PT101170B

PT101170B - Processo e dispositivo de pontaria de laser de impulso

Info

Publication number: PT101170B
Application number: PT101170A
Authority: PT
Inventors: Robert Dubernet; Jerome Maffert
Original assignee: Aerospatiale
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1993-01-05
Publication date: 2001-08-30
Also published as: FR2738356A1; ITMI930047A1; FR2738356B1; GB2309289A; ES2117484A1; TR25655A; GB9226746D0; IT1269394B; ITMI930047A0; ES2117484B1; PT101170A; BE1009887A3; GB2309289B

Description

MEMÓRIA DESCRITIVA

O presente invento refere-se a um processo e a um dispositivo de pontaria laser de impulso, podendo a pontaria ser destinada tanto a medições como à destruição de alvos.

Sabe-se que a utilização de feixes laser, emitidos por impulsos, para aplicações de telemetria ou para a realização de armas laser, necessita de uma emissão laser dentro de um ângulo sólido reduzido para se obter uma iluminação suficiente do alvo. Se for necessário alargar o feixe para ser assegurado o embate no alvo, apesar de uma má precisão da pontaria, é necessário aumentar a potência emitida proporcionalmente ao aumento do ângulo sólido de emissão para conservar o mesmo relação de ligação.

Por exemplo, considera-se um sistema utilizando uma fonte laser, cuja potência é de 1 MW, funcionando a uma cadência de 1 Hz e emitindo com um ângulo de divergência de 0,5 mrd, e susceptível de assegurar uma iluminação E de um alvo, suficiente para a aplicação desejada, a uma distância P. Para utilizar bem este sistema num alvo de pequenas dimensões, é necessário assegurar uma precisão de pontaria da ordem de metade da divergência, ou seja 0,25 mrd. Se a precisão de pontaria, que se pode obter na prática - devida, por exemplo, à rudimentaridade do dispositivo de pontaria, a uma má harmonização entre o sistema de pontaria e o emissor laser ou às vibrações do suporte do sistema - é apenas de 1 mrd, para manter uma boa probabilidade de atingir o alvo seria necessário aumentar a divergência do feixe para 2 mrd, o que diminuiria a iluminação do alvo, suposto sempre à distância P, para um dezasseis avos do seu valor inicial E. Para reencontrar a iluminação E necessária, seria necessário poder aumentar a potência do laser de um factor de dezasseis, ou seja 16 MW.

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No entanto, por razões puramente tecnológicas, um aumento importante da potência não é frequentemente realizável, de modo que é praticamente ímpoecível compensar uma precisão de pontaria muito má por meio de um aumento da potência.

O presente invento tem por objectivo permitir a compensação de uma grande imprecisão de pontaria de um sistema laser sem aumentar a potência de pico da emissão do laser.

Com esta finalidade, de acordo com o invento, o processo de pontaria de um feixe laser de impulso, para um alvo disposto a uma distância P, ao longo de uma linha de pontaria, apresentando o feixe laser uma frequência f. e uma divergência, que confere ao feixe uma secção transversal s à distância P, sendo o erro de alinhamento ε do eixo do dito feixe laser em relação à dita linha de pontaria maior do que metade da dita divergência, de modo que, à distância P, a secção transversal s. do dito feixe laser encontra-se dentro de uma zona de incerteza ZI, processo que inclui: varrer a zona de incerteza com o feixe laser, de modo que, com n posições sucessivas da secção transversal de feixe s, seja coberta, pelo menos, sensivelmente a totalidade a dita zona de incerteza; utilizar um feixe laser pulsado a uma frequência f, a qual é um múltiplo do dito coeficiente n; e emitir um impulso laser de cada vez que, no decurso do varrimento, a dita secção transversal s. ocupa uma das ditas posições sucessivas.

Assim, de acordo com o invento, pode não se aumentar a potência de pico da emissão laser, por meio do aumento da cadência de funcionamento deste e por meio da previsão de um varrimento automático de fraca amplitude angular, que cubra a zona correspondente à incerteza de pontaria, o que assegura, no final de uma sequência de varrimento, a chegada de, pelo menos, um impulso laser ao alvo.

Retomando a aplicação numérica anterior, utiliza-se uma fonte laser, que emite a mesma potência de 1 MW, mas a uma cadência de 16 Hz, o que é tecnoloqicamente mais fácil de realizar do que uma fonte de 16 MW a 1 Hz.

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Vê-se que, mantendo a potência sem alteração, o varrimento em tomo de uma direcção de pontaria média permite utilizar um feixe que tem uma divergência interior à precisão de pontaria, conservando uma forte probabilidade de impacto do feixe no alvo.

O varrimento da zona de incerteza pode ser efectuado de qualquer maneira conhecida. De qualquer modo é vantajoso realizar um processo de deflexão do feixe laser combinando dois movimentos vibratórios ortogonais, assegurando uma figura de varrimento - do tipo roseta de Lissajous - da zona de incerteza.

