ITMI20080312A1 - Metodi per il rilevamento di un obiettivo di tipo sal (laser semi attivo)con ricezione coerente - Google Patents
Metodi per il rilevamento di un obiettivo di tipo sal (laser semi attivo)con ricezione coerente Download PDFInfo
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Description
Descrizione dell invenzione industriale avente per titolo:
“Metodo per il rilevamento di un obiettivo di tipo SAL ( Laser-Semi-Attivo} con ricezione coerente"
Riassunto del trovato
In un metodo per il rilevamento di un obiettivo nel quale con un puntatore a laser viene illuminato un certo obiettivo e, con un dispositivo di ricerca, viene rilevata e analizzata la radiazione riflessa dall’obiettivo al fine di determinarne il tipo, la posizione e/o il movimento, viene proposto che per illuminare l’oggetto con il puntatore (DS) venga generata una radiazione (S’) coerente e, nel dispositivo di ricerca, la radiazione (S) riflessa dall’obiettivo venga miscelata, in forma coerente, in uno o in alcuni rilevatori e che il segnale differenziale guadagnato nel rilevatore (D) posto a valle avente una frequenza compresa fra 0 e 10 GHz, venga filtrato a banda stretta e venga ulteriormente trattato per guadagnare informazione.
Utilizzando un metodo a eterodina, secondo il trovato diventa possibile realizzare un dispositivo di ricerca di tipo SAL che rilevi con sufficiente sensibilità una radiazione di un puntatore di tipo cw. Per far ciò vengono utilizzate, opportunamente, conoscenze specifiche relative all’impostazione del puntatore che non possono essere a disposizione di un dispositivo di avvertimento a laser di tipo tradizionale. È notevolmente ridotta la possibilità di scoprire il puntatore di tipo cw conforme al trovato rispetto ad uno di tipo tradizionale con radiazione pulsante.
(Figura 1)
Descrizione del trovato
Il trovato riguarda un metodo di rilevamento di un obiettivo nel quale con un puntatore a laser viene illuminato un oggetto obiettivo e, con un dispositivo di ricerca, viene rilevata e analizzata la radiazione riflessa dall’obiettivo per determinare il tipo, la posizione e/o il movimento.
Teste dì ricerca a Laser-Semi- Attivo (SAL) di tipo tradizionale vengono impiegate, solitamente, insieme a puntatori a laser con radiazione laser pulsante. Questi emettono una radiazione con potenza di picco molto elevata (nel campo dei Megawatt) con una durata di pulsazione pari, tipicamente, a 10 ns e con una frequenza di pulsazione nei campo dei 10 Hz. La lunghezza d’onda del laser ammonta a 1,06 pm.
A causa di queste caratteristiche, già semplici dispositivi di avvertimento a laser, in caso di marcatura dell’obiettivo, possono rilevare rapidamente la luce diffusa del puntatore e avviare azioni correttive, ad esempio l’annebbiamento o il contrasto.
Una radiazione laser a tratto permanente (cw) non viene invece scoperta da dispositivi di avvertimento a laser di tipo usuale e può essere rilevata solo con difficoltà soprattutto in presenza di una radiazione dì fondo.
È obiettivo del trovato realizzare un dispositivo di ricerca a laser che consenta di rilevare e di analizzare la radiazione a tratto permanente di un puntatore che può venire riconosciuta a sua volta solo con molta difficoltà da sensori di avvertimento a laser che fanno scattare azioni correttive. Inoltre deve venire contemporaneamente realizzata la possibilità di trasmettere informazioni fra puntatore o puntatori e dispositivi di ricerca. Secondo il trovato ciò Io si ottiene generando, per l’illuminamento, radiazione coerente con il puntatore e miscelando in forma coerente in uno o in alcuni rilevatori nel dispositivo di ricerca la radiazione riflessa dall’obiettivo, filtrando a banda stretta il segnale di frequenza acquisito nel rilevatore posto a valle e avente una frequenza compresa fra 0 e 10 GHz elaborandolo al fine di ricavarne un’informazione. Utilizzando metodi di modulazione speciali, in un’altra configurazione del trovato è anche possibile trasmettere informazione dal puntatore al dispositivo di ricerca.
