RU2790960C1 - Holographic laser location system - Google Patents
Holographic laser location system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790960C1 RU2790960C1 RU2022114853A RU2022114853A RU2790960C1 RU 2790960 C1 RU2790960 C1 RU 2790960C1 RU 2022114853 A RU2022114853 A RU 2022114853A RU 2022114853 A RU2022114853 A RU 2022114853A RU 2790960 C1 RU2790960 C1 RU 2790960C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- unit
- optical
- frequency
- mirror
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике и предназначено для регистрации голограмм космических объектов в условиях космического пространства с борта космического аппарата, в частности, космического корабля.The invention relates to laser technology and is intended for recording holograms of space objects in outer space from a spacecraft, in particular a spacecraft.
Регистрация голограмм осуществляется с целью получения наиболее полной информации о наблюдаемом объекте и воспроизведения с полученной голограммы объемного изображения наблюдаемого объекта для его дальнейшего изучения. Важной проблемой современной космонавтики является наличие в околоземном пространстве различных остатков космических аппаратов и их элементов, которые могут представлять опасность для действующих и используемых спутников Земли и эксплуатируемых космических аппаратов. Для своевременного очищения околоземного космического пространства от оставшихся не используемых космических аппаратов и их элементов (космического мусора) необходимо иметь информацию о размерах, форме этих объектов космоса для решения вопроса о методах их удаления или разрушения до мелкодисперсной фракции. Получение голограмм таких нежелательных космических объектов позволит получить о них более полную информацию, включающую объемное изображение. Аналогично для Земли и космических аппаратов представляют опасность различные астероиды, которые могут нанести вред при непосредственном столкновении с Землей и действующими космическими аппаратами. Поэтому получение голограмм астероидов и других естественных космических объектов также представляет интерес с целью их более полного изучения. В настоящее время техника голографии хорошо развита и обеспечивает получение голограмм фиксированных неподвижных объектов в земных условиях. Однако для регистрации голограмм в условиях космического пространства необходимо иметь аппаратуру, обеспечивающую регистрацию голограмм движущихся объектов при малом уровне принимаемого отраженного от космического объекта оптического сигнала.The registration of holograms is carried out in order to obtain the most complete information about the observed object and reproduce from the obtained hologram a three-dimensional image of the observed object for its further study. An important problem of modern cosmonautics is the presence in the near-Earth space of various remnants of spacecraft and their elements, which can pose a danger to active and used Earth satellites and operated spacecraft. For the timely cleansing of near-Earth space from the remaining unused spacecraft and their elements (space debris), it is necessary to have information about the size and shape of these space objects in order to resolve the issue of methods for their removal or destruction to a fine fraction. Obtaining holograms of such unwanted space objects will allow obtaining more complete information about them, including a three-dimensional image. Similarly, various asteroids pose a danger to the Earth and spacecraft, which can cause harm in a direct collision with the Earth and active spacecraft. Therefore, obtaining holograms of asteroids and other natural space objects is also of interest for the purpose of their more complete study. At present, the holographic technique is well developed and provides obtaining holograms of fixed motionless objects in terrestrial conditions. However, to register holograms in space conditions, it is necessary to have equipment that ensures the registration of holograms of moving objects at a low level of the received optical signal reflected from a space object.