Assim, o presente invento refere-se além do mais a um dispositivo de pontaria de um feixe de laser para um alvo T disposto à distância P, ao loncjo de uma linha de pontaria, incluindo o dito dispositivo uma fonte laser, que emite um feixe laser de impulso, apresentando uma divergência d, que lhe confere uma secção transversal s à distância P, sendo a precisão de pontaria do dito dispositivo tal que, o erro de alinhamento ε do eixo do dito feixe laser em relação à dita linha de pontaria, seja superior a metade da dita divergência, de modo que, à distância P, a secção transversal s do dito feixe laser se encontre dentro de uma zona de incerteza, em que são proporcionados: meios de deflexão que actuam no dito feixe laser, de modo que a dita zona de incerteza seja varrida pela dita secção transversal s e que, com n posições sucessivas da secção transversal s do dito feixe, se cubra, pelo menos, sensivelmente a totalidade da dita zona de incerteza; e a fonte laser emitir um impulso para cada uma das ditas posições da secção transversal s na dita zona de incerteza.

Os ditos meios de deflexão podem ser constituídos por qualquer dispositivo óptico, acústico-óptico, electro-óptico, etc. ..·, para deflexão de uma radiação laser, capaz de suportar um fluxo de impulsos elevado e que envolva apenas a uma fraca absorção do feixe laser.

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De preferência, os ditos meios de deflexão compreendem um arranjo de espelho vibratório animado com dois movimentos vibratórios com direcções ortogonais. Um tal arranjo dc espelho pode compreender dois espelhos independentes ou um só espelho, submetido aos dois movimentos sinusoidais.

A figura de varrimento pode variar de acordo com o modo de deflexão utilizado e o número de impulsos necessários para cobrir a totalidade da zona de incerteza.

Vantajosamente, o sistema compreende um dispositivo de inércia destinado a assegurar a estabilidade da direcção de emissão da fonte laser, apesar das oscilações do suporte, e o comando dos movimentos destinados ao dito varrimento é sobreposto ao comando destinado a estabilizar o feixe.

A fim de que o invento possa ser mais facilmente compreendido, será agora descrita um seu modo de realização, dada a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos, nos quais:

as figs. 1, 3 e 5 mostram esquematicamente um dispositivo laser de pontaria, em três casos de precisão;

as figs. 2, 4 e 6 são secções do feixe laser no plano do alvo, respectivamente, no caso das figs. 1, 3, e 5;

a fig. 7 representa o princípio do presente invento;

a fig. 8 mostra esquematicamente um modo de realização do dispositivo de pontaria de acordo com o presente invento;

a fig. 9 representa uma variante do arranjo de espelho de acordo com o invento;

a fig. 10 representa a combinação do dispositivo de acordo com o presente invento com um dispositivo de estabilização de inércia.

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ASNI-441 dispositivo de pontaria 1, representado esquematicamente nas figs. 1, 3 e 5, inclui uma fonte de laser 2, suportada por um suporte 3 e destina-se à pontaria para um alvo T, disposto a uma distância P, ao longo de uma linha de pontaria V-V. A fonte laser 2 emite um feixe laser de impulso com o eixo X-X na direcção do alvo T e a mesma está associada a um sistema óptico afocal 5, que deve conferir a este feixe uma forma paralela. Na realidade, o dito sistema óptico afocal 5 deixa de subsistir no dito feixe de divergência d, de modo que, no plano π do alvo T, o dito feixe tem uma secção transversal s que cresce com a distância Ρ. A frequência dos impulsos laser é igual a f. e a potência da fonte 2 é escolhida para que a iluminação E do alvo T tenha um nível desejado à distância P.

No esquema da fig. 1, supõe-se que a precisão do dispositivo de pontaria 1 é perfeita e que o eixo X-X do feixe laser 4 se confunde rigorosamente com o eixo de pontaria V-V (ver a fig. 2). Daí resulta que o alvo T recebe a iluminação E, para cada impulso laser.

No esquema da fig. 3, a precisão de pontaria é menos boa e existe um erro de alinhamento ε entre o eixo X-X do feixe laser 4 e o eixo de pontaria V-V (ver a fig. 4) . De qualquer modo, o erro de alinhamento ε é inferior a metade da divergência d, de modo que o alvo T, ainda que descentrado na secção transversal s, recebe sempre a iluminação desejada E, para cada impulso laser emitido pela fonte 2.

Por fim, no esquema da fig. 5, a precisão de pontaria é muito má e o erro de alinhamento ε é superior a metade da divergência d. Por conseguinte, o alvo T encontra-se no exterior da secção transversal s (ver a fig. 6) e não pode ser iluminado pelos impulsos de laser emitidos pela fonte 2.

