RU1810864C - Лазерна локационна система - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к лазерной локации , а именно к системам получени  изображени  земной поверхности с борта летательного аппарата. Целью изобретени   вл етс  повышение точности распознавани  природных и искусственных обьектов за счет использовани  флюоресценции, индуцированной лазерным излучением. Поставленна  цель достигаетс  введением в устройство расщепител  луча лазера 14, интерференционный светофильтр 15, второй объектив 16, второй приемник излучени  17. второй блок усилени  18, компаратор 11, электронный ключ 12, генератор пр моугольных импульсов 19, второй лазер записи 3, оптический затвор 2 и устройство смешивани  пучков 5. 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к лазерной локации , а конкретно к лазерным локационным системам дл  получени  изображени  земной поверхности с борта летательного аппарата.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности распознавани  природных и искусственных объектов за счет использовани  флюоресценции, индуцированной лазерным излучением.

На фиг. 1 представлена функциональна  схема устройства; на фиг, 2 - переходы между возбужденными подуровн ми молекулы: на фиг. 3 - спектры флюоресценции и спектр возбуждающего излучени ; на фиг. 4 - уровни сигналов компараторов флюоресценции и шума.

На фиг. 1 введены следующие обозначени : 1 - пленко-прот жный механизм с фотопленкой , 2 - оптический затвор, 3 - второй лазер записи, 4 - сканирующее устройство, 5 - устройство смешени  пучков, 6 - модул тор записи, 7 - первый лазер записи, 8 - первый объектив, 9 - первый приемник излучени . 10 - первый блок усилени , 11 - компаратор 12 - электронный ключ, 13 - лазер подсвета, 14 - расщепитель луча лазера , 15 - интерференционный светофильтр ,. 16 - второй объектив, 17 - второй приемник излучени , 18 - второй блок усилени , 19 - генератор пр моугольных импульсов .

Данна  система работает следующим образом.

Излучение лазера подсвета 13 с помощью сканирующего устройства 4, ось вращени  которого параллельна продольной оси носител  системы, разворачиваетс  на местности по строкам перпендикул рно направлению полета. ,

При падении лазерного излучени  с длиной волны Ал на местности происходит его отражение, причем величина отраженного потока пропорциональна спектральному коэффициенту отражени  р элементов местности. Элементы местности содержат живую растительность, следовательно, излучение от элемента местности помимо от- раженной составл ющей содержит излучение флюоресценции. Оно возникает в результате переизлучени  молекул хлоро- фила, возбужденных падающим лазерным излучением. Флюоресценци  происходит на длине волны Афл Ал. Дл  молекул хлоро- фила максимум флюоресценции находитс  в пределах 645-702 нм.

Отраженное от местности излучение лазера подсвета собираетс  сканирующим устройством и направл етс  через расщепитель луча лазера 14 на первый объектив 8 который фокусирует его на чувствительной площадке первого приемника излучени  9. Сигнал с выхода первого приемника

излучени  через первый блок усилени  10 поступает на модул тор записи 6. Излучение первого лазера записи 7 поступает на оптический ход модул тора записи б, где модулируетс  в зависимости от величины

спектрального коэффициента отражени , а затем через устройство смешени  пучков 5 направл етс  на сканирующее устройство 4, которое разворачивает его в строку по фотопленке. Фотопленка, уста5 новленна  в пленко-прот жном механизме

1. прот гиваетс  со скоростью, пропорциональной скорости полета к высоте полета носител .

Часть отраженного от местности излу0 чени  лазера подсвета с расщепител  14 поступает на интерференционный светофильтр 15, настроенный на длину волны максимума флюоресценции живой растительности Афл max. При наличии излучени 

5 флюоресценции оно пройдет через интерференционный светофильтр 15 и сфокусируетс  вторым объективом 16 на чувствительной площадке второго приемника излучени  17. Сигнал 18 подаетс  на вход

0 компаратора 11, В качестве компаратора предлагаетс  использовать однопороговый компаратор напр жени , в котором входной сигнал сравниваетс  с сигналом заданного уровн .

