сдвига частоты лазерного излучения в блоке 17. В блоке управления 6 непрерывно образуется информация о текущей величине частоты сигнала первой промежуточной частоты, поступающего с выхода третьего фотоприемного блока 27 через его блок управления 28. Величина этой частоты равна расстоянию от центра фокальной плоскости (фокуса объектива 20) положения первого дифракционного порядка - отметки от сигнала промежуточной частоты в сформированном в плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 27 пространственного спектра принимаемого лазерного пучка, сформированного с помощью второго объектива 20. Положение в фокальной плоскости данного дифракционного порядка все время изменяется, что отражает изменение (флуктуации) скорости движения наблюдаемого объекта. Блок управления 6 непрерывно формирует по полученной указанной информации управляющий сигнал, поступающий в третий блок сдвига частоты ЛИ 17, обеспечивающий компенсацию текущих изменений частоты сигнала, отфильтрованного в управляемом пространственном фильтре 22 и преобразованном в электрический сигнал на выходе второго фотоприемного блока 25. В результате указанная частота сигнала на выходе второго фотоприемного блока 25 остается неизменной и равной величине рабочей частоте фильтрации f 4 в одном из узкополосных спектральных электрических фильтров во втором блоке спектральных фильтров 26.

f 1 +f 3 =f 4 =const.

Таким образом, реализуется система автоматического управления и слежения за изменениями частоты принимаемого сигнала, обусловленными доплеровскими смещениями частоты принимаемого лазерного излучения. Такая система позволяет осуществить стабилизацию в необходимых пределах частоты принятого информационного сигнала и обеспечить дальнейшую фильтрацию и обработку этого сигнала с помощью узкополосного фильтра во втором блоке спектральных фильтров 26, в который поступает текущий принимаемый сигнал со стабилизированной центральной частотой с выхода считывающего этот сигнал второго фотоприемного блока 25. Отфильтрованный в узкополосном электрическом фильтре 26 сигнал поступает далее на вход блока управления 6 для дальнейшего анализа. Использование указанной системы слежения и стабилизации промежуточной частоты принятого информационного сигнала позволяет осуществить фильтрацию сигналов во втором блоке спектральных фильтров 26 с помощью специальных узкополосных электрических фильтров, применение которых было бы невозможно без данной системы отслеживания текущих изменений промежуточной частоты принимаемого информационного сигнала. Это позволяет повысить вероятность правильного обнаружения (обнаружительную способность) при окончательной обработке и анализе полученной информации в блоке управления 6. Во время осуществления слежения за частотой принимаемого информационного сигнала с помощью изменения (управления) величиной сдвига частоты лазерного излучения в блоке сдвига частоты ЛИ 17 в третьем блоке сканирования ЛИ 18 осуществляется изменение направления вектора распространения лазерного излучения для согласования волновых фронтов лазерных излучений, падающих на фоточувствительную площадку второго фотоприемного блока 25, а именно: промодулированного лазерного излучения с выхода акустооптического модулятора 19 и третьего гетеродинного лазерного излучения с выхода блока 18. Информация о необходимой величине оптимального угла падения указанного третьего гетеродинного лазерного излучения получается в блоке управления 6 на основе величины смещения дифракционного порядка от сигнала первой промежуточной частоты относительно центра плоскости управляемого пространственного фильтра 22 и, соответственно, центра фоточувствительной площадки третьего фотоприемного блока 27. Данная информация считывается третьим фотоприемным блоком 27 и далее непрерывно поступает с выхода его блока управления 28 в блок управления 6, в котором вырабатываются необходимые управляющие сигналы, поступающие в третий блок сканирования лазерного излучения 18. В предлагаемом лазерном локаторе возможно также осуществление другого метода слежения и компенсации изменений величины промежуточной частоты принимаемого информационного сигнала, при котором сформированный в блоке управления 6 сигнал обратной связи для управления и компенсации вариаций частоты подается на управляющий вход первого блока сдвига частоты лазерного излучения 10, в результате чего осуществляется стабилизация первой промежуточной частоты принимаемого сигнала на выходе первого фотоприемного блока 4. При этом величина сигнала управления сдвигом частоты определяется в блоке управления 6 на основе измерения изменений текущей величины второй промежуточной частоты по информации, поступающей в блок управления 6 от третьего фотоприемного блока 27. Возможно также одновременное отслеживание изменений величины промежуточной частоты принимаемого информационного сигнала путем подачи управляющего сигнала с выхода блока управления 6 на управляющий вход первого блока сдвига частоты ЛИ 10 и на управляющий вход третьего блока сдвига частоты ЛИ 17. В этом случае реализуется двухконтурная система динамической компенсации изменений промежуточной частоты, позволяющая обеспечить особо высокую точность слежения и компенсации флуктуаций частоты принимаемого информационного сигнала на входе второго блока спектральных фильтров 26, что позволяет использовать в данном блоке специальные узкополосные фильтры и повысить обнаружительную способность и эффективность работы лазерного локатора в условиях внешних фоновых засветок и помех. Следует отметить, что формируемый в блоке управления 6 сигнал управления сдвигом частоты лазерного излучения, поступающий на управляющий вход третьего блока сдвига частоты ЛИ 17, содержит важную информацию о динамике изменения скорости движения наблюдаемого космического объекта и может быть использован для анализа состояния и характера движения данного объекта на космической орбите. Акустооптический модулятор 19 и объектив 20 при формировании на фоточувствительной площадке третьего фотоприемного блока 27 пространственного спектра информационного сигнала с выхода первого фотоприемного блока 4 осуществляют одновременно важную функцию тестирования и контроля режима работы приемного канала лазерного локатора, к которому относятся собственно первый фотоприемный блок 4 и элементы формирования первого и второго гетеродинных лазерных излучений поз. 8, 10-13. Это обусловлено тем, что на выходе фотоприемного блока 4 помимо информационных сигналов первой и второй промежуточных частот, образуется также сигнал биений (фотосмешения) первого и второго гетеродинных лазерных излучений, частота которого равна разности частот указанных первого и второго гетеродинных ЛИ. Спектральная отметка от данного сигнала биений двух лазерных гетеродинных излучений в виде дополнительного дифракционного порядка, сформированного объективом 20, считывается третьим фотоприемным блоком 27 и через блок 28 поступает в блок управления 6 для последующего непрерывного контроля указанной частоты биений, равной расстоянию этого дифракционного порядка от центра дифракционной картины спектра, совпадающей с центром фоточувствительной площадки фотоприемного блока 27. Уровень данного дифракционного порядка пропорционален интенсивностям первого и второго гетеродинных лазерных излучений. При изменении угла между векторами распространения первого и второго гетеродинных излучений данный уровень изменяется. При этом величины частот первого и второго гетеродинных лазерных излучений на выходах блоков сдвига частоты ЛИ 10 и 12 подбираются такими, чтобы их разность была меньше получаемых на выходе первого