способ формирования лазерного растра

Формула изобретения

Способ формирования лазерного растра, содержащего строки или(и) столбцы с угловыми размерами , где - длина волны лазерного излучения, - скорость акустических волн в дефлекторах и f - диапазон частот управления, основанный на последовательной дифракции лазерного пучка на двух последовательно установленных и развернутых на 90 градусов по отношению друг к другу акустооптических дефлекторах, на входы управления которых поданы высокочастотные сигналы управления f₁(t) и f₂(t), отличающийся тем, что число N строк или (и) столбцов выбирают как целочисленное значение из условия N=k·T_с/ , где k=1,0-2,5, T_с - время формирования строки, - постоянная времени дефлектора, вычисляемая из соотношения =d₀/ , d₀ - световая апертура дефлекторов, а законы изменения частот управления задают в виде

,

,

где n - номер текущей строки или текущего столбца, равный от 1 до N;

f_Ц1 и f_Ц2 - частоты, соответствующие центру растра;

- заданный угол наклона строк формируемого растра относительно биссектрисы первого квадранта координатных осей, образованных направлениями распространения акустических волн дефлекторов;

p=0 - при формировании строк или столбцов растра с прямым сканированием (с увеличением текущей частоты) и p=1 - при формировании строк или столбцов растра с обратным сканированием (с уменьшением текущей частоты);

s=+1 - при формировании строк растра, s=-1 - при формировании столбцов растра;

t - текущее время.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для формирования лазерного растра систем управления, лазерных прицелов и может быть использовано при управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов по сложным фарватерам, обнаружении оптико-электронных приборов по «блику», дистанционном управлении робототехническими устройствами.

Для формирования лазерного растра систем наведения широко используется способ, основанный на пространственном кодировании светового (лазерного) пучка модулирующим растром (заявка Великобритании № 1395246, заявл. 17.10.72 г. опубл. 21.05.75 г. НКИ H4D, кл. G01S 1/70). Однако такому способу и аппаратуре, его реализующей, присущи значительные световые потери на модулирующем растре, закон кодирования информационного поля определяется типом модулирующего растра, а угловые размеры лазерного растра могут быть изменены лишь за счет изменения фокусного расстояния выходного объектива системы, т.е. путем механических подвижек оптических элементов.

Более совершенным является способ (аналог), основанный на поэлементном сканировании лазерного пучка с "иглообразной" диаграммой направленности (заявка Великобритании № 2133652, заявл. 14.11.83 г. № 8330302, опубл. 24.07.84 г. кл. F41G 7/00, НКИ H4D; патент RU № 2093849, приоритет 13.12.1995, МПК G01S 1/70, 17/87). В таком способе лазерный пучок сканируется двумя акустооптическими дефлекторами и формирует строку (или столбец) растра за счет возвратно-поступательного сканирования по одной координате с дискретным переходом по ортогональной координате после завершения каждого возвратно-поступательного движения лазерного пучка. Световые потери при этом определяются эффективностью дефлекторов (сканеров), а наличие "иглообразной" диаграммы направленности лазера обеспечивает более высокую плотность лазерного излучения, чем у лазерных систем с пространственным кодированием лазерного пучка модулирующим растром. Угловые размеры лазерного растра определяются полосой рабочих частот дефлекторов и могут изменяться практически мгновенно.

Недостатком способа и аппаратуре, его реализующей, является большая неравномерность интенсивности лазерного излучения в растре при относительно небольшом числе строк или столбцов растра, так как угловая расходимость формируемой лазерной строки или столбца в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, определяется угловой расходимостью исходного лазерного пучка.

