адаптивная оптическая система фокусировки когерентного излучения на протяженном объекте

Формула изобретения

АДАПТИВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФОКУСИРОВКИ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОТЯЖЕННОМ ОБЪЕКТЕ, содержащая последовательно установленные и оптически сопряженные лазер, N-элементный корректор волнового фронта, выходной телескоп, входной телескоп и фотоприемник интенсивности, а также N устройств выделения управляющих сигналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных первого синхронного детектора, первого усилителя низкой частоты и сумматора, а также генератора пробных возмущений, выход которого соединен с вторым входом сумматора и с первым входом синхронного детектора, выход сумматора каждого из N устройств выделения управляющих сигналов соединен с входом соответствующего элемента корректора волнового фронта, отличающаяся тем, что, с целью достижения максимального уровня сигнала в плоскости протяженного объекта, апертура входного телескопа согласована по размеру с апертурой выходного телескопа, сумматор выполнен четырехвходовым, фотоприемник интенсивности выполнен матричным и состоит из K фотодетекторов, введены K логарифмических усилителей и K-входовый сумматор, в каждое из N устройств выделения управляющих сигналов введены второй и третий синхронные детекторы, второй и третий усилители низкой частоты, а также умножитель частоты "на два" и умножитель частоты "на три", при этом выход генератора пробных возмущений соединен с входами умножителя частоты "на два" и умножителя частоты "на три", выходы которых соединены соответственно с первыми входами второго и третьего синхронных детекторов, выходы которых соединены соответственно с входами второго и третьего усилителей низкой частоты, выходы которых соединены соответственно с третьим и четвертым входами сумматора, выходы K фотодетекторов соединены с входами K логарифмических усилителей, выходы которых соединены с входами K-входового сумматора, выход которого соединен с вторыми входами первого, второго и третьего синхронных детекторов каждого из N устройств выделения управляющих сигналов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой радиотехнике, в частности к адаптивным оптическим системам, и может быть использовано в лазерных локационных системах, системах слежения и фокусировки, а также в адаптивных антенных решетках.

Известны адаптивные оптические системы локационного типа, работающие по принципу фазового сопряжения и апертурного зондирования. В них с целью повышения интенсивности излучения на объекте в условиях наличия оптических аберраций и различных фазовых возмущений среды получают дифракционно-ограниченный пучок, т.е. фокусируют его на точечном или протяженном объекте (ПО) с помощью методов и средств адаптивной оптики; при этом фокусировка на ПО достигается за счет эффекта сходимости луча на наиболее "яркую" точку. Однако для протяженных однородно-отражающих объектов не удается получить дифракционно-ограниченный пучок.

Из известных устройств наиболее близкой по технической сущности является адаптивная оптическая система, работающая по методу апертурного зондирования и анализирующая интенсивность отраженного поля в плоскости апертуры фотоприемника. Система состоит из последовательно оптически связанных лазера, N-элементного корректора волнового фронта, выходного телескопа, турбулентной среды, отражающего свет объекта, выходного телескопа и фотоприемника интенсивности, а также электрически соединенных с выходом приемника N устройств выделения управляющих сигналов, состоящих из электрически связанных синхронного детектора, генератора модулирующего напряжения, усилителя низкой частоты и сумматора, причем один из входов синхронного детектора соединен с выходом приемника, а второй - с выходом генератора пробных возмущений, выход синхронного детектора соединен с входом усилителя низкой частоты, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом генератора пробных возмущений, выход сумматора подключен к соответствующему электрическому входу фазосдвигающего элемента корректора волнового фронта.

Принцип действия адаптивной оптической системы фокусировки основан на максимизации отраженного сигнала и заключается в следующем. В исходном состоянии системы за счет случайных искажений фазового фронта излученной волны, вносимых оптическими аберрациями и турбулентной средой, устанавливается случайное распределение фаз в дальней зоне. Таким образом формируется расфокусированный луч в плоскости объекта, возможно даже с некоторым числом локальных минимумов и максимумов. Ширина такого расфокусированного луча зависит от характера и оптических характеристик фазовых искажений, вносимых средой и оптическими аберрациями, а также начального распределения фаз на субапертурах корректора волнового фронта.

