Патент на изобретение №2349930

(54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМА ИЗЛУЧЕНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к лазерной доплеровской локации дисперсионно ограниченных объектов с их панорамным поиском по угловым координатам и многоканальной обработкой принимаемых излучений в режиме гетеродинного приема с оптимальной фильтрацией на основе дисперсионных линий задержки. Способ лазерного гетеродинного приема излучений основан на фотосмешении в оптически связанных с приемным объективом фоточувствительных элементах принимаемого излучения с когерентным с ним гетеродинным излучением в форме плоской волны с разностной частотой, расположенной в спектре радиосигналов. Приемные площадки фоточувствительных элементов смещают относительно фокальной плоскости приемного объектива на расстояние, равное 1,95(f/D)², где f – фокусное расстояние, D – диаметр приемного объектива, – длина волны лазерного излучения. Технический результат – повышение отношения сигнал/шум на входе решающего устройства локатора до 48%.

Изобретение относится к лазерной доплеровской локации дисперсионно ограниченных объектов с их панорамным поиском по угловым координатам и многоканальной обработкой принимаемых излучений в режиме гетеродинного приема с оптимальной фильтрацией на основе дисперсионных линий задержки (ДЛЗ).

Известно построение лазерных доплеровских локаторов с многоканальной обработкой информации на основе ДЛЗ, работающих в режиме гетеродинного приема излучений [1-5]. Использование фактора высокой когерентности излучения одночастотных газовых лазеров [6, 7], например СО₂-лазеров, позволяет осуществить когерентный прием таких излучений методом фотосмешения сигнального и гетеродинного пучков, что находит применение в лазерных доплеровских локаторах. Полученные в результате фотосмешения радиосигналы разностной частоты обрабатываются в согласованных фильтрах на ДЛЗ, что позволяет повысить обнаружительную способность локаторов, то есть величину отношения сигнал/шум на входе решающего устройства [8-13].

Для обнаружения объектов в расширенной угломестной зоне кругового обзора с узким мгновенным углом зрения по азимуту (то есть при «веерообразной» диаграмме излучения) в когерентных локаторах на CO₂-лазерах используют фотодиодные линейки из N фоточувствительных элементов КРТ (тройные соединения Kd Hg Т1, охлаждаемые жидким азотом) с N-канальной согласованной фильтрацией с использованием ДЛЗ. При этом предельная дальность обнаружения L диффузных дифракционно-ограниченных объектов находится из решения трансцендентного уравнения

где – экстинкция среды, Р – мощность излучающего лазера, k – пропускание в излучающем и приемном трактах, у – эффективность фотосмешения, S – эффективная поверхность отражения (ЭПО) лоцируемого объекта, D – диаметр входного зрачка (приемного объектива), – отношение сигнал/шум по напряжению на входе решающего устройства, – спектральная плотность мощности шума фотодетектора (фоточувствительного элемента КРТ), Т₀ – период кругового обзора, В=F – база ДЛЗ, – длительность импульсной характеристики ДЛЗ, F – рабочая полоса частот ДЛЗ, F_d – полоса неопределенности доплеровских сдвигов частоты F_d=2v/. где v – разница между наибольшей и наименьшей возможных радиальных скоростей движущегося объекта, – длина волны лазерного излучения (=10,6 мкм для CO₂-лазера), причем для гауссовских сигнала и шума имеем ²=(lnФ/lnG) – 1, где G и Ф – соответственно вероятности правильного обнаружения и ложных тревог, значениями которых обычно задаются при расчете локационной системы.

Выбор ДЛЗ существенно влияет на обнаружительные, точностные и динамические характеристики локатора, как это следует из (1). Пороговые свойства фотодетектора при когерентном приеме определяются параметрами и y, и важно оценить эти величины.

В известных локационных гетеродинных системах фотоприемник обычно устанавливают в фокальной плоскости приемного объектива, то есть совмещают фоточувствительный элемент с диском Эйри, внутри которого сигнальное поле считается плоским и сосредоточивает до 84% всей энергии сигнала. При этом лазерное взаимно когерентное с сигнальным гетеродинное поле также плоское, что обеспечивает наибольшую эффективность фотосмешения сигнального и гетеродинного полей. Этот известный способ совмещения фоточувствительного элемента с фокальной плоскостью приемного объектива (с диском Эйри) используется в заявляемом техническом решении в качестве прототипа.

