Патент на изобретение №2300841

(54) СПОСОБ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к оптическим линиям связи, применяемым для наведения управляемых ракет на цель, например для имитации модулирующих помех, воздействующих на приемный тракт ракеты на траектории полета. Технический результат состоит в регулировании мощности оптического импульсного излучения в соответствии с величиной и формой напряжения модулирующего источника, что упрощает реализацию и расширяет функциональные возможности. Для этого в способ, при котором формируют электрический сигнал, изменяющий величину электрических импульсов, которые регулируют величину параметра накачки оптического квантового генератора (ОКГ), формируя амплитуду мощности излучаемых оптических импульсов в интервале не менее мощности, соответствующей порогу возбуждения ОКГ, и не более его максимальной мощности. В устройство введены источник модулирующего сигнала, модулятор и усилитель-преобразователь. 4 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемая группа изобретений относится к оптическим линиям связи, применяемым для наведения управляемых ракет на цель, например для имитации модулирующих помех, воздействующих на оптический приемный тракт ракеты на траектории полета.

В настоящее время в системах наведения широко применяются лазерные передатчики, обладающие высокой скрытностью работы и высокой разрешающей способностью по угловым координатам при малых размерах оптической системы по сравнению с антенной системой в радиопередатчиках, при этом применение оптического излучения решает проблему электромагнитной совместимости, т.к. большое количество оптических линий связи может работать одновременно, не создавая взаимных помех.

Однако ввиду сложности и многообразия характера среды отсутствуют достаточно точные описания явлений ослабления лучистой энергии, например, в атмосфере, что затрудняет решение практических задач расчета каналов связи приборов наведения и самонаведения. Поэтому необходимо накапливать и опираться на экспериментальные данные, основными из которых являются оценка влияния модулирующих помех, в том числе имитированных на конкретный оптический приемный тракт.

Известен преобразователь “угол-число” [В.П.Демидов, Н.Ш.Кутыев. Управление зенитными ракетами, Москва, Военное издательство, 1989 г., стр.287, рис.10.4], в котором используется способ амплитудной модуляции (AM) импульсного оптического излучения и устройство, его реализующее. В известном способе AM импульсного оптического излучения осуществляют модуляцию импульсного источника света изменением коэффициента пропускания поверхности растра, вращаемого вокруг оси. Устройство AM импульсного оптического излучения, реализующее этот способ, содержит линейный импульсный источник света, кодовый диск и экран со щелью, при этом между линейным импульсным источником света и экраном со щелью установлен кодовый диск, поверхность которого содержит светлые и темные участки. В качестве линейного импульсного источника света используется газоразрядная лампа, которая должна быть подключена к источнику импульсного сигнала (напряжения). Однако вместо газоразрядной лампы можно использовать оптический квантовый генератор (ОКГ), например полупроводниковый, который также может быть линейным импульсным источником излучения (света).

Таким образом, в известных способе AM импульсного оптического излучения и устройстве, его реализующем, осуществляют (на выходе каждой из четырех щелей) механическим путем AM оптического импульсного излучения с частотой, определяемой скоростью вращения кодового диска, глубиной AM, определяемой отношением светлых (прозрачных) и темных (непрозрачных) участков кодового диска и формой огибающей AM сигнала, определяемой характером изменения плотности непрозрачных участков.

Следовательно, изменение параметров AM: коэффициента AM, частоты и формы огибающей AM сигнала сложно, т.к. требует большого количества сменных кодовых дисков и регулятора скорости вращения. Кроме того, при этой AM выходной сигнал имеет всего два уровня (на выходе каждой щели) большой (единичный) и маленький (нулевой). Это является недостатками известных способа AM импульсного оптического излучения и устройства, его реализующего.

Задачей настоящего изобретения (способа и устройства) является изменение (регулирование) мощности оптического импульсного излучения в соответствии с величиной и формой напряжения модулирующего источника, что упрощает реализацию и расширяет функциональные возможности.