Излучение лазера направляется на корректор, где оно пространственно разбивается на N лучей, каждый из которых на соответствующем фазосдвигающем элементе модулируется по фазе с наибольшим индексом Ф_очастотой _n . Затем через выходной телескоп все лучи единым пучком направляются через турбулентную среду к объекту. При этом интенсивность поля у объекта (в плоскости приемника) может быть представлена в виде:

)- где N - число субапертур в корректоре волнового фронта;

V_o - напряженность поля у объекта, создаваемая каждой субапертурой; A_n - весовой коэффициент n-й субапертуры; _nи_m - фазовые ошибки; I_o( Ф_o и I₁ Ф_o) - функции Бесселя.

Отраженный от объекта сигнал попадает через входной телескоп с определенным размером апертуры на фотоприемник интенсивности. Принимаемый сигнал с выхода фотоприемника подается в N-канальное устройство управления, включающее в свой состав N синхронных детекторов, в которых происходит сравнение принятых сигналов с частотами модуляции _n от генераторов пробных возмущений. В результате на выходе синхронных детекторов вырабатываются управляющие напряжения, которые усиливаются до необходимой величины в усилителях низкой частоты. С помощью этих управляющих напряжений и осуществляется подстройка фазы каждого фазосдвигающего элемента корректора волнового фронта таким образом, чтобы она скомпенсировала фазовые набеги, вносимые оптическими аберрациями и турбулентной средой. Модуляция фазы элементарного пучка осуществляется с помощью генератора пробных возмущений (синусоидальных сигналов) на частоте _n , колебания которых через сумматор вместе с управляющими напряжениями поступают на фазосдвигающие элементы корректора волнового фронта.

Однако с помощью такой системы не достигается предельная фокусировка излучения в элемент разрешения на протяженный объект с характером отражающей поверхности, близким к однородному и однородно-диффузному, то есть не формируется дифракционно-ограниченный пучок. Это связано с тем, что в плоскости объекта может быть сформировано отраженное поле, которое будет давать интерференционную картину в плоскости приемо-передающей апертуры со значением максимальной интенсивности спекла, превышающим значение максимально достижимой интенсивности принимаемого поля при адаптивной фокусировке излучения в элемент разрешения объекта. Из физических соображений ясно, что это возможно при формировании в пределах однородно-отражающего объекта нескольких (M_n) пучков, допустим, с одинаковыми интенсивностями I_max/M_п,где I_max - максимальная интенсивность излучаемого поля при адаптивной фокусировке на точечный объект. При выполнении условия когерентного сложения M_n отраженных от однородных областей пучков в некоторой точке приемо-передающей апертуры значение интенсивности в этой точке будет пропорционально M_п²(I_max/M_п) = М_пI_max. В то же время при адаптивной фокусировке излучения в элемент разрешения на объекте интенсивность принимаемого поля в каждой точке приемо-передающей апертуры будет пропорциональна I_max (примерно с тем же коэффициентом пропорциональности).

Таким образом известная система позволяет сфокусировать излучение лишь в пределах однородно-отражающего объекта в целом с некоторым произвольным распределением интенсивности в лучах, причем даже, первоначальный, случайным образом сфокусированный, пучок распадается на несколько субпучков.

Целью изобретения является достижение максимального уровня сигнала в плоскости протяженного объекта, т.е. повышение дальности действия лазерных локационных систем посредством обеспечения предельной фокусировки излучения в пределах дифракционно-ограниченного пятна.