Utilizzando un metodo a eterodina, secondo il trovato diventa possibile realizzare un dispositivo di ricerca di tipo SAL che rilevi con sufficiente sensibilità una radiazione del puntatore di tipo cw. Per far ciò vengono utilizzate, opportunamente, conoscenze specifiche relative all'impostazione del puntatore che non possono essere a disposizione di un dispositivo di avvertimento a laser tradizionale. La possibilità di scoprire il puntatore di tipo cw conforme al trovato è notevolmente ridotta rispetto a puntatori di tipo tradizione con radiazione pulsante. I fondamenti fisici e l’esecuzione tecnica di un dispositivo di ricerca di tipo SAL e del relativo puntatore laser verranno descritti nel seguito basandosi sul metodo laser a eterodina. In esse:
La figura 1 mostra la struttura di principio del dispositivo di ricerca conforme al trovato,
la figura 2 mostra una rappresentazione del rapporto fra il segnale e il rumore utilizzando il trovato e
la figura 3 mostra la struttura di una forma di esecuzione con una testa di ricerca a scansione.
La figura 1 mostra la struttura di principio dei dispositivo di ricerca. In esso un puntatore DS illumina un obiettivo Z con radiazione laser S’ di tipo cw coerente che viene in parte riflessa dall’obiettivo Z, che viene collimata come radiazione S dall’ottica dì ricezione EO e che viene trasmessa al rilevatore D. Qui il puntatore può essere indipendente spazialmente dal dispositivo di ricerca ma può essere anche collegato con quest’ultimo a formare un'unica unità.
La radiazione di un laser LO a oscillatore locale viene sovrapposta in forma coerente, nel rilevatore D, alla radiazione S del puntatore riflessa dall’obiettivo 2 e precisamente, opportunamente, con un Beam-Combiner B. Il rilevatore D viene configurato come miscelatore che genera un segnale differenziale nel campo di frequenze RF della frequenza fDdel puntatore laser e della frequenza LO LLO-Questo segnale viene filtrato a banda stretta e ulteriormente trattato.
Vale la seguente relazione:
con
ìsig: corrente del segnale nel rilevatore
η0: rendimento quantistico del rilevatore
q: carica dell’elettrone
Psig: potenza del segnale ricevuto
PL0: potenza dell’oscillatore locale (LO)
hf: foto energia.
I vantaggi del metodo a eterodina consistono nel fatto che il rapporto fra il segnale e il rumore S/N ottenibile nel campo dei piccoli segnali nel caso di ricezione a eterodina coerente è notevolmente maggiore che in caso di ricezione diretta incoerente. Mediante l'oscillatore locale LO viene soppresso efficacemente il rumore di sottofondo e il rumore di ricezione. Questa relazione è rappresentata nella figura 2.
Il rapporto S/N ottenibile viene definito, alla fine, dal numero di fotoni ricevuti:
con
ìsig;corrente del segnale nel rilevatore
iN: corrente del rumore (shot noise)
η0: rendimento quantistico del rilevatore
Pslg: potenza ricevuta del segnale
hf: energia fotonica
B: larghezza di banda del filtro.
Per garantire una sovrapposizione effettiva delle frequenze nella ricezione a eterodina, i raggi laser del puntatore e delPoscillatore locale debbono possedere una buona coerenza temporale e spaziale.
Le larghezze di riga del laser del puntatore (DS) e deH'oscillatore locale (LO) definiscono le loro lunghezze di coerenza e quindi la possibile portata e larghezza di banda del filtro.
Laser a fibre di erbio commerciali e non pericolose per l’occhio, per lambda = 1,55 pm possiedono larghezze di banda B inferiori a 10 kHz nel campo dei Multiwatt e inferiori a 1 kHz nel campo di potenza più basso. La possibile portata R per Γ utilizzo in un sistema SAL è R = c/B, dove c = 3 x 10<8>m/s. Con B = 10 kHz ciò comporta una portata R dì 30 km.
I requisiti posti alla stabilità della lunghezza d’onda del puntatore e dell’LO utilizzando contemporaneamente due lunghezze d’onda del laser fTe f2fortemente adiacenti con distanza definita Ai, nel puntatore si riescono a ridurre notevolmente.
