Патент на изобретение №2152056

(54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области лазерной локации и квантовой электроники. Достигаемый технический результат – повышение дальности действия лазерной локационной системы; повышение чувствительности приема слабых оптических сигналов, отраженных от объекта; реализация предельно высокой чувствительности приема, соответствующей квантовому пределу, обусловленному дискретной квантовой структурой электромагнитного поля; прием и регистрация однофонового импульса с отношением сигнал/шум q = 1,5 в ближнем ИК-диапазоне без применения средств охлаждения приемной аппаратуры. Согласно предлагаемому способу после спектральной селекции оптического излучения с помощью активного квантового фильтра (АКФ) определяют величину пространственного угла приема излучения на выходе АКФ, разделяют его на парциальные потоки, устанавливают величину пространственного парциального узла приема каждого из парциальных потоков излучения равной дифракционному пространственному углу приема сигналов на выходе АКФ, измеряют средний уровень флуктуаций спонтанного излучения в парциальном угле приема на выходе и входе АКФ и коэффициент усиления АКФ, устанавливают оптимальный режим работы АКФ, характеризующийся минимальным уровнем собственных шумов АКФ, приведенных ко входу, и исключением влияния на чувствительность приема собственных шумов фотоприемной многоэлементной матрицы. Устройство, осуществляющее способ, позволяет реализовать указанный технический эффект, который подтвержден экспериментально при лабораторных испытаниях. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к лазерной локации и к квантовой электронике.

Изобретение может быть использовано в лазерных локационных системах для наведения лазерного излучения на наблюдаемые движущиеся воздушные и космические объекты, определения параметров движения удаленных объектов.

Известен способ наведения лазерного излучения на объект [1], заключающийся в приеме излучения, отраженного от объекта, формировании изображения объекта, определении его угловых координат, формировании вспомогательного лазерного излучения, формировании рабочего лазерного излучения.

К недостаткам данного способа следует отнести невысокую дальность действия вследствие ограниченной чувствительности при приеме слабых оптических сигналов, отраженных от объекта.

Известен способ наведения излучения на объект [2], заключающийся в подсвете объекта импульсами зондирующего лазерного излучения, спектральной селекции и усилении отраженного от объекта зондирующего излучения, формировании изображения объекта, определении его угловых координат.

К недостаткам данного способа следует отнести ограниченную дальность действия вследствие невысокой чувствительности при приеме слабых оптических сигналов, отраженных от удаленного объекта, подсвеченного зондирующим лазерным излучением.

В качестве прототипа выбран способ наведения излучения на движущийся объект [3], заключающийся в формировании лазерного излучения, подсвете им объекта, приеме отраженного от объекта излучения, спектральной селекции его на рабочей длине волны _раб, разделении потока излучения на N парциальных потоков, направлении каждого из парциальных потоков излучения на соответствующий парциальный фоточувствительный элемент многоэлементного матричного фотоприемника, принятии решения о наличии объекта при превышении одним из N парциальных потоков излучения амплитудного порога, коррекции доплеровского сдвига частоты отраженного от объекта излучения.

К недостаткам данного способа следует отнести невысокую дальность действия вследствие ограниченной чувствительности приема слабых сигналов, отраженных от удаленного объекта. Невысокая чувствительность приема слабых сигналов обусловлена влиянием собственных флуктуационных шумов при выполнении операции спектральной селекции и усиления оптических сигналов, отраженных от удаленного объекта. Влияние собственных шумов спектрального селектора – активного квантового фильтра (АКФ) – обусловлено неоптимальным режимом его работы, при котором собственные квантовые (спонтанные) шумы снижают чувствительность приема слабых оптических сигналов. Это приводит к уменьшению потенциала и дальности действия лазерной локационной системы, реализующей данный способ наведения лазерного излучения.

В качестве прототипа для устройства, реализующего предлагаемый способ лазерной локации, выбрано устройство, реализующее способ – прототип [3].

Достигаемым техническим результатом является повышение дальности действия лазерной локационной системы, реализующей предлагаемый способ лазерной локации, повышение чувствительности приема слабых сигналов, отраженных от объекта, реализация предельно высокой чувствительности, ограниченной квантовой природой электромагнитного поля, реализация приема однофотонных импульсных сигналов.

Новый технический результат достигается следующим.

1. В известном способе, заключающемся в формировании лазерного излучения, подсвете им объекта, приеме отраженного от объекта излучения, спектральной селекции его на рабочей длине волны _раб, разделении потока излучения на N парциальных потоков, направлении каждого из N парциальных потоков излучения на соответствующий парциальный фоточувствительный элемент многоэлементного матричного фотоприемника и принятии решения о наличии объекта при превышении одним из N парциальных потоков излучения амплитудного порога, до подсвета объекта определяют по данным внешнего целеуказания величину пространственного угла приема оптического излучения, отраженного от объекта, определяют в соответствии с ним величину пространственного угла приема оптического излучения на выходе спектрального селектора – активного квантового фильтра (АКФ), при разделении потока излучения на N парциальных потоков устанавливают величину пространственного парциального угла приема _п каждого из N парциальных потоков излучения равной дифракционному пространственному углу приема сигналов на выходе АКФ, осуществляют измерение среднего уровня флуктуации спонтанного излучения в пространственном парциальном угле приема _п на выходе АКФ E_фвых, измеряют коэффициент усиления АКФ К_у на рабочей длине волны _раб в полосе спектральной селекции входного оптического излучения, определяют средний уровень флуктуации спонтанного излучения на входе АКФ в пространственном парциальном угле приема _п, изменяют режим работы активного квантового фильтра (АКФ) до получения коэффициента усиления K_у, при котором средний уровень флуктуации спонтанного излучения в пространственном парциальном угле приема _п на выходе АКФ E_фвых превосходит средний уровень собственных шумов в соответствующем этому парциальному углу приема _п парциальном фоточувствительном элементе многоэлементного матричного фотоприемника, а средний уровень флуктуации спонтанного излучения на входе АКФ E_фвх – минимален, формируют на входе АКФ при установленном режиме работы АКФ оптический контрольный сигнал E_к на рабочей длине волны _раб c уровнем, большим среднего уровня флуктуации спонтанного излучения на входе АКФ E_к > E_фвх, в пространственном парциальном угле приема _п, направляют сформированный оптический контрольный сигнал на вход АКФ, измеряют уровень усиленного оптического контрольного сигнала на выходе АКФ в одном из пространственных парциальных углов приема _п, устанавливают в соответствии с ним величину амплитудного порога приема сигналов в каждом из пространственных парциальных углов приема _п на выходе АКФ, после осуществления приема отраженного от объекта излучения и его спектральной селекции на _раб судят о наличии объекта по превышению принятым и усиленным оптическим сигналом на выходе АКФ установленного амплитудного порога приема сигналов в одном или одновременно в нескольких пространственных парциальных углах приема _п, при этом величины: S_d – площадь зоны предполагаемого нахождения объекта и R_d – дальность до объекта – получают по данным внешнего целеуказания; отношение световых диаметров приемного телескопа D₁ и активного квантового фильтра D₂.

2. Измерение среднего уровня флуктуации спонтанного излучения в пространственном парциальном угле приема _п на выходе активного квантового фильтра E_фвых осуществляют путем определения величины среднего уровня флуктуационных шумов на выходе парциального фоточувствительного элемента U_откр матричного многоэлементного фотоприемника, регистрирующего спонтанное излучение с выхода АКФ, распространяющееся в соответствующем этому фоточувствительному элементу пространственном парциальном угле приема _п, определяют величину среднего уровня собственных флуктуационных шумов на выходе парциального фоточувствительного элемента U_закр при отсутствии воздействия спонтанного излучения с выхода АКФ на фоточувствительный элемент, а средний уровень флуктуации спонтанного излучения E_фвых определяют в соответствии с формулой

при этом средний уровень флуктуационных шумов на выходе парциального фоточувствительного элемента определяют в соответствии с формулой

где – квадрат амплитуды выброса шумового напряжения на выходе фоточувствительного элемента,
t_i – величина одного временного дискрета измерения шумового напряжения,
N – число дискретных временных интервалов за весь период измерения
3. Измерение коэффициента усиления АКФ К_у на рабочей длине волны _раб в полосе спектральной селекции входного сигнала осуществляют путем формирования на входе АКФ оптического контрольного сигнала E_к на рабочей длине волны _раб, измеряют уровень E_квх, направляют его на вход АКФ в направлении распространения входного оптического сигнала, измеряют уровень оптического контрольного сигнала после прохождения АКФ на его выходе E_{к вых} и определяют величину коэффициента усиления АКФ по двум измеренным значениям уровней оптического контрольного сигнала на входе и выходе АКФ
4. Оптический контрольный сигнал E_к на рабочей длине волны _раб формируют путем ответвления части спонтанного излучения АКФ, например, со входа АКФ, временной модуляции ответвленного излучения, ослабления его уровня, измерения уровня сформированного оптического контрольного сигнала, распространяющегося в пространственном парциальном угле приема _п, и направляют сформированный оптический контрольный сигнал на вход АКФ по направлению распространения входного оптического сигнала.

5. Изменение режима работы АКФ осуществляют путем изменения уровня накачки активного вещества АКФ и изменения давления и состава рабочей газовой смеси активного вещества АКФ.