На фиг. 1 представлено: кривая 1 - сфокусированное излучение в элемент разрешения на объекте; кривая 2 - распавшийся пучок; на фиг. 2 - кривая 1 - пространственное распределение интенсивности в плоскости приемно-передающей апертуры; кривая 2 - минимальный размер спекла в плоскости апертуры; на фиг. 3 представлена функциональная схема устройства, где обозначено: 1 - лазер; 2 - корректор волнового фронта; 3 - выходной телескоп; 4 - турбулентная среда; 5 - плоскость объекта; 6 - входной телескоп; 7 - матричный фотоприемник; 8₁-8_N - устройства выделения управляющих сигналов; 9₁-9_N - логарифмические усилители; 10 - сумматор; 11 - первый синхронный детектор; 12 - второй синхронный детектор; 13 - третий синхронный детектор; 14 - генератор модулирующего напряжения; 15 - первый усилитель низкой частоты; 16 - второй усилитель низкой частоты; 17 - третий усилитель низкой частоты; 18 - первый умножитель "на два"; 19 - второй умножитель "на три"; 20 - К-входовый сумматор; на фиг. 4 - результаты моделирования: кривая 1 иллюстрирует равномерное, а кривая 2 - нормальное распределение интенсивности на апертуре излучателя; на фиг. 5 - динамическая характеристика, иллюстрирующая зависимость интенсивности поля от относительного времени адаптации.

Цель достигается согласованием размеров апертур входного и выходного телескопов, введением в известное устройство матричного фотоприемника интенсивности с числом чувствительных элементов, равным К, К логарифмических усилителей, дополнительного сумматора с К входами, а также введением в каждом из N устройств выделения управляющих сигналов дополнительно по два синхронных детектора, два усилителя НЧ, умножителей частоты на два и три и заменой в каждом канале управления сумматора с двумя входами на сумматор с четырьмя входами.

Фокусировка излучения до размеров дифракционно-ограниченного пятна достигается тем, что в предлагаемом устройстве процесс адаптации организуется с учетом как энергетических, так и информационных характеристик отраженного поля, а также использованием первых трех гармоник модулирующих частот в каждом из N устройств 8 при формировании управляющих сигналов на корректор 2 волнового фронта.

Информационно-энергетический метод фокусировки лазерного пучка на однородный протяженный объект основан на использовании особенностей спекл-структуры отраженного анализируемого поля. Физически это связано с тем, что состоянию фокусировки излучения в элемент разрешения

l_p = (2) на объекте (кривая 1 на фиг. 1) соответствует пространственное распределение интенсивности в плоскости приемо-передающей апертуры с характерным размером спекла

r = = D_n, (3) где - длина волны излучения лазера; D_n - диаметр апертуры выходного телескопа; R - дальность до объекта (кривая 1 на фиг. 2). В то время как для распавшихся пучков (кривая 2 на фиг. 1) характерный размер спекла в плоскости апертуры определяется величиной освещенной области l на объекте, а его минимальное значение составляет величину

r = = = = , (4) где М_о- число элементов разрешения на объекте (кривая 2 фиг. 2). Поэтому максимизация энергии и энтропии отраженных оптических полей в пределах входной апертуры размером D₁ = D_n позволяет достигать глобального максимума интенсивности излучения на однородном ПО. Решение задачи максимизации энергии и энтропии принимаемых оптических полей в пределах апертуры D_A достигается путем максимизации функционала (5)

S = ln I()d, (5) где _A - контур приемной апертуры;

I() - распределение интенсивности по приемной апертуре, который может быть представлен следующим образом:

S = ln(x₁, y₁)dx₁dy₁ (6) или, в соответствии с теоремой Котельникова, дискретно

S = lnI (7) при выполнении условия К >>М_о, где К - количество точек анализа (фотодетекторов) в матричном приемнике интенсивности.