Известен оптический локатор, содержащий импульсный лазер, телескоп, опорный канал с оптическим квантовым усилителем (далее - ОКУ) и объектный канал, систему формирования голограмм, блок восстановления голограмм, полуволновые устройства, блоки сравнения и управления [1]. В данном локаторе для формирования опорного сигнала для регистрации голограммы используется оптический сигнал, выделенный из оптического излучения, отраженного от объекта. Данный сигнал имеет очень малую интенсивность, для формирования качественной голограммы, вследствие чего подвергается усилению, с помощью ОКУ. В то же время для формирования объектного сигнала используется непосредственно оптический сигнал, отраженный от объекта без усиления. Это существенно снижает чувствительность оптического локатора в целом. Кроме того, следует отметить, что современные ОКУ, обладающие высокими коэффициентами усиления и высокой чувствительностью, имеют очень узкую спектральную полосу пропускания. Поэтому использование таких ОКУ в оптических локаторах удаленных космических объектов невозможно без компенсации доплеровского сдвига частоты принимаемого оптического сигнала, отраженного от удаленного движущегося космического объекта. Таким образом, к недостаткам данного оптического локатора следует отнести низкую эффективность приема сигналов, отраженных от космических объектов вследствие низкой чувствительности, невозможности компенсации доплеровских сдвигов в принимаемом оптическом сигнале.Known optical locator containing a pulsed laser, a telescope, a reference channel with an optical quantum amplifier (hereinafter referred to as OQA) and an object channel, a hologram formation system, a hologram recovery unit, half-wave devices, comparison and control units [1]. In this locator, to form a reference signal for registering a hologram, an optical signal is used, extracted from the optical radiation reflected from the object. This signal has a very low intensity to form a high-quality hologram, as a result of which it is amplified with the help of an OKA. At the same time, the optical signal reflected from the object without amplification is used directly to form the object signal. This significantly reduces the sensitivity of the optical locator as a whole. In addition, it should be noted that modern OCOs, which have high gains and high sensitivities, have a very narrow spectral bandwidth. Therefore, the use of such OCOs in optical locators of remote space objects is impossible without compensation for the Doppler frequency shift of the received optical signal reflected from a distant moving space object. Thus, the disadvantages of this optical locator include the low efficiency of receiving signals reflected from space objects due to low sensitivity, the impossibility of compensating for Doppler shifts in the received optical signal.
Известен оптический локатор, содержащий блок излучения, приемную и передающую оптические системы, опорный канал с отражателем, информационный канал и приемное устройство [2]. К недостаткам данного локатора следует отнести низкую чувствительность и отсутствие возможности компенсации доплеровского сдвига, что не позволяет регистрировать качественную голограмму и получить достоверную информацию о наблюдаемом космическом объекте.Known optical locator containing a radiation unit, receiving and transmitting optical systems, a reference channel with a reflector, information channel and receiver [2]. The disadvantages of this locator include low sensitivity and the inability to compensate for the Doppler shift, which does not allow recording a high-quality hologram and obtaining reliable information about the observed space object.
Известна голографическая установка, содержащая стабилизированную платформу, лазер, оптические системы формирования опорного и предметного пучка, регистратор голограммы и систему стабилизации платформы [3]. К недостаткам данного устройства следует отнести низкую чувствительность при регистрации удаленных объектов и невозможность регистрации голограммы движущегося объекта.Known holographic installation containing a stabilized platform, a laser, optical systems for the formation of the reference and object beam, the hologram recorder and the platform stabilization system [3]. The disadvantages of this device include low sensitivity when registering distant objects and the impossibility of registering a hologram of a moving object.
Известно лазерное локационной устройство, содержащее лазерный генератор - передатчик, приемный телескоп, лазерный усилитель - активный квантовый фильтр, фотоприемную матрицу, оптический модулятор, блок обработки информации, блок управления [4]. Данное устройство обладает высокой чувствительностью и обеспечивает прием сигналов и формирование изображений удаленных космических объектов. К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие возможности регистрации голограмм космических объектов.Known laser location device containing a laser generator - a transmitter, a receiving telescope, a laser amplifier - an active quantum filter, a photodetector matrix, an optical modulator, an information processing unit, a control unit [4]. This device is highly sensitive and provides signal reception and imaging of remote space objects. The disadvantages of this device include the inability to register holograms of space objects.
Наиболее близким аналогом к заявленной системе является лазерный локатор, содержащий телескоп, фотоприемный блок, блок спектральных фильтров, лазерный передатчик и лазерный гетеродин, блоки сдвига частоты и сканирования лазерного излучения, блок измерения частоты [5]. Данный локатор обладает высокой чувствительностью при регистрации сигналов, отраженных от удаленных космических объектов, а также обеспечивает компенсацию доплеровских сдвигов частоты лазерного излучения (далее - ЛИ) при приеме сигналов от движущихся объектов. К недостаткам данного локатора следует отнести отсутствие технических элементов для регистрации голограммы наблюдаемого объекта.The closest analogue to the claimed system is a laser radar containing a telescope, a photodetector unit, a spectral filter unit, a laser transmitter and a laser local oscillator, frequency shift and laser radiation scanning units, a frequency measurement unit [5]. This locator has high sensitivity when registering signals reflected from distant space objects, and also provides compensation for Doppler frequency shifts of laser radiation (hereinafter referred to as LI) when receiving signals from moving objects. The disadvantages of this locator include the lack of technical elements for registering the hologram of the observed object.
Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании лазерной системы, в которой реализуется возможность регистрации голограмм движущихся объектов.The technical problem solved by the claimed invention is to create a laser system in which the possibility of registering holograms of moving objects is realized.
При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении высокой чувствительности лазерной системы за счет использования лазерного усилителя для усиления объектного сигнала голограммы и за счет компенсации доплеровских сдвигов частоты ЛИ.This achieves a technical result, which consists in providing a high sensitivity of the laser system by using a laser amplifier to amplify the object signal of the hologram and by compensating for Doppler shifts in the LI frequency.
Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается в результате создания лазерной голографической локационной системы, содержащей последовательно установленные на оптической оси оптически связанные телескоп с блоком наведения, первое выносное полупрозрачное зеркало с блоком перемещения, лазерный усилитель с блоками накачки и управления лазерным усилителем, второе выносное полупрозрачное зеркало с блоком перемещения, первое полупрозрачное зеркало и телевизионную камеру, подключенную к блоку управления, а также лазерный передатчик, лазерный гетеродин и измеритель частоты лазерного излучения, первый и второй блоки сдвига частоты лазерного излучения, первый и второй блоки сканирования лазерного излучения, первый, второй и третий управляемые ослабители, и первый фотоприемный блок, подключенные к блоку управления, второй фотоприемный блок и подключенный к его выходу блок спектральных фильтров, выходом подключенный к блоку управления, первый и второй объективы, второе - седьмое полупрозрачные зеркала, первое - четвертое отражательные зеркала, уголковый отражатель с блоком перемещения, при этом оптический выход телескопа связан с оптическим входом первого фотоприемного блока посредством оптически последовательно связанных первого выносного полупрозрачного зеркала, первого отражательного зеркала, и первого объектива, одновременно оптический выход телескопа оптически связан с оптическим входом второго фотоприемного блока посредством последовательно оптически связанных первого выносного полупрозрачного зеркала, третьего полупрозрачного зеркала и второго объектива, оптический выход лазерного гетеродина оптически связан с оптическим входом первого управляемого ослабителя посредством седьмого полупрозрачного зеркала, оптический выход первого управляемого ослабителя оптически связан с оптическим входом первого блока сдвига частоты лазерного излучения, оптический выход которого связан с оптическим входом первого блока сканирования лазерного излучения, оптический выход которого связан с оптическим входом телевизионной камеры посредством первого полупрозрачного зеркала, оптический выход лазерного гетеродина оптически связан с оптическим входом второго фотоприемного блока посредством последовательно оптически связанных второго отражательного зеркала, второго управляемого ослабителя, второго блока сдвига частоты лазерного излучения, второго блока сканирования лазерного излучения и четвертого полупрозрачного зеркала, одновременно оптический выход лазерного гетеродина оптически связан с первым оптическим входом измерителя частоты лазерного излучения посредством шестого полупрозрачного зеркала, оптический выход лазерного передатчика оптически связан с оптическим входом третьего управляемого ослабителя, оптический выход которого оптически связан с четвертым отражательным зеркалом, установленным в оптической тени контррефлектора телескопа, одновременно оптический выход лазерного передатчика оптически связан со вторым оптическим входом измерителя частоты лазерного излучения посредством пятого полупрозрачного зеркала и третьего отражательного зеркала, уголковый отражатель установлен перед телескопом со смещением относительно оптической оси телескопа, блок перемещения уголкового отражателя подключен к блоку управления, к которому подключены также блок наведения телескопа, блоки перемещения первого и второго выносных полупрозрачных зеркал, блоки накачки и управления лазерным усилителем, оптический выход лазерного усилителя оптически связан с оптическим входом первого фотоприемного блока посредством второго выносного полупрозрачного зеркала, второго полупрозрачного зеркала и первого объектива.The specified technical problem is solved, and the technical result is achieved as a result of creating a laser holographic location system containing optically coupled telescope with a pointing unit installed in series on the optical axis, the first remote translucent mirror with a moving unit, a laser amplifier with pumping and laser amplifier control units, a second remote a translucent mirror with a movement unit, the first translucent mirror and a television camera connected to the control unit, as well as a laser transmitter, a laser heterodyne and a laser radiation frequency meter, the first and second laser radiation frequency shift units, the first and second laser radiation scanning units, the first, the second and third controlled attenuators, and the first photodetector