RU1810863C - Способ управлени волновым фронтом зондирующего излучени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к квантовой ра- диотехнике и может быть использовано в информационных и измерительных системах . Целью изобретени   вл етс  повышение интенсивности улучшени  на вращающемс  прот женном объекте за счет уменьшени  дисперсии фазовой ошибки. Цель изобретени  Достигаетс  тем, что отраженное от объекта излучение гетеродини- руют с опорным пучком частоты f f0+fn, фильтруют и детектируют на частоте fn, причем частоту fn выбирают из услови  шр fo/c+fmax, где а) - углова  скорость вращени  объекта радиуса р с - скорость света; fnmax максимальна  частота фазовой модул ции. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к квантовой радиотехнике и может быть использовано в информационных и измерительных системах . ,.;/ у,:- -. .- ....:.. . - .

: Наиболее близким к данному способу.  вл етс  способ управлени  волновым фронтом передаваемого излучени , основанный на апертурном зондировании оптических каналов. Он основан на расщеплении исходного пучка частоты иь то2;тг на N субпучков , введении в каждый из субпучков фазовой модул ции на своей частоте излучени , фильтрации сигналов на частотах фазовой модул ции fi, f2, -., fn, ...fN их детектировании и во введении инвентиро- ванных по знаку полученных сигналов коррекции в каждый из субпучков.

При введении фазовой модул ций в каждый из субпучков к комплексна  амплитуда пол  а некоторой точке (например, на точечном объекте) равна

2. expj Oh+Un+. V;sln вЫ fet (1) n 1.

где А - амплитуда пол  отдельного субпучка;

On - фаза субпучка на объекте;

1р п ( л fn - коэффициент и частота фазовой модул ций, вводимой в n-й субпучок (в начальный момент времениХип О);

Un - сигнал коррекции по фазе.

Тогда интенсивность излучени  на мишени будет равна

О. . cos(ph--0Jk),

nk 1

где рп рп+ij OMt, a ySn Cfn+Un

Использовав разложение Бессел - Фурье, получают известное выражение дл  отраженного сигнала со

г.1°2 ($ I X cos {fa - /Йс) 4 10 (V5 t i(V) х

nk 1

l

00

Ш

о

00 О CA

X 2 2, Sin ft)n t X Sin (6n - ) + 4 to(V)x

nk .- 1

Xl2($ 2, L COS 2 OM t COS (/Sn -fik)+... nk 1

Б процессе фильтрации гармонических составл ющих на частотах фазовой модул ции ,.... ыы выдел ютс  сигналы коррекции , которые пропорциональны величине фазовой ошибке в данном оптическом канале (субпучке)

Snopn Вп 81п(Дт-/Зпош)(4)

где Вп- амплитудный коэффициент пропорциональности ,

arctg

1 1

; sin /а

2) cos /ft

1 1

)

опорна  фаза дл  п субпучка.

В процессе адаптации достигаетс  Biy Bnoui и тем самым обеспечиваетс  фази- ровка всех субпучков на объекте, в том числе и при наличии динамических возмущений на траеее распространени  излучени  (например , атмосферных турбулентных).

Данный способ устойчив при работе с точечным объектом. В случае неподвижной прот женной мишени происходит фокусировка на наиболее  ркую блест щую точку . Однако в случае вращени  объекта спекл-структура отраженного излучени  перемешиваетс  по приемной апертуре.

Так, при вращении объекта вокруг оси у пространственна  спектральна  плотность мощности (СПМ) после детектировани  определ етс  одномерным интегралом

1

00

S0(f) - /So(fx,fy)dfyfx f/vx (6)

Vx-OO

rfleSo(fx, fy) пространственна  СПМ интенсивности слекл-сигнала, прошедшего через приемную апертуру;

Q- относительна  скорость в направлении оси X на апертуре;

Й-тангенциальна  составл юща  скорости вращени  мишени, т.е. проекци  скорости, перпендикул рна  оси, соедин юща  апертуру и объект, точнее его центр вращени ).