6. В известное устройство, содержащее установленные на первой оптической оси источник лазерного излучения на рабочей длине волны _раб 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, активный квантовый фильтр с блоком накачки, вогнутое зеркало, отражательное зеркало, фотоприемную матрицу и блок обработки и информации, входы которого подключены к выходам фотоприемной матрицы, а выходы подключены к блоку накачки и блоку управления приводом поворотного зеркала, введены поляризационный фильтр, интерференционный фильтр, управляемая диафрагма, последовательно установленные на второй оптической оси между отражательным зеркалом и фотоприемной матрицей, блок управления управляемой диафрагмой, подключенный к выходу блока обработки информации, последовательно установленные на третьей оптической оси уголковый отражатель, оптический модулятор с блоком управления, полупрозрачное зеркало, блок сменных фильтров с блоком управления и второе отражательное зеркало с блоком перемещения зеркала, оптически связывающее блок сменных фильтров с оптическим входом активного квантового фильтра, фотоприемник, установленный в фокусе линзы, оптический вход которой через полупрозрачное зеркало связан с оптическим выходом модулятора света, блок наполнения рабочим веществом и блок наполнения буферным веществом, подключенные к кювете активного квантового фильтра, при этом выход фотоприемника подсоединен ко входу блока обработки информации, управляющие входы блока перемещения второго отражательного зеркала, блока управления блоком сменных фильтров, блока управления оптическим модулятором, блоков наполнения рабочим веществом и буферным веществом подключены к управляющим выходам блока обработки информации.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ, где введены следующие обозначения:
1. Источник лазерного излучения на рабочей длине волны _раб .

2. Блок накачки.

3. Поворотное зеркало.

4. Привод и блок управления поворотным зеркалом.

5, 6. Приемный телескоп.

5. Вогнутое зеркало телескопа.

6. Выпуклое зеркало телескопа.

7. Активный квантовый фильтр (АКФ).

8. Блок накачки АКФ.

9. Блок наполнения рабочим веществом.

10. Блок наполнения буферным веществом.

11. Вогнутое зеркало.

12. Первое отражательное зеркало.

13. Управляемая диафрагма.

14. Блок управления диафрагмой 13.

15. Фотоприемная матрица.

16. Блок обработки информации.

17. Второе отражательное зеркало.

18. Блок перемещения.

19. Блок сменных фильтров с блоком управления 20.

21. Полупрозрачное зеркало.

22. Оптический модулятор.

23. Блок управления оптическим модулятором.

24. Уголковый отражатель.

25. Линза.

26. Диафрагма.

27. Фотоприемник.

28, 29. Входная и выходная диафрагмы АКФ.

30. Блок – распределитель сигналов внешнего целеуказания (ВЦУ). (В состав устройства не входит).

31. Поляризационный фильтр.

32. Интерференционный фильтр.

Принцип действия и реализация предлагаемого способа заключаются в следующем.

По данным внешнего целеуказания (ВЦУ) от блока 30 в блок обработки информации 16 поступает информация об ожидаемых угловых координатах объекта и дальности до объекта R_д. По предполагаемым угловым координатам объекта блок информации 16 вырабатывает команды, поступающие в блок управления 4 приводом поворотного зеркала 3, в результате чего поворотное зеркало 3 ориентируют в направлении предполагаемого нахождения объекта.

Осуществляют формирование импульса зондирующего излучения с помощью лазерного генератора 1 и подсвет объекта сформированным импульсом излучения. Прием отраженного от объекта оптического сигнала осуществляют посредством поворотного зеркала 3 и приемного телескопа 5, 6.

Приемный телескоп состоит из вогнутого зеркала 5 и выпуклого зеркала 6, которые осуществляют уменьшение диаметра пучка принимаемого излучения D₁ до диаметра рабочей зоны D₂ активного квантового фильтра 7 (АКФ). АКФ 7 осуществляет спектральную селекцию и усиление оптического сигнала, отраженного от объекта, на рабочей длине волны _раб. Спектральную селекцию в узкой полосе приема на _раб осуществляют АКФ 7 путем квантового усиления проходящего через АКФ 7 оптического излучения в пределах полосы приема АКФ . Коэффициент усиления K_у в АКФ 7 в пределах его полосы достигает значительных величин K_у 10³ – 10⁴ в зависимости от режима работы АКФ. Оптическое излучение вне полосы квантового усиления проходит через АКФ 7 без изменения. Вследствие этого достигается спектральная селекция оптического излучения с высокой степенью подавления излучения вне полосы приема за счет значительного усиления излучения, попадающего в полосу приема , и отсутствия усиления излучения вне полосы .

До подсвета объекта зондирующим излучением определяют пространственный телесный угол приема _п оптического излучения, отраженного от объекта. Пространственный угол приема _п определяют по данным внешнего целеуказания с помощью блока обработки информации 16 следующим образом. По данным ВЦУ в блок 16 поступает информация о предполагаемой дальности R_д до объекта, а также информация о предполагаемой величине площади S_д нахождения объекта на данной предполагаемой дальности R_д. Полученные две величины S_д [м²] и R_д [м] определяют пространственный (телесный) угол, под которым видна зона предполагаемого нахождения объекта из точки нахождения приемного телескопа (поз. 5, 6). Данный пространственный угол является углом приема _п оптического излучения, отраженного от объекта. Выраженный в стерадианах пространственный угол приема _п определяют по следующей формуле:
(1)
где радиус площади S_д предполагаемого нахождения объекта на дальности R_д. Определение пространственного угла приема _п по данным S_д и R_д от ВЦУ осуществляют в блоке обработки информации 16. Пространственный угол приема _п характеризует все возможные направления, откуда возможен приход оптического сигнала, отраженного от объекта, подсвеченного зондирующим излучением от лазерного генератора 1. Оптическое излучение, поступающее на вход приемного телескопа (5, 6) со всех указанных направлений в пределах пространственного угла приема _п подвергают спектральной селекции и усилению в активном квантовом фильтре 7 (АКФ). Приемный телескоп (5, 6) осуществляет уменьшение светового диаметра D₁ входного светового потока до диаметра D₂ АКФ 7. При этом пространственная угловая ширина светового пучка на выходе приемного телескопа (5, 6) и соответственно на входе и выходе АКФ 7 возрастает в m² раз, где – кратность приемного телескопа. На основании этого и полученных данных о величине пространственного угла приема на входе приемного телескопа _п определяют величину пространственного угла приема _ф оптического сигнала на выходе АКФ 7 по следующей формуле:

Определение пространственного угла приема _ф (2) на выходе АКФ 7 осуществляют посредством блока обработки информации 16.

Усиленное и спектрально отселектированное излучение с выхода АКФ 7 поступает на вогнутое зеркало 11, выполняющее роль фокусирующей линзы (отражательного исполнения). В фокусе вогнутого зеркала 11 установлена фоточувствительная площадка фотоприемной матрицы 15, которая представляет собой многоэлементный матричный фотоприемник. Отражательное зеркало 12 служит для изменения направления хода лучей. Поляризационный фильтр 31 служит для выделения излучения одной поляризации, аналогичной поляризации зондирующего лазерного излучения, сформированного лазерным генератором 1. Одновременно поляризационный фильтр 31 осуществляет снижение в 2^а раза интенсивности спонтанных шумов АКФ 7, так как собственное спонтанное излучение АКФ 7 неполяризовано и, следовательно, имеет две ортогоканально поляризованные независимые составляющие с равной средней интенсивностью. Интерференционный фильтр 32 осуществляет подавление фоновых световых помех, лежащих вне полосы спектральной селекции и усиления АКФ 7. Это дополнительно повышает помехоустойчивость при приеме слабых оптических сигналов. Фотоприемная матрица (ФПМ) 15 содержит n х n элементарных парциальных фоточувствительных элементов, каждый из которых имеет линейный размер (диаметр) 2 r [мм] и площадь r² [мм²]. Каждый парциальный фоточувствительный элемент ФПМ 15 содержит отдельный электронный усилитель электрического сигнала, выход которого по отдельности подключен к соответствующему входу блока обработки информации 16. При этом осуществляют раздельную регистрацию величины светового сигнала, поступающего на каждый парциальный фоточувствительный элемент ФПМ 15, и передают эту информацию в блок обработки информации 16. Поток оптического излучения с выхода АКФ 7, распространяющийся в пределах пространственного угла приема _ф, определенного ранее в соответствии с (2), разделяют на N парциальных потоков, каждый из которых направляют на соответствующий парциальный фоточувствительный элемент фотоприемной матрицы ФПМ 15 – матричного многоэлементного фотоприемника.

При разделении потока излучения на N парциальных потоков устанавливают величину пространственного парциального угла приема _п каждого из N парциальных потоков излучения на выходе АКФ 7 равной дифракционному пространственному углу _п= приема сигналов на выходе АКФ 7. Для этого пространственный угол приема _ф оптического сигнала на выходе АКФ 7 разделяют на парциальные пространственные углы _п, величина каждого из которых соответствует дифракционному пространственному углу приема сигналов на выходе АКФ 7. Данную операцию осуществляют посредством вогнутого зеркала 11, управляемой диафрагмы 13 и фотоприемной матрицы 15. Величина дифракционного пространственного угла приема сигналов на выходе АКФ принята равной

где _раб – рабочая длина волны спектральной селекции и усиления сигналов в АКФ 7, D₂ – оптический диаметр рабочей зоны АКФ 7 (в соответствии с и , где – плоский угол, соответствующий пространственному (телесному) углу ).

Вогнутое зеркало 11 выполняет роль оптического Фурье-преобразующего элемента и осуществляет оптическое преобразование Фурье оптического сигнала с выхода АКФ 7. В результате угловой спектр оптического сигнала с выхода АКФ 7 преобразуется в распределение светового потока в фокальной плоскости вогнутого зеркала 11, совмещенной с фоточувствительной площадкой ФПМ 15. При этом пространственному углу приема _ф на выходе АКФ 7 соответствует некоторая область в плоскости ФПМ 15 с линейными размерами: диаметром 2r₀ и площадью
r²₀ = _Ф(f_л)², (4)
где 2r₀ – диаметр открытой зоны управляемой диафрагмы 13, r₀ – радиус, f_л – фокусное расстояние вогнутого зеркала 11.