Поставленная задача решается в способе AM оптического импульсного излучения (первый вариант) за счет того, что формируют последовательность электрических импульсов, формируют электрический модулирующий сигнал, который суммируют с величиной постоянного напряжения, суммарным сигналом изменяют коэффициент передачи электрических импульсов, величиной которых регулируют величину параметра накачки ОКГ и прямо пропорционально величине параметра накачки ОКГ формируют амплитуду мощности излучаемых оптических импульсов в интервале не менее мощности, соответствующей порогу возбуждения ОКГ, и не более его максимальной мощности.

В частном случае величиной модулированных электрических импульсов регулируют величину тока накачки ОКГ, равного амплитуде импульсного тока разряда конденсатора, заряжаемого от источника питания в интервалах между импульсами.

Способ амплитудной модуляции оптического импульсного излучения (второй вариант), при котором формируют последовательность электрических импульсов, формируют электрический модулирующий сигнал, в который вносят искажения, компенсирующие величину нелинейности, характеризующую зависимость величины оптической импульсной мощности ОКГ от величины параметра накачки, а затем полученным сигналом модулируют последовательность электрических импульсов, величиной которых регулируют величину параметра накачки ОКГ, при этом формируют амплитуду мощности излучаемых оптических импульсов в интервале не менее мощности, соответствующей порогу возбуждения ОКГ, и не более его максимальной мощности.

Устройство AM оптического импульсного излучения (первый вариант), реализуещее способ амплитудной модуляции оптического импульсного излучения (первый вариант), содержит источник импульсного сигнала и ОКГ, в него введены источник модулирующего сигнала, источник опорного напряжения, последовательно включенные модулятор и усилитель-преобразователь, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам ОКГ, при этом выход источника импульсного сигнала соединен с первым входом модулятора, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам источника модулирующего сигнала и источнику опорного напряжения.

Устройство амплитудной модуляции оптического импульсного излучения (второй вариант), реализующее способ амплитудной модуляции оптического импульсного излучения (второй вариант), содержит источник импульсного сигнала и ОКГ, введены последовательно соединенные источник модулирующего сигнала и формирователь, а также модулятор и усилитель-преобразователь, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам ОКГ, при этом выход источника импульсного сигнала соединен с первым входом модулятора, второй вход которого подключен к выходу формирователя.

В предлагаемом изобретении заявленный способ (первый вариант) реализуется следующим образом. Формируют последовательность электрических импульсов, например модулированных время-импульсной модуляцией (ВИМ). Формируют электрический модулирующий сигнал, суммируемый с величиной постоянного напряжения. Форма модулирующего сигнала может быть любая, например от шумового вида до гармонического, в том числе имитирующая изменение величины ослабления оптического излучения атмосферой, факелом двигателя ракеты и т.д.

Суммарным сигналом изменяют коэффициент передачи импульсного сигнала. Изменение амплитуды этого суммарного сигнала должно находиться в пределах линейной зоны, в которой возможна регулировка коэффициентов передачи аттенюаторов, усилителей и т.д.

Изменение коэффициента передачи приводит к изменению (модуляции) амплитуды импульсов, величиной которых регулируют величину параметра накачки (ток, напряжение, электронный поток, вспомогательное излучение и т.д.) ОКГ. Прямо пропорционально величине параметра накачки ОКГ формируют амплитуду мощности излучаемых оптических импульсов, которая должна находиться в интервале не менее мощности, соответствующей порогу возбуждения (началу генерации) ОКГ, и не более его максимальной мощности.

Данный (первый вариант) способа амплитудной модуляции оптического импульсного излучения применим для ОКГ, имеющих линейную характеристику зависимости величины оптической импульсной мощности от величины параметра накачки ОКГ, например для ОКГ полупроводникового импульсного режима, которые нашли в настоящее время особенно широкое применение. В этих ОКГ параметром накачки является ток и для них величиной модулированных электрических импульсов регулируют величину тока накачки ОКГ, являющегося амплитудой импульсного тока разряда конденсатора, который в момент отсутствия электрических импульсов, т.е. в интервалах между двумя соседними импульсами (задним фронтом предыдущего и передним фронтом последующего) заряжают от источника питания.

