Лазерная локационная система

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧ Е СКИХРЕСПУБЛИК(9) ( ) 5)5 6 01 Я 17 ПАТЕНТН ГОСУДАРСТВЕННО ВЕДОМСТВО ССС (ГОСПАТЕНТ ССС ВТОР л. %15Ю.И, Кривонос, н, А.В, Храмов.Р. Василь- А.С, ЧукаВ, ВУстинов ные лопационн 987, с, 92-95. СКаминский проектировани стем. М.: Выс Д; Инфистемы. Р, ПБрисовя лазерныхшая школа,(21) 4923968/22(54) ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА (57) Изобретение относится к лазерной локации, а именно к системам получения изображения земной поверхности с борта летательного аппарата. Целью изобретения является повышение точности распознава-, ния природных и искусственных объектов засчет использования флюоресценции, инду- , цированной лазерным излучением. Поставленная цель достигается введением в устройство расщепителя луча лазера 14, интерференционный светофильтр 15, второй объектив 16, второй приемник излучения 17. второй блок усиления 18, компаратор 11, электронный ключ 12, генератор прямоугольных импульсов 19, второй лазер Б записи 3, оптический затвор 2 и устройство смешивания пучков 5. 4 ил.е- да оптического затвора 2 оптический сигнал, представляющий последовательность Изобретение относится к лазерной локации, а конкретно к лазерным локационным системам для получения изображения земной поверхности с борта летательного аппарата,Целью изобретения является повышение точности распознавания природных и искусственных объектов за счет использования флюоресценции, индуцированной лазерным излучением.На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг, 2 - переходы между возбужденными подуровнями молекулы; на фиг, 3 - спектры флюоресценции и спектр возбуждающего излучения; на фиг. 4 - уровни сигналов компараторов флюоресценции и шума,На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1 - пленка-протяжный механизм с фотопленкои,2 -оптический затвор,3- второй лазер записи, 4 - сканирующее устройство, 5 - устройство смешения пучков, 6 - модулятор записи, 7 - первый лазер записи, 8 - первый объектив, 9 - первый приемник излучения. 10 - первый блок усиления, 11 - компаратор 12 - электронный ключ; 13 - . лазер подсвета, 14 - расщепитель луча лазера, 15. - интерференционный светофильтр, 16 - второй объектив, 17 - второй приемник излучения, 18 - второй блок усиления, 19 - генератор прямоугольных импульсов.Данная система работает следующим образом.Излучение лазера подсвета 13 с помощью сканирующего устройства 4, ось вращения которого параллельна продольной оси носителя системы, разворачивается на местности по строкам перпендикулярно направлению полетаПри падении лазерного излучения с длиной волны А на местности происходит его отражение, причем величина отраженного потока пропорциональна спектральному коэффициенту отраженияэлементов местности. Элементы местностй содержат живую растительность, следовательно, излучение от элемента местности помимо отраженной составляющей содержит излучение флюоресценции. Оно возникает в результате переизлучения молекул хлорофила, возбужденных падающим лазерным излучением. Флюоресценция происходит на длине волны ЯфХл, Для молекул хлорофила максимум флюоресценции находится в пределах 645 - 702 нм.Отраженное от местности излучение лазера подсвета собирается сканирующим устройством и направляется через расщ питель луча лазера 14 на первый объектив 8который фокусирует его на чувствительнойплощадке первого приемника излучения9. Сигнал с выхода первого приемника5 излучения через первый блок усиления 10поступает на модулятор записи 6. Излучение первого лазера записи 7 поступает наоптический ход модулятора записи 6, гдемодулируется в зависимости от величины10 спектрального коэффициента отражения,а затем через устройство смешения пучков 5 направляется на сканирующее устройство 4, которое разворачивает его встроку по фотопленке. Фотопленка, уста 15 новленная в пленко-протяжном механизме1, протягивается со скоростью,.