С помощью управляемой диафрагмы 13 осуществляют выделение в плоскости ФПМ 15 этой области с площадью r²₀ (4), соответствующей пространственному углу приема оптических сигналов _ф на выходе АКФ 7 (2).

Для этого диаметр 2r₀ открытой области управляемой диафрагмы 13 устанавливают в соответствий с формулой

Установление необходимого диаметра 2r₀ управляемой диафрагмы 13 осуществляют с помощью блока управления 14 по сигналам, поступающим с выхода блока обработки информации 16 в соответствии с ранее полученной в блоке 16 информации о величине пространственного угла приема оптического излучения _п (1), отраженного от объекта.

Таким образом, излучение, отраженное от объекта и распространяющееся в пространственном угле приема _п, направляют после спектральной фильтрации c выхода АКФ 7 на область фоточувствительной площадки ФПМ 15, соответствующей открытой части управляемой диафрагмы 13, с установленным диаметром 2r₀. Излучение вне пределов пространственного угла приема _п на фоточувствительную площадку ФПМ 15 не поступает, так как задерживается управляемой диафрагмой 13.

При этом в области фоточувствительной площадки ФПМ 15, соответствующей открытой части управляемой диафрагмы 13, расположено определенное количество парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15. Каждый из этих парциальных элементов ФПМ 15 соответствует одному парциальному пространственному углу _п приема оптических сигналов на выходе АКФ 7 в соответствии с формулой, аналогичной формуле (4):
r² = _пf²_л, (6)
где 2r – диаметр одного парциального фоточувствительного элемента в ФПМ 15, r – радиус.

Фокусное расстояние f_л вогнутого зеркала 11 и размер одного парциального фоточувствительного элемента 2r в ФПМ 15 выбирают такими, чтобы выполнялось соотношение, полученное из (6):

отсюда

При этом парциальный пространственный угол _п равен (соответствует) дифракционному пространственному углу (3) приема оптических сигналов на выходе АКФ 7. В результате указанных произведенных операций общий пространственный угол приема _ф оптических сигналов на выходе АКФ 7 оказывается разделенным на парциальные пространственные углы приема _п, каждый из которых равен дифракционному пространственному углу приема на выходе АКФ, причем каждый из пространственных парциальных углов приема _п на выходе АКФ 7 совмещен геометрически с соответствующим ему парциальным фоточувствительным элементом (с диаметром 2r) фотоприемной матрицы 15. Разделение общего угла приема _ф на парциальные пространственные углы приема _п, соответствующие дифракционному углу , необходимо для оптимизации режима работы АКФ и минимизации уровня его собственных шумов.

Оптимизацию режима работы АКФ 7 осуществляют следующим образом. Осуществляют измерение среднего уровня флуктуации спонтанного излучения АКФ 7 на его выходе E_фвых в парциальном пространственном угле приема _п. Измерение среднего уровня флуктуации E_фвых осуществляют в одном из фоточувствительных парциальных элементов ФПМ 15, находящихся внутри зоны r²₀, открытой управляемой диафрагмой 13. Измерение осуществляют одним из способов измерения уровня шумов на выходе электронного усилителя, которым в данном случае является усилитель, входящий в состав каждого из парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15.

Средний уровень флуктуационных шумов на выходе одного из усилителей указанного парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15 определяют по формуле

где – квадрат амплитуды выброса (импульса) шумового напряжения на выходе усилителя, t_i – длительность одного временного дискрета измерения шумового напряжения, N – число дискретных временных измерительных интервалов за весь период времени .

Измерение осуществляют путем обработки в блоке обработки информации 16 в соответствии с (9) текущего шумового сигнала U_ш, поступающего с выхода одного из парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15 на вход блока обработки информации 16. При этом определение длительности t_i одного измерительного дискретного интервала и длительности всего периода измерения осуществляют программно в блоке обработки информации 16.

Возможно также использование аналогового квадратичного детектора на выходе каждого из усилителей, входящих в состав каждого парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15. Указанный квадратичный детектор регистрирует и измеряет средний квадрат флуктуации U², пропорциональный мощности шумового сигнала на выходе усилителя отдельного парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15. Далее в блоке обработки информации 16 определяют величину среднего уровня флуктуационных шумов в соответствии с формулой (9′). Измеренное значение среднего уровня флуктуационных шумов U на выходе одного из усилителей фоточувствительных элементов ФПМ 15 в соответствии с (9) или (9′) является эффективным значением шумового напряжения (сигнала) и определяет интенсивность шумов на выходе соответствующего фоточувствительного элемента ФПМ 15. Полученная средняя величина шумов на выходе парциального усилителя одного из парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15, находящихся в зоне открытой управляемой диафрагмы 13, содержит сумму собственных спонтанных шумов (флуктуации) активного квантового фильтра, поступающих на данный парциальный фоточувствительный элемент, и собственных шумов данного парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15 совместно с его усилителем. Собственные спонтанные шумы (флуктуации) активного квантового фильтра АКФ 7, регистрируемые в общем шумовом сигнале парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15, обусловлены флуктуациями (случайными отклонениями) величины спонтанного излучения на выходе АКФ 7 относительно его среднего уровня P_ср(сп) в каждом отдельном парциальном пространственном угле _п. При измерении среднего уровня шумов U на выходе ФПМ 15 в соответствии с формулой (9) осуществляют измерение среднего уровня флуктуации E_фвых спонтанного излучения на выходе АКФ 7 в одном из парциальных пространственных углов приема _п.

Именно эта величина E_фвых среднего уровня флуктуации (отклонений) спонтанного излучения на выходе АКФ 7 от среднего уровня (мощности) спонтанного излучения P_ср(сп), распространяющегося а пределах парциального пространственного угла приема _п на выходе АКФ 7, определяет шумовые характеристики АКФ и чувствительность при приеме оптических сигналов, отраженных от объекта.

Для определения среднего уровня флуктуации спонтанного излучения на выходе АКФ 7 осуществляют аналогичное измерение среднего уровня шумов U_закр на выходе усилителя фоточувствительного элемента в ФПМ 15 по формуле (9) для одного из фоточувствительных элементов ФПМ 15, находящихся в зоне, закрытой управляемой диафрагмой 13, т.е. ближе к краю площадки ФПМ 15. Считают, что средний уровень собственных шумов одинаков для каждого из парциальных фоточувствительных элементов в ФПМ 15, а также одинаков средний уровень флуктуации спонтанного излучения на выходе АКФ 7 в каждом из парциальных пространственных углов приема _п. Флуктуации спонтанного излучения АКФ и собственные шумы фоточувствительных элементов в ФПМ 15 статистически независимы. При измерении шумов на выходе парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15 постоянная составляющая, пропорциональная мощности спонтанного излучения P_сп на выходе АКФ 7, исключена путем использования соответствующей передаточной характеристики усилителя в каждом парциальном фоточувствительном элементе ФПМ 15, при которой реализуется подавление постоянной составляющей, например, с помощью разделительных емкостей. В результате осуществленных действий получают следующие две величины среднего уровня шумов на выходе усилителей для двух парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15, находящихся соответственно в открытой и закрытой зонах управляемой диафрагмы 13:
U_откр – средний уровень шумов для парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15 в открытой зоне управляемой диафрагмы 13;
U_закр – средний уровень шумов для парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15 в закрытой зоне управляемой диафрагмы 13.

Средний уровень флуктуации спонтанного излучения E_фвых на выходе АКФ 7 в парциальном пространственном угле приема _п определяют на основании двух измеренных величин шумов парциального фоточувствительного элемента в открытой U_откр и в закрытой U_закр зонах управляемой диафрагмы 13 в соответствии со следующей формулой:

При этом измеренная величина шумов U_закр – в закрытой зоне определяет уровень собственных шумов только фоточувствительного элемента ФПМ 15 и его электронного усилителя, а величина шумов U_откр – в открытой зоне управляемой диафрагмы 13 определяет суммарный уровень шумов АКФ 7 и фоточувствительного элемента в ФПМ 15 с соответствующим электронным усилителем. Измеренная величина E_фвых определяет средний уровень флуктуации спонтанного излучения на выходе АКФ в парциальном пространственном угле _п приема, так как измерения шумов проводятся в одном парциальном фоточувствительном элементе ФПМ 15, на который поступает спонтанное излучение с выхода АКФ 7, распространяющееся в парциальном пространственном угле приема _п в соответствии с ранее проведенными операциями по разделению общего пространственного угла приема _ф на парциальные пространственные углы _п.

Расчет по формулам (9) и (10) при измерении уровня шумов осуществляют с помощью блока обработки информации 16, на вход которого поступает шумовые сигналы с выходов всех парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15.

Далее осуществляют измерение коэффициента усиления K_у АКФ 7 на рабочей длине волны _раб в полосе спектральной селекции входного оптического сигнала.

