RU2183841C1 - Method of laser location and laser location device for its implementation - Google Patents
Method of laser location and laser location device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2183841C1 RU2183841C1 RU2001102070A RU2001102070A RU2183841C1 RU 2183841 C1 RU2183841 C1 RU 2183841C1 RU 2001102070 A RU2001102070 A RU 2001102070A RU 2001102070 A RU2001102070 A RU 2001102070A RU 2183841 C1 RU2183841 C1 RU 2183841C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- radiation
- unit
- signal
- acf
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной локации и дальней лазерной связи. Преимущественная область использования изобретения - лазерные локационные системы для обнаружения и распознавания удаленных воздушных и космических малоразмерных объектов с предельно малой эффективной отражающей поверхностью. The invention relates to laser ranging and long-range laser communications. The preferred field of use of the invention is laser location systems for detecting and recognizing remote air and space small objects with an extremely small effective reflective surface.
Для обнаружения малоразмерных удаленных объектов средствами радио и лазерной локации важнейшей проблемой является задача повышения эффективности и дальности действия локационных систем. Данная проблема решается путем повышения чувствительности приемного устройства и увеличения энергии в излучаемом передатчиком зондирующем сигнале. Возможности повышения чувствительности приемного устройства ограничены квантовым пределом, обусловленным квантовой природой электромагнитного излучения. Повышение энергии зондирующего излучения, формируемого передатчиком, приводит при использовании импульсных сигналов с короткой длительностью к увеличению мощности передатчика, которая также имеет физический предел, обусловленный лучевой прочностью направляющих оптических и антенно-фидерных систем, возможностью пробоя и самофокусировки излучения высокой мощности. To detect small-sized distant objects by means of radio and laser location, the most important problem is the task of increasing the efficiency and range of location systems. This problem is solved by increasing the sensitivity of the receiving device and increasing the energy in the probe signal emitted by the transmitter. The possibilities of increasing the sensitivity of the receiving device are limited by a quantum limit due to the quantum nature of electromagnetic radiation. An increase in the energy of the probe radiation generated by the transmitter, when using pulsed signals with a short duration, leads to an increase in the transmitter power, which also has a physical limit due to the radiation resistance of the optical and antenna feeder systems, the possibility of breakdown and self-focusing of high-power radiation.
Известен способ повышения эффективности радиолокационной системы [1-6], основанный на использовании излучаемого зондирующего сигнала с большой длительностью Т и ограниченной мощностью Рс. При этом энергия зондирующего сигнала Ес пропорциональна его длительности Т: Ес = Рс•Т (Рс = const).There is a method of increasing the efficiency of a radar system [1-6], based on the use of a radiated probe signal with a long duration T and limited power P s . The energy of the probe signal E c is proportional to its duration T: E c = P s • T (P c = const).
В приемном устройстве (ПУ) осуществляют оптимальную обработку отраженного от объекта зондирующего электромагнитного сигнала [7], энергия которого на входе ПУ равна где χ - коэффициент ослабления излучения зондирующего сигнала, определяемый дальностью до объекта и характеристиками его отражающей поверхности.In the receiving device (PU), optimal processing of the sounding electromagnetic signal reflected from the object [7] is carried out, the energy of which at the input of the PU is where χ is the attenuation coefficient of the radiation of the probe signal, determined by the distance to the object and the characteristics of its reflective surface.
При использовании оптимальной обработки принимаемого сигнала [7] величина D отношения сигнал/шум на выходе приемного устройства равна D=Eсвх/Go, где Go - спектральная плотность мощности шума на входе ПУ.When using the optimal processing of the received signal [7], the value D of the signal-to-noise ratio at the output of the receiving device is equal to D = E cw / G o , where G o is the spectral density of the noise power at the input of the control unit.
Величина D характеризует эффективность РЛС и помехоустойчивость ПУ по отношению к действующим на входе ПУ аддитивным помехам и собственным шумам ПУ. Для аддитивных помех типа "белого шума" с мощностью помехи Рпом=Gо•F, равномерно распределенной в полосе частот F спектра принимаемого сигнала, спектральная плотность помехи равна Gо= Pпом/F. Средняя мощность сигнала Рс вх=Есвх/Т, а величина D равна:
D=Eсвх/Go=Рсвх•F•Т/Рпом=Рсвх•В/Рпом (1)
В соотношении (1) величина Рсвх характеризует чувствительность ПУ, равную величине мощности минимально-обнаружимого сигнала на входе ПУ; величина FТ = В - база зондирующего сигнала, характеризуемая произведением длительности сигнала на ширину его спектра F. Для достоверного обнаружения сигнала достаточно реализовать на выходе ПУ отношение сигнал/шум, равное D=Do>2. Тогда уровень минимально-обнаружимого сигнала из (1) равен
Рсвх=Рпом•Dо/В=Рпом•2/FT (2)
С учетом из (2) можно получить допустимую величину ослабления χ зондирующего сигнала при условии его достоверного обнаружения для данных параметров локационной системы (ЛС)
Реализуемая величина возможного ослабления излучения зондирующего сигнала χ определяет предельную дальность действия РЛС и характеризует эффективность РЛС.The value of D characterizes the radar efficiency and noise immunity of the controllers with respect to the additive interference acting on the input of the control panel and the own noise of the control panel. For additive noise such as "white noise" with an interference power P p = G o • F uniformly distributed in the frequency band F of the spectrum of the received signal, the spectral density of the interference is G o = P p / F. The average power of the signal P with Bx = E svh / T, and the value of D is equal to:
D = E svh / G o = P svh • F • T / P pom = P svh • B / P pom (1)
In relation (1), the value of P cx characterizes the sensitivity of the control unit, equal to the power of the minimum detectable signal at the input of the control unit; the value FT = B is the base of the probe signal, characterized by the product of the signal duration by the width of its spectrum F. For reliable signal detection, it is sufficient to realize the signal-to-noise ratio equal to D = D o > 2 at the output of the signal source. Then the level of the minimum detectable signal from (1) is equal to
P svh = P p • D o / B = P p • 2 / FT (2)
Taking into account from (2) it is possible to obtain a valid attenuation value χ of the probe signal provided that it is reliably detected for these parameters of the location system (LS)
The realized value of the possible attenuation of the radiation of the probe signal χ determines the ultimate range of the radar and characterizes the effectiveness of the radar.
Таким образом, в известном способе повышение эффективности локационной системы χ (3) реализуется путем увеличения базы В=FТ сложных зондирующих сигналов и осуществлением специальной оптимальной обработки принимаемого сигнала, отраженного от объекта [7]. Сущность оптимальной обработки в классическом варианте [1-7] заключается в использовании согласованной фильтрации входного сигнала или в корреляционной обработке входного сигнала. В первом случае используется согласованная фильтрация входного сигнала Есвх, при которой сигнал, отраженный от объекта, пропускают через согласованный фильтр, параметры которого согласованы с параметрами и формой излучаемого передатчиком зондирующего сигнала.Thus, in the known method, increasing the efficiency of the location system χ (3) is realized by increasing the base B = FT of complex probing signals and performing special optimal processing of the received signal reflected from the object [7]. The essence of the optimal processing in the classical version [1-7] consists in using the matched filtering of the input signal or in the correlation processing of the input signal. In the first case, a matched filtering of the input signal E CBX is used , in which the signal reflected from the object is passed through a matched filter, the parameters of which are consistent with the parameters and the shape of the probe signal emitted by the transmitter.
Во втором случае оптимальная обработка реализуется путем формирования взаимокорреляционной функции между точной копией зондирующего сигнала и принимаемым сигналом. В результате оптимальной обработки реализуют максимальное отношение D сигнал/шум на выходе ПУ, что и позволяет повысить эффективность локационной системы. Оба варианта реализации оптимальной обработки являются математически эквивалентными и отличаются одной особенностью: для реализации оптимальной обработки локационных сигналов необходимо знание точной копии параметров и формы излучаемого зондирующего сигнала с базой В=FT и сохранение параметров и формы этого сигнала на входе приемного устройства после отражения зондирующего излучения от объекта и распространения по трассе до объекта и обратно. Наличие такого условия для реализации оптимальной обработки локационных сигналов с большой базой В=FT является недостатком известного способа приема локационных сигналов. Данный недостаток обусловлен тем, что при значительном ослаблении зондирующего сигнала по трассе распространения и, соответственно, при малых уровнях принимаемого сигнала на входе ПУ изначальная форма зондирующего сигнала искажается, а параметры в общем случае изменяются. При этом величина отношения сигнал/шум D (1) на выходе ПУ уменьшается и стремится к нулю, что приводит к невозможности обнаружения объектов на большой дальности и к снижению эффективности локационной системы. Это особенно характерно для лазерной локации, в которой вследствие квантовой структуры светового поля происходит значительное искажение исходной формы зондирующего сигнала (например, длинного импульса), при котором на вход ПУ поступают отдельные группы фотонов или единичные фотоны, а исходная форма (структура) зондирующего сигнала полностью или частично теряется. Поэтому прямое использование классического способа оптимальной обработки локационных сигналов с использованием взаимокорреляционной обработки или согласованной фильтрации в лазерной локации и в оптическом и ИК-диапазонах длин волн является малоэффективным или вовсе невозможным. In the second case, optimal processing is realized by forming a cross-correlation function between an exact copy of the probe signal and the received signal. As a result of optimal processing, the maximum signal-to-noise ratio D is realized at the output of the control panel, which improves the efficiency of the location system. Both options for the implementation of optimal processing are mathematically equivalent and differ in one feature: for the implementation of optimal processing of location signals, it is necessary to know an exact copy of the parameters and shape of the emitted sounding signal with the base B = FT and to save the parameters and shape of this signal at the input of the receiving device after reflecting the probe radiation from object and spread along the highway to the object and back. The presence of such a condition for implementing optimal processing of location signals with a large base of B = FT is a disadvantage of the known method for receiving location signals. This disadvantage is due to the fact that with a significant attenuation of the probe signal along the propagation path and, accordingly, at low levels of the received signal at the input of the transmitter, the initial shape of the probe signal is distorted, and the parameters generally change. In this case, the signal-to-noise ratio D (1) at the control unit output decreases and tends to zero, which leads to the impossibility of detecting objects at long range and to a decrease in the efficiency of the location system. This is especially characteristic of a laser location, in which, due to the quantum structure of the light field, a significant distortion of the initial shape of the probe signal (for example, a long pulse) occurs, in which separate groups of photons or single photons arrive at the input of the PU, and the original shape (structure) of the probe signal is completely or partially lost. Therefore, the direct use of the classical method of optimal processing of location signals using cross-correlation processing or matched filtering in the laser location and in the optical and infrared wavelength ranges is ineffective or completely impossible.
Известный способ [6] повышения эффективности и разрешающей способности радиолокационных систем основан на использовании частотно-модулированного импульсного зондирующего сигнала и отличается тем, что прием отраженного импульса в приемном устройстве осуществляют с помощью согласованного с параметрами зондирующего сигнала укорачивающего (согласованного) оптимального фильтра, выполненного в виде линии задержки с линейной зависимостью времени задержки от частоты. К недостаткам данного способа следует отнести уменьшение чувствительности приемного устройства и снижение эффективности и дальности действия локационной системы при уменьшении интенсивности принимаемого сигнала до квантового уровня, при котором на входе приемного устройства искажается или полностью теряется форма исходного зондирующего импульсного сигнала. При этом при малых уровнях входного сигнала, отраженного от объекта, эффективность согласованной оптимальной фильтрации с помощью укорачивающего согласованного фильтра резко уменьшается и не обеспечивает возможности работы локационной системы на большой дальности и по малоразмерным объектам. The known method [6] of increasing the efficiency and resolution of radar systems is based on the use of a frequency-modulated pulse sounding signal and differs in that the reflected pulse is received in the receiving device using a shortening (matched) optimal filter, matched to the sounding parameters, made in the form delay lines with a linear dependence of the delay time on the frequency. The disadvantages of this method include a decrease in the sensitivity of the receiving device and a decrease in the efficiency and range of the location system while reducing the intensity of the received signal to a quantum level at which the shape of the original probe pulse signal is distorted or completely lost at the input of the receiving device. At the same time, at low levels of the input signal reflected from the object, the efficiency of the matched optimal filtering with the help of a shortening matched filter sharply decreases and does not provide the ability to operate the location system at a long range and for small objects.
Известен способ оптимальной обработки лазерных локационных сигналов [8], основанный на облучении объекта зондирующим импульсным сигналом с длительностью τи, разделении интервала наблюдения Т, равном длительности сигнала τи, на ряд подинтервалов, подсчете одноэлектронных импульсов сигнала и шума на каждом подинтервале τi на входе энергетического фотоприемника (фотодетектора), результаты подсчета умножают на весовые коэффициенты, определяемые ожидаемыми величинами средних чисел сигнальных nс и шумовых nш фотоэлектронов на подинтервале τi, полученные отсчеты суммируют, а сумму сравнивают с пороговой величиной и по превышении суммы порогового значения выносят решение о наличии объекта в соответствующей ячейке дальности. К недостаткам данного способа следует отнести невысокую чувствительность и низкую эффективность работы локационной системы при малых уровнях принимаемого сигнала на входе приемного устройства, приближающихся к уровню нескольких квантов, что обусловлено невозможностью точного знания величины весовых коэффициентов для оптимального счета сигнальных и шумовых фотоэлектронов. Данные весовые коэффициенты являются неизвестными величинами так же, как неизвестной является и форма сигнала на входе приемного устройства, которая определяется распределением чисел сигнальных фотонов nс в пределах огибающей импульсного зондирующего сигнала, отраженного от объекта и поступающего на вход приемного устройства. Искажения и потеря информации о форме принимаемого сигнала на входе приемного устройства обусловлены квантовой структурой оптического сигнала. Этим обусловлена невысокая эффективность оптимальной обработки лазерных локационных сигналов на основе информации о форме импульсного сигнала на входе приемного устройства и связанного с этой формой распределения весовых коэффициентов. Следует отметить, что чувствительность данного способа обработки локационных сигналов ограничена чувствительностью используемых фотоприемников и не позволяет реализовать квантовый предел чувствительности, т.е. регистрировать однофотонные сигналы.A known method for the optimal processing of laser location signals [8], based on the irradiation of an object by a probe pulse signal with a duration τ and dividing the observation interval T equal to the signal duration τ and , into a number of sub-intervals, counting one-electron signal pulses and noise on each sub-interval τ i by the energy input of the photodetector (photodetector) of count is multiplied by the weighting coefficients determined by the expected values of averages of signal and noise n with n w photoelectrons podinterv If τ i , the obtained samples are summarized, and the sum is compared with a threshold value and, when the sum of the threshold value is exceeded, a decision is made on the presence of an object in the corresponding range cell. The disadvantages of this method include the low sensitivity and low efficiency of the location system at low levels of the received signal at the input of the receiving device, approaching the level of several quanta, due to the impossibility of accurate knowledge of the weight coefficients for the optimal count of signal and noise photoelectrons. These weighting coefficients are unknown values in the same way as the signal shape at the input of the receiving device is unknown, which is determined by the distribution of the numbers of signal photons n with within the envelope of the pulse sounding signal reflected from the object and fed to the input of the receiving device. The distortion and loss of information about the shape of the received signal at the input of the receiving device is due to the quantum structure of the optical signal. This is due to the low efficiency of the optimal processing of laser location signals based on information about the shape of the pulse signal at the input of the receiving device and the distribution of weight coefficients associated with this form. It should be noted that the sensitivity of this method for processing location signals is limited by the sensitivity of the photodetectors used and does not allow the quantum limit of sensitivity to be realized, i.e. register single-photon signals.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ лазерной локации [9], выбранный в качестве прототипа. Данный способ заключается в формировании лазерного излучения, подсвете им объекта, приеме отраженного от объекта излучения, спектральной селекции и усиления его на рабочей длине волны λраб с помощью спектрального селектора - активного квантового фильтра (АКФ), определении пространственного угла приема оптического излучения, отраженного от объекта, и излучения на выходе АКФ, разделении потока излучения на парциальные потоки, установлении величины пространственного парциального угла приема каждого из парциальных потоков излучения, равной дифракционному углу приема сигналов на выходе АКФ, направлении каждого из парциальных потоков излучения на соответствующий парциальный фоточувствительный элемент многоэлементного матричного фотоприемника, измерении среднего уровня флуктуации спонтанного излучения в одном из пространственных парциальных углов приема на выходе АКФ, установлении режима работы АКФ, при котором средний уровень флуктуации спонтанного излучения на входе АКФ минимален, принятии решения о наличии объекта на основе сравнения уровней оптических сигналов на выходе АКФ с пороговым уровнем.The closest in technical essence to the proposed technical solution is the method of laser location [9], selected as a prototype. This method consists in generating laser radiation, illuminating the object with it, receiving radiation reflected from the object, spectral selection and amplifying it at the working wavelength λ slave using a spectral selector — an active quantum filter (ACF), determining the spatial angle of reception of optical radiation reflected from object, and radiation at the output of the ACF, dividing the radiation flux into partial fluxes, setting the spatial partial angle of reception of each of the partial fluxes of radiation, equal the diffraction angle of receiving signals at the output of the ACF, the direction of each of the partial radiation fluxes to the corresponding partial photosensitive element of the multi-element matrix photodetector, measuring the average level of fluctuation of spontaneous radiation in one of the spatial partial angles of reception at the output of the ACF, setting the operating mode of the ACF at which the average level fluctuations of spontaneous radiation at the input of the ACF is minimal, deciding on the presence of an object based on a comparison of the levels of optical signals at the output of the ACF with a threshold level.
Данный способ лазерной локации, выбранный в качестве прототипа, позволяет реализовать предельную квантовую чувствительность приема сигналов, отраженных от объекта, но только для лазерных импульсов с короткой длительностью τимп, соответствующих полосе fo усиления сигналов в квантовом усилителе - активном квантовом фильтре (АКФ)
Как показано в [9], при использовании импульсных оптических сигналов с большой длительностью τимп≫ τк чувствительность ПУ уменьшается в несколько раз по сравнению с предельной квантовой чувствительностью, реализуемой при использовании импульсных сигналов с короткой длительностью. Это является недостатком данного способа, так как не позволяет повысить эффективность лазерной локационной системы единственно возможным оставшимся путем, а именно путем увеличения длительности зондирующего импульсного лазерного излучения и повышения общей энергии в лазерном импульсе, формируемом лазерным передатчиком при одновременной реализации предельной, технически возможной средней импульсной мощности лазерного передатчика.This laser location method, selected as a prototype, allows you to realize the ultimate quantum sensitivity of receiving signals reflected from the object, but only for laser pulses with a short duration τ imp corresponding to the signal amplification band f o in a quantum amplifier - active quantum filter (ACF)
As shown in [9], when using pulsed optical signals with a long duration τ imp ≫ τ to the sensitivity of the emitter decreases several times in comparison with the limiting quantum sensitivity realized when using pulsed signals with a short duration. This is a disadvantage of this method, since it does not allow to increase the efficiency of the laser location system by the only possible remaining way, namely by increasing the duration of the probe pulsed laser radiation and increasing the total energy in the laser pulse generated by the laser transmitter while simultaneously implementing the maximum technically possible average pulsed power laser transmitter.
Указанный недостаток обусловлен тем, что в известном способе [9] осуществляют прямое интегрирование сигнала с выхода фотоприемника в пределах промежутка времени, соответствующего длительности зондирующего оптического импульсного сигнала. В этом случае при малой длительности сигнала реализуется предельная квантовая чувствительность, а при увеличении длительности сигнала происходит накопление собственных спонтанных шумов квантового усилителя, что и приводит к снижению чувствительности по сравнению с приемом короткого импульса. This drawback is due to the fact that in the known method [9], direct integration of the signal from the output of the photodetector is carried out within the time interval corresponding to the duration of the probe optical pulse signal. In this case, with a short signal duration, the ultimate quantum sensitivity is realized, and with an increase in the signal duration, the spontaneous noise of the quantum amplifier accumulates, which leads to a decrease in sensitivity compared to the reception of a short pulse.
В качестве прототипа для устройства, реализующего предлагаемый способ, выбрано устройство, реализующее способ-прототип [9]. As a prototype for a device that implements the proposed method, the selected device that implements the prototype method [9].
Предлагаемый способ позволяет преодолеть недостатки известного способа лазерной локации [9] и реализовать прием лазерных импульсов большой длительности на уровне предельной квантовой чувствительности. The proposed method allows to overcome the disadvantages of the known method of laser location [9] and to realize the reception of laser pulses of long duration at the level of ultimate quantum sensitivity.
Достигаемым техническим результатом является увеличение эффективности и дальности действия лазерной локационной системы, реализация предельно высокой квантовой чувствительности приема лазерных импульсных сигналов с большой длительностью и высокой энергетической эффективностью. Achievable technical result is an increase in the efficiency and range of the laser location system, the implementation of extremely high quantum sensitivity of the reception of laser pulse signals with a long duration and high energy efficiency.
Указанный новый технический результат достигается следующим. The specified new technical result is achieved as follows.
1. В известном способе, заключающемся в формировании лазерного излучения, подсвете им объекта, приеме отраженного от объекта излучения, спектральной селекции и усилении его на рабочей длине волны λраб с помощью спектрального селектора - активного квантового фильтра (АКФ), разделении потока излучения на парциальные потоки, установлении величины пространственного парциального угла приема каждого из парциальных потоков излучения, равной дифракционному углу приема сигналов на выходе АКФ, направлении каждого из парциальных потоков с выхода АКФ на соответствующий парциальный фоточувствительный элемент многоэлементного фотоприемника (МФП) и принятии решения о наличии объекта на основе сравнения оптических сигналов на выходе АКФ с пороговым уровнем, одновременно с формированием лазерного излучения осуществляют его модуляцию по времени, формируют на основе промодулированного лазерного излучения оптический сигнал-аналог принимаемого излучения, определяют его длительность Та, преобразуют его в электрический сигнал-аналог принимаемого излучения и запоминают этот сигнал-аналог посредством блока памяти, осуществляют измерение статистического параметра оптического излучения на рабочей длине волны λраб в каждом парциальном пространственном угле приема на выходе АКФ посредством анализа сигналов на выходе МФП, определяют среднюю величину статистического параметра по всем пространственным парциальным углам приема на выходе АКФ, после этого во время приема излучения, отраженного от объекта, в каждом из парциальных углов приема на выходе АКФ определяют величину отклонения статистического параметра от средней величины данного статистического параметра и формируют функцию отклонения F(t) во времени, равную разности текущих значений статистического параметра и средней величины статистического параметра, осуществляют текущее суммирование во времени значений функции отклонения F(t) на интервале времени Тc, равном длительности Та оптического сигнала-аналога принимаемого излучения, осуществляют сравнение полученной суммы Z1 на интервале времени Тс с первым заданным пороговым уровнем Р1, одновременно формируют функцию взаимной корреляции K(t) между запомненным электрическим сигналом-аналогом принимаемого излучения и сформированной функцией отклонения F(t) на интервале времени Тc, равном длительности Та оптического сигнала-аналога принимаемого излучения, осуществляют сравнение величины функции взаимной корреляции K(t) со вторым заданным пороговым уровнем Р2, принимают решение о наличии объекта или при превышении суммой Z1 первого заданного порогового уровня P1, или превышении величиной функции взаимной корреляции K(t) второго заданного порогового уровня Р2, или одновременном выполнении обоих этих условий в одном или одновременно в нескольких парциальных пространственных углах приема на выходе АКФ.1. In the known method, which consists in the formation of laser radiation, illuminating the object, receiving radiation reflected from the object, spectral selection and amplifying it at the working wavelength λ slave using a spectral selector - an active quantum filter (ACF), dividing the radiation flux into partial streams, setting the spatial partial angle of reception of each of the partial radiation fluxes equal to the diffraction angle of receiving signals at the output of the ACF, the direction of each of the partial flows with the output ACF for the corresponding partial photosensitive element of a multi-element photodetector (MFP) and deciding on the presence of an object based on comparing the optical signals at the output of the ACF with a threshold level, simultaneously modulating the laser radiation, it is time-modulated, and an optical analog signal is generated based on the modulated laser radiation of the received radiation, determine its duration T a , convert it into an electrical signal analogous to the received radiation and remember this signal -analogue through a memory unit, measure the statistical parameter of optical radiation at a working wavelength λ slave in each partial spatial reception angle at the output of the ACF by analyzing the signals at the output of the MFP, determine the average value of the statistical parameter for all spatial partial reception angles at the output of the ACF, after this, during the reception of radiation reflected from the object, in each of the partial reception angles at the output of the ACF, the deviation of the statistical parameter from cf day value of this statistical parameter and generating deviation F function (t) in time equal to the difference of the current values of the statistical parameter and the mean value of the statistical parameter is performed the current time summation of values of the deviation F (t) over the time interval T c, equal to the duration T and optical signal-analogue of the received radiation, compare the received amount Z 1 on the time interval T with the first specified threshold level P 1 , at the same time form a cross-correlation function K (t) between the stored electric signal-analogue of the received radiation and the generated deflection function F (t) on the time interval T c equal to the duration T a of the optical signal-analogue of the received radiation, the magnitude of the cross-correlation function K (t) is compared with the second given threshold level P 2, taking a decision on the presence of an object or when Z 1 exceeds the sum of the first predetermined threshold level P 1 or exceeded, K (t) value of cross-correlation functions of the second predetermined threshold level P 2, or concurrently nnom fulfilling both of these conditions in one or in several partial spatial angles reception output ACF.
2. Модуляцию по времени сформированного лазерного излучения осуществляют путем изменения во времени величины поглощения оптического излучения внутри резонатора источника лазерного излучения на рабочей длине волны λраб, причем закон изменения во времени величины поглощения устанавливают в соответствии с изменением во времени сигнала модулирующего генератора.2. The time-based modulation of the generated laser radiation is carried out by changing the absorption time of the optical radiation inside the resonator of the laser source at a working wavelength λ slave over time, the law of the time-varying absorption value being set in accordance with the time-varying signal of the modulating generator.