Анализ устойчивости способа апертур- нога зондировани  показывает в частности, что при скорост х вращени  мишени, при которых спектр спекл-шума совпадает с диапазоном модулирующих частот fi, ..., fw, способ управлени  волновым фронтом излучени  на основе апертурного зондировани  каналов излучени  приводит к увеличению дисперсии фазовой ошибки в канале адаптивной системы, что ведет к снижению интенсивности излучени  на мишени .

10

15

20

25

30

35

40

45

При неблагопри тных услови х наступает полна  расфазировка пучков и данный способ становитс  неработоспособным, что  вл етс  его существенным недостатком.

Целью изобретени   вл етс  повышение интенсивности излучени  на вращающемс  прот жном объекте за счет уменьшени  дисперсии фазовой ошибки.

На фиг. 1 представлен вид прот жного вращающегос  объекта в заданной системе координат; на фиг. 2 - устройство, реализующее данный способ, где обозначено: 1 - лазер; 2-1, ... 2-(N+1) - зеркала-делители; 3-1, ..., 3-N - фазовые модул торы-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, ,.., T1-N- фазовые детекторы; 12-1,..., 12-N- фильтры нижних частот; , .... 13-N - генераторы частот фазовой модул ции, 14- 1,..., 14-N - сумматоры.

Цель изобретени  достигаетс  тем, что исходный пучок частоты to расщепл ют на пучки, вводит в каждый из пучков фазовую модул цию на своей частоте fn, гетеродини- руют отраженное от объекта излучение с опорным пучком частоты f f0+fn, причем частоты fn выбирают из услови  fn - г ° +

-. - ..- ; .- - С

+fmax, где т - углова  скорость вращени  объекта радиуса р; с -скорость света; fnmax - максимальна  частота фазовой модул ции , фильтруют и детектируют сигнал на частоте затем фильтруют и детектируют сигнал на частотах фазовой модул ции и ввод т инвентированные по знаку полученные сигналы (коррекции) в субпучки.

Сущность способа - гетеродинйрова- ние отраженного от объекта излучени  с опорным пучком с частотой fo+fn, где f0 - частота передаваемого излучени , дл  того, чтобы перевести диапазон рабочих частот из области частот, подверженной воздействию спекл помехи.

В данном способе используетс  априорное значение параметров о ир объекта.

Известно, .что размер существующих и перспективных космических аппаратов не превышает 20-50 м, а углова  скорость их вращени  составл ет: дл  стабилизированных объектов 1. рад/с, а нёстабилизированных - 10 рад/с. С учетом этих данных можно априорно сделать вывод о выборе частоты больше некоторого максимального прогнозирующего сдвига частоты, обусловленного вращением объекта.

Общими операци ми дл  за вл емого способа и прототипа  вл етс  расщепление исходного пучка частоты f0 на субпучки, введение в каждый из субпучков фазовой модул ции на частоте fn, фильтраци  и детектирование сигналов на частотах фазовой модул ции, введение инвентированных по знаку полученных сигналов в субпучки.

Поле, отраженное от прот женной мишени , рассматриваемой в виде совокупности из L блест щих точек можно (с учетом выражени  (1)) записать в виде суперпозиции полей, отраженных от L точек

Ё 2, м 2, ехР J (fini + У sln ° t +

I 1 N 1 + (Do t 4-а$е t + Ътре ).(8)

Теперь задача заключаетс  в выделении отраженного сигнала только от точки с нулевым доплеровским сдвигом. Гетеродиниру- ют отраженное от прот женного объекта излучение с опорной волной амплитуды Еп, сдвинутой по частоте относительно исходного субпучка на fn (о выборе ее величины будет сказано ниже).

Тогда после гетеродинировани  получэ- ют сигнал, пропорциональный

I En2+E2+2EnEcos(Wo+ft n-(Wo)t En2+E2+2EnEcoso t.(13)

Или с учетом (8) и (11)

„N & l Еп2+Е2+2Еп 2 AI 2) cos N 1

- ШдеР)Т + Sin ОМ- j8 ne- Ьтре

где ofge и MgeT - радиальна  и тангенциальна  составл ющие доплеровского сдвига частоты излучени  при отражении от 1-й точки;

VWe фазовый коэффициент отражени  1-й точки;

AI-амплитуда полнот 1-й точки с учетом ее амплитудного коэффициента отражени ;

Рпв - набег п-го субпучка до 1-й точки.