Измерение коэффициента усиления K_у АКФ на рабочей длине волны _раб в полосе спектральной селекции входного сигнала осуществляют следующим образом. Осуществляют формирование на входе АКФ 7 оптического контрольного сигнала E_к на рабочей длине волны _раб. Формирование сигнала E_к осуществляют, например, на основе спонтанного излучения АКФ 7, которое имеет рабочую длину волны _раб. Для этого ответвляют часть спонтанного излучения со входа АКФ 7 с помощью второго отражательного зеркала 17, которое в этом случае (при осуществлении операций измерения K_у) устанавливают в положение поз-1 с помощью блока перемещения 18. При этом спонтанное излучение со входа АКФ 7 распространяется в направлении, обратном направлению распространения входного оптического сигнала. Ответвленное спонтанное излучение ослабляют с помощью блока сменных фильтров 19, осуществляют временную модуляцию спонтанного излучения с помощью оптического модулятора 22. После отражения излучения от уголкового отражателя 24 осуществляют измерение уровня сформированного оптическою контрольного сигнала E_к с помощью фотоприемника 27. Фотоприемник 27 измеряет величину одного оптического импульса, сформированного оптическим модулятором 22 E_кф. Уровень сформированного оптического контрольного сигнала E_квх на входе АКФ 7 определяют в соответствии с формулой
E_квх= E_кфф17= K_пU_фп27ф17, (11)
где E_кф = K_п U_фп27 – величина оптического сигнала, измеренного фотоприемником 27, K_п – коэффициент передачи (чувствительности) фотоприемника (ФП) 27, U_фп27 – измеренный сигнал на выходе ФП 27;
_ф – пропускание установленного фильтра в блоке сменных фильтров 19;
₁₇ коэффициент отражения второго отражательного зеркала 17.

Коэффициент пропускания полупрозрачного зеркала 21 полагаем равным 50% (0,5).

Далее сформированный оптический контрольный сигнал E_квх направляют на вход АКФ 7 в направлении распространения входного оптического сигнала, измеряют уровень оптического контрольного сигнала после прохождения АКФ E_квых = K_у E_{к вх} в одном из парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15. Определяют величину коэффициента усиления АКФ по двум измеренным значениям уровней оптического контрольного сигнала на входе и выходе АКФ

Проведенные измерения K_у осуществлены в полосе спектральной селекции АКФ и на рабочей длине волны _раб, так как собственное спонтанное излучение АКФ характеризуется именно _раб, соответствующей рабочему лазерному переходу активного вещества АКФ. Все измерения осуществляют с помощью блока обработки информации 16, в который поступают сигналы с выходов ФП 27 и ФПМ 15. Блок 16 осуществляет управление работой блоком сменных фильтров 19, 20 и управление работой оптическим модулятором 22, 23; выбором фильтра 19 и выбором длительности оптического импульса, выделяемого из ответвленной части спонтанного излучения от АКФ. Далее определяют средний уровень флуктуации спонтанного излучения на входе АКФ 7 E_фвх в соответствии с формулой

Определение E_фвх осуществляют на основании ранее произведенных измерений коэффициента усиления K_у АКФ 7 и среднего уровня флуктуации спонтанного излучения на выходе АКФ E_фвых (10), распространяющегося в парциальном пространственном угле приема _п. Таким образом, определенная в соответствии с (13) величина E_фвх отражает средний уровень флуктуации спонтанного излучения АКФ 7, отнесенного ко входу АКФ 7 и распространяющегося параллельно направлению распространения входного принимаемого оптического сигнала. При этом величина E_фвх отражает средний уровень флуктуации спонтанного излучения АКФ, распространяющегося в парциальном пространственном угле приема _п. Величина E_фвх непосредственно характеризует шумовые параметры АКФ и определяет чувствительность АКФ и всей системы при приеме слабых оптических сигналов, отраженных от объекта. Величина E_фвх определяет уровень (величину) минимально обнаружимого входного оптического сигнала E_{с min} на входе АКФ, который может быть зарегистрирован после усиления в АКФ 7 на выходах фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы ФПМ 15. Уровень E_фвх зависит от коэффициента усиления K_у и режима работы АКФ 7. С целью уменьшения среднего уровня флуктуации спонтанного излучения E_фвх и (тем самым) увеличения чувствительности приема слабых сигналов осуществляют изменение режима работы активного квантового фильтра АКФ 7. При этом осуществляют увеличение коэффициента усиления K_у и одновременно снижают уровень флуктуации спонтанного излучения E_фвх, определяемый величиной K_у АКФ 7 и режимом работы АКФ 7.

Изменение режима работы АКФ 7 осуществляют до получения такого значения коэффициента усиления K_у, при котором средний уровень флуктуации спонтанного излучения E_фвх на входе АКФ становится минимальным. Одновременно с этим при изменении режима АКФ устанавливают такую величину коэффициента усиления К_у АКФ 7, при котором средний уровень флуктуаций спонтанного излучения на выходе АКФ E_фвых (10) в пространственном парциальном угле _п превосходит средний уровень собственных флуктуационных шумов U_закр в соответствующем этому парциальному углу приема _п парциальном фоточувствительном элементе многоэлементного матричного фотоприемника ФПМ 15.

Этим достигается исключение влияния на чувствительность приема слабых сигналов собственных шумов многоэлементного фотоприемника – ФПМ 15 и входящих в состав каждого фоточувствительного элемента ФПМ 15 электронных усилителей. В результате установленного режима работы АКФ 7 чувствительность приема определяется только собственными шумовыми характеристиками АКФ 7, а именно средним уровнем флуктуаций спонтанного излучения на входе АКФ E_фвх, который в установленном режиме работы АКФ 7 также характеризуется минимальным значением. Этим определяется оптимизация режима работы АКФ и достижение уровня минимальной (наилучшей) чувствительности при приеме слабых оптических сигналов.

Изменение режима работы АКФ 7 осуществляют путем изменения уровня накачки активного вещества АКФ 7 при помощи блока накачки 8 и изменения давления и состава рабочей газовой смеси посредством блоков наполнения рабочим веществом 9 и буферным газом 10. В качестве активного квантового фильтра 7 может быть использован, например, фотодиссоционный лазер с активной газовой средой на основе перфторалкилиодидов. АКФ 7 представляет собой малошумящий квантовый усилитель с высоким коэффициентом усиления K_у, весьма узкой полосой спектральной фильтрации и работающий на частоте лазерного перехода возбужденного атомарного иода I, которая соответствует рабочей длине волны _раб, используемой в лазерном передатчике – источнике лазерного излучения 1. В качестве рабочей газовой смеси используется следующая смесь газов:
1. перфторалкилиодид C₃F₇I – активное вещество,
2. Ar – аргон или SF₆ – буферные газы.

Первый компонент является источником атомарного возбужденного иода I, образующегося под действием излучения оптической накачки (блок 8).

Второй компонент является буферным газом.

Квантовое усиление в АКФ 7 обусловлено рабочим лазерным переходом в возбужденных атомах иода I^*, который является магнитодипольным переходом между уровнями ²P_3/2 и ²P_1/2 . Увеличение уровня накачки (с помощью блока накачки 8) способствует увеличению количества возбужденных активных атомов иода I^* и соответственно приводит к увеличению коэффициента усиления активного квантового фильтра. Аналогично, увеличение давления активного вещества – C₃F₇I – приводит к возрастанию концентрации C₃F₇I в рабочей газовой смеси, к более эффективному поглощению излучения оптической накачки активным веществом и соответственно к увеличению концентраций активных возбужденных атомов иода I^* и к увеличению коэффициента усиления АКФ 7 K_у.

Буферный газ, например аргон Ar, служит для поглощения избыточной энергии диссоциации и предотвращения пиролиза активного вещества C₃F₇I, что может привести к уменьшению коэффициента усиления K_у при больших уровнях накачки АКФ. Поэтому при увеличении давления активного вещества C₃F₇I (посредством блока наполнения рабочим веществом 9) одновременно увеличивают и давление (а следовательно, и концентрацию) буферного газа Ar посредством блока наполнения буферным веществом 10. Таким образом, изменение режима работы АКФ 7 осуществляют путем изменения (увеличения) уровня накачки активного вещества АКФ и изменения (увеличения) давления активного вещества и буферного газа, т.е. изменения давления и состава рабочей газовой смеси. При этом обеспечивают увеличение коэффициента усиления K_у АКФ и реализуют оптимальный режим наилучшей чувствительности при приеме слабых сигналов, при котором средний уровень флуктуации спонтанного излучения на входе АКФ E_фвх минимален, а собственные шумы фотоприемной матрицы ФПМ 15 и входящих в ее состав электронных усилителей не оказывают влияния на уровень чувствительности приема слабых сигналов. В процессе изменения режима работы АКФ 7 осуществляют периодическое измерение коэффициента усиления АКФ K_у, измерение среднего уровня флуктуации спонтанного излучения E_фвх, E_фвых на входе и выходе АКФ и среднего уровня собственных шумов в одном из парциальных фоточувствительных элементов в ФПМ 15 U_закр по вышеприведенной методике. Осуществляют при этом проверку выполнения соотношений
E_фвых > U_закр,
E_фвх2 < E_фвх1, (15)
где E_фвх1 и E_фвх2 – соответственно два последовательных измеренных значения среднего уровня флуктуации спонтанного излучения на входе АКФ при последовательном изменении режима работы АКФ, например увеличении уровня накачки.

Процесс изменения режима работы АКФ продолжают до получения минимального среднего уровня флуктуации спонтанного излучения на входе АКФ E_фвх = min и до получения соотношения
E_фвых > N U_закр, (16)
где N (5 – 10).

При этом влияние на чувствительность приема слабых сигналов собственных шумов ФПМ 15 является пренебрежимо малым.

Далее для реализации приема оптических сигналов, отраженных от объекта, в установленном высокочувствительном режиме работы АКФ 7 осуществляют следующие операции.

Формируют на входе АКФ 7 оптический контрольный сигнал E_к на рабочей длине волны _раб с уровнем E_к > E_фвх, большим среднего уровня флуктуации спонтанного излучения на входе АКФ 7 E_фвх в пространственном парциальном угле приема _п.