3. Формирование оптического сигнала-аналога принимаемого излучения осуществляют путем ответвления части сформированного и промодулированного лазерного излучения, ответвленную часть излучения подвергают преобразованию по Фурье и ослабляют его в χ раз, причем коэффициент ослабления χ выбирают в соответствии с формулой
где L - предполагаемая дальность до объекта;
Q - расходимость лазерного излучения, сформированного источником лазерного излучения для подсвета объекта;
- площадь входного зрачка (апертуры) приемного телескопа, DТ - диаметр приемного телескопа;
Soб - предполагаемая эффективная площадь отражающей поверхности объекта;
εоб - предполагаемый коэффициент отражения излучения поверхностью объекта;
ε2 - коэффициент пропускания излучения в атмосфере на рабочей длине волны λраб, равный ε2 = exp[-αп•La], где αп - спектральный коэффициент поглощения излучения атмосферой для рабочей длины волны λраб, La - длина предполагаемого пути распространения излучения в атмосфере до объекта и в обратном направлении от объекта;
ε3 - коэффициент пропускания излучения в атмосфере, обусловленный рассеиванием на неоднородностях атмосферы на рабочей длине волны λраб, равный ε3 = exp[-αp.м•La], где αp.м - коэффициент молекулярного рассеивания излучения в атмосфере на рабочей длине волны λраб.3. The formation of the optical signal analogue of the received radiation is carried out by branching part of the generated and modulated laser radiation, the branch part of the radiation is Fourier transform and attenuate it χ times, and the attenuation coefficient χ is chosen in accordance with the formula
where L is the estimated range to the object;
Q is the divergence of the laser radiation generated by the laser source to illuminate the object;
- area of the entrance pupil (aperture) of the receiving telescope, D Т - diameter of the receiving telescope;
S about - the estimated effective area of the reflecting surface of the object;
ε about - the estimated coefficient of reflection of radiation by the surface of the object;
ε 2 is the transmittance of radiation in the atmosphere at a working wavelength λ slave equal to ε 2 = exp [-α p • L a ], where α p is the spectral absorption coefficient of radiation by the atmosphere for a working wavelength λ slave , L a is the length of the assumed radiation propagation paths in the atmosphere to the object and in the opposite direction from the object;
ε 3 is the transmittance of radiation in the atmosphere, due to scattering by inhomogeneities of the atmosphere at a working wavelength λ slave , equal to ε 3 = exp [-α p.m • L a ], where α p.m is the coefficient of molecular scattering of radiation in the atmosphere by working wavelength λ slave
4. В качестве статистического параметра оптического излучения используют число случайных выбросов амплитуды оптического излучения в единицу времени над произвольно выбранным фиксированным уровнем. 4. As a statistical parameter of optical radiation, the number of random emissions of the amplitude of the optical radiation per unit time over an arbitrarily chosen fixed level is used.
5. В качестве статистического параметра оптического излучения используют суммарную длительность случайных выбросов амплитуды оптического излучения в единицу времени над произвольно выбранным фиксированным уровнем. 5. As a statistical parameter of optical radiation, the total duration of random emissions of the amplitude of optical radiation per unit time over an arbitrarily chosen fixed level is used.
6. В качестве единицы времени при измерении статистического параметра оптического излучения используют промежуток времени, равный или кратный постоянной времени активного квантового фильтра АКФ tп, обратно пропорциональной величине fo полосы квантового усиления АКФ: tп=1/fo.6. As a unit of time for measuring the statistical parameter of optical radiation, a period of time equal to or a multiple of the time constant of the active quantum filter ACF t p inversely proportional to the value f o of the quantum gain band ACF is used: t p = 1 / f o .
7. Для формирования величин первого и второго заданных пороговых уровней P1 и Р2 направляют сформированный оптический сигнал-аналог принимаемого излучения на оптический вход АКФ, подвергают его спектральной селекции и усилению на рабочей длине волны λраб в АКФ, в каждом из парциальных пространственных углов приема на выходе АКФ определяют статистический параметр оптического излучения на рабочей длине волны λраб, определяют среднюю величину статистического параметра оптического излучения для всех парциальных пространственных углов приема на выходе АКФ, в одном из парциальных углов приема, соответствующем угловому направлению направленного на оптический вход АКФ оптического сигнала-аналога принимаемого излучения, определяют текущую величину отклонения во времени статистического параметра оптического излучения от средней величины данного статистического параметра как функцию времени и формируют функцию отклонения F2(t), равную разности текущих значений S(t) статистического параметра и его средней величины Sо (F2(t) = S(t)-Sо), осуществляют текущее суммирование во времени значений функции отклонения F2(t) на интервале времени Тс, равном длительности сформированного сигнала-аналога принимаемого излучения, полученную сумму Z2 принимают за величину первого заданного порогового уровня Р1= Z2, одновременно с этим формируют функцию взаимной корреляции К2 (t) между запомненным электрическим сигналом-аналогом принимаемого излучения и сформированной функцией отклонения F2 (t) на интервале времени Δt, равном длительности Тс сигнала-аналога принимаемого излучения Δt = Tc, определяют максимальное значение величины функции взаимной корреляции К2(t) M2 = max {K2(t)} и полученную величину М2 принимают за второй заданный пороговый уровень Р2 = М2.7. To form the values of the first and second predetermined threshold levels P 1 and P 2 , the generated optical signal analog of the received radiation is directed to the optical input of the ACF, subjected to spectral selection and amplification at the working wavelength λ of the slave in the ACF, in each of the partial spatial angles receiving output ACF determine the statistical parameter of optical radiation at a working wavelength λ slave , determine the average statistical parameter of optical radiation for all partial spatial angles receiving at the output of the ACF, in one of the partial reception angles corresponding to the angular direction of the optical signal analogue of the received radiation directed to the optical input of the ACF, determine the current time deviation of the statistical parameter of optical radiation from the average value of this statistical parameter as a function of time and form the deviation function F 2 (t), equal to the difference between the current values S (t) of the statistical parameter and its average value S о (F 2 (t) = S (t) -S о ), the current summation is performed in time changing the values of the deviation function F 2 (t) over a time interval T s equal to the duration of the generated signal-analog of the received radiation, the resulting sum Z 2 is taken as the value of the first predetermined threshold level P 1 = Z 2 , at the same time, a cross-correlation function K 2 is formed (t) between the stored electric-analog signal of the received radiation and the generated deflection function F 2 (t) in the time interval Δt, equal to the duration T c analogue signal received radiation Δt = T c, the maximum value were determined ins cross-correlation function R 2 (t) M 2 = max {K 2 (t)} and the resulting value M 2 is taken as the second predetermined threshold level P 2 = M 2.
8. В известное устройство, содержащее установленные на первой оптической оси источник лазерного излучения на рабочей длине волны λраб с блоком накачки, поворотное зеркало с приводом зеркала и блоком управления приводом зеркала, установленные на второй оптической оси приемный телескоп, входом связанный с поворотным зеркалом, первое отражательное зеркало с блоком перемещения, активный квантовый фильтр (АКФ) с блоком накачки и наполнения рабочим веществом, вогнутое зеркало, второе отражательное зеркало, поляризационный фильтр, интерференционный фильтр, многоэлементный фотоприемник (МФП) и блок обработки информации, выходы которого соединены с блоком накачки источника лазерного излучения, блоком накачки и наполнения рабочим веществом активного квантового фильтра, блоком управления приводом поворотного зеркала и блоком перемещения первого отражательного зеркала, введены блок формирования сигнала-аналога принимаемого излучения, блок определения статистических параметров, блок корреляционного анализа, блок суммирования, первый и второй пороговые блоки, первый и второй блоки измерения порогового уровня, блок измерения длительности, блок памяти, модулирующий генератор, при этом оптический вход блока формирования сигнала-аналога принимаемого излучения оптически связан с оптическим выходом источника лазерного излучения посредством первого полупрозрачного зеркала, оптический выход блока формирования сигнала-аналога принимаемого излучения связан с оптическим входом активного квантового фильтра посредством первого отражательного зеркала, а электрический выход блока формирования сигнала-аналога принимаемого излучения подключен ко входам блока памяти и блока определения длительности, выходы которых соответственно соединены со входами блока корреляционного анализа и блока обработки информации, управляющий вход блока формирования сигнала-аналога принимаемого излучения подсоединен к выходу блока обработки информации, выходы многоэлементного фотоприемника соединены со входами блока определения статистических параметров, управляющий вход которого подключен к выходу блока обработки информации, а выходы к блоку суммирования и к блоку корреляционного анализа, управляющий вход блока суммирования подключен к выходу блока обработки информации, а выход подключен к первому пороговому блоку и первому блоку измерения порогового уровня, выход которого подключен к первому пороговому блоку, а управляющий вход подсоединен к выходу блока обработки информации, управляющий вход блока корреляционного анализа подключен к выходу блока обработки информации, а выход подключен ко второму пороговому блоку и второму блоку измерения порогового уровня, выход которого подключен ко второму пороговому блоку, а управляющий вход подключен к выходу блока обработки информации, выходы первого и второго пороговых блоков подключены ко входам блока обработки информации, выход модулирующего генератора подключен к источнику лазерного излучения.8. In a known device containing a laser source installed on the first optical axis at a working wavelength λ slave with a pump unit, a rotary mirror with a mirror drive and a mirror drive control unit, a receiving telescope mounted on the second optical axis, connected to the rotary mirror by an input, the first reflective mirror with a displacement unit, an active quantum filter (ACF) with a pumping and filling unit with a working substance, a concave mirror, a second reflective mirror, a polarizing filter, interference a signal filter, a multi-element photodetector (MFP) and an information processing unit, the outputs of which are connected to a pump unit for a laser source, a pump unit and an active quantum filter filled with a working substance, a control unit for a rotary mirror drive, and a unit for moving the first reflective mirror, a signal conditioning unit received radiation analogue, statistical parameter determination unit, correlation analysis unit, summing unit, first and second threshold blocks, first and second threshold level measuring units, a duration measuring unit, a memory unit, a modulating generator, wherein the optical input of the received radiation analog signal generating unit is optically coupled to the optical output of the laser radiation source through the first translucent mirror, the optical output of the received radiation analog signal generating unit is connected to optical input of the active quantum filter through the first reflective mirror, and the electrical output of the signal conditioning unit analogue pr of the received radiation is connected to the inputs of the memory unit and the duration determination unit, the outputs of which are respectively connected to the inputs of the correlation analysis unit and the information processing unit, the control input of the received-analog signal-generating unit is connected to the output of the information processing unit, the outputs of the multi-element photodetector are connected to the inputs of the determination unit statistical parameters, the control input of which is connected to the output of the information processing unit, and the outputs to the summing unit and to b correlation analysis, the control input of the summing unit is connected to the output of the information processing unit, and the output is connected to the first threshold unit and the first threshold level measurement unit, the output of which is connected to the first threshold unit, and the control input is connected to the output of the information processing unit, control input of the unit correlation analysis is connected to the output of the information processing unit, and the output is connected to the second threshold unit and the second threshold level measurement unit, the output of which is connected to oromu threshold unit, and a control input connected to the output information processing unit outputs the first and second thresholds blocks connected to inputs of an information processing unit, an output of the modulating oscillator connected to the laser source.
9. Источник лазерного излучения содержит расположенные последовательно на оптической оси оптически связанные первое зеркало резонатора источника лазерного излучения, активный лазерный элемент с блоком накачки, первый поляризатор, блок модуляции лазерного излучения, второй поляризатор и второе зеркало резонатора источника лазерного излучения, при этом блок модуляции лазерного излучения соединен с выходом модулирующего генератора. 9. The laser radiation source comprises optically coupled a first laser mirror of a laser radiation source cavity, an active laser element with a pump unit, a first polarizer, a laser modulation unit, a second polarizer and a second laser mirror of a laser source resonator located in series on the optical axis, wherein the laser modulation unit radiation is connected to the output of the modulating generator.
10. Блок формирования сигнала-аналога принимаемого излучения содержит последовательно установленные на оптической оси от оптического входа до оптического выхода блока третье отражательное зеркало, Фурье-преобразующую линзу, диафрагму, блок ослабления излучения, первую формирующую линзу, второе полупрозрачное зеркало, регистрирующий фотоприемник, четвертое отражательное зеркало, вторую формирующую линзу и пятое отражательное зеркало, причем, управляющий вход блока ослабления излучения подключен к блоку обработки информации, а выход регистрирующего фотоприемника подключен к блоку памяти и блоку определения длительности. 10. The unit for generating a signal-analogue of the received radiation contains a third reflecting mirror, a Fourier transforming lens, a diaphragm, a radiation attenuation unit, a first forming lens, a second translucent mirror recording a photodetector, and a fourth reflecting one mounted on the optical axis from the optical input to the optical output of the unit a mirror, a second forming lens and a fifth reflective mirror, moreover, the control input of the radiation attenuation unit is connected to the information processing unit, and the output egistriruyuschego photodetector is connected to the memory block and the block determining duration.
11. Блок определения статистических параметров содержит ячейки определения параметров выбросов по числу парциальных элементов в многоэлементном фотоприемнике, ячейки вычитания по числу ячеек определения параметров выбросов, первый синхрогенератор, первый коммутатор, сумматор и ячейку деления, при этом входы ячеек определения параметров выбросов подключены к соответствующим выходам парциальных фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника, а выходы подсоединены ко входам ячеек вычитания и входам первого коммутатора, вторые входы ячеек вычитания подключены к выходу ячейки деления, выход первого коммутатора через сумматор подключен ко входу ячейки деления, ячейки определения параметров выбросов соединены с выходом первого синхрогенератора, первый синхрогенератор и ячейки определения параметров выбросов соединены с блоком обработки информации, управляющий вход первого коммутатора соединен с блоком обработки информации. 11. The unit for determining the statistical parameters contains cells for determining the parameters of the emissions by the number of partial elements in the multi-element photodetector, subtracting cells by the number of cells for determining the parameters of the emissions, the first clock generator, the first switch, the adder and the cell division, while the inputs of the cells for determining the parameters of the emissions are connected to the corresponding outputs partial photosensitive elements of a multi-element photodetector, and the outputs are connected to the inputs of the subtraction cells and the inputs of the first switch, the second inputs of the subtraction cells are connected to the output of the division cell, the output of the first switch through the adder is connected to the input of the division cell, the cells for determining the emission parameters are connected to the output of the first clock generator, the first clock generator and the cells for determining emission parameters are connected to the information processing unit, the control input of the first switch is connected to information processing unit.
12. В блоке определения статистических параметров ячейка определения параметров выбросов содержит последовательно соединенные амплитудный селектор, формирователь, первый и второй счетчики, подключенные к переключателю, стробирующий каскад и генератор счетных импульсов, при этом входы стробирующего каскада подключены к выходам генератора счетных импульсов и формирователя, а выход подключен ко второму счетчику, управляющие входы амплитудного селектора и первого и второго счетчиков подключены к выходу первого синхрогенератора, управляющий вход переключателя подключен к выходу блока обработки информации. 12. In the unit for determining statistical parameters, the cell for determining the parameters of emissions contains a series-connected amplitude selector, a shaper, first and second counters connected to a switch, a gating cascade and a generator of counting pulses, while the inputs of the gating cascade are connected to the outputs of the calculating pulse generator and the shaper, and the output is connected to the second counter, the control inputs of the amplitude selector and the first and second counters are connected to the output of the first clock generator, yuschy switch input connected to the output of the information processing unit.
13. Блок суммирования содержит ячейки суммирования - по числу парциальных фоточувствительных элементов в многоэлементном фотоприемнике, второй коммутатор и второй синхрогенератор, при этом входы ячеек суммирования подключены к соответствующим выходам ячеек вычитания блока определения статистических параметров, а выходы подключены ко входам второго коммутатора, выход второго синхрогенератора подключен к управляющим входам ячеек суммирования, выход второго коммутатора, подключен к первому пороговому блоку и первому блоку измерения порогового уровня, управляющий вход второго синхрогенератора подключен к выходу блока обработки информации, управляющий вход второго коммутатора и ячеек суммирования подключены к выходу блока обработки информации. 13. The summing unit contains the summing cells - according to the number of partial photosensitive elements in the multi-element photodetector, the second switch and the second clock generator, while the inputs of the summing cells are connected to the corresponding outputs of the subtraction cells of the statistical parameter determination unit, and the outputs are connected to the inputs of the second switch, the output of the second synchronizer connected to the control inputs of the summing cells, the output of the second switch, connected to the first threshold block and the first measurement block stratum level, the second clock control input connected to the output information processing unit, the control input of the second switch and the summing cells output connected to the information processing unit.
14. В блоке суммирования ячейка суммирования содержит кольцевой коммутатор, регистры памяти, выходной коммутатор, выходной сумматор и схему управления, при этом выходы кольцевого коммутатора через регистры памяти подключены ко входам выходного коммутатора, выход которого подключен к выходному сумматору, управляющий вход кольцевого коммутатора через схему управления подключен к выходу блока обработки информации, а управляющий вход выходного коммутатора подсоединен к выходу второго синхрогенератора. 14. In the summing unit, the summing cell contains a ring switch, memory registers, an output switch, an output adder and a control circuit, while the outputs of the ring switch through the memory registers are connected to the inputs of the output switch, the output of which is connected to the output adder, the control input of the ring switch through the circuit control is connected to the output of the information processing unit, and the control input of the output switch is connected to the output of the second clock.
15. Блок корреляционного анализа содержит корреляторы по числу парциальных фоточувствительных элементов в многоэлементном фотоприемнике и третий коммутатор, выход которого подключен ко второму пороговому блоку и второму блоку измерения порогового уровня, при этом входы корреляторов подключены к соответствующим выходам ячеек вычитания блока определения статистических параметров, вторые входы корреляторов подключены к выходу блока памяти, выходы корреляторов подключены ко входам третьего коммутатора, управляющий вход которого подключен к выходу блока обработки информации. 15. The correlation analysis unit contains correlators for the number of partial photosensitive elements in a multi-element photodetector and a third switch, the output of which is connected to the second threshold unit and the second threshold level measurement unit, while the inputs of the correlators are connected to the corresponding outputs of the subtraction cells of the statistical parameter determination unit, the second inputs correlators are connected to the output of the memory block, the outputs of the correlators are connected to the inputs of the third switch, the control input of which is connected It is ready for the output of the information processing unit.
16. В блоке корреляционного анализа коррелятор содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные источник света, расширитель пучка, акустооптический модулятор, первый объектив, первый пространственный фильтр, второй объектив, светомодулирующую электронно-лучевую трубку (СЭЛТ), третий объектив, второй пространственный фильтр, фотоприемник, выход которого подключен к промежуточному блоку памяти, а также кольцевой коммутатор, регистры памяти, выходной коммутатор, схему управления, генератор промежуточной частоты и усилитель, при этом выходы кольцевого коммутатора через регистры памяти подключены ко входам выходного коммутатора, выход которого через генератор промежуточной частоты подключен к управляющему электроду акустооптического модулятора, а управляющий вход - к блоку обработки информации, управляющий вход кольцевого коммутатора через схему управления подсоединен к выходу блока обработки информации, управляющий электрод СЭЛТ через усилитель подсоединен к выходу блока памяти, вход кольцевого коммутатора подключен к выходу соответствующей ячейки вычитания блока определения статистических параметров, а выход блока промежуточной памяти подключен к соответствующему входу третьего коммутатора. 16. In the correlation analysis unit, the correlator comprises optically coupled light sources, a beam expander, an acousto-optic modulator, a first lens, a first spatial filter, a second lens, a light-modulating cathode ray tube (SELT), a third lens, and a second spatial filter, sequentially mounted on the optical axis a photodetector, the output of which is connected to an intermediate memory unit, as well as a ring switch, memory registers, an output switch, a control circuit, an intermediate frequency generator you and the amplifier, while the outputs of the ring switch through the memory registers are connected to the inputs of the output switch, the output of which through the intermediate frequency generator is connected to the control electrode of the acousto-optic modulator, and the control input to the information processing unit, the control input of the ring switch through the control circuit is connected to the output information processing unit, the SELT control electrode is connected through an amplifier to the output of the memory unit, the input of the ring switch is connected to the output of uyuschey subtraction unit cell determining statistical parameters, and the output of the intermediate storage unit is connected to the corresponding input of the third switch.
17. В блоке корреляционного анализа коррелятор содержит кольцевой коммутатор, регистры памяти, выходной коммутатор, схему управления, первый, второй и третий процессоры быстрого преобразования Фурье (БПФ), перемножитель и регистр памяти эталона, при этом выходы кольцевого коммутатора через регистры памяти подключены ко входам выходного коммутатора, выход которого подключен ко входу первого процессора БПФ, а управляющий вход подключен к выходу блока обработки информации, выход первого процессора БПФ подключен к первому входу перемножителя, выход второго процессора БПФ через регистр памяти эталона подключен ко второму входу перемножителя, выход которого подсоединен ко входу третьего процессора БПФ, выход которого подсоединен к соответствующему входу третьего коммутатора, вход второго процессора БПФ подсоединен к выходу блока памяти, управляющий вход кольцевого коммутатора через схему управления подключен к выходу блока обработки информации, а вход подключен к соответствующей ячейке вычитания блока определения статистических параметров. 17. In the correlation analysis unit, the correlator contains a ring switch, memory registers, an output switch, a control circuit, first, second and third fast Fourier transform (FFT) processors, a multiplier and a reference memory register, while the outputs of the ring switch are connected to the inputs through memory registers output switch, the output of which is connected to the input of the first FFT processor, and the control input is connected to the output of the information processing unit, the output of the first FFT processor is connected to the first input, multiply For, the output of the second FFT processor through the reference memory register is connected to the second input of the multiplier, the output of which is connected to the input of the third FFT processor, the output of which is connected to the corresponding input of the third switch, the input of the second FFT processor is connected to the output of the memory block, the control input of the ring switch through the circuit control is connected to the output of the information processing unit, and the input is connected to the corresponding subtraction cell of the unit for determining statistical parameters.
18. Блок измерения длительности содержит амплитудный селектор первый и второй формирователи, первый и второй стробирующие каскады, первый и второй счетчики, генератор счетных импульсов, инвертор и сумматор, при этом выход амплитудного селектора подключен ко входу первого формирователя, выход которого подсоединен к инвертору и первому стробирующему каскаду, выход которого через первый счетчик подключен к первому входу сумматора, выход инвертора через второй формирователь подключен ко входу второго стробирующего каскада, выход которого через второй счетчик подсоединен ко второму входу сумматора, выход генератора счетных импульсов подключен ко вторым входам первого и второго стробирующих каскадов. 18. The duration measurement unit contains an amplitude selector first and second shapers, first and second gate stages, first and second counters, a counting pulse generator, an inverter and an adder, the output of the amplitude selector connected to the input of the first shaper, the output of which is connected to the inverter and the first the gating cascade, the output of which through the first counter is connected to the first input of the adder, the output of the inverter through the second driver is connected to the input of the second gating cascade, the output of which through the second counter it is connected to the second input of the adder, the output of the counter pulse generator is connected to the second inputs of the first and second gate stages.
Обозначения элементов на чертежах
На фиг. 1 приведена блок-схема лазерного локационного устройства, реализующего способ, где введены следующие обозначения:
1 - Источник лазерного излучения - лазерный генератор.Designations of elements in the drawings
In FIG. 1 shows a block diagram of a laser location device that implements a method where the following notation is introduced:
1 - Laser source - laser generator.
2 - Активный лазерный элемент. 2 - Active laser element.
2а - Блок накачки. 2a - Pumping unit.
3 и 4 - Зеркала резонатора источника лазерного излучения. 3 and 4 - Mirror cavity of a laser source.
5 - Блок модуляции лазерного излучения. 5 - Block modulation of laser radiation.
6, 7 - Поляризаторы. 6, 7 - Polarizers.
8 - Модулирующий генератор. 8 - Modulating generator.
9 - Первое полупрозрачное зеркало. 9 - The first translucent mirror.
10 - Поворотное зеркало. 10 - Swivel mirror.
11 - Привод и блок управления поворотным зеркалом. 11 - Drive and control unit of the rotary mirror.
12, 13 - Приемный телескоп. 12, 13 - Receiving telescope.
12 - Первое зеркало приемного телескопа. 12 - The first mirror of the receiving telescope.
13 - Второе зеркало приемного телескопа. 13 - The second mirror of the receiving telescope.
14 - Первое отражательное зеркало. 14 - The first reflective mirror.
15 - Блок перемещения. 15 - Block movement.
16 - Активный квантовый фильтр (АКФ). 16 - Active quantum filter (ACF).
17 - Блок накачки АКФ и наполнения рабочим веществом. 17 - Block pumping ACF and filling with a working substance.
18 - Вогнутое зеркало. 18 - Concave mirror.
19 - Второе отражательное зеркало. 19 - The second reflective mirror.
20 - Поляризационный фильтр. 20 - Polarizing filter.
21 - Интерференционный фильтр. 21 - Interference filter.
22 - Многоэлементный фотоприемник (МФП). 22 - Multi-element photodetector (MFP).
23 - Блок определения статистических параметров. 23 - Block definition of statistical parameters.
24 - Блок корреляционного анализа. 24 - Block correlation analysis.
25 - Блок суммирования. 25 - Block summation.
26 - Первый пороговый блок. 26 - The first threshold block.
27 - Второй пороговый блок. 27 - The second threshold block.
28 - Блок обработки информации. 28 - Information processing unit.
29 - Блок формирования сигнала-аналога принимаемого излучения. 29 - Block generating signal-analogue of the received radiation.
30, 30а, 31 - третье, четвертое и пятое отражательные зеркала. 30, 30a, 31 - the third, fourth and fifth reflective mirrors.
32 - Фурье-преобразующая линза. 32 - Fourier transform lens.
33 - Первая формирующая линза. 33 - The first forming lens.
34 - Вторая формирующая линза. 34 - The second forming lens.
35 - Диафрагма. 35 - Aperture.
36 - Блок ослабления излучения. 36 - Block attenuation of radiation.
37 - Второе полупрозрачное зеркало. 37 - The second translucent mirror.
38 - Регистрирующий фотоприемник. 38 - Recording photodetector.
39 - Блок измерения длительности. 39 - Duration measurement unit.
40 - Блок памяти. 40 - Memory block.
41 - Первый блок измерения порогового уровня. 41 - The first block of measurement of the threshold level.
42 - Второй блок измерения порогового уровня. 42 - The second block of measurement of the threshold level.