Уменьшение неравномерности интенсивности лазерного излучения в лазерном растре возможно лишь при увеличении числа строк или столбцов, что приводит к увеличению времени формирования растра, снижению быстродействия системы, что в ряде случаев неприемлемо.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является способ формирования информационного поля лазерной системы (прототип), заключающийся в формировании прямоугольных лазерных растров размерами L×L, образованных за счет сканирования лазерного пучка в каждом растре по N строкам, а при каждом такте строчного сканирования с временем сканирования такта Т_C осуществляется дополнительное периодическое сканирование в ортогональном направлении с периодом Т_B=T_C/g и амплитудой L_B L/N, где g=8-1024. (патент RU № 2080615, приоритет 06.07.1994, МПК G01S 1/70).

Недостатком способа является наличие неравномерности интенсивности в лазерном растре. При дополнительном периодическом сканировании в направлении, ортогональном направлению сканирования по строкам, появляется нестационарная «мелкоячеистая» структура распределения интенсивности, обусловленная спектром сигнала управления дефлекторами, которая, например, в системах телеориентации приводит к появлению ложных помеховых сигналов малой интенсивности в бортовой аппаратуре, что снижает отношение сигнал/шум. Повышение информативности лазерной системы за счет уменьшения числа строк и сокращения времени формирования растра приводит к необходимости увеличивать диапазон дополнительного периодического сканирования в направлении, ортогональном направлению сканирования по строкам, что дополнительно увеличивает неравномерность интенсивности лазерного растра.

При создании лазерных систем, предназначенных для работы при крене носителя, способ формирования лазерного растра должен обеспечивать в ряде случаев также возможность поворота лазерного растра относительно его центра с целью стабилизации угла крена носителя лазерной системы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение равномерности интенсивности лазерного растра и повышение информативности лазерной системы.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования лазерного растра, содержащего строки или (и) столбцы с угловыми размерами , где - длина волны лазерного излучения, - скорость акустических волн в дефлекторах и f - диапазон частот управления, основанном на последовательной дифракции лазерного пучка на двух последовательно установленных и развернутых на 90 градусов по отношению друг к другу акустооптических дефлекторах, на входы управления которых поданы высокочастотные сигналы управления f₁(t) и f₂(t), число N строк или(и) столбцов выбирают как целочисленное значение из условия N=k·T_с/ , где k=1,0-2,5, T_с - время формирования строки, - постоянная времени дефлектора, вычисляемая из соотношения =d₀/ , d₀ - световая апертура дефлекторов, а законы изменения частот управления задают в виде

,

,

где n - номер текущей строки или текущего столбца, равный от 1 до N;

f_Ц1 и f _Ц2 - частоты, соответствующие центру растра;

- заданный угол наклона строк формируемого растра относительно биссектрисы первого квадранта координатных осей, образованных направлениями распространения акустических волн дефлекторов;

p=0 - при формировании строк или столбцов растра с увеличением текущей частоты (прямое сканирование) и p=1 - при формировании строк или столбцов растра с уменьшением текущей частоты (обратное сканирование);

s=1 - при формировании строк растра, s=-1 - при формировании столбцов растра;

t - текущее время.

Выбор числа N строк или(и) столбцов как целочисленного значения из условия N=k·T _с/ , где k=1,0-2,5; T_с - время формирования строки, - постоянная времени дефлектора, вычисляемая из соотношения =d₀/ , d₀ - световая апертура дефлекторов, - скорость акустических волн в дефлекторах, и изменение частот управления f₁(t) и f₂(t) для каждой строки или столбца в вышеуказанном виде позволило повысить равномерность интенсивности лазерного растра и информативность лазерной системы, в том числе обеспечить возможность поворота лазерного растра вокруг центра при сохранении угловых размеров исходного лазерного растра.

На фиг.1 представлены общий вид двух акустооптических дефлекторов, используемых для двухкоординатного сканирования лазерного пучка, направление падающего лазерного пучка и картинная плоскость дифрагированных лазерных пучков.