Оптический контрольный сигнал E_к на рабочей длине волны _раб формируют следующим образом. Ответвляют часть спонтанного излучения, имеющего длину волны _раб, со входа АКФ 7 с помощью второго отражательного зеркала 17. Осуществляют временную модуляцию части спонтанного излучения с помощью оптического модулятора 22, ослабление излучения с помощью блока сменных фильтров 19, 20. Осуществляют измерение с помощью фотоприемника 27 величины уровня оптического контрольного сигнала E_к, поступающего в обратном ходе после отражения от уголкового отражателя 24 на вход АКФ 7. Величину E_к определяют в соответствии с ранее представленной формулой (11):
E_к= U_фп27K_пф (17)
_ф – пропускание установленного сменного фильтра в блоке фильтров 19.

При этом фотоприемник 27 зарегистрирует уровень оптического контрольного сигнала E_к, распространяющегося в парциальном пространственном угле _п . Выбирают следующее соотношение между фокусными расстояниями линзы 25 – f_л25, вогнутого зеркала 11 f_л1 и размерами диафрагмы 26 y и диаметра 2 r парциального фоточувствительного элемента в ФПМ 15:

При f_л25 = f_л1 выбирают y = 2r. В этом случае уровень сигнала U_фп27, зарегистрированного ФП 27, соответствует интенсивности уровня E_к оптического контрольного сигнала, распространяющегося на входе АКФ 7 в парциальном угле приема _п, соответствующем дифракционному углу приема на выходе АКФ 7. Далее сформированный оптический контрольный сигнал E_к с измеренным (заданным) уровнем направляют на вход АКФ 7 по направлению распространения входного оптического сигнала. Величину уровня E_к оптического контрольного сигнала задают с помощью блока обработки информации 16, с выхода которого поступает команда в блок управления 20 блоком сменных фильтров 19 для установления фильтра с необходимым пропусканием _ф, определяющим заданную величину E_к оптического контрольного сигнала в соответствии с (11). Одновременно осуществляют измерение и контроль установленного уровня E_к оптического контрольного сигнала с помощью ФП 27, сигналы с выхода которого поступают в блок обработки информации 16. Величина отношения выбранного уровня E_к оптического контрольного сигнала к среднему уровню флуктуации спонтанного излучения E_фвх на входе АКФ 7 характеризует отношение сигнал/шум при приеме слабого оптического сигнала в парциальном пространственном угле приема _п с уровнем сигнала, соответствующим уровню E_к оптического контрольного сигнала. Поэтому выбор величины обусловлен требуемым отношением сигнал/шум при приеме слабых оптических сигналов, который определяется желаемой вероятностью правильного обнаружения при обнаружении (приеме) сигналов в лазерной локационной системе.

Исходя из этого величину и соответственно уровень контрольного оптического сигнала E_к выбирают в пределах N₁ = 3 – 5, что обеспечивает вероятность P правильного обнаружения слабого оптического сигнала, отраженного от объекта, P > 0,9.

Формирование оптического контрольного сигнала необходимо для установления с его помощью единого амплитудного порога приема сигналов во всех фоточувствительных элементах ФПМ 15, соответствующего режиму
наивысшей чувствительности приема слабых сигналов, установленного в АКФ 7. Одновременно использование оптического контрольного сигнала позволяет осуществлять контроль работы приемного канала в режиме наивысшей чувствительности и обеспечить более надежную работу локационной системы на пределе чувствительности. Сформированный оптический контрольный сигнал E_к направляют на вход АКФ 7 по направлению распространения входного оптического сигнала, отраженного от объекта. После прохождения и усиления в АКФ 7 оптический контрольный сигнал K_у E_к регистрируют в одном из парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15, на который данный усиленный сигнал K_у E_к поступает. Регистрируют уровень усиленного контрольного оптического сигнала K_у E_к в одном из парциальных пространственных углов приема _п на выходе АКФ в форме выходного электрического сигнала U_в на выходе соответствующего фоточувствительного элемента ФПМ 15. Данный зарегистрированный сигнал U_в соответствует усиленному оптическому контрольному сигналу K_у E_к, распространяющемуся в пределах парциального пространственного угла приема _п на выходе АКФ 7:
U_в=К_пК_уE_к, (19)
где K_п – передаточный коэффициент парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15, характеризующий собственную чувствительность элемента ФПМ 15. Электрический сигнал U_в (19) с выхода одного из парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15 поступает в блок обработки информации 16. По измеренному уровню амплитуды оптического контрольного сигнала U_в (12) в блоке обработки информации 16 устанавливают величину амплитудного порога приема сигналов U_пор в каждом из парциальных фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы 15:
U_пор = U_в = E_к K_п K_у. (20)
Этим осуществляют установку величины амплитудного порога U_пор приема оптических сигналов в каждом из парциальных пространственных углов приема _п на выходе АКФ 7. Решение о приеме сигнала, отраженного от объекта, и тем самым наличии объекта принимают при условии превышения амплитуды оптического усиленного сигнала с выхода АКФ 7 установленного амплитудного порога приема U_пор (20) в одном или одновременно в нескольких парциальных углах приема _п. При этом на выходе парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15, в одном или одновременно в нескольких элементах, находящихся в зоне открытой управляемой диафрагмы 13, амплитуда сигнала U_с, поступающего на вход блока обработки информации 16, превышает установленный амплитудный пороговый уровень:
U_с > U_пор = U_в = K_с K_п E_к. (21)
В результате проведенных операций АКФ 7 и устройство, реализующее способ, полностью готовы к приему оптических сигналов, отраженных от наблюдаемого объекта, в режиме высокой чувствительности. С помощью блока перемещения 18 отражательное зеркало 17 по команде с блока обработки информации 16 выводят из позиции 1 из зоны прохождения оптического излучения, поступающего на вход АКФ 7 от приемного телескопа 5, 6. Далее осуществляют подсвет объекта импульсом зондирующего лазерного излучения, сформированным лазерным генератором 1. Осуществляют прием, спектральную селекцию и усиление оптического сигнала, отраженного от объекта, с помощью АКФ 7, в котором установлен оптимальный режим квантового усиления принимаемых сигналов. Усиленный оптический сигнал с выхода АКФ 7 поступает на оптический вход фоточувствительной площадки ФПМ 15. Осуществляют регистрацию с помощью ФПМ 15 уровней оптического сигнала с выхода АКФ 7 в каждом из парциальных пространственных углов приема _п в пределах общего пространственного угла приема _ф (2) на выходе АКФ 7. Информация об уровнях оптического сигнала в каждом из парциальных пространственных углов _п приема поступает с выхода ФПМ 15 в блок обработки информации 16. Осуществляют сравнение (21) уровней оптического сигнала U_ci в каждом из i парциальных пространственных углов приема _пi с установленной величиной U_пор (20) амплитудного порога приема сигналов (i = 1 – М; М – общее количество парциальных фоточувствительных элементов ФПМ 15, находящихся в открытой зоне управляемой диафрагмы 13). При превышении уровня амплитудного порога U_пор в одном или одновременно в нескольких парциальных пространственных углах приема _п принимают решение о приеме оптического сигнала, отраженного от объекта, и наличии объекта:
а) U_ci > U_пор, (21)
б) U_cm > U_пор;
U_cl > U_пор, (22)
U_cn > U_пор.

Здесь i, m, n, l – номера парциальных фоточувствительных элементов в ФПМ 15. Ситуация (21) соответствует малым угловым размерам наблюдаемого объекта и наличию сигнала от объекта в одном из дифракционных пространственных углов приема _п. Ситуация (22) соответствует большим угловым размерам объекта, занимающим несколько парциальных дифракционных пространственных углов приема _п, в пределах общего пространственного угла приема _ф (угла наблюдения и обнаружения оптических сигналов, отраженных от объекта). При этом в ситуации (22) на выходе ФПМ 15 формируют изображение наблюдаемого объекта, составленное из элементов дифракционного углового разрешения (_п= ), уровень отраженного и принятого сигнала в которых превысил установленный амплитудный порог U_пор. Информация о парциальных фоточувствительных элементах (i, m, n и т. п. ) в ФПМ 15, в которых уровень принятого оптического сигнала превысил уровень установленного амплитудного порога U_пор, формируется и фиксируется в блоке обработки информации 16. При этом линейные координаты соответствующей площадки в ФПМ 15 характеризуют угловые координаты обнаруженного объекта, а совокупность фоточувствительных элементов в ФПМ 15, в которых превышен порог обнаружения U_пор, характеризует распределение отражающих элементов (точек) в изображении объекта. Момент времени t появления сигнала, превысившего порог обнаружения U_пор на выходе ФПМ 15, характеризует уточненную дальность до объекта. Таким образом, в блоке обработки информации формируют и фиксируют информацию о параметрах наблюдаемого и обнаруженного объекта: информацию об угловых координатах объекта, уточненной дальности до объекта и информацию об изображении или угловых размерах объекта, для крупноразмерных объектов. Данная полученная информация используется далее, например, для уточнения параметров движения объекта или точного наведения лазерного излучения.

На этом операции по лазерной локации наблюдаемого объекта завершены.

Устройство, реализующее предлагаемый способ лазерной локации, выполнено на базе стандартных блоков и узлов.

В качестве источника лазерного излучения 1 использован, например, фотодиссоционный лазер с активным веществом в газовой фазе на основе перфторалкилиодидов и накачкой с помощью мощных импульсных источников оптического излучения.

Активный квантовый фильтр 7 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.

В качестве блока обработки информации использована стандартная ПЭВМ с блоками сопряжения для приема и передачи импульсных управляющих сигналов.

В качестве оптического модулятора использован любой модулятор света, работающий на просвет, например электрооптический модулятор.

Управляемая диафрагма представляет собой оптико-механический блок, включающий, например, круглую “ирисовую”‘ диафрагму и шаговый электродвигатель, обеспечивающий установление заданного диаметра открытой зоны поля диафрагмы. Блок управления диафрагмой представляет собой, например, цифроаналоговый преобразователь для преобразования цифрового управляющего сигнала с выхода блока обработки информации 16 в управляющее напряжение на входе шагового электродвигателя управляемой диафрагмы [4].

