Способ управления волновым фронтом зондирующего излучения

союз советскихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 810863 А 1)5 6 01 Я 17/00, 6 01 С 3/08 ГОСУДАРСТВЕННО ВЕДОМСТВО ССС (ГОСПАТЕНТ ССС ПАТЕНТНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ И мах. Целью изобретен ние интенсивности ул щемся протяженно .уменьшения дисперс Цель изобретения дос раженное от объекта и руют с опорным пуч фильтруют и детекти причем частоту 1 п в Ь 2 вр Ьп/с+Ъпш, где вращения объекта рад света; айвах. - максим вой модуляции, 2 ил. где А - амплитуда поля отдельного субпуап - фаза субпучка на объекте;ф и вп=2 храп - коэффициент и частотафазовой модуляций, вводимой в и-й субпучок (в начальный момент времени)(Оп=О);Оп - сигнал коррекции по фазе.лучен и чка Тогда интенсивность иэшени будет равнай й: (56) Харди Дж, ТИИЭР т. 66,%16,1978, с. 48;Адаптивная оптика/под ред. Э, Витриченко. М,: Мир, 1980,.с. 29 - 31. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВОЛНОВЫМФРОНТОМ ЗОНДИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ(57) Изобретение относится к квантовой радиотехнике и может быть использовано винформационных и измерительных систеИзобретение относится к квантовой ра. диотехнике и может быть использовано винформационных и. измерительных системах.. Наиболее близким к данному способуявляется способ управления волновым фронтом передаваемого излучения, основанный на апертурном зондировании оптических .каналов. Он основан на расщеплении исходного пучка частоты йъ=02 л на И субпучков, введении в каждый иэ субпучков . фаэовой модуляции на своей частоте излу: чения, фильтрации сигналов на частотах фазовой модуляции Х 1, 1 г, , Ь, Ь их детектировании и во введении инвентиро.: ванных по знаку полученных сигналов коррекции в каждый из субпучков,При введении фазовой модуляций вкаждый из субпучков к комплексная амплитуда поля в некоторой точке (например, на точечном объекте) равна ия является повышеучшения на вращаюм объекте за счет ии фазовой ошибки, тигается тем, что отзлучение гетеродиником частоты 1=Ь 0+1 п, руют на частоте Ьп, ыбирают из условия а- угловая скорость иуса р; с - скорость альная частота фазо 1810863Б процессе фильтрации гармонических составляющих на частотах фазовой модуляции аН, ., вм выделяются сигналы коррекции, которые пропорциональны величине фазовой ошибке в данном оптическом канале (субпучке)Япор ф- В, зп(9,-3 ош) (4) где Вп - амплитудный коэффициент пропорциональности,10в 1 п фВп ощ = агс 19 (1 фП) (5)1=1совфопорная фаза для и субпучка.В процессе адаптации достигается Вв=Впош и тем самым обеспечивается фази- . ровка всех субпучков на объекте, в том числе и при наличии динамических возмущений на трассе распространения излучения (например, атмосферных турбулентных).Данный способ устойчив при работе с точечным объектом. В случае неподвижной протяженной мишени происходит фокусировка на наиболее яркую "блестящую" точку, Однако в случае вращения объекта . спекл-структура отраженного излучения перемешивается по приемной апертуре.Так, при вращении объекта вокруг оси у пространственная спектральная плотность мощности (СПМ) после детектирования определяется одномерным интегралом35ЯоЩ - 3 Яо(0 х, у)Фу 1 х=1/чх (6)1чх -оогде ЯоРх, 1 у) - пространственная СПМ интенсивности спекл-сигнала, прошедшего через 40приемную апертуру;Чх=2 й И - относительная скорость в направлении оси Х на апертуре;Й- тангенциальная составляЮщая скорости вращения мишени, т.