С другой стороны, поставленная цель достигается посредством дополнительного использования информации о распределении поля в плоскости объекта, содержащейся в высших гармониках принимаемых зондирующих сигналов, используемых для разделения каналов. Появление указанных гармоник обусловлено нелинейными процессами, сопровождающими распространение электромагнитных волн в пространстве и нелинейными характеристиками логарифмических усилителей, используемых для реализации функционала вида (7).

При частотном разделении каналов в системе апертурного зондирования комплексную амплитуду поля подсветки в произвольной точке m протяженного объекта можно записать в виде суперпозиции полей от N субапертур корректора волнового фронта:

U_m = U_oS_nmexp[i(_n+_nm+_osin_nt)], (8) тогда отраженное поле в точке k матричного приемника интенсивности контура обратной связи будет иметь вид

U = U_oS_nmC_mexp[i(_n+_nm+_mk+_m+_osin_nt)], (9) где U_o - амплитуда поля на отдельной субапертуре; S_nm - весовой коэффициент n-й субапертуры в точке m; C_mm - действительная амплитуда и фаза комплексного коэффициента отражения этой точки; М - количество отражающих точек на объекте; Ф_o, _n - индекс и частота пробной фазовой модуляции на n-й субапертуре; _nm - геометрический набег фазы от точки n апертуры к точке m объекта; _mk - геометрический набег фазы от точки m объекта к точке k фотоприемника;

_n= _n-Ф_kn, _n - фазовая ошибка, вносимая средой распространения (или (n) случайным положением объекта в пределах области неопределенности); Ф_kn- корректирующее воздействие на n-й субапертуре.

Тогда при условии идеального оптоэлектрического преобразования (квантовая эффективность = 1) ток на выходе k-го фотодетектора будет иметь величину

I_k = U²_oC_mC_lS_nmS_pmexp[i(_mn-_lp)] , (10) где _mn= _n+_nm+_mk+_m+Ф_osin_nt= _mn+Ф_osin_nt, _lp= = _n+_pl+_lk+_l+Ф_osin_pt= _lp+Ф_osin_pt, то есть

)+

Применяя известное разложение в ряд суммы, состоящей в фигурных скобках, и ограничиваясь членами, содержащими первую и вторую гармоники, для малых индексов модуляции Ф_o получают

где I_o( Ф_o), I₁( Ф_o), I₂( Ф_o) - коэффициент Бесселя.

Введя обозначения:

U²_oJ²_o(_o) C_m

R_1k=U²_o C_mC_lS_nmS_plsin[(_mn-_lp). (14)

R_2k= U²_o C_mC_lS_nmS_plcos[i(_mn-_lp) (15) получают значение фототока на выходе k-го фотодетектора в виде I_k = _k - 4 J_o ( _o ) J₁ ( _o ) R_1k sin_n t +

+ 4 J_o ( _o ) J₂ ( _o ) R_2k cos2 _n t (16)

Здесь _k - постоянная составляющая точка фотодетектора;

R_1k, R_2k - составляющие тока на первой и второй гармониках соответственно, или

I_k= 1+[-4J_o(_o)J₁(_o)sin_nt+4J_o(_o)J₂(_o)cos2_nt] , (17)

при этом значение фототока на выходе каждого из логарифмических усилителей, используемых для реализации функционала вида (7), может быть разложено в ряд в соответствии с выражением (8)

ln(1-x) =(-1)ⁿ⁺¹ . (18)

Ограничиваясь первыми тремя членами ряда, получают следующее значение фототока от k-го фотодетектора после прохождения им логарифмического усилителя

)cos2_nt- с использованием тригонометрических тождеств

sin² = 0,5(1 - cos² ),

cos² = 0,5(1 + cos² ),

sin cos = 0,5[sin(- )+

+ sin(+ )],

sin³ = 0,25(sin - sin³ ),

cos³ = 0,75 cos + 0,25 cos³ ,

sin² cos = 0,25[2cos -

- cos(2 - ) - cos(2 +)],

sin cos = 0,25[2sin +

+sin( -2 ) + sin( +2 )] выражение (19) может быть преобразовано к виду:



В соответствии с выражением (20) значение тока на выходе устройства формирования функционала (7) может быть представлено следующим образом:

t+W₃sin3_nt+ где: 4(_o)J²₂(_o) -

)

(

(

W₄=4J²_o(_o)J²₂(_o) +33J²_o(_o)J²₁(_o)J₂(_o) ;

W₅=33J³_o(_o)J₁(_o)J²₂(_o) ;

W₆= 16J³_o(_o)J³₂(_o) , где W_o - постоянная составляющая сигнала на выходе логарифмического усилителя, обусловленная током с k-го фотодетектора;

W₁-W₆ - сигналы управления на соответствующих гармониках.

А так как коэффициенты Бесселя-Фурье связаны между собой неравенством

I_o( Ф_o) >> I₁( Ф_o) >> I₂( Ф_o), то гармоническими составляющими с номеров выше 3 можно пренебречь, а информация об отраженном поле практически полностью содержится в первых трех гармониках сигнала на выходе устройства формирования функционала (7), которые и используются для управления корректором волнового фронта.

Работа системы заключается в следующем.

В начальный момент излучения лазера 1 после прохождения корректора 2 волнового фронта и выходного телескопа 3 рассеивается турбулентной средой 4, в результате чего в плоскости объекта 5 образуется случайное распределение интенсивности с низким энергетическим уровнем (кривая 2 на фиг. 1). Отраженное объектом 5 поле формирует в плоскости входного телескопа 6 интерференционную картину с характерным размером спекла r_s^"""< D_M = D_A (кривая 2 на фиг. 2), которая переносится на матричный фотоприемник. В результате на каждом из К выходов матричного фотоприемника 7 формируется сигнал, значение которого пропорционально среднему текущему значению интенсивности отраженного поля в соответствующей области матричного фотоприемника, а следовательно и приемной апертуры. Сигналы с К выходов матричного фотоприемника 7 попадают через логарифмические усилители 9 на сумматор 10, таким образом значение сигнала на выходе сумматора 10 оказывается пропорциональным значению функционала, определяемому соотношением (7), которое отражает средний уровень принимаемого сигнала и степень совпадения характерного размера спекла r_s с размером апертуры входного телескопа D_A. Этот сигнал попадает на соответствующие входы N устройств 8 выделения управляющих сигналов, где на синхронных детекторах 11, 12 и 13 на каждой из N модулирующих частот выделяются сигналы в пропорциональные фазовым ошибкам на 1, 2 и 3 гармониках. Эти сигналы вместе с модулирующим напряжением от генератора 14 через сумматор 20 попадают на соответствующие элементы корректора 2 волнового фронта. Это приводит к частичной компенсации турбулентных искажений, вносимых средой 4, а следовательно, и уменьшению размеров пятна на ПО, что приводит к увеличению концентрации энергии в плоскости объекта и на входной апертуре с одной стороны и увеличению характерного размера спекла r_s с другой стороны, в соответствии с (4), что приводит к возрастанию сигнала на выходе сумматора 10. После этого процесс повторяется до тех пор, пока значение функционала (7) не достигнет своего максимального значения, что соответствует предельной угловой расходимости лазерного излучения, определяемой дифракционным пределом, или состоянию максимального уровня сигнала в плоскости однородного ПО (кривая 1 на фиг. 1), значение которого определяется выражением

P_с.об.= , (22) где Р_и - мощность источника; Т_а- спектральный коэффициент пропускания оптической среды; _л - угловая расходимость лазерного излучения; R - дальность до объекта.

Технико-экономическим преимуществом данной адаптивной оптической системы фокусировки излучения на ПО является получение дифракционно-ограниченного пучка на поверхности однородно-отражающих объектов, т.е. достижение максимального уровня сигнала (предельной степени концентрации энергии) или повышение дальности действия лазерных оптических систем.