Блоки наполнения 9, 10 представляют собой газовые баллоны с активным веществом и буферным газом, с вентилями, управляемыми по сигналам, поступающим с выходов блока обработки информации 16.

Блок сменных фильтров представляет собой, например, оптико-механический блок со сменными калиброванными оптическими фильтрами, перемещаемыми с помощью шагового электродвигателя.

Второе отражательное зеркало 17 снабжено блоком перемещения 18, например, на основе шагового электродвигателя, обеспечивающего вывод зеркала 17 из зоны прохождения оптического излучения после проведения измерительных операций.

Оптическая схема приемного канала (ПК) устройства, реализующего способ, на фиг. 1 реализует схему работы АКФ 7 в параллельном ходе световых пучков. Возможен второй вариант построения схемы ПК, при котором приемный телескоп 5, 6 формирует изображение объекта внутри кюветы АКФ 7. В этом случае фокус приемного телескопа 5, 6 расположен внутри кюветы АКФ 7 (например, в центре на оси OO’), а вогнутое зеркало 11 осуществляет перекос изображения объекта из кюветы АКФ 7 в плоскость ФПМ 15. Данная вторая схема построения ПК с построением и переносом изображения объекта в плоскость ФПМ 15 по своим шумовым характеристикам полностью аналогична первому варианту построения ПК на фиг. 1, характеризующемуся работой АКФ 7 в параллельных пучках.

Во втором варианте парциальный угол приема на выходе АКФ 7 _п также устанавливают равным дифракционному углу приема, который определяется диаметром D₂ кюветы АКФ.

Рассмотрим более подробно основной технический параметр предложенного способа лазерной локации: минимальный уровень отраженного от объекта сигнала E_{c min} обнаруживаемого и регистрируемого на входе АКФ 7 устройства, реализующего данный способ. Данный минимально обнаружимый сигнал E_{c min} характеризует потенциал – дальность действия устройства, реализующего предложенный способ.

Уровень минимально обнаружимого сигнала E_{c min} обусловлен средним уровнем флуктуаций спонтанного излучения АКФ E_{фл вх}, действующего на входе АКФ 7 (приведенного ко входу АКФ).

Мощность спонтанного излучения (шума) на выходе АКФ 7 в пространственном (телесном) угле приема _п определяется физическими параметрами активной среды АКФ и равна

где – сечение усиления рабочего перехода;
h – энергия кванта лазерного излучения на рабочей длине волны _раб;
– частота лазерного излучения; [см^-1]
h – постоянная Планка;
_cп – спонтанное время жизни возбужденных атомов активной среды;
, где A – коэффициент Эйнштейна;
– дифракционный пространственный угол приема излучения.

Коэффициент усиления АКФ K_у= e^{NL , где N – плотность возбужденных атомов [см-3] активной среды АКФ, L – длина активной среды АКФ 7.}

Формула (23) получена в ряде работ [5].

Мощность спонтанного излучения P_{cп вых} (23) можно изменять в определенных пределах путем изменения режима работы АКФ. Коэффициент усиления K_у определяется плотностью возбужденных частиц N которая пропорциональна давлению рабочего вещества в АКФ 7 и уровню (интенсивности) накачки активной среды в кювете АКФ 7. Величиной сечения усиления рабочего перехода можно управлять изменяя давление буферного газа в кювете АКФ 7. При увеличении коэффициента усиления K_у, осуществляемом вышеуказанными средствами, уровень мощности спонтанного излучения P_{сп вых} на выходе АКФ 7 увеличивается. Уровень мощности P_{сп вых} может быть уменьшен путем уменьшения величины пространственного угла приема _п и приближения его к величине пространственного дифракционного угла , меньше которого снижать величину угла приема _п невозможно вследствие потери энергии при приеме входного оптического сигнала. В дифракционном угле приема заключено 84% энергии входного оптического сигнала.

На чувствительность приема слабых сигналов оказывает влияние не сама величина мощности P_{сп вых} спонтанного излучения на выходе АКФ 7, а флуктуации этой величины во времени, характеризуемые дисперсией ² и средним уровнем флуктуаций спонтанного излучения P_{сп вых} (23).

Спонтанное излучение P_{сп вых} (23) с выхода АКФ 7 воздействует непосредственно на фоточувствительные элементы ФПМ 15, находящиеся в открытой зоне управляемой диафрагмы 13. Данное излучение является некоторой неустранимой фоновой засветкой фоточувствительных элементов ФПМ 15 на рабочей длине волны _раб – длине волны спонтанного излучения АКФ. Вследствие спонтанного излучения АКФ в цепи каждого парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15 возникает постоянный ток со средним уровнем, равным

где – квантовая эффективность парциального фоточувствительного элемента в ФПМ 15;
q_е – заряд электрона.

Флуктуации этого тока представляют собой дробовой шумовой ток в цепи фоточувствительного элемента ФПМ 15 и определяются формулой Шоттки [6]:

где I_др – средний уровень дробовых шумов, обусловленных флуктуациями среднего уровня I тока, пропорционального мощности спонтанного излучения P_{сп вых}, поступающего на парциальный фоточувствительный элемент ФПМ 15;
П_э – ширина полосы пропускания электронного усилителя, входящего в состав каждого парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15. (Здесь и далее приводятся данные для одного парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15).

Данная составляющая флуктуаций тока в цени фотоприемника (ФП) обусловлена статистическим характером фотоотсчетов при преобразовании в ФП входного светового излучения в электрический сигнал.

Следует отметить, что спонтанное излучение на выходе АКФ является лазерным излучением в области ниже порога генерации и характеризуется флуктуацией среднего уровня интенсивности, подчиняющейся статистике Бозе – Эйнштейна с дисперсией n²= n(n+1) , где n – среднее число фотонов в флуктуирующем световом потоке. В этом случае дисперсия фотоотсчетов не является чисто Пуассоновской, а определяется соотношением [7]:
²_n = n+n² (26)
где первая составляющая, пропорциональная n, соответствует формуле Шоттки и определяется статистикой Пуассона;
вторая составляющая обусловлена флуктуациями спонтанного излучения на выходе АКФ (статистика Бозе – Эйншейна) и пропорциональна квадрату интенсивности n² (n – среднее число фотонов, пропорциональное интенсивности).

Коэффициент пропорциональности обусловлен соотношением между временем корреляций флуктуаций светового потока и временем измерения T.

С учетом всех факторов дисперсию флуктуации тока в цепи одного парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15 можно представить в следующем виде:

где – время корреляции флуктуаций спонтанного излучения АКФ,
– ширина полосы квантового усиления АКФ 7,
– полоса пропускания электронного усилителя с постоянной времени T,
I соответствует (24).

Мощность шумов P_фп, обусловленная флуктуациями спонтанного излучения АКФ P_{сп вых}, выделяется на эквивалентном сопротивлении R фотоприемника (парциального фоточувствительного элемента ФПМ 15):
P_фп= I²R = ²_IR, I²= ²_I (28)
Этой мощности шумов соответствует следующий средний уровень шумовых флуктуацийи в виде напряжения U_ш на эквивалентном сопротивлении R на выходе ФП:

(в соответствии с ).

Одновременно на выходе ФП на эквивалентной нагрузке R присутствуют также шумы, обусловленные темновым током I_т фотоприемника:
P_т = 2 q_е П_э I_т R, (30)
собственными шумами электронного усилителя ФП, приведенными ко входу ФП, и тепловые шумы сопротивления нагрузки R. Последние два вида шумов определяются формулой Найквиста:

где k – постоянная Больцмана;
K_ш – коэффициент шума, учитывающий вклад шумов электронного усилителя;
T_R – температура сопротивления R и ФП.

Общая мощность шумов в цепи ФП равна сумме
P = P_фп + P_т + P_R (32)
вследствие статистической независимости всех видов шумов. Соответственно, средний вровень суммарного шумового сигнала (напряжения) на выходе ФП равен
U_m= {R[P_фп+P_m+P_R]}^1/2 (33)
Уровень принимаемого сигнала E_свых на выходе ФП напряжения на нагрузке R при условии усиления входного сигнала E_{с вх} в АКФ 7 с коэффициентом усиления K_у равен
E_свых= (N_{c вх}K_у)q_eR (34)
где – мощность входного сигнала, выраженная в числах фотонов входного сигнала в единицу времени на входе АКФ,
P_{с вх} – мощность входного сигнала (в Ваттах),
– квантовая эффективность ФП,
q_е – заряд электрона.

Приравнивая выходной сигнал ФП от принимаемого сигнала (34) среднему уровню общих шумовых флуктуаций (33), получаем величину минимально обнаруженного сигнала N_{с вх min}, при котором отношение сигнал/шум по напряжению на выходе фотоприемника (ФПМ 15) равно единице:

Соотношение (35) совместно с ранее полученными определениями уровней шумов (32) позволяет определить величину потенциальной чувствительности приема слабых оптических сигналов в устройстве, реализующем предлагаемый способ.

Уровень минимально обнаруживаемого сигнала N_{c min} (35) определяется двумя составляющими:
составляющей
обусловленной уровнем собственных шумов фотоприемника (ФП) и электронного усилителя, входящего в его состав;
составляющей
обусловленной флуктуацией спонтанного излучения АКФ.

При этом
Величины (36) и (37) представляют собой средние мощности флуктуационных шумов, приведенные ко входу АКФ 7 и обусловленные соответственно собственными шумами фотоприемника и электронного усилителя (36) и флуктуациями спонтанного излучения АКФ (38).