43 - Блок-распределитель сигналов внешнего целеуказания (ВЦУ) (в состав устройства не входит). 43 - Block-distributor of external target designation signals (VTsU) (not included in the device).
Позицией 43а обозначены внешние потребители информации (ВПИ), которым поступает сигнал обнаружения и параметры координат наблюдаемого объекта с выхода блока обработки информации 28. В состав устройства ВПИ 43а не входит. Position 43a denotes external information consumers (VPI), which receives a detection signal and coordinate parameters of the observed object from the output of the
На фиг. 2 приведены блок-схемы состава и соединения блока определения статистических параметров 23, блока корреляционного анализа 24, блока суммирования 25. In FIG. 2 shows a block diagram of the composition and connection of the block for determining
На фиг.2 введены следующие обозначения:
22 - Матричный фотоприемник (МФП).Figure 2 introduced the following notation:
22 - Matrix photodetector (MFP).
26 - Первый пороговый блок. 26 - The first threshold block.
27 - Второй пороговый блок. 27 - The second threshold block.
28 - Блок обработки информации. 28 - Information processing unit.
41 - Первый блок измерения порогового уровня. 41 - The first block of measurement of the threshold level.
42 - Второй блок измерения порогового уровня. 42 - The second block of measurement of the threshold level.
44 - Ячейки определения параметров выбросов. 44 - Cells determine the parameters of emissions.
45 - Первый синхрогенератор. 45 - The first sync generator.
46 - Первый коммутатор. 46 - The first switch.
47 - Сумматор. 47 - Adder.
48 - Ячейка деления. 48 - Cell division.
49 - Ячейки вычитания. 49 - Subtraction cells.
50 - Ячейки суммирования. 50 - Summation cells.
51 - Второй коммутатор. 51 - The second switch.
52 - Второй синхрогенератор. 52 - The second clock generator.
53 - Корреляторы. 53 - Correlators.
54 - Третий коммутатор. 54 - The third switch.
На фиг.3 представлена блок-схема ячейки определения параметров выбросов, на которой введены следующие обозначения:
55 - Амплитудный селектор.Figure 3 presents a block diagram of a cell for determining the parameters of emissions, which introduced the following notation:
55 - Amplitude selector.
56 - Формирователь. 56 - Shaper.
57 - Первый счетчик. 57 - The first counter.
58 - Второй счетчик. 58 - The second counter.
58а - Переключатель. 58a - Switch.
59 - Стробирующий каскад. 59 - Gating cascade.
60 - Генератор счетных импульсов. 60 - Counting pulse generator.
На фиг. 4 представлены осциллограммы, поясняющие принцип работы ячейки определения параметров выбросов на фиг.3. In FIG. 4 are oscillograms explaining the principle of operation of the cell for determining emission parameters in FIG. 3.
На фиг.5 представлена блок-схема ячейки суммирования (поз.50 на фиг.2), где цифрами обозначены следующие элементы:
61 - Кольцевой коммутатор.Figure 5 presents a block diagram of the summation cell (
61 - Ring switch.
62 - Регистры памяти. 62 - Memory registers.
63 - Выходной коммутатор. 63 - Output switch.
64 - Выходной сумматор. 64 - Output adder.
65 - Схема управления. 65 - Management scheme.
На фиг. 6 приведена блок-схема первого варианта выполнения коррелятора поз.53 на фиг.2 (вариант оптической обработки информации). In FIG. 6 is a block diagram of a first embodiment of a correlator,
Коррелятор 53 на фиг.6 содержит следующие элементы:
66 - Кольцевой коммутатор.The
66 - Ring switch.
67 - Регистры памяти. 67 - Memory registers.
68 - Выходной коммутатор. 68 - The output switch.
69 - Схема управления. 69 - Management scheme.
70 - Генератор промежуточной частоты. 70 - Intermediate frequency generator.
71 - Акустооптический модулятор. 71 - Acousto-optic modulator.
72 - Источник света. 72 - Light source.
73 - Расширитель пучка. 73 - Beam expander.
74 - Первый объектив. 74 - The first lens.
75 - Первый пространственный фильтр. 75 - The first spatial filter.
76 - Второй объектив. 76 - The second lens.
77 - Светомодулирующая электронно-лучевая трубка (СЭЛТ). 77 - Light-modulating cathode ray tube (SELT).
78 - Третий объектив. 78 - The third lens.
79 - Второй пространственный фильтр. 79 - The second spatial filter.
80 - Фотоприемник. 80 - Photodetector.
81 - Усилитель. 81 - Amplifier.
82 - Промежуточный блок памяти. 82 - Intermediate memory block.
На фиг. 7 представлена блок-схема коррелятора поз. 53 на фиг.2 (2й вариант исполнения, цифровая обработка информации).In FIG. 7 shows a block diagram of the correlator pos. 53 in figure 2 ( 2nd embodiment, digital information processing).
На фиг.7 введены следующие обозначения:
91 - Кольцевой коммутатор.In Fig.7 introduced the following notation:
91 - Ring switch.
92 - Регистры памяти. 92 - Memory registers.
93 - Выходной коммутатор. 93 - Output switch.
94 - Схема управления. 94 - Management scheme.
95, 96, 97 - Первый, второй и третий процессоры быстрого преобразования Фурье (БПФ). 95, 96, 97 - The first, second, and third fast Fourier transform processors (FFT).
98 - Перемножитель. 98 - Multiplier.
99 - Регистр памяти эталона. 99 - Reference memory register.
На фиг. 8 представлен вид осциллограмм, поясняющих работу блока формирования сигнала-аналога принимаемого излучения. In FIG. 8 is a view of oscillograms explaining the operation of a signal generating unit analogous to received radiation.
На фиг. 9 представлена блок-схема блока измерения длительности - поз.39 на фиг.1, где введены следующие обозначения входящих элементов:
100 - Сумматор.In FIG. 9 is a block diagram of a duration measurement unit, pos. 39 in FIG. 1, where the following designations of input elements are introduced:
100 - Adder.
101 - Амплитудный селектор. 101 - Amplitude selector.
102 - Первый формирователь. 102 - The first shaper.
103 - Первый стробирующий каскад. 103 - The first gating cascade.
104 - Первый счетчик. 104 - The first counter.
105 - Генератор счетных импульсов. 105 - Counting pulse generator.
106 - Инвертор. 106 - Inverter.
107 - Второй формирователь. 107 - The second shaper.
108 - Второй стробирующий каскад. 108 - The second gating cascade.
109 - Второй счетчик. 109 - The second counter.
На фиг. 10 и 11 представлены результаты экспериментального исследования устройства, реализующего способ. In FIG. 10 and 11 present the results of an experimental study of a device that implements the method.
Принцип действия и реализация предлагаемого способа заключаются в следующем. The principle of operation and implementation of the proposed method are as follows.
По данным внешнего целеуказания (ВЦУ) от блока 43 в блок обработки информации 28 поступает информация об ожидаемых угловых координатах объекта. По предполагаемым угловым координатам объекта блок информации 28 вырабатывает команды, поступающие в блок управления 11 приводом поворотного зеркала 10, в результате чего последнее ориентируют в направлении предполагаемого нахождения объекта. According to the external target designation (TCU) from block 43,
Осуществляют формирование импульса лазерного излучения с помощью источника лазерного излучения 1 и подсвет объекта сформированным импульсом лазерного излучения на рабочей длине волны λраб(λраб). При формировании лазерного излучения осуществляют его модуляцию во времени в соответствии с изменением во времени сигнала от внешнего модулирующего генератора 8. Сигнал от модулирующего генератора 8 поступает в блок модуляции лазерного излучения 5, который обеспечивает изменение во времени величины поглощения оптического излучения внутри резонатора лазерного генератора - источника лазерного излучения 1. В результате сформированное лазерное излучение для подсвета объекта становится промодулированным во времени по какому-либо своему параметру, например по амплитуде.A laser pulse is generated using a
На основе промодулированного во времени лазерного излучения осуществляют формирование оптического сигнала-аналога принимаемого излучения следующим образом, с помощью блока формирования сигнала-аналога принимаемого излучения 29. Based on the time-modulated laser radiation, an optical signal analogous to the received radiation is generated as follows, using the received signal analogue signal generating unit 29.
Ответвляют часть сформированного и промодулированного лазерного излучения с выхода источника лазерного излучения 1 посредством первого полупрозрачного зеркала 9 и направляют его посредством зеркала 30 на оптический вход Фурье-преобразующей линзы 32 (ФПЛ). Последняя осуществляет преобразование по Фурье ответвленного лазерного излучения и формирует в плоскости диафрагмы 35, которая совмещена с фокальной плоскостью ФПЛ 32, пространственный сигнал, эквивалентный пространственному оптическому сигналу, формируемому источником лазерного излучения 1 в дальней зоне, т.е. в плоскости наблюдаемого объекта. Оптический сигнал в фокальной плоскости ФПЛ 32, совмещенный с плоскостью диафрагмы 35, представляет собой пространственный Фурье-спектр распределения лазерного излучения, сформированного источником лазерного излучения 1; при этом распределение данного Фурье-спектра аналогично (в уменьшенном масштабе) распределению лазерного излучения в дальней зоне в области нахождения объекта наблюдения. Диафрагма 35 выделяет из этого распределения излучения центральную часть, расположенную на оси и определяющую область, в которой возможно нахождение объекта, обуславливающего обратное отражение части поступившего на него лазерного излучения. Различные боковые лепестки диафрагмы направленности лазерного излучения не пропускаются диафрагмой 35, размер d1 которой выбирается меньшим величины дифракционного кружка рассеивания δ1 в фокальной плоскости ФПЛ 32
где d2 - диаметр ФПЛ 32 и fл - ее фокусное расстояние. В результате диафрагма 35 выделяет только ту часть лазерного излучения из всего распределения излучения в дальней зоне, которая отражается объектом, что обеспечивает полное и точное моделирование процесса подсвета объекта сформированным лазерным излучением и его отражение объектом. Далее осуществляют ослабление излучения в χ раз посредством блока ослабления излучения 36, который представляет собой набор сменных оптических фильтров с заданным параметром ослабления, устанавливаемых в оптическом тракте по командам от блока обработки информации 28.A part of the generated and modulated laser radiation is branched off from the output of the
where d 2 is the diameter of the FPL 32 and f l is its focal length. As a result, the diaphragm 35 selects only that part of the laser radiation from the entire radiation distribution in the far zone, which is reflected by the object, which provides a complete and accurate simulation of the process of illumination of the object by the generated laser radiation and its reflection by the object. Next, radiation is attenuated by a factor of χ by means of a radiation attenuation unit 36, which is a set of replaceable optical filters with a given attenuation parameter installed in the optical path by commands from the
Коэффициент ослабления излучения χ определяют исходя из следующего соотношения:
где Еизл - лазерное излучение, сформированное на выходе источника лазерного излучения 1;
Еприн - принимаемое лазерное излучение.The attenuation coefficient of radiation χ is determined based on the following relationship:
where E Iz - laser radiation generated at the output of the
E prin - received laser radiation.
Величина соответствует коэффициенту пропускания излучения.Value corresponds to the transmittance of radiation.
Величину ослабления излучения χ устанавливают такой, чтобы уровень сигнала-аналога принимаемого излучения ЕА(t) на входе АКФ 16 и на входе регистрирующего фотоприемника 38 соответствовал в среднем уровню реального принимаемого оптического сигнала, отраженного от объекта и поступающего на вход приемного телескопа 12 и далее на вход АКФ 16. Для этого величину коэффициента ослабления χ выбирают и устанавливают в соответствии со следующей формулой:
где L - предполагаемая дальность до объекта,
θ - расходимость лазерного излучения [рад], сформированного источником лазерного излучения 1;
площадь входного зрачка (апертуры) приемного телескопа 12 с диаметром = DТ;
Sоб, εоб - предполагаемые параметры наблюдаемого объекта, устанавливаемые априорно:
Sоб - предполагаемая эффективная площадь отражающей поверхности объекта;
εоб - предполагаемый коэффициент отражения излучения поверхностью объекта;
ε2 - коэффициент пропускания излучения в атмосфере на рабочей длине волны λраб, определяемый на основании соотношения:
ε2 = exp[-αп•La],
где αп - спектральный коэффициент поглощения излучения атмосферой для рабочей длины волны λраб;
La - длина предполагаемого пути распространения излучения в атмосфере до объекта и в обратном направлении от объекта до приемного телескопа 12;
ε3 - коэффициент пропускания излучения в атмосфере на рабочей длине волны λраб, обусловленный рассеиванием на неоднородностях атмосферы, определяемой на основании соотношения:
ε3 = exp[-αp.м•La],
где αp.м - коэффициент молекулярного рассеивания излучения в атмосфере на рабочей длине волны λраб.
Таким образом, в соотношении для устанавливаемой величины ослабления χ учтены все факторы, обуславливающие уровень принимаемого оптического излучения на входе приемного телескопа 12, при обнаружении объекта с предполагаемыми параметрами Sоб, εоб и находящегося на некоторой предполагаемой дальности L.The radiation attenuation χ is set such that the level of the signal analogue of the received radiation E A (t) at the input of the ACF 16 and at the input of the
where L is the estimated range to the object,
θ is the divergence of the laser radiation [rad] generated by the
the area of the entrance pupil (aperture) of the receiving telescope 12 with a diameter = D T ;
S about , ε about - the estimated parameters of the observed object, set a priori:
S about - the estimated effective area of the reflecting surface of the object;
ε about - the estimated coefficient of reflection of radiation by the surface of the object;
ε 2 - transmittance of radiation in the atmosphere at a working wavelength λ slave , determined on the basis of the ratio:
ε 2 = exp [-α p • L a ],
where α p is the spectral absorption coefficient of radiation by the atmosphere for the working wavelength λ slave ;
L a is the length of the estimated path of radiation in the atmosphere to the object and in the opposite direction from the object to the receiving telescope 12;
ε 3 - transmittance of radiation in the atmosphere at a working wavelength λ slave , due to scattering on inhomogeneities of the atmosphere, determined on the basis of the ratio:
ε 3 = exp [-α p.m • L a ],
where α p.m is the coefficient of molecular dispersion of radiation in the atmosphere at the working wavelength λ slave .
Thus, in the ratio for the set attenuation value χ, all factors that determine the level of received optical radiation at the input of the receiving telescope 12 are taken into account when detecting an object with the estimated parameters S о , ε о and located at some assumed range L.
Установление выбранной величины ослабления излучения χ осуществляют в блоке ослабления излучения 36 путем введения в оптический тракт соответствующего выбранному ослаблению χ сменного фильтра по командам из блока обработки информации 28. В последнем осуществляют вычисление величины χ по формуле (5) на основе априорных предполагаемых данных о параметрах объекта Sоб, εоб, предполагаемой дальности до объекта L, предполагаемого пути Lа распространения излучения в атмосфере, а также коэффициентах пропускания излучения в атмосфере ε2,ε3, получаемых на основе априорных данных о параметрах атмосферы αп,αp.м на рабочей длине волны λраб. При этом параметры атмосферы αп,αp.м на рабочей длине волны получают на основе, например, справочных данных.Establishment of the selected value of radiation attenuation χ is carried out in the radiation attenuation unit 36 by introducing into the optical path an interchangeable filter corresponding to the selected attenuation χ according to instructions from the
Величины L и Lа получают от системы внешнего целеуказания (ВЦУ) на основе данных предварительного целеуказания и предполагаемых параметрах L и Lа, поступающих от ВЦУ в блок обработки информации 28.The values of L and L a are obtained from an external target designation system (TCU) based on preliminary target designation data and the estimated parameters L and L a received from the TCU in the
Параметр La - длина предполагаемого пути распространения излучения в атмосфере - получают, например, исходя из следующей формулы:
где Натм - средняя эффективная толщина атмосферы при наблюдении объекта в зените, составляющая по справочным данным ~ 20-25 км;
α - угол наблюдения объекта, отсчитываемый от зенита (угол места) и получаемый по данным внешнего предварительного целеуказания.The parameter L a - the length of the proposed path of radiation in the atmosphere - is obtained, for example, based on the following formula:
where N atm is the average effective thickness of the atmosphere when observing an object at the zenith, which, according to reference data, is ~ 20-25 km;
α is the viewing angle of the object, measured from the zenith (elevation angle) and obtained according to external preliminary target designation.
При наблюдении объекта в зените α = 0.
Параметры Sт и Q устанавливают на основе известных данных о диаметре DТ приемного телескопа 12 и расходимости Q формируемого лазерного излучения в источнике лазерного излучения 1. Априорные данные о предполагаемых параметрах наблюдаемого объекта заранее закладывают в оперативную память блока обработки информации 28.When observing an object at the zenith, α = 0.
The parameters S t and Q are set based on the known data on the diameter D T of the receiving telescope 12 and the divergence Q of the generated laser radiation in the
При установлении величины χ учитывают параметры пропускания первого и второго полупрозрачных зеркал 9 и 37. В результате окончательную величину для параметров ослабляющего фильтра β0 в блоке ослабления излучения 36 устанавливают в соответствии со следующей формулой:
где χ - необходимое ослабление излучения согласно формуле (5);
nосн - пропускание первого полупрозрачного зеркала 9 в направлении основного канала для подсвета объекта;
nан - пропускание полупрозрачного зеркала 9 в направлении на вход блока формирования сигнала-аналога поз.29.When setting the χ value, the transmission parameters of the first and second translucent mirrors 9 and 37 are taken into account. As a result, the final value for the attenuation filter parameters β 0 in the radiation attenuation unit 36 is set in accordance with the following formula:
where χ is the necessary attenuation of radiation according to formula (5);
n main - transmission of the first translucent mirror 9 in the direction of the main channel to illuminate the object;
n AN - transmittance of a translucent mirror 9 in the direction of the input of the signal forming unit of the analogue pos.29.
Коэффициент (1/2) в формуле (7) учитывает ослабление излучения вторым полупрозрачным зеркалом 37, имеющим одинаковое 50% пропускание для обоих своих выходных направлений. The coefficient (1/2) in formula (7) takes into account the attenuation of radiation by the second translucent mirror 37, which has the same 50% transmittance for both of its output directions.
В блоке обработки информации 28 на основании формулы для β0 (7) осуществляют расчет необходимого параметра ослабления β0 для ослабляющего фильтра в блоке ослабления излучения 36 и вырабатывают команду для установления фильтра с данным параметром β0 в оптический тракт в блоке 36.In the
В результате осуществленного ослабления излучения в β0 раз в блоке 36 на выходе блока 29 сформирован оптический сигнал-аналог принимаемого излучения ЕА(t), который является моделью (аналогом) оптического излучения, принимаемого приемным телескопом 12 при наличии объекта в наблюдаемой дальней зоне, и отражения этим объектом подсвечивающего лазерного излучения.As a result of the attenuation of radiation by β 0 times in block 36 at the output of block 29, an optical signal is received that is analogous to the received radiation E A (t), which is a model (analog) of optical radiation received by receiving telescope 12 in the presence of an object in the observed far zone, and reflection of illuminated laser radiation by this object.
При этом параметры этого оптического излучения (сигнала) соответствуют отражению лазерного излучения от некоторого эталонного объекта с априорно установленными эталонными характеристиками отражения излучения и находящегося на априорно установленной предполагаемой дальности L. Данный сформированный на входе фотоприемника 38 оптический сигнал принимают за оптический сигнал-аналог принимаемого излучения ЕА(t). Посредством регистрирующего фотоприемника 38 оптический сигнал-аналог ЕА(t) преобразуют в электрический сигнал-аналог принимаемого излучения ЕАЭ(t), который регистрируют в блоке памяти 40 и используют далее в качестве эталона при обнаружении оптического сигнала, отраженного от объекта. При этом сигнал-аналог ЕA(t) не является точной копией лазерного излучения, сформированного лазерным генератором 1 на его входе, так как при его формировании осуществлено моделирование излучения, образующегося в дальней зоне при распространении излучения до объекта, а также учтено ослабление излучения, обусловленное дальностью до объекта и дополнительными факторами, связанными с априорно предполагаемыми характеристиками объекта. Часть сформированного оптического сигнала-аналога принимаемого излучения ЕА(t) направляют с помощью второго полупрозрачного зеркала 37, зеркал 30а и 31 и второй формирующей линзы 34 на вход АКФ 16 и используют для формирования величин пороговых уровней P1 и P2 (см. ниже).In this case, the parameters of this optical radiation (signal) correspond to the reflection of laser radiation from some reference object with a priori established reference characteristics of radiation reflection and located at a priori established assumed range L. This optical signal formed at the input of
В качестве регистрирующего фотоприемника (РФ) 38 может быть использован, например, фотоприемный блок, состоящий из последовательно оптически связанных активного квантового фильтра (дополнительного) и одноплощадочного фотоприемника. Чувствительность такого РФ будет равна чувствительности собственно АКФ 16, что будет определять эквивалентность операций приема оптических сигналов непосредственно с помощью АКФ 16 и приема сформированного оптического сигнала-аналога ЕA(t) с помощью регистрирующего фотоприемника 38. При использовании в качестве РФ 38 фотоприемника с чувствительностью, например, в m раз меньшей, чем чувствительность АКФ 16, коэффициент ослабления излучения β0 в блоке 36 устанавливают соответственно в m раз меньшим, чем при равных чувствительностях РФ 38 и АКФ 16, т.е. устанавливают коэффициент ослабления излучения χ3 в блоке 36 равным и регистрируют сформированный при данном ослаблении χ3 оптический сигнал-аналог с помощью РФ 38. В результате реализуют уравнивание величин интенсивностей предполагаемого реального оптического сигнала, поступающего на вход АКФ 16 от объекта, и модельного оптического сигнала-аналога принимаемого излучения ЕА(t), регистрируемого в РФ 38.As a recording photodetector (RF) 38, for example, a photodetector unit consisting of a series-optically coupled active quantum filter (optional) and a single-site photodetector can be used. The sensitivity of such an RF will be equal to the sensitivity of the actual ACF 16, which will determine the equivalence of the operations of receiving optical signals directly using the ACF 16 and receiving the generated optical analog signal E A (t) using a
После формирования сигнала-аналога принимаемого излучения ЕА(t) осуществляют измерение его длительности (Та). Для этого сигнал-аналог ЕАЭ(t) с выхода регистрирующего фотоприемника 38 поступает на вход блока измерения длительности 39, который выполняет операцию измерения длительности поступающего на его вход сигнала-аналога ЕАЭ(t). Измеренный параметр длительности сигнала-аналога Та поступает далее с выхода блока измерения длительности 39 в блок обработки информации 28 и через него в блок суммирования 25 и блок корреляционной обработки 24, где используется для установления (задания) промежутка времени Тс, в пределах которого осуществляют обнаружение оптического сигнала, отраженного от объекта.After the formation of the signal analogue of the received radiation E A (t) measure its duration (T a ). To do this, the analog signal E AE (t) from the output of the
Прием отраженного от объекта оптического сигнала осуществляют с помощью поворотного зеркала 10 и приемного телескопа 12, 13, состоящего из двух зеркал. Во время приема сигналов, отраженных от объекта, первое отражательное зеркало 14 посредством блока перемещения 15 устанавливают в положение П1 - основное рабочее положение. В положение П2 зеркало 14 устанавливают на время формирования пороговых уровней P1, Р2 и подачи сформированного сигнала-аналога принимаемого излучения на оптический вход АКФ 16. Активный квантовый фильтр (АКФ) 16 осуществляет спектральную селекцию и усиление оптического сигнала, отраженного от объекта, на рабочей длине волны λраб. Спектральную селекцию в узкой полосе приема Δν на λраб осуществляют в АКФ 16 путем квантового усиления проходящего через АКФ оптического излучения, отраженного от объекта, в пределах полосы приема АКФ Δν. Коэффициент усиления АКФ Ку в пределах его полосы Δν достигает значительных величин Ку=103-104. Оптическое излучение вне полосы квантового усиления Δν проходит через АКФ 16 без изменения. Вследствие этого достигается спектральная селекция оптического излучения с высокой степенью подавления излучения вне полосы приема Δν за счет значительного усиления излучения, попадающего в полосу приема Δν, и отсутствия усиления излучения вне полосы Δν.
Усиленное и спектрально отселектированное излучение с выхода АКФ 16 поступает на вогнутое зеркало 18, выполняющее роль фокусирующей линзы отражательного исполнения. В фокусе вогнутого зеркала 18 установлена фоточувствительная площадка МФП 22. Отражательное зеркало 19 служит для изменения направления хода лучей. Поляризационный фильтр 20 служит для выделения излучения одной поляризации, аналогичной поляризации зондирующего лазерного излучения, сформированного лазерным генератором 1, и одновременно для снижения интенсивности спонтанных шумов АКФ 16. Интерференционный фильтр 21 осуществляет подавление фоновых световых помех, лежащих вне полосы усиления Δν АКФ 16. Многоэлементный фотоприемник (МФП) 22 осуществляет регистрацию оптического излучения на выходе АКФ 16 в отдельных парциальных каналах приема, число которых М1 соответствует числу парциальных фоточувствительных элементов в МФП: M1= Nфп•Nфп= Nфп 2, где Nфп - число элементов в одном ряду квадратного МФП 22. Каждый парциальный фоточувствительный элемент МФП 22 имеет диаметр площадки 2r и регистрирует оптическое излучение с выхода АКФ 16 в пределах соответствующего пространственного угла приема излучения ωпр, величина которого установлена равной дифракционному углу приема на выходе АКФ 22. Разделение потока излучения на отдельные парциальные потоки осуществляют, таким образом, за счет использования многоэлементного фотоприемника МФП 22, каждый парциальный элемент которого регистрирует излучение с выхода АКФ 16 в пределах пространственного (телесного) парциального угла приема ωпр, равного дифракционному углу ωд. Для осуществления последнего условия размер r одного фоточувствительного парциального элемента в МФП 22 выбирают из условия
отсюда
где D2 - диаметр АКФ 16;
fл - фокусное расстояние вогнутого зеркала 18.The optical signal reflected from the object is received using a rotary mirror 10 and a receiving telescope 12, 13, consisting of two mirrors. During the reception of signals reflected from the object, the first
The amplified and spectrally selected radiation from the output of the ACF 16 enters the concave mirror 18, which acts as a focusing lens of the reflective design. In the focus of the concave mirror 18 is installed a
from here
where D 2 is the diameter of the ACF 16;
f l - the focal length of the concave mirror 18.