unit connected to the control unit, the second photodetector unit and the spectral filter unit connected to its output, the output connected to the control unit, the first and second lenses, the second e - the seventh translucent mirrors, the first - the fourth reflecting mirrors, a corner reflector with a movement unit, while the optical output of the telescope is connected to the optical input of the first photodetector unit through optically connected in series the first remote translucent mirror, the first reflective mirror, and the first objective, at the same time the optical output of the telescope is optically connected to the optical input of the second photoreceiving unit by means of the first remote translucent mirror, the third translucent mirror and the second objective optically connected in series, the optical output of the laser local oscillator is optically connected to the optical input of the first controlled attenuator through the seventh semitransparent mirror, the optical output of the first controlled attenuator is optically connected to optical input of the first block for shifting the frequency of laser radiation, the optical output of which is connected to the optical input of the first block for scanning laser radiation, opti the optical output of which is connected to the optical input of the television camera through the first translucent mirror, the optical output of the laser local oscillator is optically connected to the optical input of the second photoreceiving unit through the optically connected second reflective mirror, the second controlled attenuator, the second laser frequency shift unit, the second laser radiation scanning unit and the fourth semitransparent mirror, at the same time the optical output of the laser local oscillator is optically connected to the first optical input of the laser radiation frequency meter by means of the sixth semitransparent mirror, the optical output of the laser transmitter is optically connected to the optical input of the third controlled attenuator, the optical output of which is optically connected to the fourth reflective mirror installed in optical shadow of the telescope counter-reflector, at the same time the optical output of the laser transmitter is optically connected to the second optical input of the meter frequency of laser radiation by means of the fifth translucent mirror and the third reflecting mirror, the corner reflector is installed in front of the telescope with an offset relative to the optical axis of the telescope, the corner reflector movement unit is connected to the control unit, to which the telescope pointing unit is also connected, the movement units of the first and second remote translucent mirrors, pumping and control units of the laser amplifier, the optical output of the laser amplifier is optically connected to the optical input of the first photodetector unit through the second remote translucent mirror, the second translucent mirror and the first objective.
В одном из частных вариантов выполнения системы лазерный передатчик и лазерный гетеродин выполнены на основе лазерных генераторов с возможностью перестройки частоты генерируемого лазерного излучения.In one of the particular embodiments of the system, the laser transmitter and the laser local oscillator are made on the basis of laser generators with the possibility of tuning the frequency of the generated laser radiation.
В другом частном варианте выполнения системы лазерный усилитель выполнен с возможностью перестройки частоты усиливаемого лазерного излучения.In another particular embodiment of the system, the laser amplifier is configured to tune the frequency of the amplified laser radiation.
В еще одном частном варианте выполнения системы блок сканирования лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, предназначенной для возбуждения ультразвуковых волн, обеспечивающих изменение направления распространения проходящего через ячейку лазерного излучения.In another particular embodiment of the system, the laser radiation scanning unit is made on the basis of an acousto-optic cell designed to excite ultrasonic waves, which change the direction of propagation of the laser radiation passing through the cell.
В еще одном частном варианте выполнения системы блок сдвига частоты лазерного излучения выполнен на основе акустооптической ячейки, предназначенной для возбуждения ультразвуковых волн, обеспечивающих изменение направления распространения проходящего через ячейку лазерного излучения.In another particular embodiment of the system, the laser radiation frequency shift unit is made on the basis of an acousto-optic cell designed to excite ultrasonic waves, which change the direction of propagation of laser radiation passing through the cell.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемой лазерной голографической локационной системы. Цифрами обозначены следующие элементы.In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed laser holographic location system. The numbers indicate the following elements.
1. Телескоп.1. Telescope.
2. Блок наведения.2. Block guidance.
3. Первое выносное полупрозрачное зеркало.3. The first remote translucent mirror.