Приведенная ко входу мощность флуктуационных шумов P_АКФ, обусловленная флуктуациями спонтанного излучения АКФ, равна согласно (27) и (28)

Здесь I согласно (24) и (23) пропорционально величине коэффициента усиления K_у.

где

K_у-1 K_у
при K_у > > 1
= _раб
Отсюда

Таким образом, при увеличении коэффициента усиления АКФ K_у величина приведенной ко входу АКФ мощности флуктуации спонтанного излучения АКФ вначале уменьшается как (первая составляющая в (41)), а затем приближается к некоторой постоянной величине , не зависящей от коэффициента усиления АКФ K_у:

Величина мощности шумов ФП и электронного усилителя, приведенных ко входу АКФ 7, (36) уменьшается как с ростом коэффициента усиления АКФ. Поэтому при некотором значении величины коэффициента усиления K_у1 собственными шумами фотоприемника (ФП) можно пренебречь по сравнению с приведенными ко входу флуктуациями спонтанного излучения АКФ. При K_у > K_у1 уровень минимально обнаружимого сигнала N_{c min} (35) определяется только собственными флуктуациями спонтанного излучения АКФ 7, а следовательно, определяется его режимом работы.

В этом случае чувствительность приема слабых сигналов определяется величиной (согласно (38), (41))

где из (40).

При изменении режима работы АКФ 7 с целью установления оптимального режима и коэффициента усиления K_у, характеризующегося минимальным уровнем приведенного ко входу АКФ сигнала N_{c min}, вначале устанавливают коэффициент усиления K_у = K_у1, при котором выполняется соотношение

где выбирают, например, ₁ = (5 – 10).

Величину K_у1 для этого случая можно определить, подставив в (44) соотношения для P_АКФ из (41) и P_т + P_R из (30), (31):

При выводе (45) учтено, что первая составляющая в (43) при возрастании K_у значительно меньше второй составляющей, не зависящей от K_у. Для фотоприемников средней чувствительности величина K_у1, рассчитанная по (45), при ₁= 10 составляет K_у1 = 10³.

При выполнении условия (44) при K_у > K_у1 реализуется режим отсечки собственных шумов ФП и электронного усилителя, при которых их параметры (чувствительность ФП, уровень тепловых и темновых шумов) не влияют на чувствительность приема слабых сигналов устройства в целом, реализующего способ. Далее при дальнейшем изменении режима работы АКФ и увеличении коэффициента усиления K_у реализуют такой минимальный уровень входного сигнала N_{с вх min} (43), который определяется только второй составляющей уровня шумов в (43), не зависящей от K_у. Этот режим можно охарактеризовать, например, тем, что первая составляющая шумов в (43) будет составлять заданную малую величину ₁ от второй составляющей шумов в (43), например, 1,0% (₁= 0,01) . Для этого случая коэффициент усиления K_у2 может быть представлен в следующем виде (на основании (43)):

Таким образом, при K_у > K_у2 уровень минимально обнаружимого входного сигнала N_{с min} определяется (с точностью до ₁) только второй составляющей собственных спонтанных шумов АКФ в (43), которая при дальнейшее увеличении K_у не зависит от K_у и является постоянной величиной, определяемой физическими параметрами АКФ. При этом можно утверждать, что при установлении режима АКФ, при котором K_у > K_у2 реализована оптимальная наилучшая чувствительность приема слабых сигналов в устройстве, реализующем предложенный способ, уровень которой N_{о min} ограничен только собственными физическими параметрами используемой активной среды АКФ и приближается к физическому квантовому пределу, обусловленному дискретной (фотонной) природой оптического излучения. Минимальная величина входного сигнала N_{о min}, определяющая согласно (43) предельную чувствительность АКФ, равна

Воспользовавшись соотношением

из [8] получим следующую величину для минимально обнаружимого входного сигнала в режиме наивысшей чувствительности приема слабых сигналов:

где – ширина линии усиления АКФ по полувысоте доплеровского контура [см^-1];
C – скорость света.

При приеме входного импульсного оптического сигнала с длительностью импульса t_c уровень минимально обнаружимого сигнала в числах фотонов равен
N_ominимп= N_omint_c (49).
На основании (48) и (49) получаем окончательную оценку уровня минимально обнаружимого входного импульсного сигнала в устройстве, реализующем предлагаемый способ:

Здесь учтено, что Ct₀= 1, – длительность импульсного сигнала, соответствующая полосе f₀ квантового усиления АКФ; [см^-1] – полоса усиления АКФ,
П_э – полоса усиления электронного усилителя фотоприемника в ФПМ 15. При приеме в дифракционном угле приема _п= импульсного оптического сигнала с длительностью – согласованной с полосой усиления АКФ , и при П_э = f₀ получаем следующую оценку уровня минимально обнаружимого сигнала из (50) (для одной поляризации принимаемого оптического сигнала):
N_cminимп= ₁= 0,66 кванта (51)
На основании проведенного теоретического анализа работы АКФ и устройства, реализующего способ, получаем, что величина минимально обнаружимого оптического сигнала составляет не более одного сигнального фотона (кванта) при приеме в дифракционном угле приема в установленном оптимальном режиме работы активного квантового фильтра (АКФ). Для данного оптимального режима работы АКФ коэффициент усиления K_у должен удовлетворять соотношению K_у > K_у2, где K_у2 согласно (40), (46) и (47) равно

При указанном оптимальном режиме работы АКФ и при t_c= t_o,₁= 0,01, = 0,5; получаем К_у > К_у2 = 170 (53).

Проведенные экспериментальные исследования экспериментального образца устройства, реализующего способ, показали следующие результаты.

1. Осуществлены прием, усиление и регистрация слабого импульсного оптического сигнала (отраженного от объекта ) при оптимальном режиме работы АКФ с коэффициентом усиления К_у = 4900 в угле приема _n= 3, составляющем 3 плоских дифракционных угла. (Пространственный угол приема ). Полоса электронного усилителя П_э = 30 МГц. Параметры оптического сигнала на входе АКФ:
длительность импульса t_c = 40 нсек на рабочей длине волны _раб, соответствующей рабочему переходу активного вещества АКФ;
энергия входного импульсного сигнала E_вх = 3,4 10^-18 Дж при числе квантов (фотонов) входного сигнала N_вх = 23.

Параметры выходного сигнала, зарегистрированного в ФПМ 15:
отношение сигнал/шум q₁ = 2,9 по напряжению в выходном сигнале, поступающем с выхода ФПМ 15 в блок обработки информации 16 – электронно-вычислительную машину. На фиг. 2 приведены две осциллограммы входного и выходного оптических импульсных сигналов, зарегистрированные соответственно на выходе задающего лазерного генератора (поз. 1 на фиг. 2 ) и на выходе одного из фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы ФПМ 15 (поз. 2 на фиг. 2). На второй осциллограмме поз. 2 видны шумы активного квантового фильтра, обуславливающие величину чувствительности приема слабых сигналов.

Уровень минимально обнаружимого сигнала при отношении сигнал/шум q = 1 составляет согласно экспериментальным данным

Теоретическая оценка по формуле (50) при указанных выше параметрах входного импульсного сигнала дает величину N_{min теор} = 8,34 (квантов).

Таким образом, отличие экспериментальных результатов от теоретической оценки не превосходит < 10%. Пересчет экспериментального результата N_min = 8 квантов при на условия приема импульсного сигнала с оптимальной длительностью t_c= t_o = 3 нсек и при использовании электронного усилителя с П_э= f_o= C и при _п= дает следующую оценку величины минимально обнаружимого сигнала (в соответствии с (50)):
N_{o min.эксп} = 0,64 (кванта). (54)
Это хорошо согласуется с полученной ранее теоретической оценкой минимально обнаружимого сигнала
N_{o min.теор} = 0,66 (кванта) (51).

2. Осуществлены прием, усиление и регистрация импульсного оптического сигнала большой длительности t_c в угле приема _n= 3, составляющем три плоских дифракционных угла.

Коэффициент усиления АКФ в оптимальном режиме его работы составлял K_у = 3000. Полоса электронного усилителя П_э = 200 кГц.

Параметры оптического сигнала на входе АКФ:
длительность импульса t_c = 5 мксек на _раб,
энергия входного оптического сигнала E_вх = 4,7 10^-17 Дж при числе квантов N_вх = 274 (кванта).

Параметры выходного сигнала, зарегистрированного в ФПМ 15:
отношение сигнал/шум по напряжению q₂ = 3,1.

На входе АКФ был сформирован короткий оптический импульс, эквивалентный энергетическим параметрам импульсу с длительностью t_c = 5 мксек.

На фиг. 3 приведены осциллограммы входного (поз. 1) и выходного (поз. 2) сигналов. Уровень минимально обнаружимого сигнала при t_c = 5 мксек и составляет согласно экспериментальным данным величину

Теоретическая оценка по формуле (50) при указанных во втором эксперименте параметрах входного сигнала (t_c= 5 мксек, П_э = 200 кГц) составляет N_{min теор} = 80 фотонов.

Различие экспериментальных результатов и теоретической оценки во втором эксперименте также не превышает 10%.

Таким образом, экспериментальные исследования устройства, реализующего способ, показали хорошее совпадение с результатами проведенного теоретического анализа работы устройства в оптимальном режиме приема слабых оптических сигналов.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что устройство на основе АКФ, реализующее предложенный способ, обладает предельно высокой чувствительностью приема слабых оптических сигналов, соответствующей квантовому пределу чувствительности, обусловленному квантовой (дискретной) структурой электромагнитного поля.

При достигнутом экспериментально оптимальном режиме работы АКФ и приеме оптических сигналов в дифракционном угле приема реализована регистрация однофотонного импульсного оптического сигнала при отношении сигнал/шум . Это позволяет сделать вывод о достижении в данном устройстве, реализующем способ, предельной физически возможной чувствительности и реализации приема и регистрации отдельных квантов излучения, отраженного от лоцируемого объекта.