5При их равенстве сигнал на выходе компаратора 11,соединенном с первых входом электронного.ключа 12, дл  которого он  вл етс  управл ющим, будет равен нулю. Электронный ключ 12 будет закрыт.

0 Если входной сигнал компаратора 11 станет меньше сигнала заданного уровн , что свидетельствует о попадании в поле зрени  системы искусственных объектов, на выходе компаратора по витс  сигнал, кото5 рый откроет электронный ключ 12. На второй вход электронного ключа 12 с генератора пр моугольных импульсов 19 подаетс  сигнал в виде последовательности пр моугольных импульсов. Электронный

0 ключ 12 пропустит его только при наличии сигнала с компаратора 11, то есть при наличии искусственных объектов в поле зрени  системы.

Сигнал в виде последовательности пр 5 моугольных импульсов с выхода электронного ключа поступает на оптический затвор

2. на оптический вход которого поступает излучение второго лазера записи 3. С выхо: да оптического затвора 2 оптический сигнал , представл ющий последовательность

световых импульсов, через устройство смешени  пучков 5 направл етс  на сканирующее устройство 4, которое разворачивает его в строку на фотопленке.

В результате смешени  оптических сигналов двух лазеров записи промодулиро- ванных соответствующим образом, на фотопленке формируетс  изображение в зависимости от спектрального коэффициента отражени , на участки которого, соответствующие .искусственным объектам, накладываетс  маска в виде,  р костных меток,

Частота следовани   ркостных меток соответствует частоте следовани  импульсов с генератора пр моугольных импульсов 19. Выбор этой частоты осуществл етс  из следующих соображений. Если угол пол  зрени  системы 2 /М20°, а мгновенный угол пол  зрени , определ емый расходимостью луча лазера подсвета, у 1 мрад, то количество элементов в строке N 2/8/y 2093.

Частота сканировани  выбираетс  из соотношени 

Vnon/fcK уН,

где /пол, Н - соответственно скорость и высоте полета летательного аппарата; fcK - частота сканировани  луча лазера.

Дл  наиболее веро тных режимов полета при Vno/i 170-220 м/с и Н --170-500 м среднее значение частоты сканировани , необходимое дл  стыковки строк на местности , равно 750 Гц. При этом частота просмотра элементов местности равна

Я-fcK N.

МГц.

Функционирование устройства обеспечиваетс  следующим. Физическа  сущность  влени  флюоресценции молекул хлорофи- ла заключаетс  в том. что лазерное излучение , воздействующее на растительность, претерпевает поглощение и возбуждает молекулы хлорофила, которые, возвраща сь в исходное энергетическое состо ние, переизлучают энергию со смещением длины волны относительно возбуждающего излучени . Смещение длины волны флюоресцирующего излучени  зависит от спектроскопических параметров молекул и их квантового состо ни  на момент воздействи  возбуждающего излучени ,

Смещение объ сн етс  наличием без- излучательных релаксационных переходов между возбужденными подуровн ми молекулы (см. фиг. 2). Поэтому энерги  кванта h г фл, испускаемого в результате флюоресценции , всегда меньше энергии поглощенного кванта h vn и следовательно спегф флюоресценции сдвинут в длинноволновую область по отношению к длине войны воз буждающего излучени  и представл ет ши5 рокополосное излучение (см. Фиг. 3). Поскольку максимум флюоресценции определ етс  энергией излучательного перехода , то длина волны излучени  лазера подсвета должна находитьс  в пределах от

0 200 до 550 нм. В частности, могут использоватьс  азотный лазер с Я 337 нм, аргоновый лазер с А 480-530 нм. лазер иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, работающий на второй гармонике с Я 532 нм.