Выполнение данных условий (8), (9) необходимо для минимизации собственных шумов АКФ 16. Далее для определения наличия объекта и его обнаружения осуществляют определение статистического параметра оптического излучения с выхода АКФ 22 в отдельных парциальных углах приема ωп на выходе АКФ 22.The fulfillment of these conditions (8), (9) is necessary to minimize the intrinsic noise of the ACF 16. Next, to determine the presence of the object and its detection, the statistical parameter of the optical radiation from the output of the
Определение статистического параметра оптического излучения осуществляют с помощью блока определения статистических параметров поз.23 на фиг.1 и 2. В каждом отдельном парциальном угле приема ωп, соответствующем парциальному элементу МФП 22, осуществляют отдельное и независимое от других парциальных элементов измерение статистического параметра оптического излучения. Каждый парциальный элемент МФП 22 преобразует оптическое излучение, поступающее на его фоточувствительную площадку, в электрический сигнал, который усиливается индивидуальным электронным усилителем, входящим в состав каждого парциального фоточувствительного элемента МФП, образующего один индивидуальный парциальный канал приема оптического излучения с выхода АКФ 16. Далее определение статистических параметров оптического излучения осуществляют путем определения статистических параметров электрических сигналов на выходах МФП 22. Электрический сигнал с выхода каждого из парциальных фоточувствительных элементов МФП 22 поступает на вход соответствующей ячейки определения параметров выбросов 44 (фиг.2 и 3). Ячейки 44 выполняют функцию основного измерительного инструмента, определяющего текущие статистические характеристики (параметры) случайного процесса на выходе каждого парциального фоточувствительного элемента МФП 22 и соответственно каждого парциального угла приема на выходе АКФ 16. В качестве статистического параметра оптического излучения используют число случайных выбросов амплитуды оптического излучения в единицу времени над произвольно выбранным фиксированным уровнем.The determination of the statistical parameter of optical radiation is carried out using the unit for determining the statistical parameters of pos. 23 in FIGS. 1 and 2. In each individual partial receiving angle ω p corresponding to the partial element of the
Во втором варианте реализации способа в качестве статистического параметра оптического излучения используют суммарную длительность случайных выбросов амплитуды оптического излучения в единицу времени над произвольно выбранным фиксированным уровнем. In the second embodiment of the method, the total duration of random emissions of the amplitude of the optical radiation per unit time over an arbitrarily chosen fixed level is used as a statistical parameter of optical radiation.
В качестве измеряемого статистического параметра случайного процесса на выходе АКФ 16 могут быть использованы также следующие характеристики случайного процесса:
- средняя длительность выбросов случайных процессов,
- амплитуда выбросов,
- площадь выбросов,
- длительность интервалов между соседними экстремумами выбросов, и другие характеристики случайных процессов.The following characteristics of the random process can also be used as a measured statistical parameter of a random process at the output of ACF 16:
- the average duration of emissions of random processes,
- amplitude of emissions,
- emission area,
- the duration of the intervals between adjacent emission extremes, and other characteristics of random processes.
Выбор вида измеряемого статистического параметра определяется конкретными условиями работы ЛЛС в реальной помеховой обстановке и характером флуктуации сигналов, отраженных от объекта. В качестве единицы времени при измерении статистического параметра оптического излучения используют промежуток времени, равный или кратный постоянной времени АКФ 16 tп, обратно пропорциональной величине fo полосы квантового усиления АКФ tп=1/fo.The choice of the type of the measured statistical parameter is determined by the specific operating conditions of the radar in a real interference environment and the nature of the fluctuation of the signals reflected from the object. As a unit of time when measuring the statistical parameter of optical radiation, a period of time equal to or a multiple of the ACF time constant of 16 t p is inversely proportional to the value of o ACF quantum gain band t p = 1 / f o .
Величина полосы квантового усиления АКФ fо [Гц] связана с величиной полосы усиления Δν, выраженной в , соотношением f0 = cΔν, где с - скорость света.The magnitude of the ACF quantum gain band f о [Hz] is related to the magnitude of the gain band Δν, expressed in , by the relation f 0 = cΔν, where c is the speed of light.
Указанный выбор статистического параметра обусловлен тем, что спонтанное излучение АКФ 16 в пределах дифракционного угла приема, приведенное ко входу АКФ, характеризуется весьма малым уровнем, соответствующим наличию в шумовом оптическом сигнале не более одного шумового фотона (кванта) за время соответствующее собственной постоянной времени АКФ. При этом наличие даже одного внешнего кванта (фотона) излучения на входе АКФ 16 вызывает существенное изменение статистических параметров (характеристик) случайного (спонтанного) излучения на выходе АКФ 16, а именно: увеличение количества случайных выбросов амплитуды оптического излучения в единицу времени, увеличение суммарной длительности случайных выбросов амплитуды оптического излучения в единицу времени. Для обнаружения отдельных квантов (фотонов) принимаемого оптического сигнала, поступающего на вход АКФ 16, осуществляют измерение статистических параметров оптического излучения на выходе АКФ 16 - числа случайных выбросов и их суммарной длительности в единицу времени.The indicated choice of the statistical parameter is due to the fact that the spontaneous emission of ACF 16 within the diffraction angle of reception, brought to the input of the ACF, is characterized by a very low level, corresponding to the presence in the noise optical signal of no more than one noise photon (quantum) per time corresponding to the ACF intrinsic time constant. Moreover, the presence of even one external quantum (photon) of radiation at the input of ACF 16 causes a significant change in the statistical parameters (characteristics) of random (spontaneous) radiation at the output of ACF 16, namely: an increase in the number of random emissions of the amplitude of optical radiation per unit time, an increase in the total duration random emissions of the amplitude of the optical radiation per unit time. To detect individual quanta (photons) of the received optical signal supplied to the input of the ACF 16, the statistical parameters of the optical radiation at the output of the ACF 16 are measured - the number of random emissions and their total duration per unit time.
Выбросом случайного процесса (сигнала) называется событие, заключающееся в превышении текущей реализацией случайного процесса заданного уровня Uп. Длительностью выброса называется продолжительность однократного превышения случайным процессом порогового уровня.The release of a random process (signal) is an event that consists in the current implementation of a random process exceeding a given level of U p . The duration of the ejection is the duration of a single exceeding of a threshold level by a random process.
Каждая из ячеек 44 осуществляет измерение статистических параметров сигналов с выходов соответствующих этой ячейке парциальных фоточувствительных элементов МФП 22. Ячейка 44 осуществляет измерение числа случайных выбросов амплитуды, а также суммарную длительность случайных выбросов амплитуды оптического излучения в единицу времени. На фиг.3 приведена блок-схема одной ячейки 44 определения параметров выбросов. Вход ячейки 44 подключен к одному из выходов МФП 22. Сигнал x(t) с выхода одного из парциальных фоточувствительных элементов МФП 22 поступает на вход амплитудного селектора 55. Одновременно на вход амплитудного селектора 55 поступает стробирующий импульс Uп1 с выхода первого синхрогенератора 45 (поз.45 на фиг.2). Данный процесс измерения повторяется далее периодически с частотой повторения стробирующих импульсов, поступающих от синхрогенератора 45. Длительность данного стробирующего импульса Uп1, равная Δtп, определяется первым синхрогенератором 45 (его параметрами) и выбирается равной промежутку времени, равному или кратному собственной постоянной времени АКФ Δtп = n•Δt0, n = 1, 2....; fо - полоса квантового усиления АКФ 16. Длительность Δtп определяет единицу времени (промежуток), в пределах которого осуществляют определение числа выбросов, а амплитуда Uп1 стробирующего импульса задает пороговый уровень Uп1, превышение которого случайным процессом X(t) и характеризуется как выброс амплитуды случайного процесса.Each of the
Синхрогенератор 45 является стандартным генератором периодически повторяющихся прямоугольных импульсов (стробирующих импульсов), длительность которых Δtп определяется управляющим сигналом (цифровым), поступающим от блока обработки информации 28, в котором в соответствии с заложенной программой осуществлен выбор величины Δtп = n•Δt0, то есть величины числа n, определяющего указанную кратность Δtп величине собственной постоянной времени АКФ Δt0. При этом управляющий регистр в блоке 45 по поступившему от блока 28 сигналу осуществляет установление длительности Δtп вырабатываемых блоком 45 прямоугольных импульсов. Аналогично по сигналам от блока 28 осуществляют установление амплитуды Uп1 этих импульсов и частоты повторения, которая может быть выбрана достаточно высокой. Характер процессов в ячейке определения параметров выбросов 44 показан на фиг.4. На фиг.4(а) показана работа амплитудного селектора 55, где обозначены следующие сигналы:
X(t) - входной случайный сигнал (процесс) с выхода одного из парциальных фоточувствительных элементов МФП 22; Uп1 - амплитуда стробирующего импульса с выхода первого синхрогенератора 45 с длительностью Δtп; Ха - сигнал на выходе амплитудного селектора 55, представляющий собой выброс случайного процесса Х(t), то есть часть случайного процесса Х(t), амплитуда которого превысила заданный пороговый уровень Uп1 (t - координата времени). Формирователь 56 преобразует выброс Ха на выходе амплитудного селектора 55 в прямоугольный импульс Хп с соответствующей длительностью τi, равной длительности выброса Ха, что показано на фиг.4(б). Первый счетчик 57 осуществляет подсчет числа N1 сформированных импульсов Хп за заданный промежуток времени Δtп, который определен первым синхрогенератором 45. Для этого сигнал Uп1, поступающий на амплитудный селектор 55, с выхода первого синхрогенератора 45, одновременно поступает и на второй вход счетчика 57 и определяет промежуток времени Δtп, в течение которого осуществляют подсчет числа N1 импульсов-выбросов Хп. Одновременно сформированный прямоугольный импульс Хп с выхода формирователя 56 поступает на стробирующий каскад 59, на второй вход которого поступает непрерывная последовательность коротких счетных импульсов Сi, формируемых генератором счетных импульсов 60. В результате на выходе стробирующего каскада прямоугольный импульс Хп заполняется короткими счетными импульсами Ci, как это показано на фиг.4(в). Сигнал Хв поступает на вход второго счетчика 58, который осуществляет подсчет числа N2 счетных импульсов, поступающих на его вход за заданный промежуток времени Δtп. Величина числа импульсов N2, измеряемых вторым счетчиком 58, определяет суммарную длительность выбросов Тв за заданный промежуток (единицу) времени Δtп. Суммарная длительность выбросов определяется по формуле Тв=N2•tсч (10), где tсч - период следования счетных импульсов, формируемых генератором счетных импульсов 60, который известен с высокой степенью точности. Для формирования промежутка времени счета импульсов N2 на второй вход счетчика 58 также поступает сигнал Uп1 с выхода первого синхрогенератора 45.The sync generator 45 is a standard generator of periodically repeating rectangular pulses (gating pulses), the duration of which Δt p is determined by the control signal (digital) coming from the
X (t) - input random signal (process) from the output of one of the partial photosensitive elements of the
Таким образом, в результате работы ячейки определения параметров выбросов 44 на ее выходах А и В периодически с частотой повторения стробирующих импульсов Uп1 образуются сигналы, пропорциональные числу N1 выбросов амплитуды случайного процесса (сигнала) X(t), поступающего на вход ячейки 44 (выход А), и числу N2, пропорциональному величине суммарной длительности выбросов случайного процесса Х(t) в течение заданного промежутка (единицы) времени Δtп. Сигналы на выходах ячейки 44 могут быть представлены как в цифровой, так и в аналоговой форме в зависимости от конструктивных параметров счетчиков 57, 58. В дальнейшем сигналы на выходах А и В ячейки 44 обозначаются SA(t) и SB(t), при этом подразумевается любая форма представления сигналов (цифровая или аналоговая), которая при дальнейшем изложении может быть принята любой и поэтому не конкретизируется.Thus, as a result of the operation of the cell for determining the parameters of the
Сформированные на выходах ячейки 44 сигналы SA(t) и SB(t) являются статистическими параметрами (характеристиками) случайного процесса X(t) с выхода некоторого фоточувствительного парциального элемента МФП 22, и характеризуют в конечном итоге случайный процесс спонтанного излучения с выхода АКФ 16 в одном из парциальных углов приема оптического излучения.The signals S A (t) and S B (t) formed at the outputs of
Рассмотренное определение параметров выбросов случайного процесса Х(t) в одной ячейке определения параметров выбросов 44 осуществляют одновременно и параллельно во всех остальных ячейках 44 на фиг.2. В результате на выходах отдельных ячеек 44 образуются сигналы, которые характеризуют статистический параметр (SА или SB) оптического излучения на рабочей длине волны λраб в каждом отдельном парциальном пространственном угле приема на выходе АКФ 16. При отсутствии на входе АКФ 16 внешнего оптического сигнала измеренные статистические параметры SA(t) и SB(t) являются функциями постоянными во времени (в среднем), так как параметры спонтанного излучения на выходе АКФ 16 являются в общем случае неизменными, стационарными и в среднем одинаковыми в отдельных различных парциальных углах приема. При наличии на входе АКФ 16 оптического внешнего сигнала в соответствующем парциальном угле приема на выходе АКФ 16 статистические параметры SA(t) и SB(t) претерпевают изменение относительно их среднего значения. Этот результат (эффект) используют для обнаружения наличия внешнего сигнала на входе АКФ 16 в одном из парциальных углов приема оптического излучения. Сигналы SA(t) и SB(t) с выходов счетчиков 57 и 58 поступают на входы переключателя 58а, управляемого от блока обработки информации 28, к которому подключен управляющий вход переключателя 58а. В зависимости от выбранного вида измеряемого статистического параметра SА (число выбросов) или SВ (суммарная длительность выбросов) переключатель 58а по команде от блока обработки информации 28 устанавливают в позицию "1" или "2" (см. фиг.3). В соответствии с установленной позицией переключателя 58а в дальнейшем при реализации операций способа используют какой-либо конкретно выбранный вид статистического параметра (SА или SВ). Определяют среднюю величину измеренного статистического параметра (SА или SB) для всех парциальных углов приема на выходе АКФ 16. Для этого сигналы с выходов ячеек 44 (см. фиг.2) параллельно поступают на вход первого коммутатора 46, который в режиме опроса последовательно подключает выход каждой ячейки 44 к сумматору 47. Управление и синхронизация работы первого коммутатора 46 осуществляется по сигналам, поступающим на этот коммутатор с выхода блока обработки информации 28. Сумматор 47 осуществляет суммирование сигналов SА(t) (или SB(t)) с выходов всех ячеек 44 и формирует суммарную величину
где Nфп 2= Nфп•Nфп - число ячеек 44, равное числу парциальных фоточувствительных элементов в МФП 22.The considered determination of the parameters of the emissions of the random process X (t) in one cell for determining the parameters of the
where N fp 2 = N fp • N fp - the number of
(Далее рассматривается обработка сигнала SА(t) с выхода ячеек 44. Обработку сигналов SВ(t) осуществляют аналогичным образом). С выхода сумматора 47 сигнал SΣ поступает на вход ячейки деления 48, в которой осуществляют операцию деления на величину Nфп 2 (или умножения на 1/Nфп 2), в результате чего на выходе ячейки 48 формируют величину So, равную средней величине измеренного статистического параметра SА для всех парциальных углов приема на выходе АКФ 16
Информация о средней величине So статистического параметра поступает с выхода ячейки 48 на вторые входы ячеек вычитания 49. На первые входы ячеек вычитания 49 поступают сигналы SA(t) с выходов соответствующих ячеек определения параметров выбросов 44. Число ячеек 44 и ячеек 49 одинаково. В результате операций вычитания, производимых в ячейках вычитания 49, на их выходах образуются сигналы Sp, пропорциональные текущему отклонению статистического параметра SA(t) от средней величины данного параметра So
Sp=SA(t)-So (13)
Этим реализуется операция определения величины отклонения статистического параметра SА от средней величины данного параметра (по ансамблю) для каждого из парциальных углов приема оптического излучения на выходе АКФ.(The processing of the signal S A (t) from the output of the
Information about the average value S o of the statistical parameter comes from the output of
S p = S A (t) -S o (13)
This implements the operation of determining the deviation of the statistical parameter S A from the average value of this parameter (over the ensemble) for each of the partial angles of reception of optical radiation at the output of the ACF.
В результате на выходах ячеек 49 соответствующих выходам блока определения статистических параметров формируют функцию отклонения во времени F (t), равную разности текущих значений статистического параметра SA(t) и средней величины статистического параметра Sо для каждого из парциальных пространственных углов приема оптического излучения на выходе АКФ 16
F(t)=SA(t)-So. (14)
Далее осуществляют обработку полученного набора сигналов F (t) по двум отдельным параллельным каналам.As a result, at the outputs of the
F (t) = S A (t) -S o . (14)
Next, the resulting set of signals F (t) is processed through two separate parallel channels.
Первый канал обработки состоит из блока суммирования 25 и первого порогового блока 26. The first processing channel consists of a summing
Второй канал обработки состоит из блока корреляционной обработки 24 и второго порогового блока 27. The second processing channel consists of a
Сигналы с выхода блока определения статистических параметров 23 одновременно и параллельно поступают на входы блока суммирования 25 и блока корреляционной обработки 24. The signals from the output of the unit for determining
С помощью блока суммирования 25 осуществляют текущее суммирование во времени значений функции отклонения F(t) на интервале времени Тc, равном длительности Та оптического сигнала-аналога принимаемого излучения. Блок суммирования 25 выполняет указанную операцию следующим образом. Блок-схема блока суммирования 25 приведена на фиг.2. Блок суммирования 25 содержит ячейки суммирования 50, каждая из которых подключена к соответствующему выходу блока определения статистических параметров 23. Одновременно на вторые управляющие входы ячеек суммирования 50 с выхода второго синхрогенератора 52 поступает управляющий сигнал, определяющий работу ячеек 50 в режиме суммирования поступающих на их входы сигналов F(t). Длительность управляющего сигнала Тc определяет промежуток времени суммирования Тc=Та, равный длительности Та сигнала-аналога принимаемого излучения.Using the summing
Второй синхрогенератор 52 периодически вырабатывает управляющие сигналы (импульсы длительностью Тc), обеспечивающие работу каждой из ячеек суммирования 50 в режиме суммирования выходных сигналов-функций отклонения F(t) - с выходов блока 23 в пределах промежутка времени длительностью Тc=Та. В результате на выходах каждой из ячеек суммирования 50 после воздействия управляющего сигнала длительностью Тc образуется суммарный сигнал Z1 следующего вида:
Суммарный сигнал Z1 представляет собой сумму значений функции отклонения F(t) в течение интервала времени суммирования Тc, равного длительности сигнала-аналога принимаемого излучения. На выходе каждой отдельной (парциальной) ячейки суммирования 50 полученная сумма Z1 определяет суммарное отклонение статистического параметра оптического излучения с выхода АКФ 16 от его среднего значения в соответствующем парциальном угле приема излучения на выходе АКФ 16.The second sync generator 52 periodically generates control signals (pulses of duration T c ), ensuring the operation of each of the cells of the
The total signal Z 1 represents the sum of the values of the deviation function F (t) during the interval of the summing time T c equal to the duration of the signal-analogue of the received radiation. At the output of each individual (partial) summing
Далее с помощью второго коммутатора 51 и по управляющему сигналу с выхода блока обработки информации 28, поступающему на коммутатор 51, каждый из выходов ячеек суммирования 50 подключают поочередно к первому пороговому блоку 26, который осуществляет сравнение величины суммы Z1 (15) с ранее заданным первым пороговым уровнем P1. При превышении величиной суммы Z1 заданного первого порогового уровня Р1:Z1 > P1 с выхода первого порогового блока 26 поступает соответствующий сигнал о наличии превышения порога на выходе некоторой i-й ячейки суммирования 50. Первый и второй пороговые блоки 26 и 27 содержат ячейку сравнения (коммутатор) и регистр памяти, в котором зарегистрирована величина заданного порогового уровня P1 или Р2. При выполнении условия Z1 > P1 (или Z2 > Р2) ячейка сравнения формирует импульсный сигнал о наличии превышения заданного порога, который поступает в блок 28. При этом номер данной i-ой ячейки 50 также определяется в блоке обработки информации 28 на основании того, какая ячейка суммирования 50 в этот момент подключена коммутатором 51 ко входу первого порогового блока 26 в соответствии с управляющим сигналом, поступающим на коммутатор 51 с выхода блока обработки информации 28. При наличии нескольких ячеек суммирования 50, в которых величина суммы Z1 превысила заданный пороговый уровень Р1 в первом пороговом блоке 26, информация об этих ячейках суммирования 50 и их номерах, соответствующих номерам парциальных фоточувствительных элементов в МФП 22, поступает с выхода блока 26 в блок обработки информации 28 и регистрируется в нем. При регистрации превышения заданного порогового уровня в одной из ячеек суммирования 50 в блоке обработки информации 28 фиксируют номер этой ячейки, а также регистрируют сам факт обнаружения наблюдаемого объекта (момент обнаружения). При этом момент времени t1, при котором достигнут результат обнаружения объекта, определяемый по превышению заданного порога, используют для фиксации координаты дальности обнаруженного объекта по времени задержки между моментом времени излучения (формирования) лазерного излучения в источнике лазерного излучения 1 и моментом времени t1, фиксируемом при превышении заданного порога в одной из ячеек 50. Операцию определения времени задержки осуществляют в блоке обработки информации 28 с использованием встроенного в этот блок собственного таймера (счетчика текущего времени).Next, using the
При этом за момент излучения лазерного сигнала источником лазерного излучения принимают, например, момент подачи управляющего сигнала с выхода блока 28 на источник лазерного излучения 1 или момент регистрации фотоприемником 38 оптического сигнала, поступающего на него с выхода источника лазерного излучения 1. Сигнал с выхода ФП 38 через блок определения длительности 39 поступает на вход бока 28, Одновременно и параллельно осуществляют обработку сигналов-функций отклонения F(t) - в блоке корреляционной обработки 24. Блок-схема блока корреляционной обработки 24 приведена на фиг.2. Блок 24 содержит корреляторы 53, число которых соответствует числу ячеек вычитания 49 в блоке определения статистических параметров 23, и третий коммутатор 54, выход которого подключен ко входу второго порогового блока 27. Входы корреляторов 53 подключены к соответствующим выходам ячеек вычитания 49 - выходам блока определения статистических параметров 23. На вторые входы корреляторов 53 поступает в форме электрического сигнала запомненный ранее в блоке памяти 40 электрический сигнал-аналог принимаемого излучения ЕAЭ(t). Каждый из корреляторов 53 осуществляет формирование взаимокорреляционной функции К(t) между сигналом-аналогом принимаемого излучения ЕАЭ(t) и функцией отклонений F(t), сформированной на одном из выходов блока определения статистических параметров 23, на одном из выходов соответствующей ячейки вычитания 49, к выходу которой подключен вход данного коррелятора 53
K(t) = ∫EАЭ(t)•F(t+τ)dt (16).
В каждом из корреляторов 53 полученное значение функций взаимной корреляции K(t) запоминается в соответствующем регистре, входящем в состав данного коррелятора.In this case, for the moment of emission of the laser signal, the source of laser radiation is taken, for example, the moment of supply of the control signal from the output of
K (t) = ∫E AE (t) • F (t + τ) dt (16).
In each of the
Далее третий коммутатор 54 по управляющему сигналу, поступающему с выхода блока обработки информации 28, осуществляет последовательное подключение выходов корреляторов 53 ко второму пороговому блоку 27. Второй пороговый блок 27 осуществляет последовательное сравнение поступающих величин значений взаимокорреляционной функции К(t) со вторым заданным пороговым уровнем Р2, и при превышении величиной К(t) на выходе какого-либо из корреляторов величины P2
K(t) > P2 (17)
на выходе блока 27 образуется сигнал, поступающий в блок обработки информации 28. В результате в блок обработки информации 28 с выхода второго порогового блока 27 поступает информация о наличии одного или нескольких корреляторов 53 (и их номерах), на выходах которых величина функции взаимной корреляции К(t) превысила величину заданного второго порогового уровня Р2 (17). Данная информация регистрируется в блоке обработки информации 28 в соответствующих регистрах. Одновременно в блоке обработки информации 28 фиксируют и момент времени t2 превышения заданного второго порогового уровня в одном из корреляторов 53. Этот момент времени характеризует координату дальности обнаруженного объекта и определяется в блоке 28 аналогично моменту времени t1 для блока суммирования 25, как это рассмотрено выше. Для определения координаты дальности по времени задержки принятого сигнала от объекта относительно излученного в сторону объекта сигнала лазерного излучения, используют или какой-либо один из моментов времени t1, t2, или среднее между этими моментами времени что позволяет повысить точность определения координаты дальности на основе принятого от объекта слабого оптического сигнала. При этом указанное сравнение величин K(t) и Р2 осуществляют периодически один раз в конце промежутка времени Та, соответствующего длительности сигнала-аналога принимаемого излучения. Момент времени для осуществления сравнения сигналов на выходах корреляторов 53 со вторым заданным пороговым уровнем Р2 во втором пороговом блоке 27 определяется управляющим сигналом, поступающим на вход третьего коммутатора 54 с выхода блока обработки информации 28 и определяющим перевод данного коммутатора 54 в режим запроса уровней сигналов с выходов корреляторов 53. Период поступления данного управляющего сигнала равен длительности Та и определяется блоком обработки информации 28.Next, the
K (t)> P 2 (17)
at the output of
В результате в блоке обработки информации 28 образуется информация о наличии (или отсутствии) превышения порога Р2 на выходах корреляторов 53. Как было указано, каждый отдельный выход блока определения статистических параметров 23 соответствует одному парциальному углу приема оптического излучения на выходе АКФ 16. В результате проведенной пороговой обработки, осуществленной первым и вторым пороговыми блоками 26, 27 в блоке обработки информации 28 сформирована информация, характеризующая состояние статистических параметров оптического излучения на выходе АКФ 16 в каждом из парциальных пространственных углов приема для промежутка времени Та, соответствующего длительности Тс=Та сигнала-аналога принимаемого излучения. На основании данной сформированной информации в блоке обработки информации 28 принимают решение о наличии обнаруживаемого объекта в одном из парциальных пространственных углов приема ωп при выполнении следующих условий:
1. В одном из углов ωп суммарное отклонение статистического параметра от его среднего ранее определенного значения So превышает заданный первый пороговый уровень P1 за промежуток времени Та = Тс, равный длительности сигнала-аналога принимаемого излучения.As a result,
1. In one of the angles ω p the total deviation of the statistical parameter from its average previously determined value of S o exceeds a predetermined first threshold level P 1 for a period of time T a = T s equal to the duration of the signal analogue of the received radiation.