В частности, в результате моделирования на ЭВМ была получена зависимость относительного уровня интенсивности I_отн поля подсветки в плоскости ПО с зеркальным характером отражающей поверхности в зависимости от параметров матричного приемника интенсивности отраженного сигнала, а именно, относительного размера апертуры входного телескопа D_A/D_и и относительного количества фотодетекторов в матрице К/M_o, где М_o- число элементов разрешения на ПО. Результаты моделирования представлены соответственно на фиг. 4, причем кривые 1 и 2 относятся к равномерному и нормальному распределению интенсивности на апертуре излучателя. Из результатов численного эксперимента следует, что при переходе от точечного фотодетектора к матричному приемнику интенсивности с размером апертуры входного телескопа D_A = D_и и количеством чувствительных элементов в ней К (4-5) М_o уровень интенсивности излучения на поверхности однородного ПО при использовании систем апертурного зондирования, реализующих функционал вида (7), возрастает в 2,5-3 раза, что примерно соответствует числу элементов разрешения объекта.

Кроме того методом моделирования на ЭВМ с использованием соотношения (21) была оценена зависимость качества фокусировки (относительного уровня интенсивности I_отн) от числа анализируемых гармоник отраженного объектом зондирующего сигнала. В качестве объекта исследования была выбрана адаптивная оптическая система с корректором волнового фронта, имеющим N = 25 степеней свободы и матричный фотоприемник отраженного сигнала с количеством фотодетекторов К = 50. Объект фокусировки моделировался в зоне Фраунгофера на дальности R = =100 км ( R/D_и²45) имел однородно-отражающую поверхность и длину 16 м, что соответствовало М_о = 4 элементам разрешения для приемо-передающей апертуры. Динамическая характеристика, иллюстрирующая зависимость интенсивности поля I_отн. от относительного времени адаптации t/Т_о (Т_о - постоянная времени адаптивного контура) представлена на фиг.5. Кривая I отражает динамику системы при анализе только первой гармоники; кривая 2 - первой и второй; кривая 3 относится к системе, учитывающей не менее трех гармоник, в том числе и к идеальной системе. Кривая 4 отражает изменение интенсивности подсвечивающего поля от системы, анализирующей три гармоники при работе с точечными объектами.

Анализ полученных результатов показал, что при фокусировке излучения на однородно-отражающие ПО с помощью функционалов информационно-энергетического типа учет первых трех вместо одной гармоник отражающего зондирующего сигнала позволяет приблизить качество фокусировки к идеальной системе, учитывающей все гармонические составляющие сигнала, а именно на 10% повысить уровень интенсивности излучения на ПО и вдвое сократить время адаптации (достижения глобального максимума интенсивности в плоскости объекта).

Таким образом, за счет согласования размеров апертур входного и выходного телескопов, а также введения новых элементов: матричного приемника интенсивности с общим числом чувствительных элементов, равным К, К логарифмических усилителей, сумматора с К входами, а также в каждом из N устройств выделения управляющих сигналов - дополнительно двух синхронных детекторов, двух усилителей низкой частоты, умножителей частоты на два и на три и замены N сумматоров с двумя входами на N сумматоров с четырьмя входами, появляется возможность фокусировки излучения на однородно-отражающие ПО с качеством, близким качеству работы идеальных систем с анализом бесконечного числа гармонических составляющих.

В данной системе достигается положительный эффект по сравнению с известным: в установившемся режиме максимальная достигаемая интенсивность излучения на объекте повышается примерно пропорционально числу элементов разрешения объекта (при экспериментальном моделировании на ЭВМ она увеличилась в 2,5-3 раза по сравнению с интенсивностью сигнала при фокусировке с помощью известной системы); возрастает быстродействие адаптивного контура (при проведении численного эксперимента было получено сокращение времени достижения глобального максимума интенсивности на объекте в 2 раза по сравнению с системами, анализирующими одну гармонику отраженного сигнала).