фотоприемного блока 4 первой и второй промежуточных частот во избежание наложения сигналов указанных биений от лазерных гетеродинных излучений и сигналов указанных первой и второй промежуточных частот. Практически такое условие легко выполняется соответствующим выбором величин сдвига лазерных гетеродинных излучений в блоках сдвига частоты ЛИ 10 и 12. Таким образом, в блоке управления 6 в рабочем режиме лазерного локатора осуществляется непрерывный функциональный контроль и тестирование приемного канала лазерного локатора на основе анализа сигналов фотосмешения, не связанных с принимаемым лазерным излучением от наблюдаемого объекта и не требующих наличия отраженных сигналов от объекта для определения состояния нормального функционирования лазерного локатора. Это является важным фактором повышения эффективности и надежности работы лазерного локатора. В предлагаемом лазерном локаторе предусмотрена дополнительная возможность увеличения помехозащищенности и повышения эффективности работы в условиях высокого уровня внешних фоновых помех и засветок, возникающих при работе в дневное время вблизи мощного источника оптического излучения, например, при слежении за объектом, изображение которого находится вблизи солнечного диска. Вначале при работе в дневное время с помощью акустооптического модулятора 19, объектива 20 и третьего фотоприемного блока 27 осуществляется формирование пространственного спектра общего фона на входе телескопа 1, направленного в заданную область пространства с помощью блока наведения 2. Спектр фона формируется в плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока 27, совмещенной с фокальной плоскостью объектива 20 посредством первого полупрозрачного зеркала 21. При этом прием сигналов с выхода первого фотоприемного блока 4 осуществляется в диапазоне ранее выбранных первой и второй промежуточных частот при соответствующих величинах частот первого и второго гетеродинных лазерных излучений, сформированных первым 10 и вторым 12 блоками сдвига ЛИ. Следует отметить, что частотами этих гетеродинных Лазерных излучений и выбранными промежуточными частотами при пространственной фильтрации в блоке управляемого пространственного фильтра 22, а также общим суммарным рабочим диапазоном модулирующих входных частот в акустооптическом модуляторе 19 определяется спектральный диапазон входного лазерного излучения, регистрируемого в режиме гетеродинного приема фотоприемным блоком 4 и соответствующего длине волны (диапазону) подсвечивающего лазерного излучения, генерируемого лазерным передатчиком 7. Информация о суммарном спектре фонового излучения в указанном диапазоне выбранных рабочих частот лазерного передатчика поступает с выхода третьего фотоприемного блока 27 через блок 28 в блок управления 6, где осуществляется анализ уровня фоновых шумов и принимается решение об использовании дополнительного динамического спектрального фильтра поз.30, осуществляющего узкополосную фильтрацию принимаемого телескопом 1 лазерного излучения до поступления этого излучения на оптический вход (фоточувствительную площадку) первого фотоприемного блока 4. Для этого по командам от блока управления 6 блок перемещения 34 осуществляет введение первого и второго выносных зеркал 32 и 33 в оптический тракт так, как это показано на фиг. 1. При этом лазерное излучение с оптического выхода телескопа 1 теперь попадает на вход первого объектива 1 не напрямую, а после прохождения через динамический спектральный фильтр 30. В результате отражения от зеркал 32 и 35 лазерное принимаемое излучение проходит на вход динамического спектрального фильтра 30. После узкополосной спектральной фильтрации ЛИ с выхода спектрального фильтра 30 излучение попадает на вход объектива 3 после отражения от зеркал 36 и 33. Длина волны (частота) узкополосной фильтрации принимаемого лазерного излучения в динамическом спектральном фильтре 30 управляется по сигналу с выхода блока управления 6 и соответствует длине волны лазерного излучения, генерируемого лазерным передатчиком 7, с учетом возможных изменений на величину доплеровского смещения частоты отраженного от движущегося объекта лазерного излучения. В результате узкополосной фильтрации принимаемого лазерного излучения в динамическом спектральном фильтре 30 происходит отсечка фонового помехового излучения и снижение уровня интермодуляционных шумовых помех на выходе первого фотоприемного блока 4 при его работе в режиме гетеродинного приема лазерного излучения, отраженного от объекта, подсвеченного лазерным излучением лазерного передатчика 7, что обеспечивает увеличение вероятности правильного обнаружения и повышение эффективности работы лазерного локатора в условия высокого уровня внешних фоновых помех. Одновременно динамический спектральный фильтр 30 осуществляет блокирование полосы приема зеркального частотного канала, который в оптическом гетеродинном приемнике образуется также как и в супергетеродинном приемнике радиодиапазона. Исключение приема фоновых шумов зеркальной частоты приема дополнительно повышает помехозащищенность и эффективность работы предлагаемого лазерного локатора. Первое и второе сканирующие зеркала 35 и 36 обеспечивают точное провешивание оптической оси при введении динамического спектрального фильтра 30 в приемный оптический тракт лазерного локатора. Для этого под воздействием управляющих сигналов, поступающих на указанные зеркала от блока управления 31 сканирующими зеркалами, последние изменяют в небольших пределах направления отраженных от зеркал излучений для точного установления направления выходного излучения от телескопа на вход фильтра 30 и выходного излучения от фильтра 30 на вход объектива 3. При этом точная юстировка приемного оптического канала и оптических элементов, обеспечивающих прием лазерного излучения, отраженного от объекта, осуществляют в специальном режиме настройки лазерного локатора, при котором осуществляется ввод в оптический приемо-передающий тракт выносного уголкового отражателя 37 с помощью блока перемещения уголкового отражателя 38, как это показано на фиг. 1. В этом случае лазерный передатчик 7 переводится в режим генерации излучения минимального уровня. Одновременно управляемый ослабитель 58 осуществляет дополнительное ослабление лазерного излучения от передатчика 7 до уровня, позволяющего зарегистрировать излучение без перегрузки первого фотоприемного блока 4. Уголковый отражатель 37 осуществляет возвращение на вход телескопа 1 части генерируемого лазерного излучения точно по направлению оси диаграммы направленности этого излучения, направленного телескопом 1 с помощью блока наведения в сторону наблюдаемого объекта. Далее сформированное уголковым отражателем 37 контрольное лазерное излучение регистрируется фотоприемным блоком 4, имеющим четырехэлементную фоточувствительную площадку. С помощью первого и второго сканирующих зеркал 35, 36 осуществляется наведение оси сформированного контрольного лазерного излучения в центр фоточувствительной площадки первого фотоприемного блока 4. Одновременно в блоках сканирования лазерного излучения 11 и 13 по командам от блока управления 6 устанавливается нормальный угол падения формируемых гетеродинных лазерных излучений на фоточувствительную площадку фотоприемного блока 4. На этом заканчивается этап настройки введенного в приемный тракт лазерного локатора динамического спектрального фильтра 30. Аналогичным образом с помощью введения на входе телескопа 1 выносного уголкового отражателя 37 осуществляется тестирование и настройка стандартного режима работы лазерного локатора без введения в оптический тракт динамического спектрального фильтра 30.