Величина радиальной составл ющей доплеровского сдвига.при вращении объекта (рассмотрим случай вращени  вокруг оси у, однако полученные выводы справедливы и дл  общего случа  вращени ) максимальна у точек 1 и 2, т.е. у точек пересечени  оси х с поверхностью объекта (фиг. 1) и равна

,

Л 1.2-Иг

2

(9)

где Q -углова  скорость вращени  объекта

радиуса р,...

A c/fo длина волны излучени .

При этом (при показанном на фиг. 1)

направлении вращени  объекта) частота

сигнала, отраженного от точки 1 сигнала

будет f0+ дЛ а от точки 2 f0 - д Л

В точке 3, лежащей на пересечении поверхности объекта и оси, соедин ющей центр вращени  объекта с точкой наблюдени ,

fg3p«0, (10)

(11)

Поэтому можно считать, что дл  остальных точек, лежащих на поверхности объекта ,

|fgP1.2 I(12)

20

Выбирают частоту опорной волны fn из услови 

(Ун ftJgmax+ ft)n от max

(15)

т.е. больше суммы частоты максимально возможных доплеровского сдвига при вра- . щении объекта и максимальной из частот

фаЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ (Уподтзх. ВВОДИМОЙ В

субпучки. . - Тогда в предположении, что после гетеродинировани  осуществлена фильтраци  сигнала на частоте , то все составл ющие сигнала (14) с доплеровскими составл ющими по частоте ft)gip будут отфильтрованы (с точностью до ширины полосы пропускани , фильтра). В это равносильно тому, что все сигналы, отраженные от блест щих точек на поверхности вращающегос  объекта и получивших доплеровский сдвиг по частоте будут отфильтрованы, кроме сигнала, отраженного от точки, у которой такого доплеровского сдвига не будет. Такой точкой  вл етс  точка, лежаща  на пересечении поверхности объекта с линией, соедин ющей точку приема отраженного сигнала и центр вращени  объекта. Т.е. данна  точка  витс  как бы опорной точкой дл  фокусировки излучени  на поверхности вращающегос  объектаПосле фильтрации сигнал (14) на частоте fn его детектировании (например, фазовом детектировании) получил сигнал только от опорной точки объекта

2) cos n+V- sin «)ht) (16)

n. 1

(фазовый коэффициент i/Аэтре опущен, так как отражение происходит лишь от одной

71810863 8

точки и, следовательно, он одинаков дл N, на вторые входы которых поступают

всех сигналов).опорные напр жени  на частотах coi,;... ом

Дальнейша  реализаци  способа ана-от генераторов частот фазовой модул ции

логична прототипу. Действительно, перепи-13-1, .... 13-N от генераторов частот фазосывают{16 ) в виде 5 вой модул ции 13-1,.... 13-N и затем через

фильтры нижних частот 12-1,..., 12-N на

Ы, .jсумматоры 14-1, ..., 14-N. Таким образом,

I 2ЕПА cos РП cos(y sm ftht)-полученные сигналы коррекции подаютс 

cin и п7  ein л t i и-nна фазовые модул торы-корректоры. Ре- sin/3sinpslnft nt) (17)10 зу/|ьтатом  вл етс  фокусировка излучени 

л,.г к ./- на опорной точке прот женного объекта,

8оДВаТТОТИПе ПРИМаЛЫХ(/Т° Технико-экономическа  эффектив«200-30° )MO«Hoc4HTaTb,4TOCos(Vsln ew)Н0сть данного способа заключаетс  в следу ,..ющем.

Тогда после фильтрации сигнала (17) на15 П р и ме р 1. Пусть длина волны излучечастотах ом,.., адм и последующего детек-и АНмкм. объект радиусом нахотировани  получим сигналы ошибки, про-дйтс  на рассто нии км и период его

порциональные , , лобращени  с, т.е. ш 2 п /Т

5ош1 Vstn/ i,.... Зошы Vs«n /frj г/30(рад/с). Тогда сигналы, отраженные от

, 20 блест щих точек объекта, приобретут до- После инвентировани  по фазе в субпучкиПЛеровские сдвиги до ввод т сигналы коррекции

5кор1 -5ош1... 5корЫ -5ошЫ.fgmax 2 2 ° 1,05 МГц.