е. проекция 45скорости, перпендикулярная оси, соединяющая апертуру и объект, точнее его центрвращения),Анализ устойчивости способаапертурного зондирования показывает в частности, 50что при скоростях вращения мишени, прикоторых спектр спекл-шума совпадает с диапазоном модулирующих частот 11, .", Ь,способ управления волновым фронтом излучения на основе апертурного зондирования каналов излучения приводит кувеличению дисперсии фазовой ошибки вканале адаптивной системы, что ведетк снижению интенсивности излучения на мишени,При неблагоприятных условиях наступает полная расфазировка пучков и данный способ становится неработоспособным, что является его существенным недостатком.Целью изобретения является повышение интенсивности излучения на вращающемся протяжном объекте за счет уменьшения дисперсии фазовой ошибки.На фиг, 1 представлен вид протяжного вращающегося объекта в заданной системе координат; на фиг; 2 - устройство, реализующее данный способ, где обозначено: 1 - лазер; 2-1, . 2-(й+1) - зеркала-делители;3-1, , 3 - й - фазовые модуляторы-корректоры; 4 - генератор опорной частоты; 5 - частотносдвигающее устройство; 6 - полупрозрачное зеркало, 7 - оптический приемник; 8 - полосовой фильтр; 9 - фазовый детектор; 10 - полосовой фильтр; 11-1, , 11 - .й - фазовые детекторы; 12-1, ., 12-й - фильтры нижних частот; 13-1, ., 13-й - генераторы частот фазовой модуляции, 14 - 1, ., 14-й - сумматоры,Цель изобретейия достигается тем, что исходный пучок частоты 10 расщепляют на пучки, вводит в каждый из пучков фаэовую модуляцию на своей частоте Ь, гетеродинируют отраженное от объекта излучение с опорным пучком частоты 1=1 о+1 п, причем ча 2 й) 1 о стоты 1 выбирают из условия 1 . +с +Ьа. где в - угловая скорость вращения объекта радиуса р; с - скорость света; Ьвах - максимальная частота фазовой модуляции, фильтруют и детектируют сигнал на частоте затем фильтруют и детектируют сигнал на частотах фаэовой модуляции и вводят инвентированные по знаку полученные сигналы (коррекции) в субпучки.Сущность способа - гетеродинирование отраженного от обьекта излучения с опорным пучком с частотой Ь+Ь, где частота передаваемого излучения, для того, чтобы перевести диапазон рабочих частот из области частот, подверженной воздействию спекл помехи. В данном способе используется априорное значение параметров в и р объекта. Известночто размер существующих и перспективных космических аппаратов не превышает 20 - 50 м, а угловая скорость их вращения составляет; для стабилизированных объектов 10 рад/с, а нестабилизированных - 10 2 рад/с. С учетом этих данных можно априорно сделать вывод о выборе частоты больше некоторого максимальйого прогнозирующего сдвига частоты, обусловленного вращением объекта,(9) 55 Общими операциями для заявляемого способа и прототипа является расщепление исходного пучка частоты 1 о на субпучки, введение в каждый из субпучков фазовой модуляции на частоте Ь, фильтрация и детектирование сигналов на частотах фазовой модуляции, введение инвентированных по знаку полученных сигналов в субпучки.Поле, отраженное от протяженной мишени, рассматриваемой в виде совокупности из"блестящих" точек можно(с учетом выражения (1 записать в виде суперпозиции полей, отраженных от точек Е=, А , ехр) фа+тв)оавввИ=1+ йЪ 1 + йфе 1+ СОце 1 + 9 тре ) . (8) ГДЕ аР 9 е И В 9 е - РаДИаЛЬНаЯ И таНГЕНЦИ- альная составляющие доплеровского сдвига частоты излучения при отражении от 1-й точки;Фетре - фазовый коэффициент отражения 1-й точки;А - амплитуда поля от 1-й точки с учетом ее амплитудного коэффициента отражения;Рт)е - набег и-го субпучка до 1-й точки, Величина радиальной составляющей доплеровского сдвига.при вращении объекта(рассмотрим случай вращения вокруг оси у, однако полученные выводы справедливы и для общего случая вращения) максимальна у точек 1 и 2, т,е. у точек пересечения оси х с поверхностью объекта (фиг. 1) и рав- на р 2 йр =2тос где Й - угловая скорость вращения объектарадиуса р,А=сЛо - длина волны излучения.