RU2093848C1

RU2093848C1 - Laser teleorientation system with extended range of working distances

Info

Publication number: RU2093848C1
Application number: RU95120235A
Authority: RU
Inventors: В.П. Семенков; В.Я. Молчанов; В.С. Тупица; А.Н. Котляревский
Original assignee: Государственное научно-производственное предприятие "Прибор"
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 1997-10-20

Abstract

FIELD: instrumentation engineering, organizing data field of laser teleorientation and navigation system, optical communication system, control, landing, and docking of aerospace vehicle, piloting of ships through narrow passages or bridge spans, remote control of robotized machines in regions dangerous for personnel, etc. SUBSTANCE: laser teleorientation system is double-channel arrangement. Scanning angles of laser rasters are different for each channel. Channel selection is effected electronically and time required for this procedure is maximum 10 mcs. EFFECT: twice as great control distance due to introduction of second channel. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для формирования информационного поля лазерных систем телеориентации и навигации, оптической связи и может использоваться при управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов через узости или створы мостов, дистанционном управлении робототехническими устройствами в опасных для человека зонах и т.д. The invention relates to instrumentation and is intended for the formation of the information field of laser teleorientation and navigation systems, optical communications and can be used in the control, landing and docking of aircraft, guiding ships through narrow or bridge bridges, remote control of robotic devices in areas dangerous to humans, etc. d.

Для формирования информационного поля (ИП) лазерной системы телеориентации (ЛСТ) широко используются устройства, основанные на пространственном кодировании светового поля модулирующим растром (Заявка 1395246, Великобритания, заявл. 17.10.72 г. опубл. 21.05.75 г. кл G 01 S 1/70). Однако такой аппаратуре присущи значительные световые потери на модулирующем растре, а применение телескопической оптической системы с переменным увеличением увеличивает вес и габариты системы. Кроме того, закон изменения программной дальности телескопа рассчитывается под заданный тип управляемого объекта, что ограничивает возможности применения. For the formation of the information field (IP) of a laser television orientation system (LST), devices based on spatial coding of the light field by a modulating raster are widely used (Application 1395246, United Kingdom, application form. 17.10.72 publ. 21.05.75 g. G 01 S 1 / 70). However, such equipment is characterized by significant light losses on a modulating raster, and the use of a telescopic optical system with variable magnification increases the weight and dimensions of the system. In addition, the law of changing the programmed range of the telescope is calculated for a given type of controlled object, which limits the possibility of application.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство формирования ИП ЛСТ (прототип), основанное на поэлементном сканировании лазерного пучка с "иглообразной" диаграммой направленности. (Заявка 2133652, Великобритания. Заявл. 14.11.83 г. N 8330302, опубл. 24.07.84 г. F 41 G 7/00, G 01 S/70), (В.П.Семенков, О.Т.Чижевский. Перспективы создания многоканальных лазерных систем телеориентации управляемых объектов. Научно-технический сборник "Боеприпасы и спецхимия", сер. "Боеприпасы", М. ЦНИИМТИК ПК, 1995, в. 5-6, с. 26-30). В таком устройстве лазерный пучок совершает возвратно-поступательное сканирование вначале по одной координате с дискретным переходом по ортогональной координате после завершения каждого возвратно-поступательного движения лазерного пучка, а затем, после заполнения лазерным излучением прямоугольного растра, направление сканирования меняется на ортогональное. Выделение координат управляемого объекта в ИП ЛСТ основано на измерении временного интервала между двумя принимаемыми лазерными сигналами во время возвратно-поступательного сканирования лазерного пучка. Closest to the claimed technical solution is a device for the formation of IP LST (prototype), based on the element-wise scanning of a laser beam with a "needle-shaped" radiation pattern. (Application 2133652, Great Britain. Application. November 14, 83 N 8330302, published July 24, 84 F 41 G 7/00, G 01 S / 70), (V.P. Semenkov, O.T. Chizhevsky. Prospects for the creation of multichannel laser teleorientation systems for guided objects. Scientific and technical collection "Ammunition and Special Chemistry", ser. "Ammunition", M. TsNIIMTIK PK, 1995, 5-6, pp. 26-30). In such a device, the laser beam performs a reciprocating scan, first at one coordinate with a discrete transition along the orthogonal coordinate after the completion of each reciprocating movement of the laser beam, and then, after filling a rectangular raster with laser radiation, the scanning direction changes to orthogonal. The allocation of the coordinates of the controlled object in the LST IP is based on measuring the time interval between two received laser signals during the reciprocating scanning of the laser beam.