При обнаружении в указанном выше режиме анализа фоновой обстановки значительного уровня фоновых помех в диапазоне лазерного излучения, генерируемого лазерным передатчиком 7, в предлагаемом лазерном локаторе возможен переход на другую длину волны или другой диапазон длин волн, для чего возможно использовать лазерный передатчик и лазерный гетеродин с перестройкой генерируемых длин волн лазерных излучений. При этом одновременно с перестройкой длин волн лазерных излучений, генерируемых в лазерном передатчике и лазерном гетеродине, осуществляется соответствующая динамическая перестройка длины волны полосы фильтрации и приема в динамическом спектральном фильтре 30, а также выбор и установление необходимых сдвигов частоты в блоках сдвига частоты ЛИ 10 и 12 и установление необходимых углов падения гетеродинных лазерных излучений на фоточувствительную площадку первого фотоприемного блока 4. Этим реализуется оптимальный наиболее эффективный режим работы лазерного локатора в выбранном диапазоне приема лазерных локационных сигналов и излучений с минимальным уровнем внешних фоновых засветок и помех.

В предлагаемом лазерном локаторе одну из важных функций выполняют блоки сдвига частоты лазерного излучения поз. 10, 12 и 17. На фиг. 2 представлена блок-схема такого блока сдвига частоты лазерного излучения, выполненного на основе акустооптической ячейки 52, осуществляющей модуляцию проходящего через ячейку лазерного излучения. На оптический вход акустооптической ячейки 52 (фиг. 2) через входную диафрагму 51 поступает лазерное излучение, генерируемое лазерным гетеродином 8 и поступающее (см. фиг. 1) через полупрозрачное зеркало 42 и первый управляемый ослабитель 14 на вход блока сдвига частоты ЛИ поз. 10. При прохождении через акустооптическую ячейку 52 лазерное излучение взаимодействует с ультразвуковой волной определенной частоты, возбужденной в этой ячейке посредством специального пьезоэлемента 60, находящегося в контакте с кристаллом акустооптической ячейки 52. В результате указанного взаимодействия на выходе акустооптической ячейки 52 образуется пучок лазерного излучения, частота которого сдвинута на величину частоты ультразвуковой волны в акустооптической ячейке, частота которой определена и задана в блоке управления 53 данной акустооптической ячейкой. С помощью первой линзы 54 сформированный лазерный пучок со сдвинутой частотой на заданную величину, определяемую в блоке 53 по командам от блока управления 6, направляется в плоскость точечной диафрагмы 55, расположенной строго на оптической оси данного блока сдвига частоты ЛИ. Данная точечная диафрагма имеет диаметр пропускающего отверстия равный 0,2-0,4 миллиметра. Термин «точечная» является условным и отражает малую величину диаметра отверстия диафрагмы. Вторая линза 56 осуществляет расширение пучка лазерного излучения, отфильтрованного осевой точечной диафрагмой 55, до выходной диафрагмы 57. Диафрагма 55 находится в передней фокальной плоскости линзы 56. В результате на выходе данного блока сдвига частоты ЛИ после выходной диафрагмы 57 образуется пучок лазерного излучения, распространяющийся строго вдоль оптической оси блока и имеющий частоту лазерного излучения, сдвинутую точно на величину частоты ультразвуковой волны, которая задана в блоке управления 53 акустооптической ячейкой по управляющему сигналу, поступающему от блока управления 6. Таким образом в блоках сдвига частоты ЛИ, осуществляется управляемый сдвиг частоты проходящего лазерного излучения на заданную в блоке управления 6 величину сдвига без изменения направления распространения этого излучения. Акустооптическая ячейка 52 работает в режиме дифракции Брэгга, при котором на выходе ячейки образуется только один дифрагированный лазерный пучок, в который перекачивается вся энергия поступающего на ячейку лазерного излучения. При осуществлении взаимодействия лазерного излучения с акустооптической ультразвуковой волной в ячейке 52 изменяется направление распространения выходящего из ячейки лазерного пучка. Поэтому диафрагма 55 смещена от точки фокуса первой линзы 54, в результате чего в диафрагму всегда попадает часть сформированного излучения со сдвинутой частотой лазерного излучения. Для исключения влияния изменения направления распространения лазерного излучения, при сдвиге его частоты возможно также использование диффузного отражателя, формирующего широкую диаграмму направленности падающего лазерного излучения со смещенной частотой излучения, из которого затем с помощью точечной диафрагмы выделяется излучение, распространяющееся строго вдоль оптической оси блока сдвига частоты ЛИ. Подробно работа акустооптической ячейки, в которой реализуется сдвиг частоты лазерного излучения, изложена в монографии . Сдвиг частоты лазерного излучения может быть осуществлен как в положительную, так и в отрицательную сторону. Следует отметить, что использованный в блоках сдвига частоты ЛИ метод сдвига частоты на основе акустооптического взаимодействия лазерного излучения в акустооптической ячейке обладает высокой точностью, так как величина сдвига определяется непосредственно величиной частоты управляющего сигнала в блоке управления 53 акустооптической ячейкой, в котором указанная частота задается с высокой точностью с помощью специального синтезатора частоты, входящего в состав данного блока управления 53. Также следует отметить высокое быстродействие данного метода, позволяющее осуществлять сдвиг частоты ЛИ с частотой повторения импульсов лазерного передатчика и осуществлять отслеживание изменения промежуточной частоты на выходе первого фотоприемного блока 4 при наблюдении за быстро движущимися космическими объектами. Следует отметить возможность использования для сдвига частоты ЛИ различных физических эффектов, например, можно использовать нелинейное взаимодействие оптических излучений в нелинейных оптических кристаллах. Важную функцию в предлагаемом лазерном локаторе выполняют блоки сканирования лазерного излучения поз. 11, 13 и 18. Данные блоки выполнены на основе акустооптических отклоняющих лазерное излучение ячеек - прецизионных сканаторов лазерного излучения . Высокая точность отклонения достигается в акустооптических сканаторах вследствие того, что управляющим сигналом, определяющим угол отклонения лазерного излучения, здесь является возбуждающий акустическую волну в ячейке электрический сигнал, частота которого с высокой точностью задается с помощью синтезатора частоты, входящего в состав данного блока сканирования лазерного излучения. Одновременно блоки сканирования на основе акустооптических ячеек обладают высоким быстродействием, определяемым высокой скоростью распространения акустической волны через акустооптическую ячейку. Следует отметить, что при изменении направления угла распространения лазерного излучения через блок сканирования ЛИ 11, 13 и18 происходит некоторый сдвиг частоты лазерного излучения, определяемый частотой поданного на акустооптическую ячейку данного блока сканирования управляющего сигнала. Для компенсации этого смещения частоты отклоняемого лазерного излучения в предшествующем блоке сдвига частоты (например, блок 10 перед блоком сканирования 11) осуществляется дополнительный упреждающий сдвиг частоты, или основной сдвиг частоты ЛИ в блоке сдвига частоты 10 осуществляется с имеющимся или устанавливаемым дополнительным сдвигом частоты в последующем блоке сканирования лазерного излучения 11. Таким образом, последовательно установленные блок сдвига частоты лазерного излучения 10 и блок сканирования 11 лазерного излучения, выполненные на основе акустооптических ячеек, работают как единый блок (элемент) сдвига частоты и сканирования лазерного излучения под управлением сигналов, поступающих от блока управления 6 и обеспечивающих высокую точность изменения частоты и направления распространения лазерного излучения в заданных пределах. В настоящее время разработаны акустооитические ячейки, работающие от ближнего ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазонов длин волн, обеспечивающие сдвиг длины волны лазерного излучения на величину порядка 2 (двух) Гигагерц, а при использовании нескольких каскадов взаимодействия ЛИ с акустической волной обеспечивают сдвиг частоты ЛИ до 10 Гигагерц, что достаточно для компенсации доплеровского сдвига при слежении и осуществлении лазерной связи с космическими объектами. В качестве блоков сканирования лазерного излучения возможно также использование сканирующих зеркал с управляющими пьезоэлементами, аналогично используемым сканирующим зеркалам поз. 35 и 36.

В лазерном локаторе динамический спектральный фильтр 30 реализован на основе акустооптической ячейки и пьезоэлемента, возбуждающего в акустооптической ячейке ультразвуковые волны, определенной частоты и интенсивности. В результате на оптический выход блока 30 проходит только лазерное излучение в заданном узком спектральном диапазоне, определяемом частотой управляющего сигнала, сформированного с высокой точностью с помощью синтезатора частоты, входящего в состав блока 30. При этом происходит некоторый дополнительный контролируемый сдвиг частоты принимаемого лазерного излучения, проходящего через динамический спектральный фильтр 30. Этот дополнительный известный сдвиг частоты принимаемого ЛИ учитывается и компенсируется с помощью блоков сдвига частоты лазерного излучения 10 и 12 при установлении этими блоками заданной величины сдвига частот формируемых гетеродинных лазерных излучений по командам от блока управления 6. Таким образом, блоки сдвига частоты лазерного излучения 10 и 11 выполняют дополнительную функцию компенсации сдвига частоты принимаемого лазерного излучения при его прохождении через динамический спектральный фильтр 30. Дополнительно динамический спектральный фильтр 30 содержит специальный управляющий блок, в который входит синтезатор частоты, обеспечивающий формирование набора управляющих электрических сигналов с точным значением частоты для возбуждения ультразвуковых волн с заданными параметрами, обеспечивающих динамическую фильтрацию принимаемого лазерного излучения. Принцип работы и характеристики акустооптических ячеек, использованных в динамических спектральных фильтрах, акустооптических сканаторах и блоках сдвига частоты изложены в монографии и в многочисленных публикациях .

В качестве блоков спектральных фильтров 5 и 26 использованы современные электрические узкополосные фильтры, работающие в диапазонах от 0,1 до сотен мегагерц. При этом в блоках фильтрации 5 и 26 имеются полные наборы спектральных электрических фильтров, подключенных индивидуально и раздельно к каждому выходному электроду четырехплощадочного фоточувствительного элемента фотоприемных блоков поз.4 и 25. В блоке 26 использованы наиболее узкополосные фильтры, так как на его вход поступает сигнал с выхода системы компенсации изменений частоты информационного сигнала, обеспечивающей попадание этого сигнала в узкую полосу соответствующего фильтра в блоке 26 в условия слежения за быстро движущимся объектом. Блок 26 содержит некоторый набор узкополосных спектральных фильтров, настроенных на некоторый ряд фиксированных частот электрической фильтрации, что позволяет осуществлять узкополосную фильтрацию принимаемых сигналов в некотором диапазоне изменения промежуточных частот, определяемом частотой сигнала, поступающего с выхода первого фотоприемного блока 4 на акустооптический модулятор 19, и частотой лазерного излучения, сформированного на выходе блока сдвига частоты лазерного излучения 17. Блоки 5 и 26 содержат также электронные усилители и ряд средств оцифровки усиленных и отфильтрованных сигналов для ввода информации в блок управления 6. Блоки 5 и 26 могут также содержать демодуляторы принимаемых электрических высокочастотных сигналов (ВЧ детекторы) при выполнении различных алгоритмов обработки принимаемых лазерных локационных сигналов и сигналов лазерной космической связи. Блок спектральных фильтров 5 содержит набор электрических фильтров с фиксированной полосой пропускания, настроенных на последовательный ряд частот (промежуточных), в районе первой промежуточной частоты и второй промежуточной частоты. Блок спектральных фильтров 5 содержит также набор соответствующих электрических усилителей и аналого-цифровых преобразователей, осуществляющих оцифровку усиленных и отфильтрованных электрических сигналов для ввода в блок управления 6, представляющий собой специализированную многофункциональную ЭВМ.

В качестве блока управления 6, осуществляющего управление всеми блоками и элементами лазерного локатора, а также осуществляющего обработку информации, поступающей от фотоприемных блоков и блока измерения частоты 9, использована многофункциональная высокопроизводительная электронно-вычислительная машина, снабженная соответствующими интерфейсами, обеспечивающими параллельную связь с блоками и элементами лазерного локатора. В состав блока управления 6 входит также дисплей для отображения информации и пульт управления оператора.

Блок наведения 2 осуществляет наведение оси телескопа 1 в заданную точку наблюдаемого пространства и последующее слежение за обнаруженным движущимся объектом. Блок 2 выполнен на основе управляемых шаговых электродвигателей. Шаговые электрические двигатели использованы также в блоке перемещения 34 и в блоке перемещения 38 выносного уголкового отражателя 37.