На фиг.2 представлены экспериментальные данные результатов измерения:

- угловой расходимости одной строки лазерного растра при формировании лазерного растра методом, использованным в аналоге (фиг.2а-б);

- угловой расходимости одной строки лазерного растра, формируемой предложенным способом при двух скоростях изменения частот управления дефлекторами (фиг.2 в-е);

- угловой расходимости одной строки лазерного растра при дополнительном периодическом сканировании в направлении, ортогональном направлению сканирования по строкам, которое использовалось в прототипе (фиг.2ж-з).

На фиг.3 представлены два растра, содержащих три строки, для случая увеличения текущей частоты управления (фиг.3а), для случая уменьшения текущей частоты управления (фиг.3г), временные эпюры изменения частот управления f₁(t) первым дефлектором (фиг.3 б-в) и временные эпюры изменения частот управления f₂(t) вторым дефлектором (фиг.3 д-е).

На фиг.4 представлены растры при формированием трех строк с прямым (фиг.4а) и обратным (фиг.4б) сканированием и с формированием трех столбцов с прямым (фиг.4в) и обратным (фиг.4г) сканированием.

На фиг.5 изображены положение дифрагированного лазерного пучка при T_с= и заданных значений p=0 и s=1 (фиг.5а) и временные эпюры изменения частот управления f₁(t) и f₂(t) дефлекторами (фиг.5 б-в).

На фиг.6а-в представлены положения лазерного растра пучка при T_с= для остальных возможных комбинаций значений p и s.

На фиг.1 представлен общий вид двух акустооптических дефлекторов, развернутых на 90 градусов относительно друг друга, на пьезопреобразователи которых поданы изменяющиеся во времени по частоте высокочастотные сигналы управления f₁(t) и f₂(t). Акустические волны в светозвукопроводах дефлекторов распространяются в двух ортогональных направлениях V1 и V2, являющихся координатными осями базовой системы координат. Падающий на первый акустооптический дефлектор (АОД1) лазерный пучок I_П дифрагирует в вертикальном направлении (координата VI), образуя в картинной плоскости линию I₁₀. Не продифрагированный лазерный пучок образует в картинной плоскости точку I₀ .

Продифрагировавший на первом дефлекторе лазерный пучок I₁₀, проходя второй дефлектор, дифрагирует в горизонтальном направлении (координата V2), и образует в картинной плоскости лазерный растр I_11. Структура растра определяется характером изменения частот управления дефлекторами. Так как эффективность дифракции меньше 100 процентов, лазерная линия I_]0 в картинной плоскости остается, но с меньшей интенсивностью. Современные конструкции дефлекторов за счет закоса входных и выходных граней реализованы таким образом, что падающий лазерный пучок I_П и дифрагированный на центральной рабочей частоте f₀ лазерный пучок I₁₁ соосны. На фиг.1 условно показаны на краях растра наименьшие и наибольшие частоты управления f_1min, f_2min, f _1max, и f_2max, соответствующие данному угловому размеру лазерного растра. Центру растра соответствуют частоты управления f₀ для первого и второго дефлекторов. Диапазон частот управления дефлекторов f_1,2=f_max1,2-f_min1,2 определяет угловой размер растра , где - длина волны лазерного излучения, - скорость акустических волн в дефлекторах. Центральные частоты диапазонов управления f_Ц1,2=(f_1,2max +f_1,2min)/2 для первого и второго дефлекторов определяют местоположение центра растра в возможной области сканирования лазерного пучка.

Известно, что число разрешимых состояний дефлектора N_d по критерию Релея при дифракции лазерного пучка равно N_d= f× , где f - полоса рабочих частот, - постоянная времени дефлектора, вычисляемая из соотношения: =d₀/ , d₀ - световая апертура дефлекторов, - скорость акустических волн в дефлекторе. Полный угол сканирования лазерного пучка _скан на выходе дефлектора равен величине _скан=N_d× _пад, где _пад - угловая расходимость падающего лазерного пучка. При линейном изменении частот управления дефлектором (сигнал с линейной частотной модуляцией - ЛЧМ сигнал) происходит угловое уширение дифрагированного лазерного пучка вдоль направления сканирования. Скорость изменения частоты (производная частоты по времени) при этом есть величина постоянная, т.е. .