Для регулирования размеров ИП в плоскости управляемого объекта осуществляется выбор угла сканирования таким образом, чтобы произведение угла сканирования на дальность соответствовало размерам ИП. Недостатком такой системы телеориентации являются ограничения по дальности работы. Для обеспечения заданной точности ΔK выделения координат в ИП ЛСТ строка ИП должна содержать N элементов разрешения: N=l/ ΔK где l линейный размер ИП. To regulate the size of the SP in the plane of the controlled object, the scan angle is selected so that the product of the scan angle by the distance corresponds to the size of the SP. The disadvantage of such a teleorientation system is the limited range of operation. To ensure the specified accuracy ΔK of the allocation of coordinates in the LST PI, the PI string should contain N resolution elements: N = l / ΔK where l is the linear size of the PI.

Очевидно, что при условии сохранения заданной точности ЛСТ, наименьшая Lmin и наибольшая Lmax дальности работы системы связаны отношением: Lmax/Lmin= Nd/N, где Nd число элементов разрешения сканирующей системы (дефлектора) ЛСТ. Ограниченное число элементов разрешения дефлектора определяет диапазон рабочих дальностей ЛСТ. Obviously, provided that the specified accuracy of the LFD is maintained, the smallest Lmin and the largest Lmax of the system operating range are related by the relation: Lmax / Lmin = Nd / N, where Nd is the number of resolution elements of the scanning system (deflector) of the LFB. A limited number of deflector resolution elements determines the range of working ranges of the LST.

Целью настоящего изобретения является повышение диапазона рабочих дальностей ЛСТ. The aim of the present invention is to increase the range of working ranges LST.

Поставленная цель достигается тем, что в известную лазерную систему телеориентации, включающую последовательно соединенные лазер и двухкоординатный анизотропный акустооптический дефлектор, а также оптический отражатель, телескоп и блок управления дефлекторами, выходы которого подключены к управляющим входам дефлектора, введены последовательно соединенные с дефлектором управляемый переключатель поляризации и поляризационная призма, а также последовательно соединенные блок формирования сигнала дальностей и блок управления переключателем поляризации, причем оптический отражатель и телескоп последовательно включены со вторым выходом поляризационной призмы, выход блока управления переключателем поляризации соединен с управляющим входом переключателя поляризации, а информационный вход блока переключения сигнала дальности подключен к внешнему источнику сигнала синхронизации. This goal is achieved by the fact that in the well-known laser teleorientation system, which includes a series-connected laser and a two-coordinate anisotropic acousto-optic deflector, as well as an optical reflector, a telescope and a deflector control unit, the outputs of which are connected to the deflector control inputs, a controlled polarization switch is connected in series and connected to the deflector and a polarizing prism, as well as a series-connected signal generating unit of ranges and a control unit switch with a polarization finder, the optical reflector and the telescope being connected in series with the second output of the polarizing prism, the output of the polarization switch control unit is connected to the control input of the polarization switch, and the information input of the range signal switching unit is connected to an external source of the synchronization signal.

На фиг. 1 представлена блок-схема лазерной системы телеориентации. In FIG. 1 is a block diagram of a laser teleorientation system.

Она содержит лазер 1, включающий лазерный излучатель 2 и коллиматор 3, двухкоординатный акустооптический дефлектор (АОД) 4, включающий анизотропные акустооптические ячейки (АОЯ) 5 и 6, управляемый переключатель поляризации (УПП) 7, поляризационную призму 8, оптический отражатель 9, телескоп 10, блок управления дефлекторами (БУД) 11, блок управления переключателем поляризации (БУПП) 12 и блок формирования сигнала дальности (БФСД) 13. It contains a laser 1, including a laser emitter 2 and a collimator 3, a two-coordinate acousto-optic deflector (AOD) 4, including anisotropic acousto-optic cells (AOI) 5 and 6, a controlled polarization switch (SCP) 7, a polarizing prism 8, an optical reflector 9, a telescope 10 , a deflector control unit (BUD) 11, a polarization switch control unit (BUPP) 12, and a range signal generation unit (BFSD) 13.