Блок измерения частоты 9 является стандартным, аналогичным используемому в прототипе, и содержит фотоприемник, на вход которого поступают лазерные излучения лазерного передатчика 7 и лазерного гетеродина 8. С выхода указанного фотоприемника сигнал биений на промежуточной частоте усиливается, оцифровывается и поступает в цифровом виде в блок управления 6, где осуществляется окончательное измерение промежуточной (разностной) частоты биений лазерного передатчика и гетеродина, например, путем подсчета импульсов за фиксированный период времени. При обнаруженном изменении частоты вследствие нестабильности частоты передатчика или гетеродина, осуществляется подстройка величины сдвига частоты в блоках сдвига частоты ЛИ 10 и 12, что является более точным и эффективным, чем стабилизация частоты в лазерном передатчике в прототипе. Полупрозрачное зеркало 39 ответвляет весьма малую величину излучения лазерного передатчика 7 на вход блока измерения частоты 9, достаточную для нормальной работы этого блока. Основная часть излучения лазерного передатчика 7 (99,9%) проходит через зеркало 39 на вход управляемого ослабителя 58 и далее к отражательному зеркалу 49. Управляемый ослабитель 58 в стандартном режиме не осуществляет ослабления излучения и полностью пропускает весь проходящий световой поток. В качестве управляемых ослабителей лазерного излучения поз. 14, 15, 16 и 58 использованы выпускаемые промышленностью управляемые оптические приборы, обеспечивающие механическое перекрытие сечения проходящего пучка лазерного излучения по типу управляемой диафрагмы или управляемого затвора. Возможно также использование управляемых быстродействующих электрооптических модуляторов проходящего светового потока. Управляемые ослабители 14, 15, 16 предназначены для установления уровней гетеродинных лазерных излучений, обеспечивающих стандартный режим работы фотоприемных блоков 4, 27 и 25. Управляемые ослабители 14 и 15 осуществляют формирование на входе первого фотоприемного блока 4 двух гетеродинных лазерных излучений одинакового уровня. Управляемый ослабитель 58 осуществляет ослабление уровня сигнала лазерного передатчика 7, ответвляемого выносным уголковым отражателем 37 на вход телескопа 1, до уровня стандартной чувствительности первого фотоприемного блока 4. Управляемый пространственный фильтр 22 выполнен на основе оптического транспаранта, например, на базе жидких кристаллов и матрицы электродов, обеспечивающих управляемую электрическую адресацию по командам от блока управления 6, в результате чего осуществляется управление пропусканием отдельных элементов плоскости пространственного фильтра 22, совмещенной с фокальной плоскостью объектива 20, который формирует в этой плоскости пространственный спектр принимаемого информационного сигнала, подлежащего фильтрации. Различные управляемые транспаранты и пространственные фильтры на их основе, а также управляемые ослабители и управляемые оптические затворы на базе жидких кристаллов выпускаются промышленностью. Возможно также использование в качестве управляемого транспаранта электронно-лучевой светомодулирующей трубки с электронной адресацией пропускающих излучение элементов в фокальной плоскости объектива 20 .

В лазерном локаторе в качестве лазерного передатчика и лазерного гетеродина могут быть использованы современные лазерные генераторы с достаточно узкой полосой генерации лазерного излучения от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона длин волн. В настоящее время в указанных диапазонах имеется большое количество лазерных генераторов, обладающих также возможностью перестройки длины волны генерации в определенных пределах. Одновременно разработаны и выпускаются промышленностью различные акустооитические ячейки и устройства на основе оптических кристаллов, работающие в диапазонах длин волн от ультрафиолетового до ближнего и среднего инфракрасного диапазонов. Фотоприемные блоки выполнены на основе четырехплощадочных приемников лазерного излучения (первый и второй фотоприемные блоки поз. 4 и 25), а также на основе многоэлементных фотоприемных матриц (фотоприемный блок 27). В настоящее время существует большое количество фотоприемных устройств на различных физических принципах, работающих во всех указанных диапазонах длин волн. В предлагаемом лазерном локаторе возможно также использование многоэлементных двумерных матричных фотоприемников в фотоприемном блоке 4 при обеспечении согласования волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений с помощью предложенной и использованной в данном лазерном локаторе системы автоматического управления направлением распространения гетеродинного лазерного излучения. Таким образом, на основе современной элементной базы квантовой электроники возможна реализация предложенного лазерного локатора, обладающего высокой эффективностью работы в условиях сильных фоновых засветок и обеспечивающего более высокую вероятность обнаружения быстро движущихся космических объектов и более высокую информативность и достоверность измеряемых параметров движения наблюдаемых объектов.

Предлагаемый лазерный локатор может быть использован в качестве устройства лазерной связи, для реализации связи с движущимися объектами, передвигающимися в приземном пространстве, а также для связи с космическими объектами в ближнем и дальнем космосе. При осуществлении лазерной космической связи предлагаемый лазерный локатор осуществляет обнаружение объекта и слежение за обнаруженным космическим объектом (космическим аппаратом) в режиме излучения зондирующего лазерного сигнала и приема отраженного лазерного подсвечивающего излучения. Одновременно лазерное излучение, формируемое лазерным передатчиком 7, подвергается модуляции информационным сигналом, поступающим от блока управления 6 на модулятор лазерного излучения, входящий в состав лазерного передатчика 7. Отраженный от наблюдаемого космического объекта модулированный лазерный сигнал после приема фотоприемным блоком 4, преобразования и предварительной фильтрации посредством блоков 19 и 22, подвергается узкополосной фильтрации и оцифровке во втором блоке спектральных фильтров 26 и далее направляется в блок управления 6 для окончательной обработки, демодуляции и получения информации, переданной с борта космического корабля. При этом последний должен быть оснащен приемо-передающим лазерным устройством, аналогичным лазерному локатору на фиг. 1. Возможен также прием и фильтрация принимаемого информационного сигнала с помощью первого блока спектральных фильтров 5. Следует отметить также возможность установления с помощью предлагаемого лазерного локатора непрерывной и устойчивой связи с космическим кораблем при осуществлении посадки на Землю и его входе в плотные слои атмосферы через слой плазмы, окружающей в этот момент космический корабль. При этом связь в радиодиапазоне прерывается, а связь в диапазоне лазерных излучений, например, в ближнем ИК-диапазоне, может быть осуществлена за счет прохождения лазерного излучения через слой плазмы без существенного поглощения. Высокая эффективность и надежность лазерной связи через слой плазмы обеспечивается также узкополосной фильтрацией во втором блоке фильтров 26 и наличием системы высокоточного отслеживания изменений доплеровской частоты и стабилизации промежуточной частоты с помощью блоков сдвига частоты лазерного излучения.

По материалам разработки предлагаемого лазерного локатора проведены экспериментальные исследования, подтвердившие увеличение эффективности работы предложенной системы локатора. На фиг. 3 и 4 приведен характерный вид пространственного спектра сигнала промежуточной частоты с выхода первого фотоприемного блока 4, сформированного акустооптическим модулятором 19 и объективом 20 в его фокальной плоскости, совмещенной с плоскостями управляемого пространственного фильтра 22 и фоточувствительной площадки третьего фотоприемного блока 27, с помощью которого зарегистрированы представленные пространственные спектры. На фиг. 3 представлен пространственный спектр сигнала первой промежуточной частоты, величина которой определяется расстоянием правого дифракционного порядка, представляющего собственно спектр принятого лазерного излучения, от центральной точки спектральной картины. Полученный спектр является симметричным, так как акустооптический модулятор работал в линейном режиме дифракции. На фиг. 4 представлен аналогичный пространственный спектр принимаемого лазерного излучения при увеличенном значении полученной первой промежуточной частоты, например, при введении дополнительного сдвига частоты первого гетеродинного лазерного излучения, осуществляемого первым блоком сдвига частоты лазерного излучения 10. При этом расстояние первого дифракционного порядка от центра симметричной картины спектра увеличивается. Величина указанного расстояния позволяет осуществить оценку изменения скорости движения наблюдаемого космического объекта и обеспечить высокоточное слежение за объектом и узкополосную фильтрацию принимаемых сигналов во втором блоке спектральных фильтров 26. На фиг. 5 представлен пространственный спектр флуктуаций принимаемого лазерного излучения, сформированный указанным выше способом на фоточувствительной площадке третьего фотоприемного блока 27 и полученный при расположении оси телескопа 1 вблизи мощного источника фоновых помех, например, вблизи солнечного диска при приеме в дневных условиях. Представленный на фиг. 5 высокий уровень внешних помех в предлагаемом лазерном локаторе может быть уменьшен с помощью осуществления предварительной фильтрации принимаемого лазерного излучения с помощью динамического спектрального фильтра 30, дополнительно вводимого в приемный оптический тракт лазерного локатора.

Следует отметить, что в предлагаемом лазерном локаторе возможно использование и реализация ряда оптимальных алгоритмов приема и обработки лазерных локационных сигналов, обеспечивающих повышение эффективности работы лазерного локационного комплекса слежения за космическими и наземными объектами и осуществления надежной и непрерывной связи с указанными объектами в сложных помеховых условиях.

Источники информации

М. Росс, Лазерные приемники, М.: «Наука», 1969 г., стр. 156.

Патент ФРГ, з. №2819320, 1979.

Лазерная локация под ред. Н.Д. Устинова, М.: «Машиностроение», 1984 г., стр. 230.

Лазерная локация под ред. Н.Д. Устинова, М.: «Машиностроение», 1984 г., стр. 245, (прототип). Оригинал: Appl. Opt. 1979; v. 18, №3, р. 290.

Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. М.: «Наука», 1970 г.

Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985 г., (стр. 219-234); (стр. 134-167).

Балакший В.И., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. и др. Квантовая электроника, т. 12, №4, 1985 г., стр. 743-748.

1. Лазерный локатор, содержащий последовательно установленные на первой оптической оси телескоп с блоком наведения, подключенным к блоку управления, первый объектив, первый фотоприемный блок, выход которого подключен к блоку спектральных фильтров, выходами подсоединенный к блоку управления, лазерный передатчик, лазерный гетеродин и блок измерения частоты, выход лазерного передатчика оптически связан с телескопом и, посредством полупрозрачного и отражательного зеркал, с первым оптическим входом блока измерения частоты, второй оптический вход которого оптически связан посредством полупрозрачного зеркала с оптическим выходом лазерного гетеродина, управляющие входы лазерного передатчика, лазерного гетеродина и выход блока измерения частоты подключены к блоку управления, отличающийся тем, что введены последовательно оптически связанные первый управляемый ослабитель, первый блок сдвига частоты лазерного излучения, первый блок сканирования лазерного излучения, оптический выход которого посредством отражательного и двух полупрозрачных зеркал оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, последовательно оптически связанные второй управляемый ослабитель, второй блок сдвига частоты лазерного излучения, второй блок сканирования лазерного излучения, оптический выход которого посредством двух полупрозрачных зеркал оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока, оптические входы первого и второго управляемых ослабителей оптически связаны посредством полупрозрачных зеркал с оптическим выходом лазерного гетеродина, последовательно оптически связанные третий управляемый ослабитель, третий блок сдвига частоты лазерного излучения и третий блок сканирования лазерного излучения, последовательно установленные на второй оптической оси оптически связанные акустооптический модулятор с блоком управления, второй объектив, первое полупрозрачное зеркало, управляемый пространственный фильтр, третий объектив, второе полупрозрачное зеркало, второй фотоприемный блок, выход которого подсоединен ко входу второго блока спектральных фильтров, подключенного к блоку управления, оптический вход акустооптического модулятора оптически связан посредством отражательного зеркала и полупрозрачного зеркала с оптическим выходом лазерного гетеродина, оптический выход третьего блока сканирования лазерного излучения оптически связан посредством отражательного зеркала и второго полупрозрачного зеркала с оптическим входом второго фотоприемного блока, оптический вход третьего управляемого ослабителя оптически связан с оптическим выходом лазерного гетеродина, третий фотоприемный блок, оптический вход которого связан посредством первого полупрозрачного зеркала с оптическим выходом второго объектива, а выход подсоединен к блоку управления фотоприемным блоком, подключенного к блоку управления, а также введены первое и второе выносные зеркала, механически связанные с блоком перемещения, управляющий вход которого подключен к блоку управления, динамический спектральный фильтр, оптический вход которого посредством первого сканирующего зеркала и первого выносного зеркала оптически связан с оптическим выходом телескопа, оптический выход динамического спектрального фильтра посредством второго сканирующего зеркала и второго выносного зеркала оптически связан с оптическим входом первого объектива, управляющие электроды первого и второго сканирующих зеркал подсоединены к блоку управления сканирующими зеркалами, вход которого подключен к блоку управления, а управляющий вход динамического спектрального фильтра подключен к блоку управления, выносной уголковый отражатель, оптически связанный с оптическим входом телескопа и механически связанный с блоком перемещения уголкового отражателя, подключенного к блоку управления, четвертый управляемый ослабитель, оптически связывающий оптический выход лазерного передатчика с телескопом, управляющие входы управляемых ослабителей подключены к блоку управления, управляющие входы блоков сдвига частоты лазерного излучения и блоков сканирования лазерного излучения подключены к блоку управления.

2. Лазерный локатор по п.1, отличающийся тем, что в нем блок сдвига частоты лазерного излучения содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, акустооптическую ячейку с блоком управления, первую линзу, точечную диафрагму, вторую линзу и выходную диафрагму, при этом управляющий электрод акустооптической ячейки подключен к блоку управления акустооптической ячейкой.

3. Лазерный локатор по п.1, отличающийся тем, что в нем блок сканирования лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, обеспечивающие изменение направления распространения лазерного излучения.

4. Лазерный локатор по п.1, отличающийся тем, что в нем динамический спектральный фильтр выполнен на основе акустооптической ячейки, в которой возбуждены ультразвуковые волны, взаимодействующие с проходящим через ячейку принимаемым лазерным излучением.

// 2565340

Изобретение относится к области оптической локации и касается системы импульсной лазерной локации. Система содержит импульсный лазер, два однокоординатных сканирующих устройства, акустооптический дефлектор, выходную оптическую систему, вычислительное устройство, блок управления акустооптическим дефлектором, призменный светоделитель, измерительный канал, массив фотоприемных устройств, объектив массива фотоприемных устройств и волоконно-оптические жгуты.

Изобретение относится к области формирования потока видеоданных вращающимся секторным фотоприемником. Способ основан на формировании сигналов от фоточувствительных элементов, установленных по площади вращающегося сенсора, их последующей организации в ядра пространственного дифференцирования, выходные сигналы которых подвергаются аналого-цифровому преобразованию и их дальнейшей цифровой обработке. Фоточувствительные элементы устанавливают последовательно на равных расстояниях между собой на дугах с дискретными радиусами от Rmin до Rmax на площади вращающегося сенсора, имеющему форму усеченного сектора круга, который обращен большей стороной к внешнему диаметру вращения. Фототоки от фоточувствительных элементов усиливают по постоянному току и ограничивают по полосе частот в зависимости от чувствительности фотоэлементов и частоты вращения сенсора. Собственные шумы минимизируют и корректируют амплитудно-частотные характеристики каналов передачи сигналов каждого фоточувствительного элемента с последующим формированием ядер пространственного дифференцирования, сигналы с которых подвергают аналогово-цифровому преобразованию и последующей цифровой обработке. Технический результат - повышение качества изображения. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Лазерный локатор содержит систему автоматического слежения и управления согласованием волновых фронтов принимаемого и гетеродинного лазерных излучений в плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного блока лазерного локатора. Одновременно лазерный локатор содержит систему слежения и компенсации изменений доплеровских сдвигов частоты принимаемого лазерного излучения при осуществлении слежения за быстро движущимися космическими объектами. Высокоэффективная обработка принимаемых лазерных локационных сигналов методом оптического гетеродинирования реализована на основе высокоточных акустооптических элементов сдвига частоты и сканирования лазерного излучения. Технический результат - повышение эффективности работы системы лазерной локации в условиях слежения за движущимися удаленными космическими объектами, увеличение вероятности правильного обнаружения движущихся объектов в условиях сильных фоновых помех. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Применяется оптический датчик - лидар (lidar от Light Detection and Ranging, дословно световое обнаружение и определение расстояния ). В датчике используются электромагнитные волны инфракрасного диапазона, с помощью которых определяется расстояние до находящегося впереди объекта (транспортного средства), а также его скорость. Лидар может использоваться для определения частиц влаги в атмосфере, линий дорожной разметки.

По своим функциям лидар выступает в качестве альтернативы автомобильного радара , поэтому другое его название лазерный радар . Преимуществами лидара являются меньший размер (можно установить в любом месте), большое угловое разрешение (порядка 180°), значительный радиус действия (до 250 м), сравнительно невысокая стоимость. Доказано, что инфракрасные лучи безопасны для человеческого глаза.

Вместе с тем, лазерный радар чувствителен к изменению рельефа дороги (лучи могут отражаться от поверхности дороги и искажать информацию). Эффективность лидара снижается в плохих погодных условиях (дождь, снег, туман), а также при загрязнении датчика.

Ведущими производителями лидаров являются компании Denso, Continental, Siemens, Hella. Лазерный радар используют в системе адаптивного круиз-контроля компании Nissan, Toyota, в активной системе ночного видения компании Mercedes-Benz, Toyota, в системе автоматического экстренного торможения компания Volvo (система City Safety).

Для повышения эффективности детектирования объектов лидар может применяться совместно с радаром, автомобильной видеокамерой . Разрабатываемые системы автоматического управления автомобилем также не обходятся без лидара.

Устройство лидара

Конструкция автомобильного лидара включает следующие элементы: передатчик, модулятор, приемник, оптический элемент, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор.

Роль передатчика выполняет лазерный диод, который служит для передачи инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение модулируется в модуляторе, который при необходимости изменяет его интенсивность. В зависимости от типа модуляции различают лидары непрерывного и импульсного действия. Более совершенна импульсная модуляция инфракрасного излучения. Для повышения эффективности измерений применяется многоимпульсная технология (передача нескольких импульсов одновременно).

Световой импульс, а затем и его отражения проходят через оптический элемент. Отраженный импульс принимается фотодиодом, где преобразуется в электрический сигнал. Далее сигнал усиливается усилителем, преобразуется в «цифру» с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя), а затем обрабатывается микропроцессором.