При этом (при показанном на фиг. 1).направлении вращения объекта) частотасигнала, отраженного от точки 1 сигналабудет То+ -у=, а от точки 2 о- - =2 йд 2 йлВ точке 3, лежащей на пересечении поверхности объекта и оси, соединяющейцентр вращения объекта с точкой наблюдения,19 зр =О, (10)АР 19 (11) Поэтому можно считать, что для остальных точек, лежащих на поверхности объекта,0в 99 1,2(12) Теперь задача заключается в выделенииотраженного сигнала только от точки с нулевым доплеровским сдвигом, Гетеродинируют отраженное от протяженного объекта 5 излучение с опорной волной амплитуды Ео,сдвинутой по частоте относительно исходного субпучка на 1 т)(о выборе ее величиныбудет сазано ниже).Тогда после гетеродинирования получа ют сигнал, пропорциональный 1 вв Е)т +Е +2 ЕоЕсоэ(йо+ йЪ - гд о)в ==Ел +Е +2 ЕпЕсоз оЪ с, (13) Или с учетом (8) и (11)Ев вЕ 2 Ев 2, Асов)еи -и=1О 9 е )в + 31 П Жпв - )В)те 9)тре 20 Выбирают частоту опорной волны в)т=2 1 п из условия Оет 9 п)+ европ от п)ех (15) 25т.е, больше суммы частоты максимально возможных доплеровского сдвига при вращении объекта и максимальной из частот фазовой модуляции вподптех, вводимой в 30 субпучки.Тогда в предположении, что после гетеродинирования осуществлена фильтрация сигнала на частоте а, то все составляющие сигнала (14) с доплеровскими составляющими по частоте в 9)р будут отфильтрован ы (с точностью до ширины полосы пропускания, фильтра). В это равносильно тому, что все сигналы, отраженные от блестящих точек на поверхности вращающегося объекта и пол учивших доплеровский сдвиг по частоте будут отфильтрованы, кроме сигнала, отраженного от точки, у которой такого доплеровского сдвига не будет, Такой точкой является точка, лежащая на пересечении по верхности обьекта с линией, соединяющейточку приема отраженного сигнала и центр вращения объекта, Т.е. данная точка явится как бы опорной точкой для фокусировки излучения на поверхности вращающегося объ екта.После фильтрации сигнал (14) на частотеЬ его детектировании (например, фазовом детектировании) получил сигнал только от опорной точки объекта 2 елА 2, соввтво авх) 6)и =1(фазовый коэффициент фотре опущен, так как отражение происходит лишь от однойточки и, следовательно, он одинаков для всех сигналов).Дальнейшая реализация способа аналогична прототипу, Действительно, переписывают(16)ввиде52 е,Асов фп совФ в 1 п вп- и =1- эйф з 1 п р з 1 п в 1) ) (1)Как и в прототипе, при малых ф(обычно фдад = 20 ОО) можно считать, что соз(ф з и впт) =1.Тогда после фильтрации сигнала (17) на .частотах в 1, , вч и последующего детектирования получим сигналы ошибки, пропорциональныеЗош 1 "ф фэп 01,ЗОВА фзп фя20 После инвентирования по фазе в субпучки вводят сигналы коррекции)кор 1=Яош 1" Якорй= Яошй25 Результатом является Р 1= Р 2== Р=0; т,е, выравнивание фаз всех субпучков на опорной точке, что обеспечит фокусировку излучения. Данный способ работоспособен как при работе по точечному объекту, так и не вращающемуся протяженному (в этом случае,. как и в прототипе, фокусировка будет производиться на наиболее яркую блестящую точку,Устройство, реализующее данный спо соб, функционирует следующим образом. Посредством зеркал-делителей 2-1, ., 2-й исходный пучок частоты 1 о от лазера 1 рас.- щепляется на й субпучков, в каждый иэ которых с помощью фазовых модуляторов-. 40 корректоров 3 - 1, , 3-й, управляемых генераторами частот фаэовой модуляции 13-1, , 13 - й вводится фаэовая модуляция на частотах в 1, , вч.