Лазерный пучок излучателя 2 проходит коллиматор 3, двухкоординатный дефлектор 4, УПП 7 и поляризационную призму 8. Выходы БУД 11 подключены к пьезоэлектрическим преобразователям АОЯ 5 и 6 дефлектора 4. Выход БФСД 13 через БУПП 12 подключен к управляющему входу переключателя поляризации 7. Вход БФСД 13 предназначен для подключения к внешнему источнику сигнала синхронизации. The laser beam of the emitter 2 passes through the collimator 3, the two-coordinate deflector 4, the soft starter 7 and the polarization prism 8. The outputs of the ECU 11 are connected to the piezo-electric transducers AOIA 5 and 6 of the deflector 4. The output of the BFSD 13 through the BUPP 12 is connected to the control input of the polarization switch 7. The input of the BFSD 13 Designed to connect to an external source of the synchronization signal.

БУД 11 формирует перестраиваемые во времени высокочастотные сигналы f_z и f_y, подаваемые на АОЯ 5 и 6 дефлектора 4, под воздействием которых лазерный пучок, проходя дефлектор 4, отклоняется по двум координатам. Для осуществления дифракции в анизотропной среде поляризация

падающего на АОЯ 5 лазерного пучка должна быть перпендикулярна плоскости пьезообразователя АОЯ, т.е. она ориентирована в плоскости чертежа. После прохождения одной АОЯ поляризация дифрагированного лазерного пучка ортогональна поляризации падающего пучка, т.е. поляризация отклоненного в двух плоскостях лазерного пучка на выходе дефлектора 4 совпадает с поляризацией падающего на дефлектор пучка и представлена на чертеже стрелкой

Блок формирования сигнала дальности 13 вырабатывает сигнал U_л, логическое состояние которого зависит от дальности управления. Если объект управления находится на дальностях L₁ L₂, БФСД 13 вырабатывает, например, сигнал U_л= 1. Если объект управления находится на дальностях L₂ 2L₂, то БФСД 13 вырабатывает, например, сигнал U_л=0.The ECU 11 generates time-tunable high-frequency signals f _z and f _y supplied to the

AOI

5 and 6 of the deflector 4, under the influence of which the laser beam, passing through the deflector 4, is deflected in two coordinates. For diffraction in an anisotropic medium, polarization

The laser beam incident on AOI 5 should be perpendicular to the plane of the AOI piezoelectric generator, i.e. it is oriented in the drawing plane. After passing through one AOI, the polarization of the diffracted laser beam is orthogonal to the polarization of the incident beam, i.e. the polarization of the laser beam deflected in two planes at the output of the deflector 4 coincides with the polarization of the beam incident on the deflector and is represented in the drawing by an arrow

The signal generating unit range 13 generates a signal U _l , the logical state of which depends on the control range. If the control object is located at ranges L ₁ L ₂ , the BFSD 13 generates, for example, a signal U _l = 1. If the control object is located at ranges L ₂ 2L ₂ , then the BFSD 13 generates, for example, a signal U _l = 0.