5Поскольку излучение лазера происходит в узком спектральном диапазоне, то прин то говорить о спектральном коэффициенте отражени  р%. Дл  различных участков земной поверхности спектральные

0 коэффициенты отражени  принимают различное значение. Поэтому величина отраженного потока излучени  Фе отр РП Фе.л при посто нном значении потока излучени  лазера подсвета Фе.л. пропорционзль5 на спектральному коэффициенту отражени 

качестве основного элемента устройства смещени  пучков 5 в за вленной системе используетс  дихроическое зеркало.

0 представл ющее собой многослойную пленку со сло ми различной толщины и различными показател ми преломлени , нанесенную на поверхность различных прозрачных элементов. Подбира  показатели

5 преломлени  и толщины слоев пленки, создают услови , при которых обеспечиваетс  максимальный коэффициент пропускани  и, соответственно, минимальных коэффициент отражени  дл  излучени  первого лазе0 ра записи 7 с длиной волны 0,5 мкм. и наоборот, обеспечиваетс  минимальный коэффициент пропускани  и, соответственно, максимальный коэффициент отражени  дл  излучени  второго лазера записи 3 с длиной

5 волны 0.62 мкм. 8 за вл емой.системе устройство смешени  пучков, в частности, представл ет собой дихроическое зеркало, выполненное в виде стекл нной пластинки, на которую лучи лазеров записи падают под

0 углом 45°, как показано на фиг. 1.

Компаратор 11 представл ет собой операционный усилитель без обратной св зи, что позвол ет получать большое значение коэффициента усилени  и сравнивать ма5 лые по величине сигналы. Компаратор предназначен дл  сравнени  входного сигнала с опорным или сигналом заданного уровн . При этом, если входной сигнал больше или равен сигналу заданного уровн , то есть

UPX и: Узад, на выходе компаратора устанавливаетс  напр жение логического О. Если же входной сигнал меньше сигнала заданного уровн , то есть UBx и3ад, на в ыходе устанавливаетс  напр жение логической 1.

В за вл емой системе сигнал заданного уровн  компаратора 11 задаетс  из следующих соображений (см. фиг. 4). Он не должен превышать минимального значени  сигнала, вызванного излучением флюоресценции ифл.гЫп, и должен быть больше уровн  максимального значени  шума Um.max. То есть должно выполн тьс  условие иш. ифл.гЫп. Определение значений Uui.max и ифл.т1п производитс  экспери- ментально. в частности, экспериментально исследовани  флюоресценции живой растительности при облучении лазерным излучением показали, что поток излучени  флюоресценции растительности составл ет 3-6% от падающего потока излучени .

В за вл емой системе сигнал, обусловленный излучением флюоресценции живой растительности, непосредственно дл  регистрации не используетс  и служит только как управл ющий сигнал дл  электронного изображений всех участков местности, не содержащих живой растительности, а именно бетонные и асфальтовые покрыти , поверхности покрытые краской, поверхности накрытые материалом, имитирующим растительность , различные строени  и т.п.

Лазер подсвета 13 и лазеры записи 3 и 7  вл ютс  функционально независимым блоками, работающими в непрерывном режиме , каждый из которых имеет свой блок питани ..

Поток излучени  от элементов местности состоит из отраженного потока и излучени  флюоресценции. При этом кажда  из составл ющих общего потока излучени  содержит информацию об одном и том же элементе местности. С помощью расщепител  луча 14 осуществл етс  разделение этих составл ющих потока излучени  и дальнейша  их обработка происходит параллельно по двум каналам. В первом канале, включающем блоки 8, 9, 10, 6 и 7 формируетс  сигнал по отраженному потоку излучени , а во втором канале, включающем блоки 15, 16, 17, 18, 19, 11. 12. 2 и 3 - сигнал по излучению флюоресценции.:

Сигнал с генератора пр моугольных импульсов 19 посто нно дежурит на втором входе электронного ключа 12, который пропускает его только при отсутствии излучени  флюоресценции. Сигнал с выхода электронного ключа в виде последовательности пр моугольных импульсов поступает на управл ющий вход оптического затвора 2, который до этого находитс  в закрытом состо нии. В результате на выходе оптического затвора получаетс  оптический сигнал в виде последовательности световых импульсов , соответствующий участкам местности с искусственными образовани ми. Таким образом сигналы, сформированные в обоих каналах, синхронно приход т на устройство смещени  пучков 5,-где происходит их сложение.