Однако, как будет показано ниже, такому известному способу присущ недостаток, заключающийся в том, что при этом снижается при прочих равных условиях результирующее отношение сигнал/шум на входе решающего устройства при условии, когда рабочая площадка (апертура) фоточувствительного элемента не согласована с параметром приемного объектива (f/D)², где f – фокусное расстояние приемного объектива, определяющим апертуру диска Эйри.

Указанный недостаток известного способа устранен в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является повышение отношения сигнал/шум на входе решающего устройства.

Указанная цель достигается в способе лазерного гетеродинного приема излучений, основанном на фотосмешении в оптически связанных с приемным объективом фоточувствительных элементах принимаемого излучения с когерентным с ним гетеродинным излучением в форме плоской волны с разностной частотой, расположенной в спектре радиосигналов, отличающимся тем, что приемные площадки фоточувствительных элементов смещают относительно фокальной плоскости приемного объектива на расстояние, равное 1,95(f/D)², где f – фокусное расстояние, D – диаметр приемного объектива, – длина волны лазерного излучения, при условии, когда рабочая площадка фоточувствительного элемента существенно больше величины (f/D)²/2.

Достижение указанной цели объясняется результатами анализа конкуренции между снижением эффективности фотосмешения сигнального и гетеродинного волновых полей при смещении рабочих площадок фоточувствительных элементов от фокальной плоскости приемного объектива, где для сигнального поля волна отличается от плоской (как в диске Эйри), и увеличением мощности сигнальной компоненты на рабочей площадке фоточувствительного элемента, нивелирующим действие шума гетеродинного поля.

Проанализируем сущность эффекта увеличения отношения сигнал/шум на входе решающего устройства локатора с гетеродинным приемом в заявляемом техническом решении.

Как известно [14, 15], распределение поля в фокальной плоскости приемного объектива, образуемое точечным источником (дифракционно ограниченным объектом), определяется функцией рассеяния

где J₁(r) – функция Бесселя первого порядка. При этом радиус диска Эйри задается аргументом функции Бесселя и равен r_Э=3,83 f/D=1,22 f/D, и в сечении диска Эйри сигнальная волна плоская и содержит 84% от мощности полезного сигнала Р_С, падающего на фотодетектор (=0,84 – коэффициент использования мощности сигнальной компоненты на фотодетекторе).

Полагая поле гетеродинной волны также плоским и коллинеарным оптической оси приемного объектива, имеем коэффициент фотосмешения у=1 при условии соизмеримости рабочей площадки фотодетектора с площадью диска Эйри, то есть когда соблюдается приблизительное равенство (f/D)². При этом спектральная плотность мощности шума =(h)/)(1+Р_Ш/Р_Г) при шумовой компоненте Р_Ш=[h/e(I+WkT_Ш/2eR)]+Р_Ф+Р_С, где h – энергия фотона, – квантовая эффективность фотодетектора, Р_Г – мощность гетеродинного поля на фотодетекторе (на площадке ), е – заряд электрона, I – темновой ток фотодетектора, k – постоянная Больцмана, W, Т_Ш и R – соответственно фактор шума, шумовая температура и шумовое сопротивление фотодетектора, Р_Ф – мощность фоновой засветки на апертуре о, к которой чувствителен фотодетектор.

В случае, когда >> (f/D)², что практически всегда имеет место, средний квадрат тока фотодетектора на промежуточной частоте, равной разности зондирующего и отраженного от движущегося объекта локации излучений, определяется как

причем (dP_C/d)_o – поверхностная плотность мощности сигнала в нулевом порядке дифракции (в диске Эйри), d=rdrd – дифференциал площадки фотодетектора, а интеграл в (3) может быть представлен в виде

причем распределение плотности мощности таково, что (dP_C/d)_o|r>r_Э=0, и также (dP_С/d)_о|r=0= Р_С/_о ², где _о – эквивалентный радиус диска Эйри, в пределах которого полезная компонента освещенности принимается условно постоянной и равной освещенности в центре диска Эйри (r=0). На остальной части рабочей поверхности фотодетектора –_o ² гетеродинное поле действует как фоновая засветка, поэтому ясно, что в этой части фотодетектора приумножается шум в выделяемом на выходе фотодетектора сигнале промежуточной частоты, и при этом =(h)/)(1+Р_Ш/Р_Г)/_о ² при _оЭ, причем значение _о получают из (2) в форме интегральной оценки вида

, r_Э=Х₀f/D, Х_о=3,83 – корень функции Бесселя первого порядка. Учитывая, что J₁(|r|)=J₁(х) при =D/f и с индексами =-1 и =1, решение которого имеет вид