Como foi mencionado atrás, para remediar a situação representada pelas figs. 5 e 6, poder-se-ia alargar a secção transversal s, aumentando a divergência d, de modo que o alvo T se encontre de novo na dita secção transversal s.

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No entanto, neste caso, a iluminação do alvo T diminuiria, de acordo com uma função de segunda ordem do aumento da divergência d, de modo que o valor E, desejado para a dita iluminação, apenas poderia ser obtido aumentando fortemente (de acordo igualmente com uma função de segunda ordem do aumento da divergência d) a potência da fonte laser 2.

Por razões tecnológicas, isto muitas vezes não é possível.

De acordo com o invento, pode-se, mesmo no caso das figs. 5 e 6, iluminar o alvo T com um nível de iluminação desejado E, sem aumentar a potência da fonte 2.

princípio de base do invento está representado pela fig. 7. Nesta figura, representou-se a zona de incerteza ZI resultante do erro de alinhamento ε. Esta zona de incerteza ZI representa, no plano π, a zona de dispersão, no interior da qual se pode encontrar a secção transversal s, devido ao erro de alinhamento ε.

De acordo com o invento, submete-se o feixe 4 a uma deflexão comandada, de modo que, em instantes sucessivos to, tl, t2, ..., ti, t j , tk, ..., tn, a secção transversal s do dito feixe ocupe, no interior da dita zona de incerteza ZI, as posições sO, sl, s2, ..., si, sj , sk, ..., sn sucessivas e diferentes, cujo conjunto cobre, pelo menos, sensivelmente a totalidade da dita zona de incerteza ZI e, em cada um dos ditos instantes, emita um impulso laser. Assim, a probabilidade de um impulso laser iluminar, com a iluminação E desejada, o alvo T é praticamente igual a 1, ainda que a precisão de pontaria seja muito má.

No processo do invento, cada ciclo de pontaria implica pois a emissão de n impulsos laser, em vez do único impulso laser previsto nos dispositivos conhecidos.

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Assim, para uma duração constante do ciclo de pontaria, é necessário que a frequência da fonte laser utilizada de acordo com o invento, seja n vezes maior do que a frequência da fonte laser dos dispositivos de pontaria conhecidos.

No caso em que as diferentes posições sO, sl, ..., sn da secção transversal s cobrem, sem sobreposições, a totalidade da zona de incerteza ZI, vê-se que o coeficiente n será igual à relação entre a área desta zona de incerteza e a área da dita secção transversal s.

Tendo em conta as sobreposições possíveis - e eventualmente desejadas - entre as posições si vizinhas e a imperfeição eventual de cobrimento da zona de incerteza ZI pelo conjunto das ditas posições si, o valor do coeficiente n é apenas, em geral, aproximadamente igual à dita relação.

No modo de realização do invento representado esquematicamente na fig. 8, o gerador laser 10 inclui, para além da fonte laser 2 e do sistema óptico afocal 5, um conjunto de dois espelhos 11, 12 susceptíveis de oscilarem em torno de um eixo vertical Z-Z e de um eixo horizontal H-H, respectivamente, sob a acção de motores 13 e 14 respectivamente. O feixe laser gerado pela fonte 2 reflecte-se nos espelhos 11 e 12 antes de ser dirigido para o alvo T.

Os motores 13 e 14 estão animados de movimentos alternativos, de modo que o eixo X-X descreve, no plano π, uma roseta de Lissajous. Por consequência, a secção transversal s toma, sucessivamente, cada uma das posições sO, sl, s2, ..., si, ..., sn, como representado na fig. 7.

A fonte laser 2 e os motores 13 e 14 são comandados por um dispositivo de comando 15, ele próprio comandado por um órgão 16, à disposição de um operador.

Quando este operador acciona o órgão 16, o dispositivo 15 diopara simultaneamente a emissão em rajada da totalidade dos impulsos o laser de um ciclo de pontaria e os movimentos dos

Ί4. G43 ASNI-441 motores 13 e 14. Por consequência, nos instantes sucessivos tO, tl, . . . , tn do ciclo, os impulsos laser atingem a zona de incerteza Zl, respectivamence, nas posições sO, al, ..., su da secção transversal s..

No caso prático mencionado atrás, o ciclo dura 1 segundo e são enviados 16 impulsos, um a um, para as 16 posições de sO a

Sl5 .

Podem ser encadeados ciclos de pontaria sucessivos idênticos, desde que o operador accione o órgão 16.

dispositivo de comando 15 e o órgão 16 podem estar solidários ao suporte 3.

Na fig. 8, dispuseram-se os espelhos 11 e 12 entre a fonte laser 2 e o sistema óptico afocal 5. Este não é um arranjo obrigatório, podendo os ditos espelhos ser dispostos, para além do dito sistema óptico afocal 5, do lado do alvo T.