В качестве оптического затвора может быть использован электрооптический затвор на кристалле KDP, частота срабатывани  которого составл ет 20 МГц. В качестве второго приемника излучени  может быть применен фотоэлектронный умножитель. Дл  удобства различени  на формируемом изображении природных и искусственных образований, его записи производитс  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 красной области спектра на длине волны 0,62 мкм. Тогда метки, указывающие на присутствие в поле зрени  системы искусственных объектов , будут красного цвета.

Пленко-прот жный механизм состоит из электродвигател , передаточного, редуктора , системы валиков, приемной и подающей катушек с фотопленкой. Электродвигатель через передаточный редуктор приводит во вращение валики и приемную катушку . Частота вращени  электродвигател  задаетс  управл ющим напр жением, которое пропорционально отношению скорости полета к высоте и определ етс  по сигналам

скорости и высоты в вычислителе пилотаж- но-навигационной системы. Поэтому такой вычислитель  вл етс  внешним устройством .:

При записи изображени  на фотопленку

шириной 80 мм полоса изображени  составл ет 70 мм, а размер одного элемента записи 33 мкм. Дл  обнаружени   ркостной метки дешифровщиком ее размер должен быть не менее 100 мкм, то есть перекрывать

четыре элемента записи. Интервал между метками также должен быть равен четырем элементам записи. Следовательно, частота следовани   ркостных меток и, соответственно , частота следовани  импульсов с генератора пр моугольных импульсов 19тимп- 1/8 ,5 кГц. Така  частота следовани  импульсов обеспечиваетс  генератором , собранным по схеме мультивибратора на базе дифференциального усилител .

В результате введени  в лазерную локационную систему расщепител  луча лазера, интерференционного светофильтра, второго объектива, второго приемника излучени , второго блока усилени , компаратора, электронного ключа, генератора пр моугольных импульсов, второго лазера записи, оптического затвора, устройства смешени  пучков по вл етс  возможность различени  на формируемом изображении природных и искусственных образований, что увеличивает информативные возможности лазерной локационной системы и повышает точность распознавани  природных и искусственных объектов.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Лазерна  локационна  система, содержаща  оптически сопр женные лазер подсвета и сканирующее устройство, оптически сопр женные первый объектив и первый приемник излучени , оптически сопр женные первый лазер записи, модул тор записи и пленкопрот жный механизм с фотопленкой, оптически сопр женные расщепитель луча и первый отражатель, а также блок усилени , выход которого соединен с вторым входом модул тора записи, а

   0

   вход - с выходом первого приемника излучени , отличающа с  тем. что. с целью повышени  точности распознавани  природных и искусственных объектов за счет использовани  флюоресценции, индуцированной лазерным излучением, введены последовательно установленные и оптически сопр женные интерференционный фильтр; второй объектив и второй приемник излучени , последовательно . установленные и оптически сопр женные второй лазер записи, оптический затвор. второй отражатель и устройство смещени  пучков, последовательно соединенные вто- 5 рой блок усилени , компаратор и электронный ключ, выход которого соединен с вторым входом оптического затвора, а также генератор пр моугольных импульсов, выход которого соединен с вторым входом электронного ключа, при этом выход второго приемника излучени  соединен с входом второго усилител , а расщепитель луча и первый отражатель оптически сопр жены со сканирующим устройством и первым объективом , устройство смещени  пучков оптически сопр жено с модул тором записи и со сканирующим устройством.

   0

   5

   УроЬни Возбужденном состо ни 

   бы

   u«.i

   УлогО

   ФигЬ