пропорциональной скорости полета к высоте полетаносителя,Часть отраженного от местности излу 20 чения лазера подсвета с расщепителя 14поступает на интерференционный светофильтр 15, настроенный на длину волнымаксимума флюоресценции живой растительности Яфл щах При наличии излученияфлюоресценции оно пройдет через интерференционный светофильтр 15 и сфокусируется вторым объективом 16 начувствительной площадке второго приемника излучения 17. Сигнал 18 подается на вход30 компаратора 11, В качестве компараторапредлагается использовать однопороговыйкомпаратор напряжения, в котором входнойсигнал сравнивается с сигналом заданногоуровня.При их равенстве сигнал на выходе компаратора 11, соединенном с первых входомэлектронного. ключа 12, для которого он является управляющим, будет равен нулю,Электронный ключ 12 будет закрыт,40 Если входной сигнал компаратора 11станет меньше сигнала заданного уровня,что свидетельствует о попадании в поле зрения системы искусственных объектов, навыходе компаратора появится сигнал, кото 45 рый откроет электронный ключ 12, На второй вход электронного ключа 12 сгенератора прямоугольных импульсов 19подается сигнал в виде последовательностипрямоугольных импульсов. Электронный50 ключ 12 пропустит его только при наличиисигнала с компаратора 11, то есть при наличии искусственных объектов в поле зрениясистемы.Сигнал в виде последовательности пря 55 моугольных импульсов с выхода электронного ключа поступает на оптический затвор2, на оптический вход которого поступаетизлучение второго лазера записи 3. С выхосветовых импульсов, через устройство смешения пучков 5 направляется на сканирующее устройство 4. которое разворачиваетего в. строку на фотопленке.В результате смешения оптических сигналов двух лазеров записи промодулированных соответствующим образом, нафотопленке формируется изображение в зависимости от спектрального коэффициентаотражения, на участки которого, соответствующие.искусственным объектам, накладывается маска в виде.яркостных меток,Частота следования яркостных метоксоответствует частоте следования импульсов с генератора прямоугольных импульсов 1519, Выбор этой частоты осуществляется изследующих соображений, Если угол полязрения системы 2 3=120", а мгновенныйугол поля зрения, определяемый расходимостью луча лазера подсвета, у =1 мрад, 20то количество элементов в строке И=2 а/у ==2093.Частота сканирования выбирается изсоотношенияЧполйск= ) Н 25где Члол, Н - соответственно скорость и высоте полета летательного аппарата; Фск -частота сканирования луча лазера.Для наиболее вероятных режимов полета при Чпол=170 - 220 м/с и Н=170 - 500 м 30среднее значение частоты сканирования,необходимое для стыковки строк на местности, равно 750 Гц. При этом частота про- .смотра элементов местности равна35тэл 2. - 2 3 МГц,лск М Функционирование устройства обеспечивается следующим. Физическая сущность 40явления флюоресценции молекул хлорофила заключается в том, что лазерное излучение, воздействующее на. растительность,претерпевает поглощение и возбуждаетмолекулы хлорофила, которые, возвращаясь в исходное энергетическое состояние,переизлучают энергию со смещениемдлины волны относительно возбуждающегоизлучения, Смещение длины волны флюоресцирующего излучения зависит от спектроскопических параметров молекул и ихквантового состояния на момент воздейст-.вия возбуждающего излучения,Смещение объясняется наличием безизлучательных релаксационных переходов 55между возбужденными подуровнями молекулы (см. фиг, 2). Поэтому энергия квантаЬ фл, испускаемого в результате флюоресценции, всегда меньше энергии поглощенНОГО КВЭНта П Гл И СЛЕДОВатРЛЬНО СПРГР флюоресценции сдвинут в длинноволновую Область по ОтношРнию к длин волнь 1 воз буждающего излучения и представляет нирокополосное излучение (см. фиг. 3). Поскольку максимум флюоресценции Определяется энергией иэлучательного перехода, то длина волны излучения лазера подсвета должна находиться в пределах от 200 до 550 нм. В частности, могут использоваться азотный лазер с Л =337 нм, аргоновый лазер с Л =480 - 530 нм, лазер иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, работающий на второй гармонике с Л =532 нм,Поскольку излучение лазера происходит в узком спектральном диапазоне, то принято говорить о спектральном коэффициенте отражения Р, Для различных участков земной поверхности спектральные коэффициенты отражения принимают различное значение. Поэтому величина отраженного потока излучения Фе отр= Рл фе.