25 30-10 Результатом  вл етс  /Si fh... , т.е.

выравнивание фаз всех субпучков на опор-Очевидно, что при сравнительно малой

ной точке, что обеспечит фокусировку излу-угловой скорости вращени  объекта радичени . Данный способ работоспособен какальна  составл юща  доплеровскогосдвига

при работе по точечному объекту, так и не-Зп П0 частоте Довольно велика (105 МГц) и сигвращающемус  прот женному (в этом слу- алы с такими частотами и меньше будут

чае, как и в прототипе, фокусировка будетлегко отфильтрованы после гетеродиниропроизводитьс  на наиболее  ркую блест -вани ,

щую точку.Доплеровский сдвиг дл  точек, лежащих

Устройство, реализующее данный спо-35 относительно опорной точки не более, чем

соб, функционирует следующим образом.на 9° - 10 см- 6УДет в У// 5С) Раз меньПосредством зеркал-делителей 2-1,.... 2-Nше. т.е. составит пор дка 20 кГц, т.е. по

исходный пучок частоты f0 от лазера 1 рас-величине соизмерим с диапазоном модулищепл етс  на N субпучков, в каждый изрующих частот (обычно AfMofl 10-30 кГц),

которых с помощью фазовых модул торов-40 Т е можно ожидать, что область фокусировкорректоров 3-1,..., 3-N, управл емых гене-ки составит п тно пор дка 20 см.

раторами частот фазовой модул ции 13-1,Учитыва , что в адаптивных оптических

.- ..., 13-N вводитс  фазова  модул ци  насистемах при работе по прот женным врачастотах ft)t,.., WN.щающимс  объектам, как правило не удаетОтраженное от объекта излучение пада-45 с  сжать луч меньше, чем размера Объекта,

ет через полупрозрачное зеркало б на опти-то использование данного способа управлеческий приемник 7. Часть излучени  отни  при соответствующих размерах апертулазера 1 проходит через частотосдвигаю-Ры позволит2 увеличить интенсивность

щее устройство 5 (например,  чейку Брегга),пор дка в 650 2500 раз.

управл емое генератором опорной частоты50 Другим достоинством данного способа

4. В результате опорна  волна частоты fd+fn вл етс  то, что данна  опорна  точка причерез зеркало 6 падает на вход оптическогонадлежит объекту и, следовательно при

приемника 7, где гетеродинирует с излуче-реализации данного способа будет осущением , отраженным от объекта. После гете-ствл тьс  режим прецизионного слежени 

родинировани  на выходе приемника55 за цельюсигнал проходит через полосовой фильтр 8,... -.

настроенный на частоту fn. и затем на фазо-Ф ормул а и зо б рете н и  

вый детектор 9, Полосовой фильтр 10 выде-Способ управлени  волновым фронтом

л ет сигнал (см. выражение 16). которыйзондирующего излучени , основанный на

поступает на фазовые детекторы 11-1....,11-расщеплении исходного пучка излучени  с

частотой to на N субпучков, фазовой модул ции каждого из N субпучков на частоте fn, направлении излучени  на объект, приеме отраженного излучени , фильтрации сигналов на частотах фазовой модул ции, детектировании сигналов и инвертировании сигналов по фазе и введении полученных сигналов в субпучки, отличающийс  тем, что, с целью повышени  интенсивности излучени  на вращающемс  прот женном объекте за счет уменьшени  дисперсии фазовой ошибки, отраженное от объекта излучени  гетеродинируют с опорным пучком с частотой f fo+fn, фильтруют и детектируют

сигналы на частоте fn, причем частоту fn выбирают из услови 

+f,

пмакс.

где О) - максимально возможна  углова  скорость вращени  объекта;

р - максимально возможный радиус вращающегос  объекта;

с-скорость света;

fdMaicc максимальна  частота фазовой модул ции.