Следует отметить, что данная высокая чувствительность приема реализована в ближнем ИК-диапазоне без использования каких-либо специальных средств, например охлаждения фотоприемников и аппаратуры до низких температур. Собственная чувствительность фотоприемников в ФПМ 15 не оказывает влияния на уровень предельной высокой чувствительности приема слабых сигналов при установленном оптимальном режиме работы АКФ. Поэтому возможно использование фотоприемников в ФПМ 15 с невысокой собственной чувствительностью.

В настоящее время в ближнем ИК-диапазоне ( = 1 – 3,5 мкм) отсутствуют высокочувствительные фотоприемники, способные регистрировать отдельные кванты оптического излучения. Наиболее высокочувствительные фотоприемники видимого диапазона (ФЭУ) из-за ограниченной квантовой эффективности ( = 0,2 – 0,5) способны регистрировать импульсы, содержащие несколько фотонов (квантов), и не обладают возможностью однофотонной регистрации. Поэтому предложенный способ и устройство для его реализации обладают наиболее высокой чувствительностью приема слабых сигналов из всех фотоприемных средств видимого и ближнего ИК-диапазонов.

Применение предлагаемого способа лазерной локации и устройства для его осуществления позволяет получить следующие результаты:
– обеспечить повышение чувствительности приема слабых оптических сигналов и довести уровень чувствительности до физически возможного предела, ограниченного квантовой структурой принимаемого электромагнитного поля,
– реализовать возможность приема и регистрации в ближнем ИК-дианазоне отдельных квантов излучения (режим счета фотонов), а также возможность приема однофотонных сигналов,
– повысить дальность действия локационной системы за счет обеспечения предельно высокой чувствительности и реализации приема и регистрации отдельных квантов в излучении, отраженном от лоцируемого объекта,
– исключить влияние на чувствительность приема слабых сигналов, отраженных от объекта, собственных шумов и чувствительности фотоприемников, используемых в приемном канале,
– исключить необходимость использования для достижения предельно высокой чувствительности специальных средств, например охлаждения фотоприемников и аппаратуры приемного канала.

Источники информации
1. Патент РФ N 2048686, 1995 г. Б.И. N 32 – 20.11.1995 г.

2. Патент РФ N 2110079, а.з. N 5100471/22 от 25.09.91 г.

3. Патент РФ N 2125279, Бюл. N 2, 20.01.1999 г. (прототип).

4. Справочник конструктора оптико-механических приборов, под. ред. Кругер M.Я. Л. “Машиностроение”, 1980 г.

5. Труды ФИАН. 1965 г., т. 31, стр. 74-95.

6. А.Ван дер Зил. “Шум – источники, описание, измерение”. М. Сов. Радио. 1973 г.

7. С. А.Ахманов и др. “Введение в статистическую радиофизику и оптику”. М. Наука. 1981 г.

8. И. И. Собельман. “Введение в теорию атомных спектров”. М. Физмашгиз. 1963.

Формула изобретения

1. Способ лазерной локации, заключающийся в формировании лазерного излучения, подсвете им объекта, приеме отраженного от объекта излучения, спектральной селекции его на рабочей длине волны _раб, разделении потока излучения на парциальные потоки, направлении каждого из парциальных потоков излучения на соответствующий парциальный фоточувствительный элемент многоэлементного матричного фотоприемника, и принятия решения о наличии объекта при превышении одним из парциальных потоков излучения амплитудного порога, отличающийся тем, что до подсвета объекта определяют по данным внешнего целеуказания величину пространственного угла приема оптического излучения отраженного от объекта, где S – площадь зоны предполагаемого нахождения объекта, и R – дальность до объекта, – определяют в соответствии с ним величину пространственного угла приема оптического излучения на выходе спектрального селектора – активного квантового фильтра (АКФ), где – отношение световых диаметров приемного телескопа D₁ и активного квантового фильтра D₂, при разделении потока излучения на парциальные потоки устанавливают величину пространственного парциального угла приема _п каждого из парциальных потоков излучения равной дифракционному пространственному углу

приема сигналов на выходе АКФ, осуществляют измерение среднего уровня флуктуаций спонтанного излучения в пространственном парциальном угле приема _п на выходе АКФ E_вых, измеряют коэффициент усиления АКФ K_у на рабочей длине волны _раб в полосе спектральной селекции входного оптического излучения, определяют средний уровень флуктуаций спонтанного излучения на входе АКФ в пространственном парциальном угле приема _п изменяют режим работы активного квантового фильтра (АКФ) до получения коэффициента усиления K_у, при котором средний уровень флуктуаций спонтанного излучения в пространственном парциальном угле приема _п на выходе АКФ E_{ф вых} превосходит средний уровень собственных шумов в соответствующем этому парциальному углу приема _п парциальном фоточувствительном элементе многоэлементного матричного фотоприемника, а средний уровень флуктуаций спонтанного излучения на входе АКФ E_{ф вх} – минимален, формируют на входе АКФ при установленном режиме работы АКФ оптический контрольный сигнал E_к на рабочей длине волны _раб с уровнем, большим среднего уровня флуктуаций спонтанного излучения на входе АКФ E_к > E_{ф вх}, в пространственном парциальном угле приема _п, направляют сформированный оптический контрольный сигнал на вход АКФ, измеряют уровень усиленного оптического контрольного сигнала на выходе АКФ в одном из пространственных парциальных углов приема _п, устанавливают в соответствии с ним величину амплитудного порога приема сигналов в каждом из пространственных парциальных углов приема _п на выходе АКФ, после осуществления приема отраженного от объекта излучения и его спектральной селекции на _раб судят о наличии объекта по превышению принятым и усиленным оптическим сигналом на выходе АКФ установленного амплитудного порога приема сигналов в одном, или, одновременно в нескольких пространственных парциальных углах приема _п.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение среднего уровня флуктуаций спонтанного излучения в пространственном парциальном угле приема _п на выходе активного квантового фильтра E_{ф вых} осуществляют путем определения величины среднего уровня флуктуационных шумов на выходе парциального фоточувствительного элемента U_откр матричного многоэлементного фотоприемника, регистрирующего спонтанное излучение с выхода АКФ, распространяющееся в соответствующем этому фоточувствительному элементу пространственном парциальном угле приема _п, определяют величину среднего уровня собственных флуктуационных шумов на выходе парциального фоточувствительного элемента U_закр при отсутствии воздействия спонтанного излучения с выхода АКФ на фоточувствительный элемент, а средний уровень флуктуаций спонтанного излучения E_{ф вых} определяют в соответствии с формулой

при этом средний уровень флуктуационных шумов на выходе парциального фоточувствительного элемента определяют в соответствии с формулой

где – квадрат амплитуды выброса шумового напряжения на выходе фоточувствительного элемента,
t_i – величина одного временного дискрета измерения шумового напряжения,
N – число дискретных временных интервалов за весь период измерения

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение коэффициента усиления АКФ K_у на рабочей длине волны _раб в полосе спектральной селекции входного сигнала осуществляют путем формирования на входе АКФ оптического контрольного сигнала E_к на рабочей длине волны _раб, измеряют уровень E_{к вх}, направляют его на вход АКФ в направлении распространения входного оптического сигнала, измеряют уровень оптического контрольного сигнала после прохождения АКФ на его выходе E_{к вых}, и определяют величину коэффициента усиления АКФ по двум измеренным значениям уровней оптического контрольного сигнала на входе и выходе АКФ

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптический контрольный сигнал E_к на рабочей длине волны _раб формируют путем ответвления части спонтанного излучения АКФ со входа АКФ, временной модуляции ответвленного излучения, ослабления его уровня, осуществляют измерение уровня сформированного оптического контрольного сигнала, распространяющегося в пространственном парциальном угле приема _п и направляют сформированный оптический контрольный сигнал на вход АКФ по направлению распространения входного оптического сигнала.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение режима работы АКФ осуществляют путем изменения уровня накачки активного вещества АКФ и изменения давления и состава рабочей газовой смеси активного вещества АКФ.

6. Устройство для осуществления способа лазерной локации, содержащее установленные на первой оптической оси источник лазерного излучения на рабочей длине волны _раб 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, активный квантовый фильтр с блоком накачки, вогнутое зеркало, первое отражательное зеркало, фотоприемную матрицу и блок обработки информации, входы которого подключены к выходам фотоприемной матрицы, а выходы подключены к блоку накачки и блоку управления приводом поворотного зеркала, отличающееся тем, что в него введены поляризационный фильтр, интерференционный фильтр, управляемая диафрагма, последовательно установленные на второй оптической оси между первым отражательным зеркалом и фотоприемной матрицей, блок управления управляемой диафрагмой, подключенный к выходу блока обработки информации, последовательно установленные на третьей оптической оси уголковый отражатель, оптический модулятор с блоком управления, полупрозрачное зеркало, блок сменных фильтров с блоком управления и второе отражательное зеркало с блоком перемещения зеркала, оптически связывающее блок сменных фильтров с оптическим входом активного квантового фильтра, фотоприемник, установленный в фокусе линзы, оптический вход которой через полупрозрачное зеркало связан с оптическим выходом оптического модулятора, блок наполнения рабочим веществом и блок наполнения буферным веществом, подключенные к кювете активного квантового фильтра, при этом выход фотоприемника подсоединен ко входу блока обработки информации, управляющие входы блока перемещения второго отражательного зеркала, блока управления блоком сменных фильтров, блока управления оптическим модулятором, блоков наполнения рабочим веществом и буферным веществом подключены к управляющим выходам блока обработки информации.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 24.06.2003

Извещение опубликовано: 10.12.2004 БИ: 34/2004