л при постоянном значении потока излучения лазера подсвета Фе.л. пропорциональна спектральному коэффициенту отраженияРлВ качестве основного элемента устройства смещения пучков 5 в заявленной системе используется дихроическое зеркало. представляющее собой многослойную пленку со слоями различной толщины и различными показателями преломления, нанесенную на поверхность различных прозрачных элементов, Подбирая показатели преломления и толщины слоев пленки, создают условия, при которых обеспечивается максимальный коэффициент пропускания и, соответственно, минимальных коэффициент отражения для излучения первого лазера записи 7 с длиной волны 0,5 мкм, и наоборот, обеспечивается минимальный коэффициент пропускания и, соответственно, максимальный коэффициент отражения для излучения второго лазера записи 3 с длиной волны 0.62 мкм, 8 заявляемой. системе устройство смешения пучков, в частности, представляет собой дихроическое зеркало, выполненное в виде стеклянной пластинки, на которую лучи лазеров записи падают подуглом 45 ф, как показано на фиг, 1,Компаратор 11 представляет собой Операционный усилитель без обратной связи, что позволяет получать большое значение коэффициента усиления и сравнивать малые по величине сигналы. Компаратор предназначен для сравнения входного сигнала сопорным или сигналом заданного уровня. При этом, если входной сигнал больше илиравен сигналу заданного уровня, то естьОвхОвад, на выходе компарэторэ устанавливается напряжение логического "0", Если же входной сигнал меньше сигнала задан- НОГО УРОВНЯ, ТО ЕСТЬ Овх" Озад, На ВЫХОДЕ устанавливается напряжение логической "1".В заявляемой системе сигнал заданного уровня компаратора 11 задается из следующих соображений см. фиг, 4), Он не должен превышать минимального значения сигнала. вызванного излучением флюоресценции Офл,пь, и должен быть больше уровня максимального значения шума Оа.щах. То есть должно выполняться условие Ош.вахОэадОфл.щи Определение значений Ош.щах и Офл.вь производится экспериментально, в частности, экспериментально исследования флюоресценции живой растительности при облучении лазерным излучением показали, что поток излучения флюоресценции растительности составляет 3-6 от падающего потока излучения,В заявляемой системе сигнал, обусловленный излучением флюоресценции живой растительности, непосредственно для регистрации не используется и служит только как управляющий сигнал для электронного иэображений всех участков местности, не содержащих живой растительности, а именно бетонные и асфальтовые покрытия, поверхности покрытые краской, поверхности накрытые материалом, имитирующим растительность, различные строения и т.п.Лазер подсвета 13 и лазеры записи 3 и 7 являются функционально независимым блоками, работающими в непрерывном режиме, каждый из которых имеет свой блок питания..Поток излучения от элементов местности состоит из отраженного потока и излучения флюоресценции. При этом каждая из составляющих общего потока излучения содержит информацию об одном и том же элементе местности, С помощью расщепителя луча 14 осуществляется разделение этих составляющих потока излучения и дальнейшая их обработка происходит параллельно по двум каналам. В первом канале, включающем блоки 8, 9, 10, 6 и 7 формируется сигнал по отраженному потоку излучения, а во втором канале, включающем блоки 15, 16, 17, 18, 19, 11, 12, 2 и 3 - сигнал по излучению флюоресценции.Сигнал с генератора прямоугольных импульсов 19 постоянно дежурит на. втором входе электронного ключа 12, который пропускает его голько при отсутствии излучения флюоресценции, Сигнал с выхода электронного ключа в виде последователь 50 четыре элемента записи. Интервал междуметками также должен быть равен четырем элементам записи. Следовательно, частотаследования яркостных меток и, соответственно, частота следования импульсов с генератора прямоугольнцх импульсов 191 имл= =1/8 ба=287,5 кГЦ, Такая частота следования импульсов обеспечивается генерато.ром. собранным по схеме мультивибратора на базе дифференциального усилителя. 