Z1 > Р1.Z 1 > P 1 .
2. В одном из углов ωп - величина функции взаимной корреляции K(t) превышает второй заданный пороговый уровень Р2 (17) за промежуток времени Та = Тс.2. In one of the angles ω p - the cross-correlation function K (t) exceeds the second predetermined threshold level P 2 (17) over a period of time T a = T s .
3. Одновременное выполнение первого или второго условий в нескольких парциальных углах приема ωп1,ωп2... В этом случае принимается решение о наличии протяженного объекта, расположенного в парциальных углах ωп1,ωп2..., в которых выполняются условия 1 и 2, при этом совокупность углов ωп1,ωп2... характеризует изображение обнаруженного объекта.3. Simultaneous fulfillment of the first or second conditions in several partial angles of reception ω p1 , ω p2 ... In this case, a decision is made on the presence of an extended object located in partial angles ω p1 , ω p2 ..., in which
4. Одновременное выполнение обоих условий 1 и 2 в одном или нескольких углах приема ωп1,ωп2. В этом случае принимается решение о наличии объекта в данных углах приема ωп1,ωп2. Таким образом, при отдельном выполнении одного из условий 1, 2 или одновременном выполнении условий 1 и 2 в одном или нескольких парциальных углах приема ωп принимается решение о наличии (обнаружении) объекта в тех углах приема ωп, в которых эти условия 1 и 2 одновременно или по отдельности выполнены. Одновременное выполнение условий 1 и 2 в одном и том же угле приема ωп позволяет реализовать более высокую вероятность обнаружения объекта. Напомним, что абсолютная величина каждого из парциальных телесных углов приема, ωп1,ωп2, равна дифракционному углу приема ωд, как это установлено ранее. Каждый из углов приема ωп1,ωп2 характеризует некоторую угловую координату наблюдаемого поля зрения, в которой осуществляют обнаружение объекта. Полученная в блоке обработки 28 информация о наличии объекта в одном или нескольких углах приема ωд может быть отображена, например, на дисплее, входящем в состав данного блока.4. The simultaneous fulfillment of both
На этом операции по лазерной локации и обнаружению наблюдаемого объекта завершены. On this, the operations of laser location and detection of the observed object are completed.
Сформированная в блоке обработки информации 28 информация об обнаружении объекта, его координатах, соответствующих угловым координатам парциальных элементов фотоприемника ФПМ 22, в которых превышен пороговый уровень отклонений статистического параметра, а также информация о координатах дальности обнаруженного объекта с выхода блока 28 поступает внешним потребителям информации (поз. 43а на фиг.1). Formed in the
Далее рассмотрим выполнение отдельных операций, реализуемых устройством, осуществляющим способ. Операция суммирования текущих значений функции отклонения F(t), выполняемая в ячейках суммирования 50 (фиг.2), реализуется следующим образом. Next, we consider the implementation of individual operations implemented by the device implementing the method. The operation of summing the current values of the deviation function F (t), performed in the cells of the summation 50 (figure 2), is implemented as follows.
Блок-схема одной ячейки суммирования 50 приведена на фиг.5. На вход ячейки суммирования 50 с выхода ячейки вычитания 49 (см. фиг.2) непрерывно поступает реализация функции отклонения F(t). Данный сигнал F(t) поступает на вход кольцевого коммутатора 61, который имеет М выходов, подключенных к соответствующим регистрам памяти 62, число которых также равно М. Кольцевой коммутатор 61 последовательно во времени подключает вход Ввх к выходам Ввых в соответствии с последовательностью их (выходов) номеров: 1, 2, 3, ..., m. Дойдя до номера выхода m, кольцевой коммутатор 61 снова осуществляет подключение своего входа Ввх к первому выходу Ввых с номером 1. Таким образом осуществляют круговое циклическое подключение входов регистров памяти 62 ко входу Ввх, подключенному к выходу ячейки вычитания 49 (на фиг.2), то есть к сигналу F(t) - функции отклонения. В момент подключения регистра памяти 62 ко входу Ввх с текущим значением F (t) соответствующий регистр памяти 62 регистрирует поступившее на его вход данное текущее значение функции отклонения F(t). При этом ранее зарегистрированная величина в данном регистре памяти 62 стирается. В результате в регистрах памяти 62 постоянно регистрируется отрезок реализации функции отклонения F(t) с протяженностью во времени Tp = m•Δt1, где m - число отдельных регистров памяти 62, включенных в режим периодической регистрации поступающей информации (кольцо) ; Δt1 - длительность периода подключения данного одного регистра памяти 62 ко входу Ввх, соединенному с соответствующим выходом ячейки вычитания 49. Величина Δt1 может быть представлена также как период регистрации значений текущей реализации функции отклонения F(t). Длительность Δt1 устанавливают равной единице времени измерения статистического параметра оптического излучения, которая соответственно равна одной или нескольким постоянным времени tп активного квантового фильтра (АКФ) ; tп=1/fо, где fo - полоса квантового усиления АКФ.A block diagram of one summing
Таким образом, Δt1 = l•tп; l= 1; 2.. Величину Тр выбирают равной длительности сигнала-аналога принимаемого излучения Тр = Та. Величина m количества задействованных регистров памяти 62 определяется, таким образом, длительностью Та сигнала-аналога принимаемого излучения, которая была определена ранее
Установление величин m и Δt1, определяющих работу кольцевого коммутатора 61, осуществляют с помощью схемы управления 65, по управляющим сигналам, поступающим на эту схему 65 с выхода блока обработки информации 28. В блоке обработки информации 28 значение величины Δt1 - длительность единицы времени измерения статистического параметра - устанавливают заранее согласно априорному выбору режима измерения случайных сигналов на выходе АКФ. Данная величина Δt1 выбирается равной Δt1 = l•tп, где l=1 или 2 и не подлежит в дальнейшем оперативному изменению. Величину m в блоке обработки информации 28 определяют на основании соотношения
где Тс - ранее определенная в блоке 39 величина длительности сигнала-аналога принимаемого излучения. Информация о величине Тс с выхода блока 39 поступила ранее после ее определения в блок обработки информации 28. Информация о величине Δt1 и величине m с выхода блока обработки информации 28 поступает на схему управления 65 в цифровой форме по отдельному каналу связи. Следует отметить, что данная информация параллельно поступает на все ячейки суммирования 50 на содержащиеся в этих ячейках схемы управления 65. Схема 65 представляет собой цифровой специализированный дешифратор сигналов управления, поступающих с блока обработки информации 28. По поступившей закодированной информации о параметрах m и Δt1 схема управления 65 вырабатывает сигнал, определяющий номер m выхода Ввых в кольцевом коммутаторе 61, после которого коммутатор 61 осуществляет вновь подключение первого выхода Ввых к своему входу Ввх.Thus, Δt 1 = l • t p ; l is 1; 2 .. The value of T p is chosen equal to the duration of the signal analogue of the received radiation T p = T a . The value m of the number of involved memory registers 62 is thus determined by the duration T a of the signal-analog of the received radiation, which was previously determined
The values of m and Δt 1 determining the operation of the
where T with - previously determined in block 39, the duration of the signal-analogue of the received radiation. Information about the value of T s from the output of block 39 was received earlier after its determination in the
Одновременно схема управления 65 в соответствии с величиной параметра Δt1 вырабатывает второй управляющий сигнал, определяющий длительность периода Δt1 переключения выходов в кольцевом коммутаторе 61. Для этого в последнем осуществляют переключение, например, некоторой емкости, величина которой определяет период (частоту) переключения выходов в коммутаторе 61. Выходы кольцевого коммутатора 61 подсоединены ко входам регистров памяти 62. По сигналу-импульсу с выхода второго синхрогенератора 52 фиг.2 выходной коммутатор 63 осуществляет быстрое последовательное подключение каждого регистра памяти 62 ко входу выходного сумматора 64. Последний осуществляет суммирование всех значений величин F (t), зарегистрированных в этот момент подачи управляющего сигнала синхрогенератором 52 в регистрах памяти 62. В результате в выходном сумматоре 64 образуется величина, равная сумме всех значений функции отклонения F (t) за время Тр=Тс, равное длительности сигнала-аналога принимаемого излучения
Сформированная сумма Z1 с выхода выходного сумматора 64 поступает далее на один из входов второго коммутатора 51, фиг.2, а через последний на вход первого порогового блока 26 при осуществлении считывания сигналов-сумм Z1 с выходов ячеек памяти 50 в соответствии с ранее рассмотренной работой блока суммирования 25 (см. фиг.2).At the same time, the
The generated sum Z 1 from the output of the
Таким образом, ячейки суммирования 50 работают по схеме скользящего суммирования поступающих на их входы сигналов-функций отклонения F(t). При поступлении на вход ячейки 50 нового значения (отсчета) функции суммирования F(t) в пределах элементарной длительности Δt1 данное новое значение F(t) регистрируется на место самого первого в ряду m регистров 62 значения F(t) (самого старого), которое стирается из памяти данного регистра 62.Thus, the summing
При этом в памяти регистров 62 постоянно находятся текущие значения функции отклонения F(t) за прошедший промежуток времени, равный Тр, который образует "скользящее окно" во времени, передвигающееся по текущей реализации функции отклонения F(t). В любой момент времени можно осуществить считывание и суммирование информации в регистрах памяти 62 для дальнейшей пороговой обработки в первом пороговом блоке 26 с целью определения превышения отклонения статистического параметра от его среднего значения в пределах текущего промежутка времени Тр, заданного управляющими сигналами от блока обработки информации 28. Данную операцию считывания и выполняют выходной коммутатор 63 и второй коммутатор 51 по сигналам с выхода синхрогенератора 52. Синхрогенератор 52 вырабатывает периодические управляющие импульсы, в соответствии с которыми осуществляют единовременное быстрое подключение (последовательное) регистров 62 к выходному сумматору 64. Периодичность поступления этих управляющих импульсов определяется в свою очередь управляющим сигналом, поступающим на синхрогенератор 52 от блока обработки информации 28.Moreover, in the memory of the
Рассмотрим выполнение операций корреляции в блоке корреляционной обработки 24, блок схема которого приведена на фиг.2. (см. поз. 24). Блок корреляционной обработки 24 содержит корреляторы 53, каждый из которых подключен к выходу соответствующего элементарного парциального канала блока 23 определения статистических параметров. Вторые входы корреляторов подключены к выходу блока памяти 40. Выходы корреляторов 53 подключены к третьему коммутатору 54. Каждый из корреляторов 53 осуществляет формирование функции взаимной корреляции между поступающим на их первый и второй входы текущих значений функции отклонения F(t) в одном из парциальных углов приема ωп оптического излучения и сигналом-аналогом принимаемого излучения. На фиг.6 приведена блок-схема первого варианта выполнения коррелятора 53. Число корреляторов 53 равно числу выходов блока 23 и соответственно числу парциальных фоточувствительных элементов в МФП 22. Элементы поз. 66 - 69 идентичны элементам одинакового наименования поз. 61 - 63; 65 в ячейке суммирования 50, работа которой рассмотрена выше. Указанные элементы в корреляторе 53 выполняют такую же функцию, что и в ячейке 50, а именно выделяют текущие значения функции отклонения F(t) в пределах промежутка времени Та, равного длительности сигнала-аналога принимаемого излучения, то есть элементы поз. 66 - 68; 69 формируют "скользящее окно" во времени, передвигающееся по текущей реализации функции отклонения F(t).Consider the implementation of correlation operations in the block of
Сигнал функции отклонения F(t) с выхода выходного коммутатора 68 (см. фиг.6) поступает на вход генератора промежуточной частоты 70, а с его выхода на акустооптический модулятор 71. Выходной коммутатор 68 по сигналу управления, поступающему на него с выхода блока обработки информации 28, осуществляет последовательное подключение регистров памяти 67 ко входу генератора промежуточной частоты 70 (ПЧ), в результате чего на входе генератора 70 образуется последовательная реализация функции отклонения F (t) в пределах отрезка времени Та, равного длительности сигнала-аналога принимаемого излучения. Данная реализация F (t) зарегистрирована ранее в регистрах памяти 67 и непрерывно обновляется (продвигается во времени) по мере работы кольцевого коммутатора 66. Акустооптический модулятор света 71 осуществляет преобразование электрического сигнала промежуточной частоты с выхода генератора ПЧ 70 в пространственную модуляцию светового потока, созданного источником света 72 и расширителем пучка света 73. В состав генератора ПЧ 70 входит амплитудный модулятор, который осуществляет амплитудную модуляцию сигнала промежуточной частоты, генерируемого генератором ПЧ 70, в соответствии с сигналом функции отклонения F(t), поступающим на вход генератора ПЧ 70. В результате на управляющий вход акустооптического модулятора света 71 (АОМ) поступает сигнал промежуточной частоты, промодулированный сигналом функции отклонения F(t). Пьезопреобразователь 83, входящий в состав АОМ 71, преобразует этот сигнал в бегущую акустическую волну в прозрачной для света среде АОМ 71, выполненного, например, из кварца. Световой поток от источника света 72 после прохождения через АОМ 71 приобретает пространственную модуляцию по фазе, соответствующую функции отклонения F(t). При малых индексах модуляция по фазе эквивалентна амплитудной модуляции светового пучка. Таким образом, АОМ 71 осуществляет ввод сигнала F(t) в оптическую систему (фиг.6), выполняющую операцию формирования функции взаимной корреляции. Первый объектив 74 формирует в плоскости первого пространственного фильтра 75 Фурье-спектр сигнала F(t). Пространственный фильтр 75 выделяет (пропускает) спектр сигнала F(t), который локализован в одном из первых дифракционных порядков, соответствующих пространственной частоте, определяемой промежуточной частотой от генератора ПЧ 70. Нулевой порядок дифракции заграждается фильтром 75. Второй объектив 76 выполняет обратное преобразование Фурье и формирует в плоскости прозрачного светомодулирующего экрана 84 светомодулирующей ЭЛТ 77 (СЭЛТ) отфильтрованное изображение сигнала F(t), которое вследствие передвижения во времени акустической волны в АОМ 71 также непрерывно перемещается относительно пространственного сигнала, зарегистрированного на светомодулирующем экране 84. СЭЛТ 77 выполняет функцию эталонной маски. На светомодулирующем экране 84 регистрируют пространственное распределение Е(х), соответствующее сигналу-аналогу принимаемого излучения ЕАЭ(t), зарегистрированному ранее в блоке памяти поз.40 на фиг.1. Запись сигнала ЕАЭ(t) на светомодулирующий экран 84 осуществляют следующим образом. Сигнал ЕАЭ(t) из блока памяти 40 в аналоговой электрической форме поступает через электронный усилитель 81 на управляющий электрод электронного прожектора 85 СЭЛТ 77, который путем электронной развертки и модуляции электронного луча по интенсивности наносит на светомодулирующий экран 84 (СЭ) электрический заряд Е(х), с распределением, пропорциональным сигналу ЕАЭ(t). СЭ 84 выполнен из электрооптического кристалла и осуществляет пространственную модуляцию проходящего светового потока в соответствии с нанесенным зарядным рельефом Е (х), соответствующим сигналу-аналогу ЕАЭ(t). Для осуществления этого СЭ 84 размещен между двумя скрещенными поляризаторами 86, 87, преобразующими в амплитудную модуляцию светового потока модуляцию света по поляризации, которую производит СЭ 84, выполненный из электрооптического кристалла, под воздействием нанесенного на него электронным лучом зарядного рельефа Е (х). В результате на оптическом выходе СЭЛТ 77, то есть на входе третьего объектива 78, образуется пространственный оптический сигнал, пропорциональный произведению EАЭ(t)•F(t+τ), в котором составляющая F(t+τ) перемещается относительно сигнала ЕАЭ(t). Третий объектив 78 осуществляет интегрирование сформированного произведения по пространству и формирует в плоскости второго пространственного фильтра (ПФ) 79 сигнал, пропорциональный взаимокорреляционной функции К(t)
ПФ 79 выделяет (пропускает) в одном из первых боковых порядков дифракции сигнал К (t) и задерживает любые другие фоновые (помеховые) сигналы, которые могут возникнуть в плоскости ПФ 79. Фотоприемник 80 осуществляет считывание сигнала К(t) и направляет его в блок промежуточной памяти 82 (буферный регистр), откуда данный сигнал направляют в третий коммутатор 54 фиг.2 и далее во второй пороговый блок 27 для выполнения операции сравнения со вторым заданным пороговым уровнем.The signal of the deviation function F (t) from the output of the output switch 68 (see Fig. 6) is fed to the input of the
Таким образом, в рассмотренном корреляторе 53 (блок-схема на фиг.6) осуществляют прямое формирование функции взаимной корреляции К(t) в пределах длительности сигнала-аналога Та, при этом взаимное перемещение анализируемого сигнала - F(t) - функции отклонения и эталонной фиксированной маски - Е(х) - пропорциональной сигналу-аналогу принимаемого излучения ЕАЭ(t) осуществляют за счет перемещения акустической волны в АОМ 71.Thus, in the considered correlator 53 (block diagram in FIG. 6), the cross-correlation function K (t) is directly formed within the duration of the analog signal T a , while the mutual movement of the analyzed signal - F (t) is the deviation function and the reference fixed mask - E (x) - proportional to the signal analogue of the received radiation E AE (t) is carried out by moving the acoustic wave in the
Рассмотренный коррелятор 53, выполненный на основе средств оптической обработки информации, обладает высоким быстродействием и точностью выполнения сложных интегральных операций. The considered
Основной элемент блока корреляционного анализа 24, коррелятор 53, может быть выполнен полностью на цифровых элементах в компактном исполнении. Далее рассмотрен такой коррелятор 53, осуществляющий формирование функции взаимной корреляции K(t) в цифровой форме, выполненный на основе процессоров быстрого преобразования Фурье (БПФ) - второй вариант построения коррелятора 53. На фиг.7 приведена блок-схема второго варианта коррелятора 53. The main element of the
Элементы поз. 91 - 94 идентичны элементам одинакового наименования поз. 61 - 63; 65 в ячейке суммирования 50. С выхода выходного коммутатора 93 на вход первого процессора БПФ 95 поступает сигнал функции отклонения F(t) с протяженностью во времени Та, равной длительности сигнала-аналога принимаемого излучения. На вход второго процессора БПФ 96 от блока памяти 40 поступает сигнал-аналог принимаемого излучения ЕАЭ(t). Процессор БПФ 96 формирует в цифровой форме Фурье-спектр ФA(ω) сигнала-аналога
и комплексно-сопряженный Фурье-спектр Ф
and complex conjugate Fourier spectrum
Первый процессор БПФ 95 формирует Фурье-спектр функции отклонения F(t). Перемножитель 98 осуществляет формирование произведения SA(ω)•Ф
где К (t) - функция взаимной корреляции.
where K (t) is the cross-correlation function.
Преимуществом выполнения коррелятора 53 на основе цифровых процессоров БПФ и процессора-перемножителя 98 является возможность создания малогабаритной аппаратуры. The advantage of the implementation of the
Функционально корреляторы 53 на основе процессоров оптической обработки информации (первый вариант на фиг.6) и процессоров БПФ цифровой обработки информации (второй вариант на фиг.7) являются идентичными. Functionally, the
Рассмотрим операции формирования пороговых уровней. Consider the operation of the formation of threshold levels.
Формирование величин первого и второго заданных пороговых P1, Р2 уровней осуществляют следующим образом (см. фиг.1).The formation of the values of the first and second predetermined threshold P 1 , P 2 levels is as follows (see figure 1).
Направляют сформированный оптический сигнал-аналог принимаемого излучения ЕА(t) на вход АКФ 16. Для этого первое отражательное зеркало 14 с помощью блока перемещения 15 устанавливают в положение П2 по сигналу управления с блока обработки информации 28. В этом состоянии на вход АКФ 16 поступает оптический сигнал-аналог принимаемого излучения, ответвленный с оптического выхода первой формирующей линзы 33 посредством второго полупрозрачного зеркала 37 и направляемый отражательными зеркалами 30а, 31. Вторая формирующая линза 34 осуществляет формирование параллельного светового потока, поступающего далее на вход АКФ 16. Далее с оптическим сигналом-аналогом принимаемого излучения осуществляют все те же операции, что и операции при приеме излучения, отраженного от наблюдаемого объекта, рассмотренные выше. Различие заключается в том, что сигнал-аналог ЕА(t) принимают в одном из парциальных углов приема оптического излучения на выходе АКФ 16, причем в этом угле приема, который соответствует сигналу-аналогу ЕА(t), и осуществляют определение параметров пороговых уровней P1 и Р2.The generated optical signal-analogue of the received radiation E A (t) is directed to the input of the ACF 16. For this, the first
Осуществляют спектральную селекцию и усиление сигнала-аналога принимаемого излучения ЕА(t) в АКФ 16 на рабочей длине волны λраб. В каждом из парциальных пространственных углов приема ωп на выходе АКФ 16 определяют статистический параметр оптического излучения на рабочей длине волны посредством блока определения статистических параметров поз.23 аналогично тому, как это рассмотрено выше при выполнении операций обнаружения оптических сигналов, отраженных от объекта. В качестве статистического параметра используют один из ранее рассмотренных параметров, например число случайных выбросов. В блоке 23 определяют среднюю величину статистического параметра оптического излучения на выходе АКФ 16 для всех парциальных пространственных углов приема на выходе АКФ 16 аналогично рассмотренному выше. В одном из парциальных углов приема на выходе АКФ 16, соответствующем угловому направлению поступающего на вход АКФ 16 оптического сигнала-аналога принимаемого излучения ЕА(t), определяют текущую величину отклонения во времени статистического параметра оптического излучения от измеренной средней величины данного статистического параметра как функцию времени и формируют функцию отклонения F2(1), равную разности текущих значений S (t) статистического параметра и его средней величины So
F2(t)=S(t)-Sо (20).Perform spectral selection and amplification of the signal analogue of the received radiation E A (t) in ACF 16 at a working wavelength λ slave . In each of the partial spatial angles of reception of ω p at the output of the ACF 16, a statistical parameter of optical radiation at the working wavelength is determined by means of the statistical parameter determination unit pos.23 in the same way as described above when performing operations to detect optical signals reflected from the object. As a statistical parameter, one of the previously considered parameters is used, for example, the number of random outliers. In
F 2 (t) = S (t) -S about (20).