Несмотря на различия в конструкции принцип действия лидара аналогичен радару. Лидар направляет на цель инфракрасный свет. Свет частично отражается от цели, частично рассеивается. Отраженный импульс возвращается обратно, где воспринимается фотодиодом. Ток на фотодиоде пропорционален воздействующему свету. На основании принятого цифрового сигнала процессор определяет расстояние до впереди идущего транспортного средства и его скорость.

Высокое горизонтальное и вертикальное разрешение лидара достигается путем многолучевой конфигурации передатчика, которая достигается несколькими способами - использованием поворотного зеркала, перемещением передатчика.

В данном разделе мы рассмотрим группу ОЭПиС с общей технологией получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.

Эту группу оптических приборов объединяют под названием- Лида́р (транслитерация LIDAR англ. Light Identification, Detection and Ranging ) .

Устоявшийся перевод LIDAR как «лазерный радар» не вполне корректен, так как впервые аббревиатура LIDAR появилась в работе Миддлтона и Спилхауса «Метеорологические инструменты» 1953 года, задолго до изобретения лазеров. Первые лидары использовали в качестве источников света обычные или импульсные лампы со скоростными затворами, формировавшими короткий импульс. В современных системах ближнего радиуса действия (например, предназначенных для работы в помещениях) вместо лазеров используют обычные светодиоды. Однако именно применение лазера (обусловленное его свойствами: когерентности, высокой плотность и мощности излучения) позволило создать приборы с радиусами действия от сотен метров до сотен километров.

Первые полевые испытания носимого лазерного дальномера XM-23 с мощностью излучения 2.5 Вт и диапазоном измеряемых расстояний 200-9995 м прошли в 1963 году. Тогда же, в первой половине 1960-х годов, начались опыты по применению лидара с лазерным излучателями для исследования атмосферы. В 1969 году лазерный дальномер и мишень, установленная на Аполлоне-11, применялся для измерения расстояния от Земли до Луны. Четыре мишени, доставленные на Луну тремя «Аполлонами» и «Луноходом-2», и по сей день используются для наблюдения за орбитой Луны. В течение 1970-х годов, с одной стороны, отлаживалась технология лазерных дальномеров и компактных полупроводниковых лазеров, а с другой - были начаты исследования рассеяния лазерного луча в атмосфере..

Рассмотрение этой группы оптических приборов начнём с простейшего представителя-лазерного дальномера. Принцип работы основан на способности электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью, что позволяет определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

где R - расстояние до объекта, c - скорость света в вакууме, n - показатель преломления среды, в которой распространяется излучение, t - время прохождения импульса до цели и обратно.

Рисунок 132 Принцип работы лазерного дальномера.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче импульс, тем лучше. Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазо-импульсный.
Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до объекта.
При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону с помощью модулятора (электрооптического кристалла, изменяющего свои параметры под воздействием электрического сигнала). Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 10…150 МГц (измерительная частота). Отраженное излучение попадает в приемную оптику и фотоприемник, где выделяется модулирующий сигнал. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза отраженного сигнала относительно фазы сигнала в модуляторе. Измеряя разность фаз, определяют расстояние до объекта.
Общая структурная схема простейшего лидара представлена на рисунке 133 и схожа с прибором ночного видения, в современной военной технике они даже совмещаются.

Рисунок 133. Общая структурная схема простейшего лидара (1-лазер, 2-объект, 3-блок приёмника, 4- оптическая система ПОИ(телескопическая система), 5-ПОИ, 7-блок обработки и анализа, 7-блок вывода информации, 8- блок управления лазером.

На рисунке 134 представлен современный российский лазерный дальномер "Сажень-ТМ-Д" служащий для определения дальности до космических аппаратов, оснащенных лазерными ретрорефлекторами, и измерения угловых координат КА по отраженному солнечному излучению для расчета высокоточных параметров движения КА, а также получения фотометрической информации в видимом диапазоне длин волн.

В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах.

Рисунок 134 Дальномер "Сажень-ТМ-Д"

Именно измерение интенсивности рассеяния лазерного излучения аэрозолем атмосферы дало второй сильный толчок для дальнейшего развития. Лидар посылает в атмосферу короткий импульс света и принимает обратно сигнал обратного рассеяния. Рассеяние света в атмосфере происходит как молекулами воздуха (Релеевское рассеяние), так и частицами аэрозоля. Таким образом, наличие аэрозоля в атмосфере увеличивает сигнал обратного рассеяния по сравнению с чистой атмосферой и концентрация аэрозоля может быть определена как функция расстояния и интенсивности сигнала на фоне чистой атмосферы. Несмотря на тот факт, что аэрозоли составляют не более 10 % от общей массы антропогенных загрязнителей атмосферы, потенциальный ущерб от этого типа загрязнителей, которые, как правило, представляют собой сильные токсиканты, существенно больше. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары , определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.

Физические принципы работы атмосферных лидаров мы с вами подробно рассматривали в разделе ИК газоанализаторов. Здесь мы остановимся на конструктивных особенностях лидаров данного типа. В качестве примера рассмотрим современную методику многоволнового лазерного дистанционного анализа опасных загрязнений атмосферы. Особенность заключается в том что лазерные источники могут одновременно генерировать излучение на нескольких длинах волн в одном направлении. Это позволяет:
проводить обнаружение и измерение концентраций нескольких компонент опасных примесей (до 6) одновременно в реальном масштабе времени;
существенно повысить точность измерения концентрации опасных примесей за счет уменьшения влияния временных флуктуаций принимаемого сигнала, обусловленных турбулентностью атмосферы.

В многоволновом лидаре в качестве базовых лазерных систем применяются импульсно-периодические лазеры на CO 2 и изотопах молекулы CO 2 (диапазон 9-11 мкм), а также могут использоваться их вторые (диапазон 4.5-5.5 мкм) и третьи (диапазон 3.0-3.4 мкм) гармоники, полученные при преобразовании частоты излучения базовых лазеров в нелинейных кристаллах типа AgGaSe 2 или ZnGeP 2 с эффективностью преобразования 5-10%. Принципиальным отличием от используемых в настоящее время стандартных схем дифференциального лазерного газоанализа, в которых определяемые компоненты воздуха детектируется одна за другой, в многоволновых лазерных системах они могут определяться практически одновременно за счет выхода в генерацию набора аналитических длин волн одновременно и их одновременного детектирования после прохождения атмосферного объема с повышенной концентрацией нескольких опасных газообразных веществ.

Схема применения лидара на основе многоволнового аммиачного лазера для контроля атмосферы приведен на рисунке 135. Блок – схема многоволнового лидара и его принципиальная оптическая схема приведены на рисунках 136 и 137.

Рисунок 135. Схема применения многоволнового лидара

Рисунок 136. Блок – схема многоволнового лидара

Рисунок 137. Принципиальная оптическая схема многоволнового лидара
(М – зеркала)

Многоволновой газоанализатор (дальность действия до 10км.), использующий новейшие методы дистанционного контроля, может эффективно использоваться в самых различных сферах производства и жизнедеятельности: контроль выбросов в атмосферу вблизи опасных химических производств;
контроль за газовыми и/или утечками на предприятиях ЯТЦ;
выявление предаварийных ситуаций, отслеживание обстановки по загрязненности атмосферы при аварийных ситуациях;
обеспечение безопасности важных объектов - правительственных зданий, военных объектов, АЭС и т.п.
дистанционный контроль (например, с борта самолета или беспилотного спутника) выбросов газов с объектов атомной промышленности в третьих странах с целью их идентификации, и следовательно, определения возможности этих стран по производству ядерного оружия;
определение динамики распространения ядовитых облаков в атмосфере при широкомасштабных авариях;

На рисунке 138 представлены двухволновый лидар ЛСА-2с и одноволновой лидар 4Р предназначенных для зондирования атмосферных аэрозолей и облаков.

Они имеют те же основные характерные блоки для лидаров:
-лазер-передатчик;
-передающая оптическая система;
-приемная оптическая система;
-спектроанализирующее и регистрирующее устройство (ФЭУ, CCD - камера, лавинный фотодиод);
-блок обработки сигнала;
-блок управления;
-система отображения полученной информации.

Рисунок 138. Двухволновый лидар ЛСА-2с и одноволновой лидар 4Р.

Как мы уже отмечали, основным излучателем в лидарах является лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и длины волн (в нанометрах):

§ 1550 нм - инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света - так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека

§ 1064 нм - ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения

§ 532 нм - зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды

§ 355 нм - ближнее ультрафиолетовое излучение

Задачи решаемые применением Лидаров:

· Исследования атмосферы

Исследования атмосферы стационарными лидарами остаётся наиболее публичной отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.

· Измерение скорости и направления воздушных потоков.

Теоретическое обоснование применения наземного доплеровского лидара для таких измерений было дано ещё в 1980-е годы. Принцип действия основан на использовании эффекта Доплера, согласно которому, частота принятого сигнала, отражённого от цели может отличаться от частоты излучённого сигнала и разница зависит от соотношения скоростей объектов относительно друг друга. В 2001 Alcatel предложил размещение лидаров на борту спутников, так, что «созвездие» спутников на орбите способно отслеживать движение воздушных масс в рамках целого континента, а в потенциале - на Земле в целом.