При больших скоростях изменения частоты, когда , величина уширения может быть описана выражением , где, _диф - угловая расходимость дифрагированного лазерного пучка.

Полагая для первого дефлектора , где T_С - время формирования строки, содержащей N_d разрешимых точек, и учитывая, что в этом случае , получим _диф= _скан× /T_С, т.е. угловая расходимость дифрагированного лазерного пучка составляет величину /T_С от угловой величины всей строки, сканирующей в вертикальном направлении по координате V1.

Второй дефлектор, при подаче на него сигнала с линейной частотной модуляцией, будет увеличивать угловую расходимость дифрагированного лазерного пучка, сканирующего в горизонтальном направлении по координате V2. Полагая , получим .

При последовательной дифракции на двух акустооптических дефлекторах, развернутых на 90 градусов, дифрагированный лазерный пучок будет иметь увеличенную угловую расходимость по первой (горизонтальной) и по второй (вертикальной) координатам. Величина уширения по каждой координате зависит от скоростей изменения частоты управления первого и второго дефлекторов. Направление двумерного сканирования такого дифрагированного пучка при формировании строки будет происходить не параллельно направлениям V1 и V2 (фиг.1), а с наклоном, как представлено на фиг.2в-д и фиг.3. Угол наклона определяется соотношением скоростей изменения частот управления первого и второго дефлектора.

При равенстве скоростей изменения частоты управления первого и второго дефлекторов, т.е. , направление движения дифрагированного пучка при формировании строки будет происходить по биссектрисе координатных осей (БКО), т.е. под углом 45° к координатам V1 и V2.

На фиг.2а-б представлены экспериментальные данные результатов измерения угловой расходимости одной строки лазерного растра при формировании лазерного растра методом, использованном в аналоге предлагаемого изобретения (фиг.2а). На первый дефлектор подавался изменяющийся по частоте высокочастотный сигнала управления f ₁(t) с девиацией частоты 32 МГц, а на второй дефлектор подавался на это время сигнал с фиксированной частотой f ₂(t) в рабочем диапазоне частот дефлектора. Частота f ₂(t) определяла положение формируемой строки в растре. Посредством телевизионной камеры регистрировалось лазерное излучение. Затем по известным геометрическим размерам и с учетом фокусного расстояния камеры вычислялась угловая расходимость лазерного ручка. Угловая расходимость лазерной строки в направлении, ортогональном направлению сканирования, равнялась исходной расходимости падающего лазерного пучка и составляла 0,167 мрад (фиг.26). Белая штриховая линия показывает направление, ортогональное направлению сканирования строки. По этой линии производилось измерение интенсивности лазерного излучения. Угловой размер строки составлял около 52,2 мрад.

При подаче на оба дефлектора изменяющихся по частоте высокочастотных сигналов управления f₁(t) и f ₂(t) с девиацией частоты 16 МГц за время формирования строки T_С=128 мкс, угловая расходимость лазерной строки в направлении, ортогональном направлению сканирования, равнялась 1,44 мрад (фиг.2 г). Направление сканирования строки составило 45° к начальным координатным осям (фиг.2в).

Такие же измерения с девиацией частоты 32 МГц за время формирования строки T_С=128 мкс обеспечили угловую расходимость лазерной строки в направлении, ортогональном направлению сканирования, равной 2,9 мрад (фиг.2д). Направление сканирования строки составило 45° к начальным координатным осям (фиг.2е).

Угловая расходимость одной строки лазерного растра при дополнительном периодическом сканировании в направлении, ортогональном направлению сканирования по строкам, которое использовалось в прототипе, как следует из фиг.2ж-з, имеет значительную, в несколько раз, неравномерность распределения интенсивности, обусловленную спектром сигнала управления дефлекторами.