Отраженное от объекта излучение пада ет через полупрозрачное зеркало 6 на оптический приемник 7. Часть излучения от лазера 1 проходит через частотосдвигающее устройство.5 (например, ячейку Брегга), управляемое генератором опорной частоты 50 4. В результате опорная волна частоты ЬЧп через зеркало 6 падает на вход оптического приемника 7, где гетеродинирует с излучением, отраженным от объекта, После гетеродинирования на выходе приемника 55 сигнал проходит через полосовой фильтр 8, настроенный на частоту 1 п, и затем на фазовый детектор 9, Полосовой фильтр 10 выделяет сигнал (см. выражение 16), который поступает на фазовые детекторы 11-1,11 й, на вторые входы которых поступают опорные напряжения на частотах в 1, ., ви от генераторов частот фаэовой модуляции 13-1, , 13-й от генераторов частот фаэовой модуляции 13-1, , 13 - й и затем через фильтры нижних частот 12 - 1 12-й на сумматоры 14-1, .;., 14-й. Таким образом, полученные сигналы коррекции подаются на фазовые модуляторы-корректоры. Результатом является фокусировка излучения на опорной точке протяженного объекта,Технико-экономическая эффективность данного способа заключается в следующем.П р и м е р 1. Пусть длина волны излучения А=1 мкм, объект радиусом р"5 м находится на расстоянии 8=100 км и период его обращения Т=60 с, т,е. в =2 л /Т= =й/30(рад/с), Тогда сигналы, отраженные от "блестящих" точек объекта, приобретут доплеровские сдвиги до1 цпх = 2 -= 2- 1,05 мГц. Ид 3145 М 1 ООчевидно, что при сравнительно малой угловой скорости вращения объекта радиальная составляющая доплеровского сдвига по частоте довольно велика (105 МГц) и сигналы с такими частотами и меньшебудут легко отфильтрованы после гетеродинирования,Доплеровский сдвиг для точек, лежащих относительно опорной точки не более, чем на Ъ 10 см, будете рlро= 50 раз меньше, т,е. составит порядка 20 кГц, т,е, по величине соизмерим с диапазоном модулирующих частот (обычно Ь мод=10 - 30 кГц). Т.е, можно ожидать, что область фокусировки составит пятно порядка 20 см.Учитывая, что в адаптивных оптических системах при работе по протяженным вращающимся объектам, как правило не удается сжать луч меньше, чем размера объекта, то использование данного способа управления при соответствующих размерах апертуры позволит увеличить интенсивность порядка в 650 =2500 раз,Другим достоинством данного способа является то, что данная опорная точка принадлежит объекту и, следовательно при реализации данного способа будет осуществляться режим прецизионного слежения за цепью.Формула изобретения Способ управления волновым фронтом зондирующего излучения, основанный на расщеплении исходного пучка излучения сперекураФиг.1 Составитель М. РаевскаяТехред М,Моргентал Корректор С, Лисина Редактор каз 14 Ф 5 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 НТ СССР изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 частотой 1 О на й субпучков, фазовой модуляции каждого из Н субпучков на частоте Ь, направлении излучения на объект, приеме отраженного излучения, фильтрации сигналов на частотах фазовой модуляции, детектировании сигналов и инвертировании сигналов по фазе и введении полученных сигналов в субпучки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения интенсивности излучения на вращающемся протяженном объекте эа счет уменьшения дисперсии фазовой ошибки, отраженное от объекта излучения гетеродиируют с опорным пучком с частотой Жо+Ь, фильтруют и детектируют сигналы на частоте Ь, причем частоту 1выбирают из условия где а - максимально возможная угловаяскорость вращения объекта;р - максимально возможный радиус10 вращающегося объекта;с - скорость света;пмакс максимальная частота фдзовоймодуляции,