Формирование данного отклонения F2 (t) осуществляют в парциальном угле приема сигнала-аналога принимаемого излучения, соответствующем, например, осевой линии АКФ 16, и с помощью парциального элементарного фоточувствительного элемента в МФП 22, расположенного в центре МФП 22 на оси О-О' в фокусе вогнутого зеркала 18, так как диафрагма 35, формирующая световой пучок, также расположена в центре на оптической оси оптической системы из формирующих линз 33, 34, как показано для примера на фиг.1. При этом данный центральный фоточувствительный элемент в МФП 22 соответствует парциальному углу приема оптического сигнала-аналога принимаемого излучения на выходе АКФ 16. Величина функции отклонения F2 (t) для сигнала-аналога принимаемого излучения сформирована на выходе блока определения статистических параметров 23. При этом в качестве статистического параметра могут быть использованы, как это было рассмотрено выше, число случайных выбросов амплитуды оптического излучения в единицу времени над произвольно выбранным фиксированным уровнем или суммарная длительность случайных выбросов амплитуды оптического излучения в единицу времени над произвольно выбранным фиксированным уровнем.The formation of this deviation F 2 (t) is carried out in the partial angle of reception of the signal-analogue of the received radiation, corresponding, for example, to the center line of the ACF 16, and using the partial elementary photosensitive element in the
Далее в блоке суммирования 25 и в блоке корреляционной обработки 24 осуществляют одновременно обработку сформированной функции отклонения F2(t) с целью определения соответственно первого и второго пороговых уровней Р1, Р2. При этом обработку осуществляют только в одном центральном канале, соответствующем фоточувствительному элементу в МФП 22, который также соответствует парциальному углу приема оптического сигнала-аналога принимаемого излучения. Формирование первого порогового уровня P1 осуществляют с помощью блока суммирования 25 и первого блока измерения порогового уровня 41, который содержит регистр памяти, управление записью и считыванием в которой осуществляют по командам от блока обработки информации 28, к которому блок 41 подключен. В блоке суммирования 25 осуществляют суммирование текущих значений функции отклонения F2 (t) на интервале времени Тc, равном длительности сформированного ранее сигнала-аналога принимаемого излучения Та для центрального канала обработки информации с выхода блока определения статистических параметров 23. Полученную сумму Z2 принимают за величину первого заданного порогового уровня P1:
Полученная величина Z2 поступает с выхода блока суммирования 25 в блок 41, где регистрируется в регистре памяти этого блока. Далее по сигналу управления с выхода блока обработки информации 28 блок измерения первого порогового уровня 41 передает значение величины Z2 из своего регистра памяти в первый пороговый блок 26, в котором величина Z2 регистрируется в регистре, определяющем величину первого порогового уровня P1 = Z2. Этим осуществляется установление первого заданного порогового уровня P1. Формирование второго порогового уровня P2 осуществляют с помощью блока корреляционной обработки 24 и второго блока измерения порогового уровня 42. В блоке корреляционной обработки 24 осуществляют формирование взаимно корреляционной функции К2(t) между запомненным электрическим сигналом-аналогом принимаемого излучения ЕАЭ(t) и сформированной функцией отклонения F2(t) на интервале времени Тc, равном длительности сигнала-аналога ЕА(t) также для центрального канала обработки информации с выхода блока 23. С выхода БКА 24 сигнал l(t), соответствующий текущим значениям функции взаимной корреляции К2(t), поступает на вход второго блока измерения порогового уровня 42
Второй блок измерения порогового уровня 42 представляет собой регистратор максимального уровня поступающего на его вход сигнала. Для этого он содержит регистр памяти и ячейку сравнения (компаратор). Первый поступающий в блок 42 сигнал регистрируется в его регистр памяти. Последующие сигналы подвергаются сравнению в ячейке сравнения с ранее зарегистрированным сигналом в регистре, при этом в дальнейшем в регистр записывается наибольший сигнал. В результате к концу времени обработки Та в регистре памяти блока 42 будет зарегистрирована величина, соответствующая максимальному из сигналов, поступивших на вход блока 42, то есть максимальное значение функции взаимной корреляции К2
M2 = max{K2(t)} = max{∫F2(t)E(t-τ)dt} (23)
Данную величину М2 принимают за второй заданный пороговый уровень Р2 = М2. Аналогично блоку 41 в блоке измерения второго порогового уровня 42 сигнал М2 из регистра памяти блока 42 по команде от блока обработки информации 28 поступает на второй пороговый блок 27, где регистрируется в регистре, определяющем величину второго заданного порогового уровня Р2 = М2. В результате рассмотренных операций в первом и втором пороговых блоках 26, 27 устанавливают величины первого и второго заданных пороговых уровней P1, Р2. Установленные пороговые уровни соответствуют выходным сигналам блока определения статистических параметров 23, образующимся при поступлении на вход АКФ 16 оптического сигнала-аналога принимаемого излучения ЕА(t), сформированного на основе данных о предполагаемой дальности до объекта, а также априорных данных о параметрах объекта и трассы распространения излучения. Это позволяет осуществить прием и обнаружение оптических сигналов, отраженных от объекта, с параметрами, в среднем соответствующими априорно установленным при формировании сигнала-аналога параметрам эталонного (предполагаемого) объекта в пределах предполагаемой дальности до объекта.Further, in the summing
The obtained value of Z 2 comes from the output of the summing
The second block for measuring the threshold level 42 is a registrar of the maximum level of the signal arriving at its input. For this, it contains a memory register and a comparison cell (comparator). The first signal arriving at block 42 is recorded in its memory register. Subsequent signals are compared in a comparison cell with a previously registered signal in the register, with the largest signal being subsequently recorded in the register. By the end of the processing time T a memory block in the register 42 is registered value corresponding to the maximum of the signals received at the input of block 42, i.e. the maximum value of the cross-correlation function R 2
M 2 = max {K 2 (t)} = max {∫F 2 (t) E (t-τ) dt} (23)
This value M 2 is taken as the second predetermined threshold level P 2 = M 2 . Like block 41 in the block for measuring the second threshold level 42, the signal M 2 from the memory register of block 42 is sent to the
После формирования пороговых уровней первое отражательное зеркало 14 с помощью блока перемещения 15 устанавливается в положение П1, при котором на вход АКФ 16 поступают оптические сигналы с выхода приемного телескопа 12, 13. After the formation of threshold levels, the first
Рассмотрим работу блока измерения длительности 39. Блок измерения длительности 39 осуществляет операцию измерения длительности сформированного сигнала-аналога принимаемого излучения, который поступает на вход блока 39 в электрической форме с выхода регистрирующего фотоприемника 38. Блок-схема блока измерения длительности приведена на фиг.9. Поступающий на вход блока измерения длительности 39 сигнал-аналог принимаемого излучения ЕА(t) представлен схематично на фиг.8(б) и представляет собой сумму нескольких коротких (элементарных) импульсов малой длительности τ2, образующих некоторый суммарный импульс общей длительностью Та, измерение которой и осуществляет блок 39. Принцип действия блока 39 аналогичен принципу действия рассмотренной выше ячейки определения параметров выбросов поз.44 на фиг.1, 3 и 4. При этом ячейка 44 осуществляет измерение длительностей прямоугольных импульсов (соответствующих выбросам) и не измеряет длительности промежутков между импульсами. Блок измерения длительности 39 осуществляет измерение общей суммарной длительности Та на фиг.8(б), для чего в блоке 39 осуществляют измерение как длительностей прямоугольных импульсов с выхода первого формирователя 102 (см. фиг.9), так и измерение длительностей промежутков между импульсами на фиг.8(б), в результате чего при суммировании полученных значений в сумматоре 100 образуется величина общей суммарной длительности Та.Consider the operation of the unit for measuring duration 39. The unit for measuring duration 39 performs the operation of measuring the duration of the generated signal-analogue of the received radiation, which is input to the unit 39 in electrical form from the output of the
Амплитудный селектор 101 и первый формирователь 102 работают аналогично блокам 55, 56 на фиг.3 и формируют прямоугольные импульсы, соответствующие элементарным импульсам τ2 в сигнале -аналоге на фиг.8(б). Стробирующий каскад 103 и первый счетчик 84 аналогично соответствующим элементам в ячейке 44 на фиг. 3 осуществляют подсчет (измерение) суммарной длительности сформированных прямоугольных импульсов. Для определения промежутков между сформированными в первом формирователе 102 импульсами введен инвертор 106, преобразующий полярность сигналов на обратную. В результате на вход второго формирователя 107 поступает последовательность импульсов, положительные выбросы которых соответствуют промежуткам между исходными импульсами на выходе первого формирователя 102. В состав второго формирователя 107 входит дифференцирующая ячейка, выделяющая границы сформированных импульсов, и собственно схема формирования, генерирующая прямоугольные импульсы по сигналам с выхода данной дифференцирующей ячейки, соответствующие положению промежутков между импульсами на выходе первого формирователя 102. Далее второй стробирующий каскад 108 и второй счетчик 109 осуществляют измерение общей длительности сформированных прямоугольных импульсов.The
Полученная величина поступает в сумматор 100 и суммируется с величиной, измеренной элементами 102, 103, 104. В результате на выходе сумматора 90 формируют сигнал (в цифровой форме), соответствующий общей длительности Та сигнала-аналога, принимаемого излучения на фиг.8(б). Измеренная величина Та с выхода сумматора 100 поступает далее в блок обработки информации 28 на фиг.1.The resulting value enters the
Лазерное локационное устройство, реализующее предлагаемый способ лазерной локации, выполнено на базе стандартных блоков и узлов. Laser location device that implements the proposed method of laser location, made on the basis of standard blocks and nodes.
В качестве источника лазерного излучения 1 использован, например, фотодиссоционный лазер с активным веществом в газовой фазе на основе перфторалкилйодидов и накачкой с помощью мощных импульсных источников оптического излучения. Активный лазерный элемент 2 в этом случае выполнен в виде кюветы с рабочим веществом в газовой фазе. Активный квантовый фильтр 16 представляет собой малошумящий квантовый усилитель, который может быть реализован также, например, на основе фотодиссоционного лазера с указанным активным веществом и накачкой с помощью импульсных источников оптического излучения. As a
В качестве блока обработки информации 28 использована стандартная ПЭВМ с блоками сопряжения для приема и передачи импульсных управляющих сигналов. Программное обеспечение блока 28 (ПЭВМ) включает последовательность операций по включению и запуску отдельных блоков локационного устройства, а также расчета и определения параметров ослабляющего фильтра β0 в блоке ослабления излучения, а также установлению промежутков времени измерения сигналов в блоках измерения статистических параметров и корреляционного анализа. Вычислительные операции в блоке 28 (ПЭВМ) осуществляются с помощью специального вычислительного процессора. В состав ПЭВМ - блок 28 - входят также блок отображения информации (дисплей), устройства ввода и управления оператором, блоки архивной и оперативной памяти.As the
Блок сменных фильтров 36 представляет собой, например, оптико-механический блок со сменными калиброванными оптическими фильтрами, перемещаемыми с помощью шагового электродвигателя. The interchangeable filter unit 36 is, for example, an optical-mechanical unit with interchangeable calibrated optical filters that are moved using a stepper motor.
Первое отражательное зеркало 14 снабжено блоком перемещения 15, например, на основе шагового электродвигателя, обеспечивающего вывод зеркала 14 из зоны прохождения оптического излучения после проведения измерительных операций. Блок модуляции лазерного излучения 5 представляет собой электрооптический кристалл, например, на основе дигидрофосфата калия, расположенный между скрещенными поляризаторами 6 и 7. При поступлении на электрооптический кристалл 5 модулирующего сигнала от модулирующего генератора 8 кристалл 5 осуществляет модуляцию проходящего светового излучения по фазе, которая скрещенными поляризаторами 6 и 7 преобразуется в модуляцию по амплитуде, в результате чего лазерное излучение, формируемое источником лазерного излучения 1, становится промодулированным во времени по амплитуде в соответствии с модулирующим сигналом. В качестве модулирующего генератора 8 использован, например, генератор последовательности прямоугольных импульсов или генератор синусоидального сигнала. Возможна модуляция лазерного излучения псевдошумовым сигналом. В этом случае в качестве модулирующего генератора 8 используют электронный генератор псевдошумового сигнала. Для модуляции лазерного излучения импульсами с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) в качестве генератора 8 используют электронный генератор ЛЧМ-импульсов. The first
Использование различных видов модулирующих сигналов и соответствующих генераторов 8 позволяет повысить тактико-технические характеристики локационного устройства в конкретных условиях его применения. В качестве блока модуляции 5 возможно использование акустооптического кристалла (модулятора), обеспечивающего модуляцию во времени потерь внутри резонатора источника лазерного излучения 1. The use of various types of modulating signals and the corresponding generators 8 can improve the tactical and technical characteristics of the location device in the specific conditions of its application. As the modulation unit 5, it is possible to use an acousto-optic crystal (modulator), which provides modulation in time of the losses inside the resonator of the
Светомодулирующая ЭЛТ 77 содержит светомодулирующий экран 84 из электрооптического кристалла, например дигидрофосфата калия, и по своей конструкции может быть выполнена, например, аналогично СЭЛТ, рассмотренным и изложенным в работах [10], [11]. The light-modulating
Блок определения статистических параметров, блоки суммирования, корреляционного анализа, пороговые и измерительные блоки выполнены на основе стандартных цифровых или аналоговых элементов, представляющих собой формирователи импульсных сигналов на основе триггеров, мультивибраторов, электронных счетчиков, электронных управляемых пороговых устройств, электронных переключателей-коммутаторов, а также стробирующих и инвертирующих схем. Блоки памяти и регистры памяти выполнены на основе стандартных запоминающих ячеек, обеспечивающих регистрацию, запоминание и управляемое неразрушающее считывание запомненных аналоговых или цифровых сигналов. Указанные элементы применяются в современной импульсной технике и могут быть реализованы на основании вышеизложенного принципа действия каждого из блоков. Процессоры быстрого преобразования Фурье (БПФ) 95, 96, перемножитель 98 представляют собой специализированные цифровые процессоры с программой, ориентированной на выполнение только операций Фурье-преобразования или перемножения сигналов в цифровой форме. Для выполнения этих операций возможно также применение стандартных ПЭВМ высокой производительности. The unit for determining statistical parameters, the units of summation, correlation analysis, threshold and measuring units are made on the basis of standard digital or analog elements, which are pulse signal generators based on triggers, multivibrators, electronic meters, electronic controlled threshold devices, electronic switches, switches, and gating and inverting circuits. The memory blocks and memory registers are made on the basis of standard memory cells, which provide registration, memorization and controlled non-destructive reading of memorized analog or digital signals. These elements are used in modern pulse technology and can be implemented based on the above principle of operation of each of the blocks. Fast Fourier Transform (FFT)
Для преобразования управляющих сигналов в аналоговую или цифровую форму при сопряжении исполнительных блоков с блоком обработки информации 28 или между собой предусмотрены стандартные аналого-цифровые (или ЦАП) преобразователи, входящие в соответствующие блоки или элементы. To convert the control signals into analog or digital form when the executive units are coupled with the
Рассмотрим более подробно реализацию предложенного способа лазерной локации с помощью лазерного локационного устройства. В данном способе обнаружение оптического сигнала, отраженного от наблюдаемого объекта, осуществляют путем анализа и непрерывного определения статистических параметров оптического излучения на выходе АКФ 16, на вход которого поступает с выхода приемного телескопа излучение от наблюдаемой области пространства. Активный квантовый фильтр 16 обеспечивает высокую чувствительность лазерного локационного устройства при приеме оптических сигналов, отраженных от объекта. Let us consider in more detail the implementation of the proposed method of laser location using a laser location device. In this method, the detection of the optical signal reflected from the observed object is carried out by analyzing and continuously determining the statistical parameters of optical radiation at the output of ACF 16, the input of which comes from the output of the receiving telescope, radiation from the observed region of space. Active quantum filter 16 provides high sensitivity of the laser location device when receiving optical signals reflected from the object.
Особенность АКФ 16 состоит в том, что при достаточно большом коэффициенте усиления Ку > 1000 в системе, состоящей из АКФ 16 и МФП 22 собственные шумы МФП 22 перестают играть какую-либо заметную роль, а чувствительность данной системы определяется только характеристиками АКФ 16 и приближается к предельной квантовой чувствительности, определяемой возможностью обнаружения и регистрации одного кванта внешнего оптического излучения, поступающего на вход АКФ 16 в полосе квантового усиления Δν на рабочей длине волны λраб. При этом уровень собственных спонтанных шумов АКФ 16, приведенных ко входу АКФ, который определяет предельную квантовую чувствительность АКФ, характеризуется наличием в среднем одного шумового фотона на входе АКФ в угле приема ωп, соответствующем дифракционному углу ωд и за промежуток времени Δt0, соответствующий величине где fo - полоса квантового усиления АКФ в единицах частоты f0 ~ 300 МГц, Δt0 = 3•10-9с. При этом согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям [9] величина минимально обнаружимого входного оптического сигнала равна
время корреляции шумов на выходе АК,
Пэ - полоса усиления электронного усилителя, входящего в состав МФП 22,
Δν - ширина линии усиления АКФ в ,
С - скорость света,
ωп,ωд - пространственные (телесные) углы приема ωп и дифракционный угол АКФ.Feature ACF 16 is that sufficiently large gain K at> 1000 a system consisting of the ACF 16 and the
time correlation of noise at the output of the AK,
P e - gain band of the electronic amplifier, which is part of the
Δν - ACF gain line width in ,
C is the speed of light
ω p , ω d - spatial (solid) reception angles ω p and the diffraction angle of the ACF.
Высокая чувствительность АКФ 16 непосредственно связана со статистическими параметрами (характеристиками) спонтанного излучения на выходе АКФ. The high sensitivity of ACF 16 is directly related to the statistical parameters (characteristics) of spontaneous emission at the output of the ACF.
Спонтанное излучение на выходе АКФ 16 в одном парциальном угле приема ωп, представляющее собой случайный шумовой сигнал, можно приближенно аппроксимировать и представить нормальным стационарным случайным процессом с функцией корреляции
Kн(τ) = σ2R(τ),
где σ2 - дисперсия случайного процесса,
коэффициент корреляции,
α = 4π•f
K n (τ) = σ 2 R (τ),
where σ 2 is the variance of the random process,
correlation coefficient,
α = 4π • f
Для такого случайного процесса число выбросов в единицу времени N1(С) над пороговым уровнем С можно определить следующим образом [12]:
где m - среднее значение.For such a random process, the number of emissions per unit time N 1 (C) above the threshold level C can be determined as follows [12]:
where m is the average value.
при τ = 0.
Для промежутка времени Δt0, на котором осуществляют измерение числа выбросов, среднее число выбросов Ncp = Δt0•N1(C). Измерение числа выбросов Nср осуществляют в течение промежутка времени Δt0, равного или кратного постоянной времени АКФ tп, обратно пропорциональной величине fo полосы квантового усиления АКФ
n=1, 2, 3,.... at τ = 0.
For the time interval Δt 0 , which measure the number of emissions, the average number of emissions N cp = Δt 0 • N 1 (C). The measurement of the number of emissions N sr is carried out over a period of time Δt 0 equal to or a multiple of the time constant of the ACF t p inversely proportional to the value fo of the quantum gain band of the ACF
n = 1, 2, 3, ....
Отсюда получаем оценку числа выбросов случайного процесса (спонтанного излучения) на выходе АКФ 16 за единицу времени измерения Δt0:
Для выбранной аппроксимации случайного процесса, с учетом для нулевого среднего значения m = 0, получаем величину Ncp
где С - уровень отсчета амплитуды выброса.From here we obtain an estimate of the number of emissions of a random process (spontaneous emission) at the output of ACF 16 per unit of measurement time Δt 0 :
For the selected approximation of a random process, taking into account for zero mean value m = 0, we obtain the value of N cp
where C is the reference level of the amplitude of the ejection.
Для уровня порога C = 0,1•σ; a1 ~ 1,2,
Ncр=0,96•n (29),
где n - число, определяемое из условия выбора единицы времени измерения (n = 1, 2, 3).For the threshold level, C = 0.1 • σ; a 1 ~ 1.2,
N cp = 0.96 • n (29),
where n is a number determined from the condition for choosing a unit of time for measurement (n = 1, 2, 3).
Полученное соотношение для Nср показывает, что в пределах постоянной времени АКФ 16 tп (при n=1) случайный сигнал на выходе АКФ 16 имеет не более одного выброса над пороговым уровнем C = 0,1σ. Данный единичный выброс содержит не менее 75% энергии всего шумового сигнала за время tп. В соответствии с формулой (24) и как показано в [9] в пределах промежутка времени tп= 1/fо энергия флуктуационных шумов, приведенных ко входу АКФ 16 в парциальном дифракционном угле приема, не превосходит энергии одного фотона (кванта) на рабочей длине волны λраб. На основании полученной оценки для среднего числа выбросов Ncp это позволяет сделать вывод о том, что единичный выброс случайного сигнала на выходе АКФ в пределах промежутка времени tп= 1/fо соответствует эквивалентному шумовому фотону на входе АКФ 16 в парциальном дифракционном угле приема ωп. Поэтому подсчет числа выбросов N случайного оптического сигнала на выходе АКФ 16 соответствует подсчету числа эквивалентных шумовых фотонов на входе АКФ за соответствующий промежуток времени. Среднее число выбросов Ncp, измеренное по всему ансамблю парциальных элементарных углов приема ωп излучения на выходе АКФ 16, является весьма точно измеряемой величиной, имеющей очень малую собственную дисперсию (разброс) вследствие стационарности случайного сигнала в пределах малых длительностей измерения, соответствующих нескольким постоянным времени tп, to= n tп, а также вследствие наличия очень большого количества элементарных спонтанных излучателей - возбужденных атомов в рабочем веществе АКФ 16.The obtained relation for N cf shows that within the time constant of ACF 16 t p (for n = 1) a random signal at the output of ACF 16 has no more than one outlier above the threshold level C = 0.1σ. This single emission contains at least 75% of the energy of the entire noise signal over time t p . In accordance with formula (24) and, as shown in [9], within the time interval t p = 1 / f о, the energy of fluctuation noise brought to the input of ACF 16 in the partial diffraction reception angle does not exceed the energy of one photon (quantum) per working wavelength λ slave Based on the estimate obtained for the average number of outliers N cp, this allows us to conclude that a single outlier of a random signal at the ACF output within the time interval t p = 1 / f о corresponds to an equivalent noise photon at the input of ACF 16 in the partial diffraction reception angle ω n . Therefore, the calculation of the number of emissions N of a random optical signal at the output of the ACF 16 corresponds to the calculation of the number of equivalent noise photons at the input of the ACF for the corresponding period of time. The average number of emissions N cp , measured over the entire ensemble of partial elementary reception angles of ω p radiation at the output of ACF 16, is a very accurately measurable quantity having a very small intrinsic dispersion (scatter) due to the stationarity of a random signal within small measurement durations corresponding to several time constants t p , t o = nt p , and also due to the presence of a very large number of elementary spontaneous emitters - excited atoms in the working substance of ACF 16.
Таким образом, при выборе промежутка времени измерения статистических параметров излучения на выходе АКФ 16 равным одной или нескольким постоянным времени tп АКФ: to = ntп, n = 1, 2, 3, получаем точное и устойчивое значение статистического параметра (выброса случайного сигнала), соответствующее в среднем одному эквивалентному шумовому фотону за время tп=1/fо в одном парциальном дифракционном угле приема на входе АКФ 16. В этом случае наличие на входе АКФ 16 одного внешнего фотона оптического сигнала, отраженного от объекта, приводит к существенному изменению статистического параметра (числа выбросов или общей длительности выбросов), которое может быть надежно обнаружено с высокой степенью вероятности, близкой к 100%. Действительно, наличие в пределах некоторого заданного промежутка времени измерения tо вместо одного импульса (выброса) двух импульсов или вместо трех импульсов четырех импульсов, т. е. на один импульс (фотон) больше, является легко выполнимой задачей обнаружения одного внешнего фотона от принимаемого оптического сигнала и реализуется практически со 100% вероятностью правильного обнаружения. Вероятность ложной тревоги здесь практически равно нулю вследствие работы в режиме счета фотонов на квантовом пределе чувствительности. Действительно, как показано выше и в [9] наличие одного эквивалентного шумового фотона на входе АКФ в пределах постоянной времени tп соответствует некоторой средней мощности спонтанного излучения на выходе АКФ в дифракционном угле приема и появление еще одного шумового фотона в том же промежутке времени и в том же дифракционном угле означало бы увеличение этой средней мощности спонтанного излучения в 2 раза, что является невероятным событием.Thus, when choosing the time interval for measuring the statistical parameters of radiation at the output of ACF 16 equal to one or more time constants t p ACF: t o = nt p , n = 1, 2, 3, we obtain an accurate and stable value of the statistical parameter (emission of a random signal ) corresponding to an average of one photon noise equivalent time t for n = 1 / f of one partial diffraction angle ACF receiving inlet 16. in this case, the presence of inlet 16 ACF one external photon optical signal reflected from an object, results in substantially y change the statistical parameter (number of emissions or the total emission time) that can be reliably detected with a high probability, close to 100%. Indeed, the presence within a given time interval of measuring t о instead of one pulse (ejection) of two pulses or instead of three pulses of four pulses, i.e., one pulse (photon) more, is an easily feasible task of detecting one external photon from the received optical signal and is implemented with almost 100% probability of correct detection. The probability of false alarm here is almost zero due to work in the photon counting mode at the quantum limit of sensitivity. Indeed, as shown above and in [9], the presence of one equivalent noise photon at the ACF input within the time constant t p corresponds to a certain average power of spontaneous radiation at the ACF output in the diffraction reception angle and the appearance of another noise photon in the same time interval and in the same diffraction angle would mean a 2-fold increase in this average spontaneous emission power, which is an incredible event.
На основании изложенного можно утверждать, что выбор единицы времени to измерения статистического параметра излучения на выходе АКФ 16 в пределах одного или нескольких постоянных времени АКФ tп=1/fо позволяет реализовать предельную квантовую чувствительность устройства, реализующего способ и обеспечить регистрацию отдельных внешних фотонов с высокой вероятностью правильного обнаружения при нулевой вероятности ложного обнаружения (ложной тревоги). Указанное обнаружение внешних однофотонных оптических сигналов осуществляют в пределах заданного промежутка времени Та >> tп, равного длительности ранее сформированного сигнала-аналога принимаемого излучения. В результате этого в предложенном способе реализуется предельная квантовая чувствительность не только при приеме оптических сигналов с короткой длительностью импульса, соответствующей постоянной времени АКФ tп=1/fо (что реализовано в [9] ), но и при приеме оптических сигналов с произвольно большой длительностью t имп >> tп, существенно превосходящей постоянную времени АКФ tп.Based on the foregoing, it can be argued that the choice of unit time t o measuring the statistical parameter of radiation at the output of ACF 16 within one or more time constants of the ACF t p = 1 / f о allows you to realize the ultimate quantum sensitivity of a device that implements the method and ensure the registration of individual external photons with a high probability of correct detection with zero probability of false detection (false alarm). The specified detection of external single-photon optical signals is carried out within a given period of time T a >> t p equal to the duration of the previously generated signal-analogue of the received radiation. As a result of this, the proposed method implements the ultimate quantum sensitivity not only when receiving optical signals with a short pulse duration corresponding to the ACF time constant t p = 1 / f о (which was implemented in [9]), but also when receiving optical signals with an arbitrarily large duration t imp >> t p , significantly exceeding the time constant of the ACF t p .
Действительно, в процессе анализа статистических параметров оптического излучения на выходе АКФ 16 за время длительности Та сигнала-аналога принимаемого излучения осуществляют непрерывный подсчет количества выбросов случайного процесса (или длительностей выбросов) на отдельных элементарных промежутках времени Δtи, равных (или кратных с небольшим количеством) постоянной времени tп АКФ 16. При этом осуществляют сравнение измеренного числа выбросов со средней величиной по ансамблю для данного элементарного промежутка времени Δtи, которая была измерена ранее и является достаточно стабильной и точно определенной. Отклонение от этой средней величины, обусловленное появлением на входе АКФ 16 одного внешнего фотона (кванта) в течение элементарного промежутка времени Δtи обнаруживают с высокой степенью вероятности, причем процесс обнаружения одного внешнего фотона реализован в течение всего длительного промежутка времени Та, который может значительно превосходить собственно элементарный промежуток времени Δtи, определяемый собственной постоянной времени tп АКФ 16. Это обусловлено тем, что в течение большого по сравнению с tп = tо = 1/fо промежутка времени, соответствующего длительности сигнала-аналога Та, осуществляют суммирование отклонений в величине статистического параметра от его среднего значения по ансамблю за малый промежуток времени n•tп (n = 1, 2, 3), но не общее число случайных выбросов. В результате появившийся внешний квант излучения выявляется, а не теряется в общем числе случайных выбросов, как это происходит при прямом интегрировании сигнала с выхода АКФ за большой промежуток времени. В результате реализуется возможность обнаружения однофотонных сигналов, отраженных от объекта, при использовании подсвечивающего объект лазерного излучения с большой длительностью, которой соответствует большая длительность Та сигнала-аналога принимаемого излучения. Это является преимуществом предложенного способа и ЛЛУ по сравнению с прототипом [9], в котором реализовано обнаружение однофотонных сигналов и предельная квантовая чувствительность на коротком промежутке времени tо, соответствующей постоянной времени tо=1/fо АКФ 16. В результате использования для подсвета объекта лазерного излучения с большой длительностью излучаемого импульса Тимп >> to реализуется более высокий потенциал и дальность действия лазерного локационного устройства, реализующего предложенный способ.Indeed, in the process of analyzing the statistical parameters of optical radiation at the output of the ACF 16 during the duration T and the signal-analogue of the received radiation, they continuously calculate the number of random process emissions (or emission durations) at individual elementary time intervals Δt and equal to (or multiple with a small amount ) time constant t p ACF 16. In this case, the measured number of emissions is compared with the ensemble average for a given elementary time interval Δt and , which Paradise has been measured previously and is fairly stable and well defined. The deviation from this average value, due to the appearance of one external photon (quantum) at the input of ACF 16 during an elementary time interval Δt , is detected with a high degree of probability, and the process of detecting one external photon is implemented over the entire long period of time T a , which can significantly actually exceed the elementary time interval Δt, and determines its own time constant t f ACF 16. This is because during large compared with t p = t o = 1 / f of the interval in Yemeni corresponding analog signal duration T and is carried in the magnitude of the summation of deviations of the statistical parameter from its average value over the ensemble for a small period of time n • t n (n = 1, 2, 3), but not the total number of random emissions. As a result, the appearance of an external radiation quantum is detected, and not lost in the total number of random emissions, as occurs with direct integration of the signal from the ACF output over a long period of time. As a result, it is possible to detect single-photon signals reflected from the object by using a laser radiation illuminating the object with a long duration, which corresponds to a long duration T a of an analog signal of the received radiation. This is an advantage of the proposed method and LLR in comparison with the prototype [9], which implements the detection of single-photon signals and the ultimate quantum sensitivity for a short period of time t о , corresponding to the time constant t о = 1 / f о ACF 16. As a result of using for illumination object of laser radiation with a long duration of the emitted pulse T imp >> t o realized a higher potential and range of the laser location device that implements the proposed method.