Обобщенное выражение использованной в (5) гипергеометрической функции вида

для индексов p=1, q=2, z=x²/4 и с символами Пахгаммера (s)_k, определяемыми как (s)_k=s(s+1)(s+2)…(s+k-1)=Г(s+k)/Г(k), то есть отношением гамма-функций, с учетом (5) и (6) определяет искомое решение для величины _o в форме:

С математической точки знения аналогичный результат получают либо путем вычисления интеграла от произведения комплексно-сопряженных сигнального и гетеродинного коллинеарных полей на входной апертуре приемного объектива, либо в любом произвольно расположенном от фокальной плоскости сечении, ортогональном оптической оси приемного объектива, как это показано в работе [14]. Однако это справедливо при использовании одиночного фотодетектора. В случае линейки фотодетекторов потребовалось бы использовать N гетеродинных полей, векторы-орты которых образовывали бы углы в смежных каналах /(N-1), что исключается из-за невозможности взаимной экранировки гетеродинных полей одного канала от других. Поэтому для фотоприемной линейки используют, как правило, единое гетеродинное поле в виде плоской волны, коллинеарной оптической оси приемного объектива.

В этом случае возможность произвольного сдвига z линейки фотодетекторов от фокальной плоскости приемного объектива существенно ограничена возрастающей степенью неколлинеарности смешиваемых в сечении (z) фотоприемников сигнального и гетеродинного полей, в результате чего снижается эффективность фотосмешения у, несмотря на рост (z) с увеличением смещения z. Как известно, (z)²=_o ²+(z·/₀)², и сферичность сигнального поля R(z)=z[1+(₀ ²/z·)²] изменяется от плоского R= при z=0 до R=z при z>>.

Выражение для комплексной амплитуды гауссова пучка на расстоянии z от фокальной плоскости приемного объектива имеет вид

e(r)|_Z=[E_0o/(z)]ехр[-r²/(z)²]exp{i[(2z/)-arctg(z/₀ ²)+(r²/R(z))]} с зависящей от радиус-вектора r, лежащего в плоскости регистрации, фазой (r,z), имеющей значение (r,z)=(r²/z)[1+(₀ ²/z)²] для 0r(z), причем считаем, что _o=0,695 f/D, как указано в (7).

Средний ток биений на промежуточной частоте в фотодетекторе определяется как

Обозначая =(r,z)=z(r/(z))²/₀ ², находим r dr=[(z)²₀ ²/2z]d и интегрируем (8) по переменной в пределах 0z/₀ ². Тогда для (8) получим выражение вых>=А₀(z)sin(z/₀ ²)/z/₀ ², где A – некоторая размерная константа. Отмечаем, что в фокальной плоскости приемного объектива при z=0 значение вых>=А₀ ², и при этом полагаем, что y=1. Тогда можно понять, что эквивалентная эффективность фотосмешения при смещении z плоскости регистрации y²=вых(z)>/вых(0)>=((z)/₀)sin (az)/az характеризует пороговые свойства фотодетектора при когерентном приеме. После простых преобразований можно получить для квадрата эквивалентной эффективности фотосмешения вблизи фокальной плоскости приемного объектива следующее выражение

где a=/₀ ². Первый сомножитель правой части выражения (9) представляет спадающую в интервале 0|az| функцию, а второй – параболически возрастающую. Исследуя функцию (9) на экстремум d[y²(p)]/dp=0, где р=az, приходим к уравнениям вида sin p₁/p₁=0 с корнями для него p₁=±n, при n=1, 2, 3,… – целые числа, и р₂=tg p₂-p₂ ³ для интервала 0<|р|</2, корнями которого являются р₂=±1,2855 рад. Корни р₁ интереса не представляют, а корень р₂ образует максимум функции Мах(у²)=1,478 при оптимальном смещении z*=1,952(f/D)²=p₂₀ ²/.

Здесь следует иметь в виду, что эффективность фотосмешения при |z|>0 может только убывать в сравнении с единицей (для z=0), увеличение же пороговой чувствительности при смещении z просто объясняется ростом площади сигнального пятна (z) на фотодетекторе, то есть имеет место увеличение отношения

которое при расчетах локационной системы использовано в выражении (1).

Величина смещения плоскости регистрации от фокальной плоскости приемного объектива и отвечающая оптимальному значению отношения у₂/ сравнительно мала. Так, для приемного объектива с параметрами: f=286 мм, D=200 мм при =10,6 мкм она составляет всего лишь величину z*=42,1 мкм. Смещение линейки фотодетекторов на большую или меньшую от указанной длину снижает пороговые свойства приемной системы локатора. Наибольший выигрыш в чувствительности приемного тракта составляет до 48% согласно (10) при выборе смещения z*.