Заявленный способ амплитудной модуляции оптического импульсного излучения (второй вариант – для ОКГ, имеющих нелинейную характеристику зависимости величины оптической импульсной мощности от величины параметра накачки ОКГ) реализуется следующим образом. Формируют последовательность электрических импульсов и электрический модулирующий сигнал, в который вносят искажения, компенсирующие величину нелинейности, имеющейся в зависимости величины оптической импульсной мощности ОКГ от величины параметра накачки, т.е. зная нелинейность характеристики, например, экспериментально сняв ее, компенсируют нелинейность путем введения нелинейности с обратным знаком в модулированный импульсный сигнал.

Затем этим модулирующим сигналом модулируют последовательность электрических импульсов, величиной которых регулируют соответственно величину параметра накачки ОКГ. При этом формируют амплитуду мощности излучаемых оптических импульсов, которая должна находиться в интервале не менее мощности, соответствующей порогу возбуждения ОКГ, и не более его максимальной мощности.

Таким образом, форма огибающей AM оптического импульсного излучения в обоих вариантах с достаточно высокой точностью соответствует форме модулирующего сигнала, причем глубину AM можно регулировать изменением величины постоянного напряжения (в первом варианте) и величины амплитуды модулирующего сигнала (в обоих вариантах).

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, приведенными на фиг.1, 2 и 3. На фиг.1 и 2 представлены структурные электрические схемы устройств AM импульсного оптического излучения соответственно первого и второго вариантов, где 1 – источник импульсного сигнала (ИС), 2 – источник модулирующего сигнала (МС), 3 – модулятор (М), 4 – источник опорного напряжения (ОН), 5 – усилитель-преобразователь (УП), 6 – оптический квантовый генератор (ОКГ), 7 – формирователь (Ф), R1…R8 – резисторы, С1…С2 – конденсаторы, VT1…VT3 – транзисторы, VD1 – диод, VD2 – полупроводниковый элемент ОКГ 6 (показан условно), Е_п – источник питания.

На фиг.3 представлены эпюры сигналов, где “а” – сигнал на первом входе модулятора 3, “б” – сигналы на втором и третьем входах модулятора 3 (пунктиром) и их суммарная величина (сплошная линия), “в” – сигнал на выходе модулятора 3, “г” – сигнал на коллекторе транзистора VT3 относительно эмиттера (левая обкладка конденсатора С2), “д” – оптический AM сигнал на выходе ОКГ 6.

Устройство AM импульсного излучения (первый вариант) содержит последовательно включенные модулятор 3 и усилитель-преобразователь 5, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам ОКГ 6. Выход ОКГ 6 соединен с первым входом модулятора 3, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам источника модулированного сигнала 2 и источнику опорного напряжения 3.

Устройство AM импульсного излучения (второй вариант) содержит последовательно включенные источник модулирующего сигнала 2 и формирователь 7, а также модулятор 3 и усилитель-преобразователь 5, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам ОКГ 6, при этом выход источника импульсного сигнала 1 соединен с первым входом модулятора 3, второй вход которого подключен к выходу формирователя 7.

Источник импульсного сигнала 1 может быть выполнен как аппаратура кодирования и уплотнения каналов [“Основы радиоуправления”, под ред. Вейцеля В.А. и Типугина В.Н., Москва, Сов. радио, 1973 г., стр.247, 248, рис.4.28, 4.29] с ВИМ. В качестве источников модулирующего сигнала 2 и опорного напряжения 4 можно применить, например, соответственно низкочастотный генератор сигналов Г3-110 и источник питания постоянного тока Б5-29. ОКГ 6, например излучатель лазера полупроводниковый инжекционный, импульсного режима работы ИЛПИ-107. Формирователь 7 может быть выполнен на программно-запоминающем устройстве, например на микросхеме 556РТ7, ко входам и выходам которой подключены соответственно аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи. Примеры выполнения модулятора 3 и усилителя-преобразователя 5 приведены на фиг.1, где резисторы, конденсаторы, транзисторы и диод – обычные радиоэлементы.