4. Блок перемещения первого выносного полупрозрачного зеркала.4. Block for moving the first remote translucent mirror.
5. Лазерный усилитель.5. Laser amplifier.
6. Блок накачки.6. Pump block.
7. Блок управления лазерным усилителем.7. Laser amplifier control unit.
8. Второе выносное полупрозрачное зеркало.8. The second remote translucent mirror.
9. Блок перемещения второго выносного полупрозрачного зеркала.9. Block for moving the second remote translucent mirror.
10. Первое полупрозрачное зеркало.10. The first translucent mirror.
11. Телевизионная камера.11. Television camera.
12. Блок управления.12. Control unit.
13. Лазерный передатчик.13. Laser transmitter.
14. Лазерный гетеродин.14. Laser local oscillator.
15. Измеритель частоты ЛИ.15. LI frequency meter.
16 и 18 - Первый и второй блоки сдвига частоты ЛИ.16 and 18 - First and second LI frequency shift blocks.
17 и 19 - Первый и второй блоки сканирования ЛИ.17 and 19 - The first and second LI scanning blocks.
20-22 - Первый - третий управляемые ослабители.20-22 - First - third controlled attenuators.
23. Первый фотоприемный блок.23. The first photodetector unit.
24. Второй фотоприемный блок.24. The second photodetector unit.
25. Блок спектральных фильтров.25. Block of spectral filters.
26, 27 - Первый и второй объективы.26, 27 - First and second lenses.
28. Первое отражательное зеркало.28. The first reflective mirror.
29-34 - Второе - седьмое полупрозрачные зеркала.29-34 - Second - seventh translucent mirrors.
35, 36, 37 - Второе - четвертое отражательные зеркала.35, 36, 37 - Second - fourth reflective mirrors.
38. Контррефлектор телескопа.38. Telescope counter-reflector.
39. Уголковый отражатель.39. Corner reflector.
40. Блок перемещения уголкового отражателя.40. Block for moving the corner reflector.
41, 42 - Держатели выносных полупрозрачных зеркал.41, 42 - Holders for remote translucent mirrors.
О1-О2 - Оптическая ось.O 1 -O 2 - Optical axis.
На фиг. 2 представлено изображение наблюдаемого тест-объекта в режиме усиления принимаемого ЛИ в лазерном усилителе (поз. 5 на фиг. 1).In FIG. Figure 2 shows an image of the observed test object in the mode of amplification of the received LR in the laser amplifier (pos. 5 in Fig. 1).
На фиг. 3 представлено изображение тест-объекта, полученное при обработке голограммы.In FIG. Figure 3 shows the image of the test object obtained by processing the hologram.
Принцип действия предлагаемой лазерной голографической локационной системы заключается в следующем.The operating principle of the proposed laser holographic location system is as follows.
Лазерная голографическая локационная система (далее - система) осуществляет прием оптического излучения, исходящего от наблюдаемого космического объекта, посредством телескопа 1. Подсвет наблюдаемого космического объекта осуществляется лазерным передатчиком 13. С выхода телескопа 1 оптическое излучение поступает на оптический вход лазерного усилителя 5, проходит через него вдоль оптической оси и подвергается квантовому усилению с коэффициентом усиления K, определяемым режимом работы лазерного усилителя 5 в соответствии с уровнем накачки, определяемом блоком накачки 6. Далее усиленное оптическое излучение, распространяясь вдоль оптической оси, поступает на оптический вход телевизионной камеры 11. Данное усиленное оптическое излучение выполняет роль объектного сигнала при формировании и регистрации голограммы. Одновременно на оптический вход телевизионной камеры 11 поступает лазерный сигнал от лазерного гетеродина 14, который генерирует оптический гетеродинный сигнал соответствующей заданной длины волны (оптической частоты), установленной по сигналам от блока управления 12.The laser holographic location system (hereinafter - the system) receives optical radiation emanating from the observed space object through the telescope 1. The illumination of the observed space object is carried out by the