При формировании БФСД 13 сигнала U_л=1 включается БУПП 12 и формируется сигнал U_б управления переключателем поляризации 7. При этом БУПП 12 поворачивает плоскость поляризации лазерного пучка, проходящего через него и сканирующего в двух направлениях, на 90^o и она занимает положение, обозначенное на фиг. 1 точкой (•) При этом лазерный пучок отражается внутренней гранью поляризационной призмы, отражается оптическим отражателем 9 и после прохождения телескопа 10 образует в пространстве растр ИП (фиг. 1, поз. Б). Вид растра определяется законом изменения частот управления f_z и f_y и может, например, иметь траекторию движения лазерного пучка, как и в прототипе, представленную на фиг. 3.When the BFSD 13 of the signal U _l = 1 is formed, the BUPP 12 is turned on and the control signal U _b forms the polarization switch 7. In this case, the BUPP 12 rotates the plane of polarization of the laser beam passing through it and scans in two directions by 90 ^o and it occupies the position indicated in FIG. 1 point (•) In this case, the laser beam is reflected by the inner face of the polarizing prism, reflected by the optical reflector 9, and after passing through the telescope 10 forms an IP raster in space (Fig. 1, pos. B). The type of the raster is determined by the law of variation of the control frequencies f _z and f _y and may, for example, have a trajectory of the laser beam, as in the prototype shown in FIG. 3.

При формировании БФСД 13 сигнала U_л=0 включения БУПП 12 не происходит, сканирующий пучок проходит переключатель поляризации 7 без поворота плоскости поляризации и далее прямо проходит поляризационную призму 8, образуя в пространстве растр (фиг. 1, поз. А), угловые размеры Φ_a которого численно равны углу сканирования Φ_д дефлектора, т.е. Φ_a= Φ_д
Лазерный растр Б, образованный после прохождения лазерным пучком телескопа 10 будет иметь угловые размеры Φ_б= ГΦ_д где Г-кратность телескопа 10. При выборе, например, Г=2 дистанция управления предлагаемой системы телеориентации удваивается, так как на дистанциях L₁ L₂ и L₂ 2L₂ линейные размеры информационного поля будут находится в одинаковом допуске от l₁ до l₂ (фиг. 2).When the BFSD 13 is generated, the signal U _l = 0 does not turn on the BUPP 12, the scanning beam passes the polarization switch 7 without turning the plane of polarization and then directly passes the polarization prism 8, forming a raster in space (Fig. 1, pos. A), angular dimensions Φ _a which are numerically equal to the scan angle Φ _{d of the} deflector, i.e. Φ _a = Φ _d
The laser raster B formed after the laser beam passes through the telescope 10 will have angular dimensions Φ _b = G Φ _d where G is the multiplicity of the telescope 10. If, for example, G = 2 is selected, the control distance of the proposed tele-orientation system doubles, since at distances L ₁ L ₂ and L ₂ 2L _{2 the} linear dimensions of the information field will be in the same tolerance from l ₁ to l ₂ (Fig. 2).

В качестве акустооптического дефлектора предложенного устройства может быть использован, например, дефлектор со светозвукопроводом из оптически активного анизотропного кристалла парателлурита (TeO₂), обеспечивающего сканирование лазерных пучков видимого и ближнего ИК-спектров и имеющего световую апертуру до 10.15 мм.As an acousto-optical deflector of the proposed device, for example, a deflector with a light and sound conductor from an optically active anisotropic paratellurite crystal (TeO ₂ ) can be used, which scans laser beams of the visible and near-IR spectra and has a light aperture of up to 10.15 mm.

В качестве управляемого переключателя поляризации целесообразно использовать акустооптический фильтр с анизотропной дифракцией, рассчитанной на длину волны используемого лазера. Для лазеров видимого и ближнего ИК-спектра в качестве светозвукопровода акустооптического фильтра можно использовать кристалл парателлурит. Акустооптический фильтр из парателлурита обеспечивает переключение поляризации падающего на него лазерного пучка при углах падения ±1,5^o 2^o, что соответствует предельным углам сканирования акустооптического дефлектора.It is advisable to use an acousto-optic filter with anisotropic diffraction calculated for the wavelength of the laser used as a controlled polarization switch. For lasers of the visible and near infrared spectra, a paratellurite crystal can be used as a light and sound duct for an acousto-optical filter. The acousto-optic paratellurite filter provides switching polarization of the incident laser beam at incidence angles of ± 1.5 ^o 2 ^o , which corresponds to the maximum scanning angles of the acousto-optical deflector.