Таким образом, для формирования лазерного растра с неравномерностью интенсивности 1/e (по критерию Релея) необходимо иметь число строк, равное N=N_d= T_С/ . Для уменьшения неравномерности интенсивности число строк можно увеличить в k раз, где k=1-2,5. Величина k выбирается из условия обеспечения требуемой неравномерности интенсивности формируемого лазерного растра, которая легко считается при известном распределении интенсивности падающего на дефлекторы лазерного пучка.

Оценим количество строк в аналоге и предлагаемом способе. Пусть лазерный пучок, и, следовательно, дефлекторы имеют апертуру 9 мм.

Длина волны лазерного излучения равна =1,064 мкм. Скорость акустических волн дефлектора из ТеO₂ (парателлурита) равна примерно 617 м/с.

Следовательно:

- угловая расходимость падающего лазерного пучка равна ;

- постоянная времени дефлектора =d₀/ =14,6 мкс.

При полосе рабочих частот f=32 МГц угол сканирования дефлектора равен _скан=52,2 мрад (около 3°). Полагая время формирования строки T_С=128 мкс, получим для предлагаемого способа, с неравномерностью интенсивности лазерного растра 1/e (по критерию Релея), число строк равным N= T_С/ =8,7 (9 строк). Увеличивая число строк, например до 15, можно получить неравномерность интенсивности лазерного растра не более единиц процентов.

Для заполнения растра строками по методике, описанной в аналоге, необходимо число строк N_a с неравномерностью интенсивности 1/е (по критерию Релея), равное N_a= _скан/ф_пад. Для вышеприведенных значений N_a=373.

Расчет угловой расходимости одной строки лазерного растра при дополнительном периодическом сканировании в направлении, ортогональном направлению сканирования по строкам, достаточно сложен, но теоретические оценки и экспериментальные данные показывают, что неравномерность интенсивности растра, даже при числе строк в растре большем, чем в предложенном способе, достигает десятка раз.

Скорость изменения частоты управления первого и второго дефлекторов может быть положительной и отрицательной. При смене знака изменения скорости частоты управления одного из дефлекторов направление сканирования лазерного пучка по соответствующему направлению меняется на противоположное.

На фиг.3 представлены два растра, содержащих три строки (N=3), для случая увеличения текущей частоты управления двух дефлекторов (фиг.3а) и для случая уменьшения текущей частоты управления двух дефлекторов (фиг.3г). Стрелками на строках показано направление сканирования лазерного пучка.

Пунктиром на этих рисунках представлено положение границ растра, формируемых при медленном изменении частот управления дефлекторами. Стороны растра параллельны направлениям V1 и V2 (фиг.1) и совпадают с направлениями распространения акустических волн в первом и втором дефлекторах. Биссектриса координатных осей представлена на фиг.3 штриховой линией БКО.

Для случая быстрого изменения текущих частот управления дефлекторов растр поворачивается относительно координатных осей V1 и V2. Угол поворота растра может быть вычислен из соотношения . Угол наклона строк формируемого растра относительно биссектрисы координатных осей (БКО), образованных направлениями распространения акустических волн дефлекторов, равен =45°- .

Временные эпюры изменения частот управления f₁(t) первым дефлектором и временные эпюры изменения частот управления f₂(t) вторым дефлектором представлены соответственно на фиг.3б-в и фиг.3д-е.

Центры растров в обоих случаях заданы центральными частотами управления дефлекторов f_Ц1 и f_Ц2, которые, в общем случае, не равны центральной рабочей частоте дефлекторов f ₀, и величина их может устанавливаться перед началом формирования каждого растра.

Законы изменения частот управления первым и вторым дефлекторами с учетом того, что скорости изменения частоты управления первого и второго дефлекторов равны и , могут быть заданы в виде

,

,

где n - номер текущей строки, равный от 1 до N;

f_Ц1 и f_Ц2 - частоты, соответствующие центру растра;

- заданный угол наклона строк формируемого растра относительно

биссектрисы первого квадранта координатных осей, образованных направлениями распространения акустических волн дефлекторов;

p=0 - при формировании строк растра с прямым сканированием (с увеличением текущей частоты) и p=1 - при формировании строк растра с обратным сканированием (с уменьшением текущей частоты);

s=+1 - при формировании строк растра, s=-1 - при формировании столбцов растра;

t - текущее время.