Nel rilevatore con testa di ricerca di tipo SAL durante la ricezione con sovrapposizione vengono generate due frequenze intermedie fz1e fza spostate della frequenza fL0dell’LO con fz1= ft Queste vengono sovrapposte in un miscelatore HF e generata la frequenza differenziale fzi- fz2. Questa ammonta esattamente a Af ed è indipendente dai valori assoluti di e f2, dalla frequenza dell’LO e dallo spostamento doppler causato dal movimento di fi e f2.
La stabilizzazione della lunghezza d’onda di Af e fLo deve avvenire solo nell’ambito della larghezza di banda del rilevatore (ad esempio nel campo che arriva fino a 10 Ghz). Il segnale utile può venire filtrato a banda molto stretta con la larghezza di riga della radiazione laser.
Sì deve osservare che in questo metodo l’ampiezza della radiazione del puntatore viene modulata a banda stretta con Ai.
Con uno scanner nel dispositivo di ricerca il campo visivo del puntatore (IFOV) scandisce il campo visivo del dispositivo di ricerca (FOV) nella modalità di ricerca. Il campo visivo del puntatore (FOV) ammonta, ad esempio, a 1 mrad, il campo visivo del dispositivo di ricerca (FOV) a 10°. Ciò determina quindi 3 x 10<4>Pixel per ogni scan.
Con una durata della scansione per il campo visivo dei dispositivo di ricerca (FOV) dì 1CT<1>s, si ottiene una frequenza di 10 ‘‘immagini” al secondo.
Nel corso dell'intervallo di tempo della scansione, per 1 Pixel viene ricevuta una quantità di fotoni del segnale sufficiente a scoprire l'obiettivo.
Dopo aver scoperto un obiettivo nella modalità di ricerca, il dispositivo di ricerca commuta su di esso e lo segue eventualmente inizialmente con un microscan. Dopo aver individuato l’obiettivo con una precisione di stabilizzazione supposta del dispositivo di ricerca < 1 mrad, viene quindi ricevuto in permanenza un segnale dall’obiettivo.
Una semplice possibilità di realizzazione per una testa di ricerca a scansione è, secondo la figura 3, uno scanner a rosette con due dischi a cuneo rotanti. La trasmissione del segnale e il disaccoppiamento della radiazione laser dell'LO può avvenire, in tal caso, senza che sia critico l’aggiustaggio, mediante componenti in fibre ottiche, ad esempio mediante una fibra di tipo Photonic Crystal con grande NA e grande diametro del nucleo e mediante un accoppiatore di fibre X. Come sviluppo vantaggioso del trovato viene proposta l’esecuzione della fibra ottica come amplificatore a laser drogato con erbio (EDFA). Qui la fibra dì accoppiamento è realizzata come amplificatore ottico. Laser con fibre drogate di erbio (EDFA) vengono utilizzate, ad esempio, come stadi amplificatori in linee di trasmissione a fibre di vetro.
Utilizzando un EDFA come pre-amplificatore ottico, viene notevolmente ridotto il requisito di potenza posto aH’oscillatore locale e precisamente conformemente al fattore di amplificazione delI’EDFA.
La stessa cosa vale per l'utilizzo di diodi Avalanche come rilevatori.