· Измерение температуры атмосферы . Разработано и реализовано на практике несколько основных методов измерения профилей температуры.

В первом методе используется резонансное рассеяние на атомах щелочных металлов, в частности, натрия, калия, а также железа. Облака атомов металлов находятся на высоте 85 - 100 км. Температура измеряется по доплеровскому уширению резонансных линий с помощью зондирования узкополосным подстраиваемым лазером. Первые измерения были осуществлены с помощью искусственных натриевых облаков, забрасываемых в атмосферу ракетами. Несмотря на то, что метод ограничен диапазоном высот, на которых присутствуют атомы металла, рассеянный сигнал оказывается относительно большим, и это дает возможность измерять температуру с точностью до 1.5 ˚К.

Второй метод - метод рэлеевского рассеяния (Rayleigh lidar), основан на нерезонансном рассеянии света на молекулах воздуха. Впервые он был применен в 1953 году в опытах с прожекторным зондированием атмосферы. Суть метода заключается в следующем. Если отсутствует аэрозольное рассеяние, то мощность обратно рассеянного сигнала прямо пропорциональна плотности воздуха, из которой можно расcчитать температуру. Разрежение воздуха с высотой позволяет использовать метод рэлеевского рассеяния на высотах не более 90 км. Нижняя граница высоты измерения (около 20-30 км) обусловлена присутствием в граничном слое большого количества аэрозоля, который значительно увеличивает рассеяние, но практически не влияет на плотность воздуха.

Третий метод основан на вращательном рамановском (комбинационном) рассеянии молекулами воздуха (Raman lidar). Когда температура увеличивается, интенсивность переходов с большими квантовыми числами возрастает, в то время как интенсивность линий вращательного рамановского спектра, соответствующих маленьким квантовым числам, уменьшается. Переходы с большими квантовыми числами соответствуют линиям рамановского спектра, расположенным дальше от центральной частоты. Температура определяется при использовании измерений в двух областях спектра с различной температурной зависимостью. Максимальная высота зондирования составляет около 30 км, погрешность измерения менее 1 ˚К до высоты 10 км . Так как в приемнике линия упругого рассеяния подавляется, то измерения можно проводить и в присутствии значительных концентраций аэрозолей.

· Раннее оповещение о лесных пожарах.

· Исследования Земли

Вместо установки лидара на земле, где принимаемый отражённый свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых, нижних слоях атмосферы, «атмосферный» лидар может быть поднят в воздух или на орбиту, что существенно улучшает соотношение сигнал-шум и эффективный радиус действия системы. Первый полноценный орбитальный лидар был выведен на орбиту NASA в декабре 1994 года в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment). Двухтонный лидар LITE с метровым зеркальным телескопом, поднятый на высоту 260 км, «рисовал» на земле размытое пятно диаметром 300 м, что было явно недостаточно для эффективного отображения рельефа, и был исключительно «атмосферным».

· Космическая геодезия.

Сканируют рельеф земной поверхности с приемлемой разрешающей способностью.

· Авиационная геодезия.

Национальная океанографическая служба США (NOAA) систематически применяет авиационные лидары для топографической съёмки морского побережья.

Особое направление, применяемое на практике в сейсмоопасных районах США - дифференциальное измерение высот с целью выявления локальных подвижек земных масс в районе разломов. Ещё в 1996 с помощью лидара была открыта неизвестная ранее зона разлома возле Сиэтла.

Совсем не давно с помощью подобного лидара группе ученых из Хьюстонского университета возможно, удалось найти в джунглях Гондураса легендарный Золотой город.

Рисунок 139 Применениепрежде засекреченной военными
технологию лазерного картографирования.

· Строительство и горное дело

Строительство - обмеры зданий, контроль отклонения плоскостей стен и несущих колонн от вертикали (в том числе в динамике), анализ вибраций стен и остекления. Обмеры котлованов, создание трёхмерных моделей стройплощадок для оценки объёмов земляных работ.

Архитектура - построение трёхмерных моделей городской среды для оценки влияния предлагаемых новостроек на облик города.

· Морские технологии

Измерение глубины моря. Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти полностью отражаются поверхностью моря, тогда как зелёные частично проникают в воду, рассеиваются в ней, и отражаются от морского дна. Технология пока не применяется в гражданской гидрографии из-за высокой погрешности измерений и малого диапазона измеряемых глубин.

Поиск рыбы. Аналогичными средствами можно обнаруживать признаки косяков рыбы в приповерхностных слоях воды. Специалисты американской государственной лаборатории ESRL утверждают, что поиск рыбы лёгкими самолётами, оборудованных лидарами, как минимум на порядок дешевле, чем с судов, оборудованных эхолотами.

· Промышленные и сервисные роботы

Системы машинного зрения ближнего радиуса действия для роботов, основанные на сканирующем лидаре IBM, формируют цилиндрическую развёртку с углом охвата горизонта 360° и вертикальным углом зрения до +30..-30

· Военные технологии

Здесь лидары получили самое широкое распространение и выполняют функции ооптико-локационной локации, разведки, наведения на цель итп.

Рисунок 139. Обнаружитель атакующих ракет (ОАР), Оптико-локационная станция ОЛС-35

Рисунок 140. Средство национального технического контроля испытаний стратегического вооружения в соответствии с международными Договорами.

4.8 ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ

Интерферометры - это измерительные приборы, действие которых основано на явлении интерференции.

Работа приборов построена на последовательном разложение пучка излучения (на два или большее количество когерентных пучков каждый из них проходит различные оптические пути) и последующим их сложением, в результате создаётся интерференционная картина, по которой можно установить смещение фаз пучков.

С помощью интерферометров производится измерение угловых размеров звезд и угловых расстояний между звездами, измерение показателей преломления газов и жидкостей, а также определение концентрации примесей в воздухе. Интерферометры используются для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей.

Так как в основе принципа работы интерферометров лежит явление интерференции света, начнём изучение данной группы приборов с изучения этого явления.

Интерференции света - перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.

Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627-1691 гг.) и Робертом Гуком (1635-1703 гг.). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773-1829 гг.), введя «Принцип суперпозиции», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803). Он также выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.

Рисунок 141. Опыт Юнга и Интерференция в тонкой плёнке.

Ещё один метод получения устойчивой интерференционной картины для света служит использование воздушных прослоек, основанное на одинаковой разности хода двух частей волны: одной - сразу отраженной от внутренней поверхности линзы и другой - прошедшей воздушную прослойку под ней и лишь затем отразившейся. Её можно получить, если положить плосковыпуклую линзу на стеклянную пластину выпуклостью вниз. При освещении линзы сверху монохроматическим светом образуется тёмное пятно в месте достаточно плотного соприкосновения линзы и пластинки, окружённое чередующимися тёмными и светлыми концентрическими кольцами разной интенсивности. Тёмные кольца соответствуют интерференционным минимумам, а светлые - максимумам, одновременно тёмные и светлые кольца являются изолиниями равной толщины воздушной прослойки. Измерив радиус светлого или тёмного кольца и определив его порядковый номер от центра, можно определить длину волны монохроматического света. Чем круче поверхность линзы, особенно ближе к краям, тем меньше расстояние между соседними светлыми или тёмными кольцами. Данная методика используется для контроля оптических деталей.

Рисунок 142. Кольца Ньютона

Разобрав явление интерференции, перейдём к рассмотрению схем построения интерферометров.

Интерферометр Майкельсона является одной из наиболее распространенных скелетных схем интерферометра, предназначенной для различных применений в случае, когда пространственное совмещение объектов, порождающих интерферирующие волны, невозможно или в силу каких-то причин нежелательно.

Рисунок 143. Интерферометр Майкельсона

Звездный интерферометр Майкельсона - интерферометр для измерения угловых размеров звёзд и углового расстояний между двойными звёздами. Если угловое расстояние между двумя звездами очень мало, в телескоп они видны как одна звезда. В таком случае говорят о двойных звездах и надо провести специальное наблюдение, чтобы отличить их от звезд одиночных. Для этого используется звездный интерферометр Майкельсона, который позволяет к тому же определить угловое расстояние между звездами.