Заявленное устройство AM оптического излучения (первый вариант), приведенное на фиг.1, работает следующим образом. Источник импульсного сигнала 1 формирует последовательность электрических импульсов, приведенных на эпюре “а” фиг.3. Эти импульсы поступают на первый вход модулятора 3. На второй и третий входы модулятора 3 поступают соответственно, например, гармонический сигнал с выхода источника модулирующего сигнала 2 и постоянное напряжение с выхода источника опорного напряжения 4 (на фиг.3 эпюра “б” они изображены пунктиром). Суммарная величина этих двух сигналов изображена на фиг.3 (эпюра “б” сплошной линией). Модулятор 3 представляет собой регулируемый аттенюатор [Г.М.Крылов, Е.И.Хоняк, А.Н.Тыныка и др. “Управляемые аттенюаторы”. Радио и связь, 1985 г., стр.5, 6, 13-15], т.е. делитель напряжения, состоящий из последовательно включенных резистора R1 и коллектор-эмиттерного (к-э) перехода транзистора VT1. Величина сопротивления к-э перехода транзистора VT1 линейно регулируется величиной тока, протекающего через база-эмиттерный (б-э) переход транзистора VT1.

Таким образом, формируется импульсный AM сигнал на выходе модулятора 3 (эпюра “в” на фиг.3). Этот сигнал поступает на вход усилителя-преобразователя 5, например, на вход эмиттерного повторителя на транзисторе VT2, где он усиливается по току, а затем подается на вход каскада с общим эмиттером, выполненным на транзисторе VT3.

Каскад на транзисторе VT3 можно представить как регулируемый аттенюатор, т.е. делитель напряжения, состоящий из последовательно включенных резистора R7 и сопротивления к-э перехода транзистора VT3. При отсутствии импульса на базе транзистора VT3 нулевой потенциал и сопротивление к-э перехода транзистора имеет величину много больше величины резистора R7.

Следовательно, в момент отсутствия импульса на базе транзистора VT3 происходит заряд конденсатора С2 по цепи источник питания +Е_п, резистор R7, конденсатор С2, диод VD1, резистор R8 и “Общий”. Таким образом конденсатор С2 заряжается до величины, практически равной Е_п (эпюра “г” на фиг.3).

При наличии импульса на базе транзистора VT3 происходит разряд конденсатора С2 по цепи левая обкладка конденсатора С2, к-э переход транзистора VT3, резистор R8, импульсный излучатель 6 (имеющий одностороннюю проводимость) и правая обкладка конденсатора С2. Величина напряжения разряда конденсатора С2 ограничивается величиной падения напряжения на к-э переходе транзистора VT3 относительно “общего” (эпюра “г” на фиг.3), которую определяет величина тока, протекающая через б-э переход транзистора VT3, задаваемая амплитудой импульса (эпюра “в” на фиг.3).

Таким образом, величина тока разряда конденсатора С2 (тока накачки), протекающего через ОКГ 6 (в данном случае через “р-п” переход полупроводникового лазера), прямо пропорциональна величине амплитуды импульсов на коллекторе транзистора VT3 относительно Е_п (эпюра “г” на фиг.3), а величина мощности оптического импульса, излучаемого ОКГ 6, прямо пропорциональна току разряда конденсатора С2.

Поскольку ток через к-э переход транзистора VT3 начинает протекать при амплитуде импульса напряжения на входе усилителя-преобразователя 5 больше суммарного падения напряжения на б-э переходах транзисторов VT2 и VT3, то имеет место отсечка импульсов, приведенных на эпюре “в” фиг.3 снизу, приблизительно на величину 1,3 В. При этом глубина AM, определяемая коэффициентом модуляции [И.С.Гоноровский. “Радиотехнические цепи и сигналы”, Москва, Сов. радио, 1977 г., стр.89, 90], равная

где A_m – амплитуда изменения огибающей,

A₀ – средняя величина амплитуды импульсов,

на выходе усилителя-преобразователя 5 (эпюра “г” на фиг.3), а значит и на выходе ОКГ (эпюра “д” на фиг.3) больше, чем на входе усилителя-преобразователя 5 за счет уменьшения (отсекания) величины A₀ на величину приблизительно 1,3 В, что отмечалось выше, а также с учетом порога возбуждения ОКГ.

Таким образом, в устройстве AM оптического импульсного излучения (первый вариант) применен получивший наиболее широкое распространение полупроводниковый лазер, использующий в качестве параметра накачки импульсный ток, например разряда конденсатора. Возможны и другие ОКГ, использующие иные параметры накачки.