Задавая значения p и s можно формировать строки или столбцы растра с прямым или обратным сканированием. Задавая значение угла наклона строк (столбцов) формируемого растра относительно биссектрисы первого квадранта координатных осей, можно формировать строки или столбцы растра с углов =0 на фиг.4 представлены растры при формированием трех строк с прямым (фиг.4а) и обратным (фиг.4б) сканированием и с формированием трех столбцов с прямым (фиг.4в) и обратным (фиг.4г) сканированием.

Очередность формирования номеров строк во времени может быть не только последовательной от 1 до N, как описаны выше, но и иной, чтобы обеспечить кодирование информации в лазерном кадре как, например, в прототипе.

При одинаковой скорости изменения частот управления первого и второго дефлекторов, т.е. , =0, и законы изменения частот управления дефлекторами могут быть упрощены и заданы в виде

,

.

Задавая значения p и s можно формировать строки или столбцы растра с прямым или обратным сканированием. Возможные комбинации растров с тремя строками представлены на фиг.4. Очевидно, что величина полосы рабочих частот f определяет угловые размеры формируемого лазерного растра и устанавливается в начале формирования растра исходя из требуемых угловых размеров лазерного растра.

Предлагаемый способ формирования лазерного растра может быть реализован для случая, когда время формирования строки T_С равно постоянной времени дефлектора , т.е. выбирают T_С= , а число N строк или(и) столбцов выбирают N=1. Законы изменения частот управления при этом задают в виде

,

.

Этот случай представляет особый интерес при сканировании импульсного лазерного излучения, формируемого импульсными лазерами с модуляцией добротности. Длительность лазерных импульсов при этом, как правило, меньше нескольких десятков нс.

Для заданных значений p=0 и s=1 на фиг.5а изображено положение лазерного пучка после дифракции на двух акустооптических дефлекторах. Законы распределения интенсивности в поперечном сечении для падающего и дифрагированного лазерных пучков для данного режима дифракции осесимметричны, поэтому лазерные пучки в поперечном сечении представляют собой окружности. Временные эпюры изменения частот управления f₁(t) первым дефлектором и временные эпюры изменения частот управления f₂(t) вторым дефлектором представлены соответственно на фиг.5б и фиг.5в. На фиг.5г представлено временное положение короткого лазерного импульса 1_Л, который задержан на время t относительно начала формирования частот управления.

Мгновенные значения частот управления, соответствующие координатам центра дифрагированного лазерного пучка fл₁(t= ) и fл₂(t= ), (фиг.5а) при этом равны:

, .

Мгновенная угловая расходимость дифрагированного лазерного пучка при этом равна

На фиг.6а-в представлены положения лазерного растра после дифракции на двух акустооптических дефлекторах для остальных возможных комбинаций значений p и s.

Мгновенные значения частот управления, соответствующие координатам центра дифрагированного лазерного пучка fл₁(t= ) и fл₂(t= ), и мгновенная угловая расходимость лазерного пучка , в общем случае, могут быть определены в виде

,

,

.

Таким образом, в сравнении с прототипом предлагаемый способ формирования лазерного растра, в котором число N строк или (и) столбцов выбирают как целочисленное значение из условия N=k·T_с/ , где k=1,0-2,5, T_С - время формирования строки, - постоянная времени дефлектора, вычисляемая из соотношения =d₀/ , d₀ - световая апертура дефлекторов, а законы изменения частот управления задают в виде линейного изменения частот управления, обеспечивает повышение равномерности интенсивности лазерного растра, повышение информативности лазерной системы и обеспечивает возможность поворота лазерного растра относительно его центра.