Рисунок 143.Звёздный интерферометр Майкельсона

Лучи света, пришедшего от удаленной звезды, отражается от плоских зеркал M1 - M2, разнесенных на достаточно большое расстояние D, затем отражаются от двух других зеркал и собираются линзой на экране, помещенном в фокальной плоскости. Разнесенные на расстояние D зеркала можно рассматривать как точечные источники, расстояние между которыми и равно D. Вследствие этого в изображении звезды наблюдается интерференционная картина, аналогичная интерференции от двух щелей, расположенных на расстоянии D друг от друга. Угловое расстояние между соседними интерференционными максимумами в этой картине равно θ=λ/D, где λ – длина волны света. При наличии двух близких звёзд, находящихся на малом угловом расстоянии φ друг от друга, в телескопе образуются 2 интерференционные картины, которые также смещены на угол φ и накладываются друг на друга. В зависимости от соотношения углов θ и φ видимость полос суммарной картины будет различной. Изменяя расстояние D и, следовательно, изменяя угол θ, можно добиться совмещения максимумов одной интерференционной картины с минимумами другой, в результате чего видимость полос будет наихудшей. При этих условиях φ=½θ=λ/2D. Измерив D и зная λ, можно определить угловое расстояние между звёздами φ. Аналогично определяются угловые размеры одной звезды. Если звезду рассматривать как равномерно светящийся диск, то расчёт показывает, что исчезновение полос происходит при φ=1.22λ/D. Точность измерения звёздного интерферометра тем больше, чем больше база D. Построен звездный интерферометр, в котором D может достигать 18 м. что позволяет измерять угловое расстояние с точностью до 0,001". Для измерения угловых размеров очень слабых звёзд, свет от которых на уровне шумов, применяют метод корреляции интенсивностей.

Интерферометр Рождественского – это двухлучевой интерферометр, состоящий из 2-х зеркал M1 , M2 и двух параллельных полупрозрачных пластин P1 , P2; M1, P1 и M2, P2 устанавливаются попарно параллельно, но М1 и М2 наклонены относительно друг друга на малый угол; расстояние М1Р1 = М2Р2 и M1P2=P1M2. Луч света разделяется пластиной Р1 на 2 луча, которые после отражений от M1 , M2 и прохождения Р2 оказываются параллельными с разностью фаз

δ = (4πD/λ)(cos i1 - cos i2).

Рисунок 144. Интерферометр Рождественского

Поскольку δ не зависит от положения лучей на зеркалах и определяется лишь углами падения, интерференционная картина будет локализована на бесконечности (или в фокальной плоскости объектива О). Параллельному пучку лучей, падающих на Интерферометр Рождественского, соответствует одна точка интерференционно картины, и, следовательно, для наблюдения всей картины необходим пучок конечной апертуры. Вид картины (порядок и ширина полос, их ориентация) зависит от наклона зеркал M1 и M2. Если, например, ребро двугранного угла, образованного M1 и M2, вертикально (перпендикулярно чертежу), то даже при очень малой разности (i1-i2) полосы сравнительно высокого порядка (D велико) вертикальны и почти параллельны.Если же ребро двугранного угла горизонтально, то в поле зрении находятся горизонтальные полосы низкого порядка (в т.ч. нулевая), видные и в белом свете. Введение в один из пучков к.-л. прозрачного объекта, например пластинки, изменяет ширину, порядок и ориентацию полос: нулевая полоса не горизонтальна и появляется при некоторой промежуточной ориентации M1 и M2 ; при очень большой толщине этой пластинки в белом свете можно видеть только очень узкие, почти вертикальные полосы, когда ребро угла между M1 и M2 почти вертикально. Ширина полос зависит от угла между M1 и Р1, увеличиваясь с его уменьшением. Если все зеркала и пластины параллельны, то в отсутствие неоднородностей ширина полос бесконечна (интерференционное поле равномерно освещено).

Интерферометр Жамена (интерференционный рефрактометр) - интерферометр для измерения показателей преломления газов и жидкостей, а также для определения концентрации примесей в воздухе.

Интерферометр Жамена состоит из двух одинаковых толстых плоскопараллельных пластинок из стекла(или кварца), установленных почти параллельно друг другу. Пучок света падает на первую пластинку под углом i, близким к 45°. Каждый луч пучка после отражения на поверхностях пластинки делится на 2 когерентных луча S1 и S2 , идущих на некотором расстоянии друг от друга, зависящем от толщины пластинок d. Далее на второй пластинке каждый из них аналогичным образом разделяется на два луча. В результате от второй пластинки идут 4 параллельных когерентных луча S1’, S1”, S2’, S2”; Средние пучки S1” И S2’ налагаются и образуют интерференционную картину в фокальной плоскости объектива О1.

Рисунок 145. Схема интерферометра Жамена: ОО – ось вращения компенсаторных пластинок; L – лимб поворота компенсатора; О1 и О2 – объектив и окуляр зрительной трубы.

Разность хода между ними равна

где n п - показатель преломления пластинок.

φ - угол междуними.

При (φ ≈ 5′ - 15′ ∆ мала, поэтому при использовании источника белого света наблюдаются только интерференционные полосы низкою порядка, которые имеют форму прямых линий с белой ахроматической полосой в центре, окружённой системой окрашенных полос.).

Сравнительно большое расстояние между лучами S1 и S2 , позволяет установить на их пути две кюветы К1 и К2 одинаковой длины l с исследуемыми веществами, показатели преломления которых n1 и п2. Возникающая разность хода, что вызовет смещение интерференционной картины.

∆ = (n2-n1)l = δnl

С помощью Интерферометра Жамена проводят количественный анализ газовых смесей - определяют концентрацию некоторых газообразных примесей, например метана и СО2 , в воздухе шахт (т. к. n зависит от природы газа).

Интерферометр Физо- один из простейших интерферометров применяемый главным образом для контроля точности изготовления плоских поверхностей оптич. деталей.

Свет от монохроматического источника L с помощью конденсора O1 диафрагмы D и объектива О2 направляется параллельным пучком на эталонную Э и контролируемую К пластинки (положенные одна на другую) почти перпендикулярно к их поверхностям. При этом строго плоская эталонная и контролируемая поверхности пластинок образуют между собой небольшой угол a. С помощью полупрозрачной пластинки П в отражённом свете наблюдаются интерференционные полосы равной толщины,которыерые локализованы в области воздушного клина между контролируемой и эталонной поверхностями.

Рисунок 146. Интерферометр Физо; а - Вид дефектов сверху на контролируемой пластинке; б - Сечение эталонной и контрольной пластинок. Сечение по линии А-А (угол a и размеры дефектов для наглядности сильно увеличены); в - Вид интерференционной картины полос равной толщины в интерферометре Физо.

Положения этих полос определяются из условия: D=2dn+l/2=ml=const (при п~1), где d - толщина воздушного клина. Если контролируемая поверхность идеально плоская, то полосы равного наклона имеют форму прямых эквидистантных линий, параллельных ребру клина (d=const), расстояние между к-рыми равно z=l/2a (рис. 2, в) (при a=10"" и l~0,5 мкм, z=5 мм). Если же на контролируемой поверхности имеются к--л. дефекты, например, небольшие углубления или выступы, как на рисунке или она не строго плоская, то в области расположения этих дефектов наблюдаются отклонения dz от прямолинейности. При этом относит, величина отклонения dz/z связана с высотой или глубиной дефекта dh соотношением dh=(l/2)dz/z.

Невооружённый глаз может оценить величину dz/z~0,l, что соответствует величине обнаруженного дефекта dh=l/20 (при l=0,633 мкм, dh=0,031 мкм). Знак отклонения позволяет отличить тип дефекта: углубление или выступ. Если контролируемая поверхность имеет форму сферы, то интерференционные полосы имеют форму концентрических окружностей (см. Ньютона кольца). В интерферометре Физо поверхности контролируемой и эталонной пластинок из-за малости угла (угл. секунды) почти полностью соприкасаются друг с другом и в процессе юстировки могут быть повреждены. Поэтому для контроля поверхностей часто используются бесконтактные интерферометры, построенные по схеме интерферометра Майкельсона.

Рисунок 147. Интерферометр Физо конструкции Романова предназначен для бесконтактного измерения формы плоских полированных поверхностей и зеркал. Программное обеспечение предназначено для обработки интерференционных картин с дополнительно введёнными наклонами.

Литература.

Д. Н. Черкасова, А. В. Бахолдин / «Оптические офтальмологические приборы и системы Часть I»/ Санкт-Петербург 2010.
Лукин С.Б. / «КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ ОЭС» / СПбГУ ИТМО 2004г.
Латыев С.М./ « Конструирование точных (оптических) приборов»/ Электронный учебник по дисциплине: "Основы конструирования оптических приборов". СПбГУ ИТМО
А.Л. Андреев / «Автоматизированные телевизионные системы наблюдения» / СПбГУ ИТМО
Митрофанов С.С / «Теоретические и физические основы устройства ОП»/ Электронный учебник по дисциплине: "Прикладная оптика". СПбГУ ИТМО, кафедра КиПОП
http://biggest.su/samyj-bolshoj-teleskop/

7. В. Самохин, Н. Терехова/ «Видеопроекция сегодня и завтра»

8. М.А. Кустикова, М.Н. Мешалкина, В.Л. Мусяков, А.Н. Тимофеев/ «Методические указания к лабораторным работам по разделу «ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ» курса «ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ»

10. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/OPTIKA.html?page=4,6

11. .Захарьевский А.Н. «Интерферометры» 1952.

12. М.М. Мирошников / «Теоретические основы ОЭП»/ «Машиностроение « 1977г.

13. М.М. Русинов / «Габаритные расчёты оптических систем» Москва 1963

14. Г.Г. Ишанин, М. Г. Козлов, К.А. Томский / «Основы светотехники»/ СПб 2004г