Além do mais, como o mostra a fig. 9, em lugar de se utilizarem dois espelhos 11 e 12, é possível prever-se apenas um único espelho 17, articulado por sua vez em torno dos ditos eixos H-H e Z-Z, e comandado pelos dois motores 13 e 14 com movimentos alternativos, por exemplo, por intermédio de uma armação 18.

Para além disso, na fig. 10, representou-se um dispositivo de inércia 19, susceptível de detectar as vibrações, às quais estã submetida a fonte laser 2, e gerar um sinal de correcção enviado aos motores 13 e 14 para corrigir a posição do eixo X-X em função das ditas vibrações. Neste caso, é previsto um adicionador 20, que recebe os sinais do dispositivo de inércia 19 e os do dispositivo de comando 15 e que endereça os sinais de comando combinados para os motores 13 e 14.

Este último modo de realização permite, no caso em que o suporte 3 é submetido a fortes vibrações, reduzir o erro de pontaria ε antes de lhe aplicar o tratamento de acordo com o

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invento e representado pela fig. 7. 0 dispositivo de inércia 19, que é então suportado, pelo menos, em parte pelo suporte 3, permite reduzir a área da zona de incerteza Zí.

Claims

REIVINDICAÇÕES

I - Processo de pontaria de um feixe laser de impulso (4), para um alvo (T) disposto a uma distância (Ρ) , ao longo de uma linha de pontaria (V-V), apresentando o feixe laser (4) uma frequência (f) e uma divergência (d) , que confere ao feixe uma secção transversal (s) à distância (Ρ), sendo o erro de alinhamento (ε) do eixo (X-X) do dito feixe laser (4) em relação à dita linha de pontaria (V-V) maior do que metade da dita divergência (d) , de modo que, à distância (Ρ) , a secção transversal (s) do dito feixe laser encontra-se dentro de uma zona de incerteza (ZI), caracterizado por o processo incluir: varrer a zona de incerteza (ZI) com o feixe laser (4) de modo que, com n posições sucessivas (si) (com i = 1, 2, . . . , n) da secção transversal de feixe (s), seja coberta, pelo menos, sensivelmente a totalidade a dita zona de incerteza (ZI); utilizar um feixe laser pulsado a uma frequência (f), a qual é um múltiplo do dito coeficiente n; e emitir um impulso laser de cada vez que, no decurso do varrimento, a dita secção transversal (s) ocupa uma das ditas posições sucessivas (si).
2 - Processo caracterizado por o de acordo com a reivindicação 1, dito coeficiente n ser, pelo menos, aproximadamente igual à relação entre a área da dita zona de incerteza (ZI) e a área da dita secção transversal (s).
3 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por o dito varrimento ser executado pela deflexão do dito feixe laser (4) de acordo com a combinação de dois movimentos vibratórios ortogonais.
4 - Dispositivo de pontaria de um feixe de laser (4) para um alvo (T) disposto à distância (Ρ) , ao longo de uma linha de pontaria (V-V), incluindo o dito dispositivo uma fonte laser (2) , que emite um feixe laser de impulso (4) , apresentando uma divergência (d) , que lhe confere uma secção transversal (s) à distância (Ρ), sendo a precisão de pontaria do dito dispositivo tal que, o erro de alinhamento (ε) do eixo (X-X) do dito feixe laser (4) em relação à dita linha de pontaria (V-V) , seja superior a metade da dita divergência (d) , de modo que, à

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ASNI-441 distância (Ρ), a secção transversal (s) do dito feixe laser (4) se encontre dentro de uma zona de incerteza (ZI), caracterizado por incluir meios de deflexão (11 a 14,- 17) que actuam no dito feixe laser (4), de modo que a dita zona de incerteza (ZI) seja varrida pela dita secção transversal (s) e que, com n posições sucessivas (si) (com i = 1, 2, n) da secção transversal (s) do dito feixe, se cubra, pelo menos, sensivelmente a totalidade da dita zona de incerteza; e a fonte laser (2) emitir um impulso para cada uma das ditas posições (si) da secção transversal (s) na dita zona de incerteza (ZI).
5 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por os ditos meios de deflexão compreenderem um arranjo de espelho vibratório, sujeito a dois movimentos vibratórios com direcções ortogonais.
6 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o dito arranjo de espelho vibratório compreender dois espelhos (11, 12), excitados cada um deles pelos ditos movimentos vibratórios.
7 - Dispositivo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o dito arranjo de espelho vibratório compreender um único espelho (17) , ao qual são aplicados os dois movimentos vibratórios.
8 - Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 7, caracterizado por compreender um dispositivo de inércia (19) de estabilização do eixo (X-X) do feixe laser (4) , que fornece um sinal de correcção, o qual é enviado aos ditos meios de deflexão (11 a 14; 17).

Lisboa, -5. jm. t993