Нетрудно показать, что при смещении z>> функция (10) осциллирует с периодом az= и является затухающей по ее огибающей с коэффициентом затухания, обратно пропорциональным квадрату отношения z/, следовательно, при осуществлении когерентного приема излучений точность установки линейки фотодетекторов вблизи фокальной плоскости должна быть весьма высокой, например не хуже 10 мкм.

Поскольку в практически реализуемых доплеровских локационных системах с когерентным приемом методом гетеродинирования всегда выполняется неравенство >>(f/D)²/2, то согласно теореме Ван-Циттера-Цернике [15] радиус когерентности r_ког, характеризующий размер лоцируемого объекта d_об, и дальность до него L связаны выражением r_ког=L/d_об, поэтому при вынужденном снижении L при указанном условии >>(f/D)²/2 возникает опасность приема излучения от объекта, считающегося протяженным (а не дифракционно ограниченным, точечным для локатора), что вызывает многомодовость приема. Число таких мод m=(D/2r_ког)², каждая их которых имеет произвольную начальную фазу колебаний в сигнале биений на промежуточной частоте, и поэтому результирующее колебание на выходе фотодетектора может как увеличиться, так и уменьшиться, что нежелательно, так как это может снизить вероятность правильного обнаружения объекта G за счет уширения «сжатого» в ДЛЗ импульса-отклика, то есть приводит к снижению отношения сигнал/шум на входе решающего устройства.

Таким образом, заявляемое техническое решение предпочтительно для применения в лазерных когерентных доплеровских локаторах, работающих по малоразмерным объектам, например по крылатым ракетам морского базирования и аналогичным им объектам, в частности в локаторах, предложенных в [3], с многоканальной обработкой на ДЛЗ, которые нашли широкое применение не только в локации, но и в других областях техники, в частности в микроинтроскопии непрозрачных объектов [16].

Литература

1. О.Ф.Меньших, Согласованный фильтр, Патент РФ №2016493.

2. О.Ф.Меньших, Устройство для анализа спектра сигналов, Патент РФ №2040798.

3. О.Ф.Меньших, Способ локации, Патент РФ №2296350.

4. Лазерная локация, Под ред.Н.Д.Устинова, М., Машиностроение, 1984.

5. В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов, Инфракрасные лазерные локационные системы, М., Воениздат, 1987.

6. Измерение спектро-частотных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения, Под ред. А.Ф.Котова и Б.М.Степанова, М., Радио и связь, 1982.

7..Ч.Кук, М.Бернфельд, Радиолокационные сигналы, пер. с англ., Под ред. В.С.Кильзона, М., Сов.радио, 1971.

8. Фильтры на поверхностных акустических волнах, Под ред. Г.Мэттьюза, М., Сов. радио, 1981,472 с.

9. В.И.Тверской, Дисперсионно-временные методы измерения спектров радиосигналов, М., Сов.радио, 1974, 240 с.

10. А.А.Джек, П.М.Грант, Дж.Х.Коллинз, Теория проектирования и применение Фурье-процессоров на поверхностных акустических волнах, ТИИЭИР, 1980, №4, р.22-43.

11. Фильтры на поверхностных акустических волнах, технология и применение, пер. с англ. Г.Б.Звороно, Под ред. В.Б.Акпамбетова, М., Радио и связь, 1981.

12. Я.Д.Ширман, В.Н.Манжос, Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех, М., Радио и связь, 1981.

13. Ю.С.Лезин, Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов, М, Сов. радио, 1969.

14. А.Папулис, Теория систем и преобразований в оптике, М., Мир, 1971.

15. М.Борн, Э.Вольф, Основы оптики, М., Наука, 1970.

16. О.Ф.Меньших, Ультразвуковой микроскоп, Патент РФ №2270997.

Формула изобретения

Способ лазерного гетеродинного приема излучений, основанный на фотосмешении в оптически связанных с приемным объективом фоточувствительных элементах принимаемого излучения с когерентным с ним гетеродинным излучением в форме плоской волны с разностной частотой, расположенной в спектре радиосигналов, отличающийся тем, что приемные площадки фоточувствительных элементов смещают относительно фокальной плоскости приемного объектива на расстояние, равное 1,95(f/D), где f – фокусное расстояние, D – диаметр приемного объектива, – длина волны лазерного излучения, при условии, когда рабочая площадка фоточувствительного элемента существенно больше величины (f/D)²/2.