При использовании в качестве УПП 7 акустооптического фильтра, БУПП 12 представляет собой управляемый высокочастотный генератор, формирующий выходной высокочастотный сигнал U_б, например, при наличии сигнала управления (U_л= 1) и отключающийся при отсутствии (U_л=0) сигнала управления. Для лазера с длиной волны 1,06 мкм частота генератора 12, необходимая для управления акустооптического фильтра 7, может составить, например, 25,1 МГц.When using an acousto-optic filter as a soft starter 7, the BUPP 12 is a controlled high-frequency generator that generates an output high-frequency signal U _b , for example, in the presence of a control signal (U _l = 1) and disconnected in the absence (U _l = 0) of a control signal. For a laser with a wavelength of 1.06 μm, the frequency of the oscillator 12 necessary to control the acousto-optical filter 7 can be, for example, 25.1 MHz.

В качестве БФСД 13 может использоваться, например, счетчик временных интервалов, который включается после начала управления объектом сигналом синхронизации U_с от внешнего устройства, например, кнопки. В ряде случаев известна скорость удаления объекта управления, поэтому счетчик временных интервалов формирует сигнал высокого уровня (U_л=1) от начала управления до момента времени T₀, при котором объект управления достигает дальности L₂. До времени T₀ ЛСТ формирует лазерный растр Б с увеличенными размерами. После отсчета времени T₀ счетчик формирует сигнал U_л=0 и ЛСТ формирует лазерный растр А.As BFSD 13 can be used, for example, a counter of time intervals, which is turned on after the start of controlling the object with the synchronization signal U _s from an external device, for example, a button. In some cases, the speed of removal of the control object is known, therefore, the counter of time intervals generates a high-level signal (U _l = 1) from the start of control to the time T ₀ at which the control object reaches a range of L ₂ . Up to the time T _0, LST forms a laser raster B with increased dimensions. After counting the time T _{0, the} counter generates a signal U _l = 0 and LST forms a laser raster A.

Отметим, что если ЛСТ формирует ИП, размеры которого изменяются от l₁ до l₂ на дальностях от L₁ до L₂ и затем на дальностях от L₂ до 2L₂, то БУД 11, формирующий сигналы управления дефлектором 4, имеет структуру прототипа, которая определяется траекторией движения лазерного пучка. Начало работы БУД 11 при этом определяется, например, сигналом синхронизации U_с.Note that if the LST forms an IP, the dimensions of which vary from l ₁ to l ₂ at ranges from L ₁ to L ₂ and then at ranges from L ₂ to 2L ₂ , then the ECU 11, which generates control signals for the deflector 4, has a prototype structure, which is determined by the trajectory of the laser beam. The start of the ECU 11 is determined, for example, by a synchronization signal U _c .

В общем случае, при регулировании ЛСТ размеров ИП в плоскости управляемого объекта, сигнал U_л от БФСД 13 может быть использован для переключения параметров БУД 11 при формировании ИП на дальностях от L₂ до 2L₂.In the General case, when adjusting the LF of the dimensions of the SP in the plane of the managed object, the signal U _l from the BFSD 13 can be used to switch the parameters of the ECU 11 when forming the SP at ranges from L ₂ to 2L ₂ .

Использование новых электронных блоков и связей выгодно отличает предлагаемое устройство формирования информационного поля, так как диапазон рабочих дальностей увеличивается по крайней мере вдвое. The use of new electronic units and communications favorably distinguishes the proposed device for the formation of the information field, since the range of working ranges is increased at least twice.

Claims

1. A laser teleorientation system with an increased range of operating ranges, including a series-connected laser and a two-axis anisotropic acousto-optic deflector, as well as an optical reflector, a telescope and a deflector control unit, the outputs of which are connected to the control inputs of the deflector, characterized in that it is connected in series with a deflector controlled polarization switch and a polarizing prism, as well as a series-connected unit for generating a range signal and the polarization switch control lock, the optical reflector and the telescope being connected in series with the second output of the polarization prism, the output of the polarization switch control unit is connected to the control input of the polarization switch, and the information input of the range signal generation unit is connected to an external source of the synchronization signal.

2. The system according to claim 1, characterized in that the controlled polarization switch is made in the form of an acousto-optical filter.