Для повышения вероятности обнаружения оптических сигналов, отраженных от объекта, используют модуляцию по времени сформированного лазерного излучения посредством блока модуляции лазерного излучения поз.5 на фиг.1. При этом в сформированное лазерное излучение, используемое для подсвета объекта, вносится некоторая исходная регулярность, которая может быть обнаружена при приеме оптического лазерного сигнала, отраженного от объекта, и которая обусловливает дополнительно более высокую вероятность обнаружения объекта по сравнению с приемом только однофотонного сигнала от объекта. На фиг.8(а) схематично представлена осциллограмма сформированного и промодулированного импульса лазерного излучения для подсвета объекта. По оси абсцисс отложена координата времени, по оси ординат - нормированная амплитуда сигнала Е (интенсивность лазерного излучения). Сформированное лазерным генератором 1 лазерное излучение представляет собой импульс большой длительности Тимп, состоящий из нескольких элементарных импульсов меньшей длительности τ1. Данная форма лазерного излучения получена при использовании в качестве модулирующего генератора 8 генератора прямоугольных импульсов. Возможно использование других форм модуляции лазерного излучения, например, синусоидальным сигналом с помощью соответствующего генератора модулирующих синусоидальных сигналов. В результате распространения по протяженной трассе на дальность L и отражения от объекта лазерное излучение Е подвергается значительному ослаблению и претерпевает изменения, которые могут привести к значительной или полной потере исходной формы сигнала лазерного излучения Е(t). При этом принимаемое от объекта излучение на входе приемного телескопа 12 может представлять собой один или несколько фотонов, расположенных в местах на временной шкале, соответствующих расположению в исходном лазерном излучении Еи фиг. 8(а) элементарных импульсов с длительностью τ1. В промежутках между элементарными импульсами единичные фотоны в принимаемом излучении будут заведомо отсутствовать. На фиг.8(б) схематично представлена форма сигнала-аналога принимаемого излучения, соответствующая сформированному и промодулированному лазерному излучению на фиг.8(а). Сигнал-аналог принимаемого излучения, сформированный согласно данному предложенному способу на основе промодулированного лазерного излучения, используемого для подсвета объекта, представляет собой некоторый модельный сигнал, который в среднем соответствует ожидаемому оптическому сигналу от объекта на входе приемного телескопа 12. Форма сигнала-аналога принимаемого излучения (фиг.8б) соответствует форме ожидаемого сигнала от объекта и может существенно отличаться от формы исходного промодулированного лазерного излучения Еи на фиг.8(а). Отдельные элементарные импульсы длительностью τ1 в исходном лазерном излучении в сигнале-аналоге Еа могут иметь меньшую длительность τ2, или вовсе отсутствовать, а также могут иметь иное (не прямоугольное) распределение, что показано на фиг.8(б). Общая длительность сигнала-аналога принимаемого излучения Та может быть меньше длительности Тимп исходного импульса лазерного излучения, вследствие значительного ослабления излучения при распространении по трассе. В то же время сигнал-аналог принимаемого излучения сформирован на основе конкретных априорных сведений об ожидаемом объекте, дальности до объекта и ослабления излучения в атмосфере. В результате форма сформированного сигнала-аналога принимаемого излучения EА отражает возможную форму реального принимаемого сигнала от объекта на входе приемного телескопа 12 при наличии объекта на предполагаемой дальности L (или ближе). Это позволяет использовать сформированный сигнал-аналог принимаемого излучения Еа в качестве эталонного сигнала при обнаружении оптического сигнала, отраженного от объекта. В данном предложенном способе сформированный сигнал-аналог принимаемого излучения используют в качестве эталона при корреляционной обработке оптического излучения с выхода АКФ 16. Это дополнительно позволяет повысить вероятность обнаружения объекта путем определения наличия корреляции между отклонениями от среднего статистических параметров (выбросов) в излучении на выходе АКФ 16 и формой (временной) сформированного сигнала-аналога принимаемого излучения Еа. Действительно, как показано выше, отдельные выбросы в излучении на выходе АКФ 16, превосходящие средние значения статистического параметра, характеризуют наличие внешних фотонов на входе АКФ 16 в соответствующие моменты времени, которые соответствуют наличию в сигнале-аналоге ЕА на фиг.8(б) отдельных элементарных всплесков амплитуды, длительностью τ2 в пределах длительности Та самого сигнала-аналога принимаемого излучения. В результате между сигналом-аналогом ЕА(t) и функцией отклонения F(t) от среднего статистического параметра на интервале времени Та существует некоторая корреляция, которую и определяют с помощью корреляционной обработки излучения на выходе АКФ 16.To increase the likelihood of detecting optical signals reflected from the object, use is made of the time modulation of the generated laser radiation by means of the laser radiation modulation unit pos. 5 in FIG. 1. At the same time, some initial regularity is introduced into the generated laser radiation used to illuminate the object, which can be detected by receiving an optical laser signal reflected from the object, and which makes the object more likely to be detected compared to receiving only a single-photon signal from the object. Fig. 8 (a) is a schematic representation of an oscillogram of a generated and modulated laser pulse for illuminating an object. The time coordinate is plotted along the abscissa, and the normalized signal amplitude E (laser intensity) is plotted along the ordinate. The laser radiation formed by the
Обнаружение объекта в данном способе осуществляют одновременно как на основе корреляционной обработки, так и на основе определения суммарных значений функции отклонения за время длительности Та сигнала-аналога принимаемого излучения. Это позволяет реализовать более высокую вероятность обнаружения при больших дальностях до объекта L, так как на большой дальности L возможно значительное ослабление сигнала от объекта, при котором форма принимаемого излучения полностью теряется, а излучение на входе приемного телескопа 12 представляет собой однофотонный импульс, соответствующий одному из элементарных импульсов τ2 в сигнале-аналоге на фиг.8б. В этом случае обнаружение на основе только корреляционной обработки невозможно, однако блок суммирования обнаружит и зарегистрирует однофотонный сигнал. При получении от объекта более интенсивного отраженного сигнала оба канала обработки поз. 24 и 25 одновременно зарегистрируют и обнаружат наличие сигнала от объекта. Таким образом, наличие двух параллельных каналов обработки информации с выхода блока определения статистических параметров 23 - блока корреляционной обработки 24 и блока суммирования 25 - позволяет повысить вероятность обнаружения объекта. Решение о наличии объекта принимают при получении сигнала, превышающего заданный пороговый уровень, хотя бы в одном из блоков 24 или 25, или при одновременном превышении пороговых уровней в обоих блоках 24, 25. Установление заданных пороговых уровней P1 и Р2 на основе обработки в блоках 24 и 25 сигнала-аналога принимаемого излучения позволяет повысить достоверность обнаружения объекта, так как в этом случае в величинах P1 и Р2 учтены ожидаемые предполагаемые параметры объекта и дальности до объекта.Detection of an object in this method is carried out simultaneously both on the basis of correlation processing and on the basis of determining the total values of the deviation function for the duration of the duration Ta of an analog signal of the received radiation. This makes it possible to realize a higher detection probability at long ranges to the object L, since at a long range L, a significant attenuation of the signal from the object is possible, in which the shape of the received radiation is completely lost, and the radiation at the input of the receiving telescope 12 is a single-photon pulse, corresponding to one of elementary pulses τ 2 in the signal-analogue on figb. In this case, detection based only on correlation processing is impossible, however, the summing unit will detect and register a single-photon signal. When receiving from the object a more intense reflected signal, both processing channels pos. 24 and 25 simultaneously register and detect the presence of a signal from the object. Thus, the presence of two parallel information processing channels from the output of the statistical
Как было отмечено, в лазерном приемном устройстве (ЛПУ), созданном на основе йодного фотодиссоционного квантового усилителя (АКФ) ближнего ИК-диапазона, возможно достижение режима предельно высокой квантовой чувствительности и регистрация однофотонных импульсных сигналов. Практическое применение данного ЛПУ в системах лазерной локации и связи будет определяться его помехоустойчивостью по отношению к различным фоновым излучениям и помехам. Работа лазерных систем связи и локации в атмосфере всегда осуществляется на фоне излучения естественных образований (земной поверхности, облачных полей), которые создают фоновые помехи и снижают дальность действия лазерных локационных систем (ЛЛС). As noted, in the laser receiving device (LPC), created on the basis of the iodine near-infrared photodissociation quantum amplifier (ACF), it is possible to achieve an extremely high quantum sensitivity and register single-photon pulsed signals. The practical application of this facility in laser ranging and communication systems will be determined by its noise immunity in relation to various background radiation and interference. The operation of laser communication and location systems in the atmosphere is always carried out against the background of radiation from natural formations (earth's surface, cloud fields), which create background noise and reduce the range of laser location systems (LLS).
Известно, что дальность действия ЛЛС видимого и ближнего ИК-диапазонов в дневное время существенно меньше дальности действия при работе ночью. Это связано с тем, что, например, в импульсных системах локации пороговая чувствительность системы в значительной степени определяется числом фотонов фона, приходящихся на длительность импульса принимаемого сигнала. В этой связи представляет интерес оценка влияния внешних фоновых помех на пороговую чувствительность ЛПУ на базе йодного фотодиссоционного АКФ, работающего в режиме предельной квантовой чувствительности. Активная среда в АКФ состоит из возбужденных атомов йода I*, образующихся в результате фотодиссоциации исходного рабочего вещества под воздействием оптической накачки. It is known that the range of the visible and near infrared ranges in the daytime is significantly less than the range when working at night. This is due to the fact that, for example, in pulsed location systems, the threshold sensitivity of the system is largely determined by the number of background photons per pulse duration of the received signal. In this regard, it is of interest to assess the influence of external background noise on the threshold sensitivity of a healthcare facility based on iodine photodissociation ACF operating in the regime of ultimate quantum sensitivity. The active medium in ACF consists of excited iodine atoms I *, which are formed as a result of photodissociation of the initial working substance under the influence of optical pumping.
Особенностью фотодиссоционного АКФ является весьма узкая спектральная полоса квантового усиления, составляющая на полувысоте в оптимальном рабочем режиме величину
Следует также отметить, что фильтрация принимаемого оптического сигнала в АКФ осуществляется не в результате его ослабления вне пределов полосы пропускания, как это происходит в пассивных оптических фильтрах, а в результате усиления сигнала в пределах полосы квантового усиления Δν
Оптическое излучение вне пределов полосы усиления Δν
It should also be noted that the filtering of the received optical signal in the ACF is carried out not as a result of its attenuation outside the passband, as is the case with passive optical filters, but as a result of signal amplification within the quantum gain
Optical radiation outside the gain
В качестве пассивного оптического фильтра можно использовать интерференционные фильтры, которые являются наиболее узкополосными из применяемых пассивных фильтров. Однако ширина полосы пропускания современных интерференционных фильтров Δνf на несколько порядков превышает полосу квантового усиления Δν
Как будет показано ниже, при достаточно большом коэффициенте усиления АКФ фон, не попавший в полосу усиления АКФ, практически не будет влиять на чувствительность ЛПУ. Поэтому чувствительность ЛПУ будет определяться только соотношением между спектральной плотностью яркости фонового источника и спектральной плотностью яркости нулевых колебаний вакуума. Поэтому даже на фоне солнечного диска чувствительность данного ЛПУ будет всего на 12% хуже, чем при работе в ночное время. As will be shown below, with a sufficiently high gain of the ACF, the background that does not fall into the amplification band of the ACF will practically not affect the sensitivity of the healthcare facility. Therefore, the sensitivity of the healthcare facility will be determined only by the ratio between the spectral density of the brightness of the background source and the spectral density of the brightness of zero vacuum oscillations. Therefore, even against the background of the solar disk, the sensitivity of this healthcare facility will be only 12% worse than when working at night.
Для фильтрации внешнего фонового излучения, поступающего через АКФ на вход МФП, используется пассивный узкополосный оптический фильтр (в дальнейшем просто пассивный фильтр). To filter the external background radiation entering through the ACF to the MFP input, a passive narrow-band optical filter is used (hereinafter simply a passive filter).
Центральная длина волны пропускания пассивного фильтра λf совпадает с рабочей длиной волны λ0 АКФ, соответствующей центру его полосы усиления.The central wavelength of the passive filter λ f coincides with the working wavelength λ 0 of the ACF corresponding to the center of its gain band.
Рассмотрим работу ЛПУ в режиме внешней фоновой засветки. Предположим, что на вход АКФ помимо полезного сигнала поступает фоновое излучение, постоянное во времени и равномерно заполняющее всю входную апертуру ЛПУ (диаметр входной входной апертуры da, площадь Sa). Будем одну из его поляризаций характеризовать спектральной плотностью энергетической яркости I
где I
В такой записи в первом слагаемом в прямоугольных скобках фоновое излучение как бы уравнивается в правах с квантовым шумом, приведенным ко входу усилителя. Отличие фонового излучения от квантового шума учитывается вторым слагаемым, которое описывает фоновое излучение как прошедшее через АКФ без усиления.Consider the work of hospitals in the mode of external background illumination. Suppose that in addition to the useful signal, the input of the ACF receives background radiation that is constant in time and uniformly fills the entire input aperture of the healthcare facility (diameter of the input input aperture d a , area S a ). We will characterize one of its polarizations by the spectral density of energy brightness I
where i
In such a record, in the first term in rectangular brackets, the background radiation is as if equalized in rights with the quantum noise reduced to the input of the amplifier. The difference between the background radiation and quantum noise is taken into account by the second term, which describes the background radiation as transmitted through the ACF without amplification.
Для удобства дальнейшего рассмотрения запишем (31) в виде
(I
где результирующий коэффициент усиления
K
а
Спектральная плотность энергетической яркости, определенная для всех частот, как положительных, так и отрицательных
(Iω,Ω)out = I
где
если ω≥0 и
если ω<0.
Телесный угол приема Ωr, представляющий поле поле зрения одного элемента МФП, равен
где dr - диаметр приемной площадки ФП; fL - эквивалентный фокус оптической системы. Тогда спектральная плотность энергетической яркости излучения, прошедшего АКФ и пассивный фильтр, с учетом того, что на элемент МФП попадает только излучение, которое выходит из АКФ в телесном угле Ωr
Корреляционная функция этого излучения
где
Ωd = π(ϑd/2)2 = π2λ
телесный дифракционный угол, ϑd = λ/da - плоский дифракционный угол.For the convenience of further consideration, we rewrite (31) in the form
(I
where is the resulting gain
K
a
Spectral density of energy brightness, determined for all frequencies, both positive and negative
(I ω, Ω ) out = I
Where
if ω≥0 and
if ω <0.
The solid reception angle Ω r representing the field of view of one MFP element is
where d r is the diameter of the receiving pad FP; f L is the equivalent focus of the optical system. Then the spectral density of the energy brightness of the radiation passing through the ACF and a passive filter, taking into account the fact that only radiation that leaves the ACF in the solid angle Ω r, enters the MFP element
Correlation function of this radiation
Where
Ω d = π (ϑ d / 2) 2 = π 2 λ
solid diffraction angle, ϑ d = λ / d a - flat diffraction angle.
Не нарушая общности дальнейшего анализа, будем полагать величину Tf(ω) постоянной в пределах всей полосы пропускания пассивного фильтра. Спектральную характеристику последнего аппроксимируем прямоугольной функцией rect(λ) с шириной полосы прозрачности Δλf и пропусканием в максимуме Тf. Вне пределов полосы Δλf пропускание пассивного фильтра полагаем равным нулю. Тогда средняя по ансамблю интенсивность шумового излучения на выходе фильтра
где
Δω
(для гауссова контура)
Средняя по ансамблю мощность шумового излучения на выходе фильтра в предположении, что средняя интенсивность <I(r, t)> на выходе АКФ равномерна
Фототок элемента МФП пропорционален мощности падающего на него излучения, усредненной по интервалу времени, равному постоянной времени электронного усилителя τe
За время τe≤10 мкс случайное поле на выходе АКФ может рассматриваться как стационарное, поскольку время жизни инверсии существенно больше τe. Поэтому можем считать в силу эргодичности случайного процесса, что средняя мощность шумового излучения, падающего на элемент МФП
Среднее значение тока элемента МФП, отвечающее средней мощности шумового излучения Minr, где
где М - коэффициент умножения элемента МФП, η - его квантовая эффективность; чувствительность элемента (фотодиода), е - заряд электрона; ℏ - постоянная Планка; ω0 - частота лазерного излучения; ℏω0 - энергия кванта лазерного излучения на рабочей длине волны.Without violating the generality of further analysis, we assume that the value of T f (ω) is constant throughout the passband of the passive filter. We approximate the spectral characteristic of the latter by the rectangular function rect (λ) with the transparency bandwidth Δλ f and transmission at the maximum T f . Outside of the band Δλ f, the passivity of the passive filter is assumed to be zero. Then the ensemble average noise intensity at the filter output
Where
Δω
(for gaussian contour)
The ensemble average noise power at the filter output under the assumption that the average intensity <I (r, t)> at the ACF output is uniform
The photocurrent of the MFP element is proportional to the power of the radiation incident on it, averaged over the time interval equal to the time constant of the electronic amplifier τ e
For a time τ e ≤ 10 μs, the random field at the output of the ACF can be considered stationary, since the inversion lifetime is much longer than τ e . Therefore, due to the ergodicity of the random process, we can assume that the average power of the noise radiation incident on the MFP element
The average value of the current of the MFP element, corresponding to the average noise emission power Mi nr , where
where M is the multiplication coefficient of the MFP element, η is its quantum efficiency; the sensitivity of the element (photodiode), e is the electron charge; ℏ - Planck's constant; ω 0 is the frequency of laser radiation; ℏω 0 is the quantum energy of laser radiation at the working wavelength.
Так как АКФ работает в подпороговом режиме, то случайное поле на его выходе, обусловленное спонтанным излучением, является гауссовым. Случайное поле фонового излучения также предполагаем гауссовым. Since the ACF operates in a subthreshold mode, the random field at its output, due to spontaneous emission, is Gaussian. The random background radiation field is also assumed to be Gaussian.
Пусть на вход АКФ поступает полезный принимаемый сигнал с волновым вектором ks, угол между которым и оптической осью АКФ и со спектральной плотностью энергии, согласованной с контуром усиления АКФ
Sω = E
где Es ent - энергия сигнала на входном зрачке ЛПУ, площадью Sa; gs(ω-ωs) - функция, описывающая форму спектра входного сигнала и полностью попадающая в контур усиления АКФ с шириной полосы Δν
Es out=Es entKs (44)
где
Будем считать, что центр картины Эйри, образованной плоской волной полезного сигнала в фокусе линзы совпадает с центром приемной площадки элемента МФП, представляющей собой круг диаметром dr (случай, когда совпадения нет, требует отдельного рассмотрения). Тогда энергия полезного сигнала, попадающая на один элемент МФП, равна
где
функция Релея.Let the input of the ACF receive a useful received signal with the wave vector k s , the angle between which and the optical axis of the ACF and with a spectral energy density consistent with the ACF gain loop
S ω = E
where E s ent is the energy of the signal at the entrance pupil of the hospital, area S a ; g s (ω-ω s ) is a function that describes the shape of the spectrum of the input signal and completely falls into the amplification circuit of the ACF with a bandwidth Δν
E s out = E s ent K s (44)
Where
We assume that the center of the Airy pattern formed by a plane wave of the useful signal at the focus of the lens coincides with the center of the receiving pad of the MFP element, which is a circle with a diameter of d r (the case when there is no coincidence requires a separate consideration). Then the energy of the useful signal falling on one element of the MFP is equal to
Where
Rayleigh function.
Если τe равно длительности импульса полезного сигнала на выходе АКФ, то выброс тока, отвечающий энергии полезного сигнала, попавшей на элемент МФП
где Ns - энергия полезного сигнала на входе АКФ, выраженная в числах фотонов. На выходе электронного усилителя, стоящего за МФП на эквивалентном сопротивлении нагрузки R получим напряжение полезного сигнала с амплитудой Vs max= KeRМis max, где Ke - коэффициент усиления ЭУ на нижней границе его полосы усиления.If τ e is equal to the pulse width of the useful signal at the output of the ACF, then the current surge corresponding to the energy of the useful signal incident on the MFP element
where N s is the energy of the useful signal at the input of the ACF, expressed in numbers of photons. At the output of the electronic amplifier behind the MFP at the equivalent load resistance R, we obtain the voltage of the useful signal with amplitude V s max = K e RМi s max , where K e is the gain of the EU at the lower boundary of its gain band.
В цепи ФП помимо флуктуаций тока, обусловленных случайным характером спонтанного и фонового излучений с выхода АКФ, присутствуют также флуктуации, обусловленные дробовым эффектом ФП, тепловым шумом резистивных элементов и шумом ЭУ. Предполагая перечисленные виды флуктуации статистически независимыми, можем написать, что на выходе ЭУ дисперсия флуктуации
где idc - среднее значение темнового тока; F - коэффициент шума фотодиода; С - результирующая входная емкость; Iе *2 - спектральная плотность флуктуации тока эквивалентного токового источника шума усилителя; Vе *2 - спектральная плотность флуктуации напряжения эквивалентного шумового источника напряжения усилителя, Пe - полоса усиления электронного усилителя МФП.In the phase transition circuit, in addition to current fluctuations caused by the random nature of spontaneous and background radiation from the ACF output, there are also fluctuations due to the shot effect of the phase transition, thermal noise of the resistive elements, and the noise of the EI. Assuming the listed types of fluctuations are statistically independent, we can write that the output dispersion of the fluctuation
where i dc is the average value of the dark current; F is the noise figure of the photodiode; C is the resulting input capacitance; I e * 2 is the spectral density of the fluctuation of the current of the equivalent current noise source of the amplifier; V e * 2 is the spectral density of voltage fluctuations of an equivalent noise amplifier voltage source; P e is the gain band of an MFP electronic amplifier.
Величину минимального обнаружимого входного сигнала рассматриваемого приемника излучения будем искать, сравнивая на выходе ЭУ напряжение, обусловленное сигналом, со средне квадратичной флуктуацией напряжения σV, обусловленного шумом. Согласно неравенству Чебышева P(|V-<V>|≥mσV)≤m-2. Это означает, что вероятность отклонения напряжения от среднего значения вследствие случайной флуктуации на величину, превышающую или равную mσV, не превышает m-2. Следовательно, сигнал, для которого отношение сигнал/шум составляет m, будет зарегистрирован с вероятностью, которая не меньше, чем 1-m-2.We will look for the minimum detectable input signal of the considered radiation detector by comparing the voltage caused by the signal at the output of the EI with the root mean square voltage fluctuation σ V caused by noise. According to the Chebyshev inequality, P (| V- <V> | ≥mσ V ) ≤m -2 . This means that the probability of a voltage deviation from the average value due to random fluctuations by an amount greater than or equal to mσ V does not exceed m -2 . Therefore, a signal for which the signal-to-noise ratio is m will be recorded with a probability that is not less than 1 − m −2 .
Сравним (V
(49)
где квантовый предел чувствительности МФП прямого детектирования.Compare (V
(49)
Where quantum limit of sensitivity of MFP direct detection.
Влияние флуктуационных шумов на уровень минимально-обнаружимого сигнала определяется величиной β, то есть отношением спектральной плотности энергетической яркости этих шумов к спектральной плотности энергетической яркости нулевых колебаний вакуума, а также и величиной коэффициента усиления спонтанного излучения <Ksp> в АКФ. Данное замечание является важным, так как позволяет сделать вывод о том, что при некотором достаточно большом <Ksp> влияние фоновых шумов, а также собственных шумов МФП на чувствительность ЛПУ может быть сделана весьма малой. Исследуем этот вопрос более подробно.The influence of fluctuation noise on the level of the minimum detectable signal is determined by β, i.e., by the ratio of the spectral density of the energy brightness of these noises to the spectral density of the energy brightness of zero vacuum oscillations, as well as the value of the gain of spontaneous emission <K sp > in the ACF. This remark is important because it allows us to conclude that for some sufficiently large <K sp > the influence of background noise, as well as the intrinsic noise of the MFP on the sensitivity of the healthcare facility can be made very small. We examine this issue in more detail.