Rivendicazioni
1 . Metodo di rilevamento di un obiettivo nel quale, con un puntatore a laser, viene illuminato un oggetto obiettivo e, con un dispositivo di ricerca, viene rilevata e analizzata la radiazione riflessa dall’obiettivo al fine di determinarne il tipo, la posizione e/o il movimento, caratterizzato dal fatto che per l’illuminamento con il puntatore (DS) viene
Claims (14)
- rosette con due dischi a cuneo rotanti. La trasmissione del segnale e il disaccoppiamento della radiazione laser dell'LO può avvenire, in tal caso, senza che sia critico l’aggiustaggio, mediante componenti in fibre ottiche, ad esempio mediante una fibra di tipo Photonic Crystal con grande NA e grande diametro del nucleo e mediante un accoppiatore di fibre X. Come sviluppo vantaggioso del trovato viene proposta l’esecuzione della fibra ottica come amplificatore a laser drogato con erbio (EDFA). Qui la fibra dì accoppiamento è realizzata come amplificatore ottico. Laser con fibre drogate di erbio (EDFA) vengono utilizzate, ad esempio, come stadi amplificatori in linee di trasmissione a fibre di vetro. Utilizzando un EDFA come pre-amplificatore ottico, viene notevolmente ridotto il requisito di potenza posto aH’oscillatore locale e precisamente conformemente al fattore di amplificazione delI’EDFA. La stessa cosa vale per l'utilizzo di diodi Avalanche come rilevatori. Rivendicazioni 1 . Metodo di rilevamento di un obiettivo nel quale, con un puntatore a laser, viene illuminato un oggetto obiettivo e, con un dispositivo di ricerca, viene rilevata e analizzata la radiazione riflessa dall’obiettivo al fine di determinarne il tipo, la posizione e/o il movimento, caratterizzato dal fatto che per l’illuminamento con il puntatore (DS) viene prodotta una radiazione (S’) coerente e nel dispositivo di ricerca la radiazione (S) riflessa daH’obiettivo viene miscelata in forma coerente in uno o in alcuni rilevatori e che il segnale differenziale ricavato nel rilevatore (D) posto a valle e avente una frequenza compresa fra 0 e 10 GHz, viene filtrato a banda stretta e ulteriormente trattato al fine dì ricavarne un’informazione.
- 2. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che per miscelare in forma coerente la radiazione, nel dispositivo di ricerca viene utilizzato un oscillatore locale disposto in esso (oscillatore locale LO).
- 3. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che la radiazione coerente prodotta dal puntatore è una cosiddetta radiazione continious wave (cw) o una radiazione CW modulata.
- 4. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la radiazione del puntatore viene modulata al fine di trasmettere informazione al dispositivo di ricerca.
- 5. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che nel puntatore (DS) vengono prodotte contemporaneamente due lunghezze d’onda f-i e f2del laser strettamente adiacenti con distanza Δί definita e, nel rilevatore D del dispositivo di ricerca, mediante un processo di miscelazione coerente, vengono prodotte due frequenze intermedie fz1e f#con f21= ft- fLOe fa = f2- fLo spostate della frequenza fL0dell’oscillatore locale e vengono sovrapposte in un miscelatore HF e che producono la frequenza differenziale fz1- 3⁄4 ammontante esattamente a Af e indipendente dai valori assoluti di fte f2, dalla frequenza dell'oscillatore locale e dallo spostamento doppler causato dal movimento di fte di f2.
- 6. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che nel dispositivo di ricerca viene utilizzato un dispositivo di scansione ottico con il quale il campo visivo di una unità di rilevamento scandisce il campo visivo del dispositivo di ricerca.
- 7. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che come dispositivo di scansione ottico viene utilizzato uno scanner a rosette con due dischi a cuneo rotanti.
- 8. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che la trasmissione dei segnale nel dispositivo di ricerca che va daH’ottica fino al rilevatore avviene, senza problemi critici di aggiustaggio, mediante componenti in fibre ottiche, ad esempio mediante una fibra di tipo Photonic Crystal con grande NA e con grande diametro del nucleo e mediante un accoppiamento di fibre X.
- 9. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che per l'amplificazione ottica dei segnali vengono utilizzati amplificatori a fibre,
- 10. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dai fatto che come rilevatori vengono impiegati diodi di Avaianche.
- 11. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che come rilevatori vengono utilizzati diodi PIN.
- 12. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che le lunghezze d’onda del puntatore (DS) sono stabilizzate in forma assoluta mediante accorgimenti appropriati, ad esempio mediante ('utilizzo di Etalon di riferimento (wavelength-locker).
- 13. Metodo di ricerca di un obiettivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la lunghezza d’onda dell’oscillatore locale (LO) viene stabilizzata in forma assoluta mediante accorgimenti appropriatì, ad esempio mediante l'utilizzo di Etalon di riferimento (wavelength-locker).
- 14. Dispositivo per realizzare il metodo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto dì presentare un puntatore (DS) per indirizzare su un obiettivo una radiazione (S’) coerente, un ricevitore per la radiazione (S) riflessa dall’obiettivo, un oscillatore locale per generare una radiazione (LO) coerente spazialmente e temporalmente, un dispositivo di miscelazione per unire le due radiazioni (S, LO) e guadagnare un segnale differenziale a bassa frequenza e un dispositivo elettronico per il trattamento dei segnali.
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