5 10 15202530354045 ности прямоугольных импульсов поступает на управляющий вход оптического затвора 2, который до этого находится в закрытом состоянии. В результате на выходе оптического затвора получается оптический сигнал в аиде последовательности световых импульсов, соответствующий участкам местности с искусственными образованиями.Таким образом сигналы. сформированные в обоих каналах, синхронно приходят на устройство смещения пучков 5, где происходит их сложение.В качестве оптического затвора может быть использован электрооптический затвор на кристалле КОР, частота срабатывания которого составляет 20 Мгц. В качестве второго приемника излучения может быть применен фотоэлектронный умножитель.Для удобства различения на формируемом изображении природных и искусственных образований, его записи производится на спектрозональной фотопленке, При этом первый лазер записи 7 должен излучать в зеленой области спектра на длине волны 0,5 мкм. а второй лазер записи 3 - в краснойобласти спектра на длине волны 0,62 мкм. Тогда метки, указывающие на присутствие в поле зрения системы искусственных обьектов, будут красного цвета.Пленко-протяжный механизм состоит из электродвигателя, передаточного. редуктора, системы валиков, приемной и подающей катушек с фотопленкой. Электродвигатель через передаточный редуктор приводит во вращение валики и приемную катушку. Частота вращения электродвигателя задается управляющим напряжением, которое пропорционально отношению скорости полета к высоте и определяется по сигналам скорости и высоты в вычислителе пилотаж"но-навигационной системы. Поэтому. такойвычислитель является внешним устройством,При записи изображения на фотопленкушириной 80 мм полоса изображения составляет 70 мм, а размер одного элемента записи 33 мкм. Для обнаружения яркостной метки дешифровщиком ее размер должен бытьне менее 100 мкм, то есть перекрывать/,..".гоц урс 6 гиьфиг. г Ос В результате введения в лазерную локационную систему расщепителя луча лазера, интерференционного светофильтра, второго объектива, второго приемника излучения, второго блока усиления, компаратора, электронного ключа, генератора прямоугольных импульсов, второго лазера записи, оптического затвора, устройства смешения пучков появляется возможность различения на формируемом иэображении природных и искусственных образований, что увеличивает информативные возможности лазерной локационной системы и повышает точность распознавания природных и искусственных объектов.Формула изобретения Лазерная локационная система, содержащая оптически сопряженные лазер подсвета и сканирующее устройство, оптически сопряженные первый объектив и первый приемник излучения, оптически сопряженные первый лазер записи, модулятор записи и пленкопротяжный механизм с фотопленкой. оптически сопряженные расщепитель луча и первый отражатель, а также блок усиления, выход которого соединен с вторым входом модулятора записи, а Уровни бозбукденнасо СОСтОдгидвход - с выходом первого приемника излу: чения, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности распознавания природных и искусственных обьек тов эа счет использования флюоресценции,индуцированной лазерным излучением, введены последовательно установленные и оптически сопряженные интерференционный фильтр, второй объектив и второй при емник излучения, последовательноустановленные и оптически сопряженные второй лазер записи, оптический затвор, второй отражатель и устройство смещения пучков, последовательно соединенные вто рой блок усиления, компаратор и электронный ключ, выход которого соединен с вторым входом оптического затвора, а также генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с вторым входом 20 электронного ключа. при этом выход второго приемника излучения соединен с входом второго усилителя, а расщепитель луча и первый отражатель оптически сопряжены со сканирующим устройством и первым объ ективом, устройство смещения пучков оптически сопряжено с модулятором записи и со сканирующим устройством,1810864 цсиио ии ог Корректор .С, Лисина едак аказ 1445 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж-З 5, Раушская наб 4/5 льский комбинат "Патент", г, ужгород, ул.Гагарина, 1 ПроизводственноФМ тс адСостав Тех ред ль М, РаевскаМоргентал