Если выполняется условие <Ksp> >> Пf/Пef c, то и <Ksp c> >> Пf/Пef c, где Пf - полоса пассивного фильтра, а Пef с - эффективная полоса усиления АКФ. Тогда вкладом шума, обусловленного не усиленным фоном, можно пренебречь по сравнению с усиленным в АКФ спонтанным излучением и фоном. Оценим величину отношения Пf/Пef c для пассивного фильтра со следующими параметрами: Δλf = 5нм (Пf = 8,67•1011 Гц); Тf = 0,5. Так как эффективная полоса усиления АКФ П
В результате для Nmin получаем уравнение
Его решение
Если фона нет, то
При достаточно большом коэффициенте усиления <Ksp 2> второе слагаемое под корнем много больше единицы.If the condition <K sp >>> П f / П ef c is fulfilled, then <K sp c >>> П f / П ef c , where П f is the passive filter band and П ef с is the effective ACF gain band. Then, the contribution of noise caused by the non-amplified background can be neglected in comparison with the spontaneous emission and background amplified in the ACF. Let us estimate the ratio P f / P ef c for a passive filter with the following parameters: Δλ f = 5 nm (P f = 8.67 • 10 11 Hz); T f = 0.5. Since the effective gain band of the ACF P
As a result, for N min we obtain the equation
His decision
If there is no background, then
For a sufficiently large gain <K sp 2 >, the second term under the root is much larger than unity.
Определим допустимый уровень засветки ЛПУ, β
(53)
характеризующее, во сколько раз ухудшается чувствительность при наличии фона, и задаться допустимым значением ε, то можно найти допустимое значение спектральной плотности энергетической яркости фона, отвечающее заданному ε. Для ЛПУ допустимое значение спектральной плотности яркости фона и задается формулой
где
Из этого выражения видно, что при достаточно большом <Ksp 2> произведение ξmKs≫1 и β
Мы видим, что при характерных параметрах ЛПУ с йодным АКФ допустимое значение фоновой засветки определяется только величиной ε. Если допустить при наличии фона ухудшение чувствительности ЛПУ в 2 раза, то допустимое значение спектральной плотности энергетической яркости фона будет равно спектральной плотности энергетической яркости нулевых колебаний вакуума
(I
что составляет для λраб = 1,315 мкм
Сравним полученные результаты с фоновой засветкой, производимой небом в дневное время I
(56)
составляет примерно одну пятую часть I
Вблизи земной поверхности из-за влияния атмосферы эта величина еще меньше. Яркость солнечного диска на уровне земной поверхности составляет I
(53)
characterizing how many times the sensitivity deteriorates in the presence of a background, and ask an acceptable value of ε, then you can find the acceptable value of the spectral density of the energy brightness of the background corresponding to a given ε. For healthcare facilities, the allowable value of the spectral density of the brightness of the background is given by the formula
Where
It can be seen from this expression that for sufficiently large <K sp 2 > the product ξ m K s ≫1 and β
We see that for the characteristic parameters of an IOD with iodine ACF, the admissible value of the background illumination is determined only by the value of ε. If, in the presence of a background, a 2-fold deterioration in the sensitivity of healthcare facilities is allowed, then the allowable value of the spectral density of the energy brightness of the background will be equal to the spectral density of the energy brightness of zero vacuum oscillations
(I
which is for λ slave = 1,315 μm
Compare the results with the background light produced by the sky in the daytime I
(56)
makes up about one fifth of I
Near the earth's surface, due to the influence of the atmosphere, this value is even smaller. The brightness of the solar disk at ground level is I
Для определения I
Таким образом, фоновая засветка от солнечного диска, а тем более от дневного неба практически значительно меньше допустимой фоновой засветки и не влияет на чувствительность ЛПУ с йодным АКФ. Данное ЛПУ с йодным АКФ может работать с одинаковым предельным уровнем квантовой чувствительности как в ночное, так и в дневное время. Это объясняется следующими факторами: весьма узкой полосой квантового усиления Δν
Это является весьма полезным качеством данного рассматриваемого ЛПУ, так как позволяет не только эффективно без снижения дальности действия работать в дневных условиях, но позволяет также исключить срыв сопровождения объекта слежения при прохождении данным объектом области его траектории, расположенной по отношению к ЛПУ на фоне солнечного диска.Thus, the background illumination from the solar disk, and even more so from the daytime sky, is practically much less than the admissible background illumination and does not affect the sensitivity of healthcare facilities with iodine ACF. This facility with iodine ACF can work with the same limit level of quantum sensitivity both at night and in the daytime. This is due to the following factors: a very narrow band of quantum
This is a very useful quality of this medical facility under consideration, since it allows us not only to work effectively in daylight conditions without reducing the range, but also allows us to exclude the tracking object tracking failure when this object passes its trajectory located in relation to the medical facility against the background of the solar disk.
Пусть D0 - дальность действия приемного устройства (ПУ) при отсутствии помехи, а Dp - при наличии помехи. Если ввести параметр γp = Dp/D0, характеризующий уменьшение дальности действия ПУ при наличии помехи в сравнении с дальностью действия в отсутствие помехи, то для ЛПУ с йодным АКФ γp близко к своему максимальному значению, равному единице, так как дальность действия, определяемая в общем случае величиной Nmin, практически не уменьшается при работе ЛПУ с йодным АКФ даже в условиях сильной квазисолнечной фоновой помехи. На основании этого можно утверждать, что данное ЛПУ является приемным устройством высокой помехоустойчивости, для нарушения работы которого необходима весьма высокоэнергетическая помеха, превосходящая по уровню яркости солнечный диск и попадающая в весьма узкую полосу квантового усиления АКФ.Let D 0 - the range of the receiving device (PU) in the absence of interference, and D p - in the presence of interference. If we introduce the parameter γ p = D p / D 0 , which characterizes the decrease in the range of the PU in the presence of interference in comparison with the range in the absence of interference, then for medical facilities with iodine ACF, γ p is close to its maximum value of unity, since the range , determined in the general case by the value of N min , practically does not decrease during the operation of medical facilities with iodine ACF even under conditions of strong quasi-solar background noise. Based on this, it can be argued that this facility is a high noise immunity receiving device, for the disruption of which a very high-energy interference is needed, exceeding the brightness of the solar disk and falling into a very narrow band of quantum gain of the ACF.
Проведенные экспериментальные исследования экспериментального образца устройства, реализующего способ, подтвердили получение более высокой вероятности обнаружения слабых оптических сигналов, отраженных от объекта. реализацию приема оптических сигналов с предельно высокой квантовой чувствительностью и однофотонных оптических сигналов при подсвете объекта лазерным излучением с большой длительностью импульса и высокой суммарной энергией, но ограниченной мощностью излучения, а также увеличение эффективности и дальности действия лазерной локационной системы в целом. Последнее достигается за счет одновременной реализации предельной однофотонной квантовой чувствительности и приема и регистрации лазерного излучения с большой длительностью излучаемого импульса, что позволяет повысить общую энергию лазерного излучения для подсвета объекта и, соответственно, увеличить дальность действия лазерной локационной системы при использовании лазерного передатчика - источника лазерного излучения - с ограниченной мощностью излучения, достижимой в реальной аппаратуре. Experimental studies of an experimental sample of a device that implements the method confirmed the receipt of a higher probability of detecting weak optical signals reflected from the object. realizing the reception of optical signals with extremely high quantum sensitivity and single-photon optical signals when the object is illuminated by laser radiation with a long pulse duration and high total energy but limited radiation power, as well as an increase in the efficiency and range of the laser location system as a whole. The latter is achieved due to the simultaneous implementation of the ultimate single-photon quantum sensitivity and the reception and registration of laser radiation with a long pulse duration, which allows to increase the total energy of laser radiation to illuminate the object and, accordingly, increase the range of the laser location system using a laser transmitter - a laser radiation source - with limited radiation power achievable in real equipment.
На фиг.10 (1 и 2) приведены две осциллограммы оптических импульсных сигналов, зарегистрированные соответственно на выходе источника лазерного излучения (поз. 1 фиг. 10) и на выходе АКФ 16 в одном из парциальных углов приема на соответствующем выходе одного из фоточувствительных фотоприемных элементов МФП 22 (поз. 2 фиг.10). При этом оптический сигнал на входе АКФ 16 был значительно ослаблен и составлял по уровню не более нескольких фотонов (2 кванта в дифракционном угле приема). По оси абсцисс отложена координата времени, а по оси ординат - нормированная амплитуда сигнала. На второй осциллограмме видны случайные выбросы амплитуды оптического сигнала на выходе АКФ 16, обусловленные спонтанным излучением АКФ. При этом выброс амплитуды на второй осциллограмме фиг.10 поз. 2, соответствующий по моменту времени принимаемому оптическому импульсу от лазерного генератора на первой осциллограмме, может быть обнаружен с высокой вероятностью правильного обнаружения при измерении статистического параметра, например, суммарной длительности всех выбросов над фиксированным уровнем в пределах заданного промежутка времени, соответствующего, например, интервалу в одну клетку на фиг.10 поз 2. Вероятность обнаружения указанного выброса (импульса) на второй осциллограмме фиг.10 (поз. 2) близка к 100 % при использовании предложенного способа, основанного на анализе статистических параметров (выбросов)случайных сигналов на выходе АКФ. В то же время обнаружение оптического сигнала на основе данного выброса по методу анализа амплитуды сигналов характеризуется меньшей вероятностью обнаружения, так как данный выброс (импульс) на фиг.10 поз. 2 на выходе МФП 22 характеризуется небольшим отношением сигнал/шум (порядка q = 1,5), при котором вероятность обнаружения составляет ~ 70 %. Таким образом, предложенный способ обладает более высокой вероятностью обнаружения слабых оптических сигналов по сравнению с методами приема сигналов, основанными на анализе амплитуд сигналов на выходе фотоприемников. По экспериментальным оценкам и на основании сравнения с уровнем шумов АКФ в зарегистрированном оптическом выходном сигнале, соответствующем выбросу амплитуды на второй осциллограмме фиг.10 поз. 2, содержалось на входе АКФ не более двух фотонов (квантов) от излучения, сформированного лазерным генератором. Использование лазерного излучения с большой длительностью и одновременный прием и регистрация нескольких импульсов-выбросов, аналогичных показанному на фиг.10 поз. 2, позволяет дополнительно повысить вероятность обнаружения и увеличить дальность действия лазерной локационной системы. Figure 10 (1 and 2) shows two waveforms of optical pulsed signals recorded respectively at the output of the laser radiation source (pos. 1 of Fig. 10) and at the output of ACF 16 in one of the partial reception angles at the corresponding output of one of the photosensitive photodetector elements MFP 22 (
На фиг. 11 (поз. 1 и 2) показан характер распределения сигналов, полученных экспериментально на выходе МФП 22 при приеме и регистрации слабых оптических сигналов от протяженного объекта (модели). In FIG. 11 (
При этом на выходе МФП 22 в блоке суммирования поз 25 зарегистрировано одновременное превышение заданного порогового уровня в нескольких парциальных углах приема сигналов, а полученное двумерное распределение, соответствующее наблюдаемому объекту, выведено на дисплей блока обработки информации 28. На фиг.11 (1 и 2) наблюдаемый объект находился, соответственно, в центре и на краю поля зрения приемного канала. Таким образом, в устройстве, реализующем способ, реализована высокая чувствительность, соответствующая квантовому пределу, при формировании изображений объектов в широком поле зрения, соответствующем числу элементов в матричном фотоприемнике МФП 22, равному 128 х 128 элементов. At the same time, at the output of the
Применение предложенного способа лазерной локации и устройства для его осуществления позволяет получить следующие результаты:
- обеспечить повышение чувствительности приема слабых оптических сигналов с большой длительностью импульса и довести уровень чувствительности приема этих сигналов до квантового предела, ограниченного квантовой структурой электромагнитного поля;
- повысить эффективность и дальность действия лазерной локационной системы за счет увеличения длительности импульсов лазерного излучения для подсвета объекта при обеспечении высокой чувствительности их приема и при одновременном обеспечении предельно высокой реально реализуемой мощности источника лазерного излучения;
- повысить вероятность правильного обнаружения объекта за счет использования метода измерения текущих отклонений статистических параметров излучения на выходе АКФ, а также за счет использования в качестве эталонного сигнала специально формируемого сигнала-аналога принимаемого излучения, учитывающего факторы, влияющие на ослабление и изменение лазерного излучения для подсвета объекта при его распространении по трассе и отражении от объекта;
- реализовать высокую помехозащищенность от внешних фоновых излучений и помех и обеспечить при этом пороговый уровень помехозащищенности со спектральной яркостью, превосходящей яркость солнечного излучения на рабочей длине волны.Application of the proposed laser location method and device for its implementation allows to obtain the following results:
- to provide an increase in the sensitivity of reception of weak optical signals with a long pulse duration and bring the sensitivity level of the reception of these signals to the quantum limit, limited by the quantum structure of the electromagnetic field;
- to increase the efficiency and range of the laser ranging system by increasing the duration of the laser pulses to illuminate the object while ensuring high sensitivity of their reception and at the same time providing extremely high realizable power of the laser radiation source;
- increase the probability of correct detection of the object by using the method of measuring the current deviations of the statistical parameters of radiation at the output of the ACF, as well as by using as a reference signal a specially generated signal-analogue of the received radiation, taking into account factors affecting the attenuation and change of laser radiation to illuminate the object when it is distributed along the highway and reflected from the object;
- to realize high noise immunity from external background radiation and interference, and at the same time provide a threshold level of noise immunity with spectral brightness exceeding the brightness of solar radiation at a working wavelength.
Источники информации
1. Патент Германии N 768068, 22.03.1940.Sources of information
1. German patent N 768068, 03/22/1940.
2. Патент Германии N 892772, 19.12.1950. 2. German patent N 892772, 12.19.1950.
3. Патент Англии N 604429, 5.07.1948. 3. England patent N 604429, 07/05/1948.
4. Патент США N 2624876, 6.01.1953. 4. US patent N 2624876, 6.01.1953.
5. Патент США N 2678997, 18.05.1954. 5. US patent N 2678997, 05/18/1954.
6. Автоское свидетельство СССР N 146803 от 25.07.1956, бюл. N 9, 1962. 6. USSR Auto Certificate N 146803 of July 25, 1956, bull. N 9, 1962.
7. Сифоров В.И., Судаков С.С. и др. Радиоприемные устройства. Под редакцией Сифорова В.И. - М.: Сов. радио, 1974, с. 491 - 496. 7. Siforov V.I., Sudakov S.S. and other radio receivers. Edited by V. Siforov - M .: Owls. radio, 1974, p. 491 - 496.
8. Малашин М.С. и др. Основы проектирования лазерных локационных систем. - М.: Высшая школа, 1983, с. 98 - 100. 8. Malashin M.S. et al. Fundamentals of designing laser location systems. - M.: Higher School, 1983, p. 98 - 100.
9. Патент РФ N 2152056, опубл. 27.06.2000, бюл. N 18 (прототип). 9. RF patent N 2152056, publ. 06/27/2000, bull. N 18 (prototype).
10. Авторское свидетельство СССР N 669976 от 21.03.1977, "Электронно-лучевая светомодулирующая трубка", Манкевич С.К., Ставраков Г.Н. и др. 10. USSR author's certificate N 669976 of 03/21/1977, "Electron-beam light-modulating tube", Mankevich SK, Stavrakov GN and etc.
11. "Квантовая электроника", 6, N 11, 1979, "Разрешающая способность электронно-лучевого пространственного модулятора света на основе кристалла ДКДР", Мальшаков В.Г., Манкевич С.К., Парыгин В.Н. и др. 11. "Quantum Electronics", 6,
12. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов. - М.: Наука, 1970. 12. Tikhonov V.I. Emissions of random processes. - M.: Science, 1970.
Claims (16)
где L - предполагаемая дальность до объекта;
Q - расходимость лазерного излучения, сформированного источником лазерного излучения для подсвета объекта;
площадь входного зрачка (апертуры) приемного телескопа, DT - диаметр приемного телескопа;
Soб - предполагаемая эффективная площадь отражающей поверхности объекта;
εоб - предполагаемый коэффициент отражения излучения поверхностью объекта;
ε2 - коэффициент пропускания излучения в атмосфере на рабочей длине волны λраб, равный
ε2 = exp[-αп•La],
где αп - спектральный коэффициент поглощения излучения атмосферой для рабочей длины волны λраб, La - длина предполагаемого пути распространения излучения в атмосфере до объекта и в обратном направлении от объекта;
ε3 - коэффициент пропускания излучения в атмосфере, обусловленный рассеиванием на неоднородностях атмосферы на рабочей длине волны λраб, равный ε3 = exp[-αp.м.•La], где αp.м. - коэффициент молекулярного рассеивания излучения в атмосфере на рабочей длине волны λраб.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве статистического параметра оптического излучения используют число случайных выбросов амплитуды оптического излучения в единицу времени над произвольно выбранным фиксированным уровнем.3. The method according to p. 1, characterized in that the formation of the optical signal analogue of the received radiation is carried out by branching part of the generated and modulated laser radiation, the branch part of the radiation is subjected to Fourier transform and weaken it by χ times, and the attenuation coefficient χ is chosen in accordance with formula
where L is the estimated range to the object;
Q is the divergence of the laser radiation generated by the laser source to illuminate the object;
the area of the entrance pupil (aperture) of the receiving telescope, D T is the diameter of the receiving telescope;
S about - the estimated effective area of the reflecting surface of the object;
ε about - the estimated coefficient of reflection of radiation by the surface of the object;
ε 2 - transmittance of radiation in the atmosphere at the working wavelength λ slave , equal to
ε 2 = exp [-α p • L a ],
where α p is the spectral absorption coefficient of radiation by the atmosphere for the working wavelength λ slave , L a is the length of the estimated path of radiation in the atmosphere to the object and in the opposite direction from the object;
ε 3 - transmittance of radiation in the atmosphere, due to scattering by inhomogeneities of the atmosphere at the working wavelength λ slave , equal to ε 3 = exp [-α p.m. • L a ], where α p.m. - coefficient of molecular dispersion of radiation in the atmosphere at a working wavelength λ slave .
4. The method according to p. 1, characterized in that as the statistical parameter of optical radiation using the number of random emissions of the amplitude of the optical radiation per unit time over an arbitrarily selected fixed level.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования величин первого и второго заданных пороговых уровней P1 и P2, направляют сформированный оптический сигнал-аналог принимаемого излучения на оптический вход АКФ, подвергают его спектральной селекции и усилению на рабочей длине волны λраб в АКФ, в каждом из парциальных пространственных углов приема на выходе АКФ определяют статистический параметр оптического излучения на рабочей длине волны λраб, определяют среднюю величину статистического параметра оптического излучения для всех парциальных пространственных углов приема на выходе АКФ, в одном из парциальных углов приема, соответствующем угловому направлению направленного на оптический вход АКФ оптического сигнала-аналога принимаемого излучения, определяют текущую величину отклонения во времени статистического параметра оптического излучения от средней величины данного статистического параметра оптического излучения как функцию времени и формируют функцию отклонения F2(t), равную разности текущих значений S(t) статистического параметра оптического излучения и его средней величины So (F2 (t) = S(t) - So), осуществляют текущее суммирование во времени значений функции отклонения F2(t) на интервале времени Тс, равном длительности сформированного сигнала-аналога принимаемого излучения, полученную сумму Z2 принимают за величину первого заданного порогового уровня P1 = Z2, одновременно с этим формируют функцию взаимной корреляции К2(t) между запомненным электрическим сигналом-аналогом принимаемого излучения и сформированной функцией отклонения F2(t) на интервале времени Δt, равном длительности Тс сигнала-аналога принимаемого излучения Δt = Tc, определяют максимальное значение величины функции взаимной корреляции K2(t) : М2 = max{ K2(t)} и полученную величину M2 принимают за второй заданный пороговый уровень Р2 = М2.6. The method according to p. 1, or 4, or 5, characterized in that as a unit of time when measuring the statistical parameter of optical radiation, a period of time equal to or a multiple of the time constant of the active quantum filter ACF t p inversely proportional to the value of f o strip quantum gain ACF: t p = 1 / f o
7. The method according to p. 1, characterized in that for the formation of the values of the first and second predetermined threshold levels P 1 and P 2 , the generated optical signal analog of the received radiation is directed to the optical input of the ACF, subjected to spectral selection and amplification at the operating wavelength λ slave ACF, each of the partial space receiving the output angles ACF determine statistical parameter of optical radiation at the operating wavelength λ slave, determining an average value of optical radiation for all statistical parameter the spatial spatial angles of reception at the output of the ACF, in one of the partial angles of reception corresponding to the angular direction of the optical signal analogous to the received radiation directed to the optical input of the ACF, the current time deviation of the statistical parameter of optical radiation from the average value of this statistical parameter of optical radiation is determined as a function time and form the deviation function F 2 (t) equal to the difference of the current values S (t) of the statistical parameter of optical radiation I and its average value S o (F 2 (t) = S (t) - S o ), carry out the current time summation of the values of the deviation function F 2 (t) over a time interval T s equal to the duration of the generated signal-analogue of the received radiation , the resulting sum Z 2 is taken as the value of the first predetermined threshold level P 1 = Z 2 , at the same time, a cross-correlation function K 2 (t) is formed between the stored electrical signal-analogue of the received radiation and the generated deviation function F 2 (t) in the time interval Δt, with equal durations T Sig la analog received radiation Δt = T c, determine the maximum value of the cross correlation function K 2 (t): M 2 = max {K 2 (t)} and the resulting value M 2 is taken as the second predetermined threshold level P 2 = M 2 .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001102070A RU2183841C1 (en) | 2001-01-24 | 2001-01-24 | Method of laser location and laser location device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001102070A RU2183841C1 (en) | 2001-01-24 | 2001-01-24 | Method of laser location and laser location device for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2183841C1 true RU2183841C1 (en) | 2002-06-20 |
Family
ID=20245150
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001102070A RU2183841C1 (en) | 2001-01-24 | 2001-01-24 | Method of laser location and laser location device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2183841C1 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2471199C1 (en) * | 2011-06-27 | 2012-12-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро по радиоконтролю систем управления, навигации и связи" (ОАО "КБ "Связь") | Method for passive detection of mobile objects |
RU2471200C1 (en) * | 2011-06-27 | 2012-12-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро по радиоконтролю систем управления, навигации и связи" (ОАО "КБ "Связь") | Method for passive detection and spatial localisation of mobile objects |
RU2502647C1 (en) * | 2012-07-26 | 2013-12-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Laser device for control over near-earth space |
RU2529732C1 (en) * | 2013-04-09 | 2014-09-27 | Открытое акционерное общество "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" | System for detecting objects |
RU2549552C2 (en) * | 2012-04-19 | 2015-04-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method of tracking aerial target and telescopic sight having tracking range finder for implementing said method |
CN110361718A (en) * | 2019-08-16 | 2019-10-22 | 哈工大机器人(合肥)国际创新研究院 | A kind of detection method and device that light source is abnormal luminous |
CN112888959A (en) * | 2019-09-30 | 2021-06-01 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | Measuring method and system for measuring range of laser range finder and storage medium |
RU2774945C1 (en) * | 2021-09-20 | 2022-06-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method for detecting optical and opto-electronic devices |
-
2001
- 2001-01-24 RU RU2001102070A patent/RU2183841C1/en active
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2471199C1 (en) * | 2011-06-27 | 2012-12-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро по радиоконтролю систем управления, навигации и связи" (ОАО "КБ "Связь") | Method for passive detection of mobile objects |
RU2471200C1 (en) * | 2011-06-27 | 2012-12-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро по радиоконтролю систем управления, навигации и связи" (ОАО "КБ "Связь") | Method for passive detection and spatial localisation of mobile objects |
RU2549552C2 (en) * | 2012-04-19 | 2015-04-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method of tracking aerial target and telescopic sight having tracking range finder for implementing said method |
RU2502647C1 (en) * | 2012-07-26 | 2013-12-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Laser device for control over near-earth space |
RU2529732C1 (en) * | 2013-04-09 | 2014-09-27 | Открытое акционерное общество "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" | System for detecting objects |
CN110361718A (en) * | 2019-08-16 | 2019-10-22 | 哈工大机器人(合肥)国际创新研究院 | A kind of detection method and device that light source is abnormal luminous |
CN110361718B (en) * | 2019-08-16 | 2023-02-28 | 哈工大机器人(合肥)国际创新研究院 | Method and device for detecting abnormal light emission of light source |
CN112888959A (en) * | 2019-09-30 | 2021-06-01 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | Measuring method and system for measuring range of laser range finder and storage medium |
RU2774945C1 (en) * | 2021-09-20 | 2022-06-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method for detecting optical and opto-electronic devices |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5138854B2 (en) | Optical distance measurement | |
US7554652B1 (en) | Light-integrating rangefinding device and method | |
US7521664B2 (en) | Laser direction detection | |
CN111880194B (en) | Non-field-of-view imaging apparatus and method | |
EP4200632A1 (en) | Lidar system noise calibration & target detection | |
CN108828616B (en) | Photon counting laser radar capable of realizing monopulse ranging and constant false alarm control method | |
US20190331796A1 (en) | Method for processing a signal from a coherent lidar in order to reduce noise and related lidar system | |
WO2020221185A1 (en) | Asynchronous tof discrete point cloud-based 3d imaging apparatus, and electronic device | |
EP2260325B1 (en) | Light-integrating rangefinding device and method | |
TW524983B (en) | Optical detection and analysis | |
RU2183841C1 (en) | Method of laser location and laser location device for its implementation | |
US6275283B1 (en) | Passive ranging to source of known spectral emission to cue active radar system | |
Razenkov | Turbulent Lidar: II− Experiment | |
CN112904351B (en) | Single-source positioning method based on quantum entanglement light correlation characteristic | |
US6222618B1 (en) | Passive ranging to source of known spectral emission | |
US20230050937A1 (en) | Detection method and detection apparatus | |
Henriksson et al. | Scintillation index measurement using time-correlated single-photon counting laser radar | |
RU100635U1 (en) | DEVICE FOR DETECTION OF OPTICAL AND OPTICAL-ELECTRONIC OBJECTS | |
WO2018226124A1 (en) | Optical device for determining distances to an object | |
US6373558B1 (en) | Passive ranging to a target reflecting solar radiation | |
KR20230088809A (en) | Techniques for Correlating Peaks in Multi-Target Scenarios of Coherent LIDAR Systems | |
Jonsson et al. | Reconstruction of time-correlated single-photon counting range profiles of moving objects | |
USH1742H (en) | Glint responsive parametric amplified phase conjugate signal laser radar | |
RU2659615C2 (en) | Luminous objects detection system | |
RU2778546C1 (en) | Device and method for receiving optical signal reflected from sounding object |