Заявленное устройство AM оптического излучения (второй вариант), приведенное на фиг.2, работает следующим образом. Источник модулирующего сигнала 2 формирует сигнал, например, приведенный на эпюре “б” фиг.3 (пунктир), который поступает на вход формирователя 7. Формирователь 7 помимо смещения этого сигнала вносит в него искажения, компенсирующие нелинейность характеристики, являющейся зависимостью величины мощности оптического импульсного сигнала ОКГ от величины параметра накачки.

Сигнал с выхода формирователя 7 поступает на второй вход модулятора 3, который модулирует последовательность импульсов (например, эпюра “а” на фиг.3), подающихся на его первый вход с выхода источника импульсного сигнала 1. При этом в форму огибающей модулированного сигнала вносятся искажения, заложенные формирователем 7. С выхода модулятора 3 сигнал поступает на вход усилителя-преобразователя 5, который усиливает и преобразует его в параметр накачки, например аналогично как в первом варианте, и подает его на ОКГ 6.

Таким образом, в заявленном техническом решении электронным способом регулируют коэффициент модуляции, частоту и форму огибающей, а также величину мощности импульсного излучения, модулированного по амплитуде.

Дополнительно величину средней мощности можно регулировать с помощью диафрагмы, изменяющей площадь (диаметр) пучка излучения, набором светофильтров, например, с разными коэффициентами пропускания, ослабляющими излучение и т.д.

Следовательно, предлагаемая группа изобретений – способ AM оптического импульсного излучения (варианты) и устройство AM оптического импульсного излучения для его осуществления (варианты) позволяет, изменяя (регулируя) мощность оптического импульсного излучения в соответствии с величиной и формой напряжения модулирующего источника, упростить реализацию и расширить функциональные возможности формирования AM оптического импульсного излучения.

Формула изобретения

1. Способ амплитудной модуляции оптического импульсного излучения, при котором формируют последовательность электрических импульсов, отличающийся тем, что формируют электрический модулирующий сигнал, который суммируют с величиной постоянного напряжения, суммарным сигналом изменяют коэффициент передачи электрических импульсов, величиной которых регулируют величину параметра накачки оптического квантового генератора (ОКГ) и прямо пропорционально величине параметра накачки ОКГ формируют амплитуду мощности излучаемых оптических импульсов в интервале не менее мощности, соответствующей порогу возбуждения ОКГ, и не более его максимальной мощности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируемым параметром является величина тока накачки ОКГ, равная амплитуде импульсного тока разряда конденсатора, заряжаемого от источника питания в интервалах между импульсами.

3. Способ амплитудной модуляции оптического импульсного излучения, при котором формируют последовательность электрических импульсов, отличающийся тем, что формируют электрический модулирующий сигнал, в который вносят искажения, компенсирующие величину нелинейности, характеризующую зависимость величины оптической импульсной мощности ОКГ от величины параметра накачки, а затем полученным сигналом модулируют последовательность электрических импульсов, величиной которых регулируют величину параметра накачки ОКГ, при этом формируют амплитуду мощности излучаемых оптических импульсов в интервале не менее мощности, соответствующей порогу возбуждения ОКГ, и не более его максимальной мощности.

4. Устройство амплитудной модуляции оптического импульсного излучения, содержащее источник импульсного сигнала и ОКГ, отличающееся тем, что введены источник модулирующего сигнала, источник опорного напряжения, последовательно включенные модулятор и усилитель-преобразователь, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам ОКГ, выход источника импульсного сигнала соединен с первым входом модулятора, второй и третий входы которого подключены, соответственно, к выходам источника модулирующего сигнала и источника опорного напряжения.

5. Устройство амплитудной модуляции оптического импульсного излучения, содержащее источник импульсного сигнала и ОКГ, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные источник модулирующего сигнала и формирователь, а также модулятор и усилитель-преобразователь, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам ОКГ, при этом выход источника импульсного сигнала соединен с первым входом модулятора, второй вход которого подключен к выходу формирователя.

РИСУНКИ