Лазерный гетеродинный сигнал с выхода лазерного гетеродина 14 поступает на вход телевизионной камеры 11 посредством полупрозрачного зеркала 34, управляемого ослабителя 20, первого блока сдвига частоты 16, первого блока сканирования ЛИ 17 и полупрозрачного зеркала 10. Данный лазерный гетеродинный сигнал выполняет роль опорного лазерного сигнала при формировании и регистрации голограммы телевизионной камерой 11. В результате взаимодействия (интерференции) на входе телевизионной камеры 11 принимаемого оптического сигнала и гетеродинного сигнала образуется голограмма, которая регистрируется в телевизионной камере 11, усиливается, оцифровывается и поступает с выхода телевизионной камеры 11 на вход блока управления 12, который представляет собой ЭВМ, осуществляющую обработку зарегистрированных голограмм, а также управляет работой всеми элементами системы (фиг. 1). На этом основной цикл работы системы завершается. Полученная и обработанная голограмма передается на Землю для дальнейшего использования и изучения. Для обеспечения данного основного цикла работы системы до собственно регистрации голограммы в телевизионной камере 11 осуществляется специальный цикл предварительной настройки элементов системы. Далее рассмотрим этот цикл предварительной настройки системы, который обеспечивает правильное и эффективное функционирование всех элементов системы.The laser heterodyne signal from the output of the
Как было отмечено, основным элементом системы является телевизионная камера 11, которая осуществляет прием и регистрацию голограммы наблюдаемого космического объекта. Система содержит дополнительно первый и второй фотоприемные блоки 23 и 24, которые выполняют вспомогательные функции при настройке работы системы, а в период основного цикла работы системы формируют дополнительную информацию о наблюдаемом объекте. При этом первый фотоприемный блок 23 регистрирует прямое изображение объекта, формируемое объективом 26 на основе оптического излучения, принятого телескопом 1. Первый фотоприемный блок 23 представляет собой двумерную матрицу чувствительных фотоэлементов, например, ПЗС матрицу. Второй фотоприемный блок 24 также представляет собой двумерную матрицу фотоэлементов, например, фотоумножителей, каждый из которых регистрирует сигнал интерференции между принятым оптическим сигналом и гетеродинным сигналом, поступающим на оптический вход фотоприемного блока 24 с выхода лазерного гетеродина 14 посредством последовательно оптически связанных следующих вспомогательных элементов: отражательного зеркала 35, третьего управляемого ослабителя 21, второго блока сдвига частоты 18, второго блока сканирования ЛИ 19 и полупрозрачного зеркала 31. Второй фотоприемный блок 24 выполняет функции приемного элемента лазерной гетеродинной системы и формирует и регистрирует изображение наблюдаемого объекта на основе регистрации сигнала биений в каждом фоточувствительном элементе своей двумерной матрицы. Выходы второго фотоприемного блока 24 непосредственно связаны со входами блока спектральных фильтров 25, в котором осуществляется усиление и измерение частоты сигналов с выходов каждого фотоприемного элемента блока 24. В оцифрованной форме эта информация с выхода блока спектральных фильтров 25 поступает в блок управления 12. При этом второй объектив 27, как и первый объектив 26, осуществляет формирование прямого изображения наблюдаемого объекта с оптического выхода телескопа 1. Информация об изображении объекта с выхода первого и второго фотоприемных блоков необходима и используется для настройки режима регистрации голограммы в телевизионной камере 11.As noted, the main element of the system is the
Настройка рабочего режима предлагаемой системы осуществляется следующим образом. Для проведения цикла предварительной настройки используется выносной уголковый отражатель 39, который устанавливается в свое рабочее положение с помощью своего блока перемещения, как это показано на фиг. 1. Далее лазерный передатчик 13 генерирует импульс ЛИ на своей основной длине волны - на рабочей частоте ft лазерного передатчика 13. С выхода лазерного передатчика 13 импульс ЛИ проходит через третий управляемый ослабитель 22, отражается от отражательного зеркала 37, поступает на уголковый отражатель 39, от которого отражается строго в обратном направлении, далее импульс ЛИ поступает на оптический вход телескопа строго по направлению его оси, совпадающей с оптической осью O1-O2. Таким образом, импульс ЛИ имитирует принимаемый оптический сигнал на входе телескопа 1 на основной рабочей длине волны лазерного передатчика 13. Далее по этому контрольному сигналу (контрольному импульсу ЛИ) осуществляется настройка и тестирование работы всех трех приемных элементов системы - первого и второго фотоприемных блоков 23, 24 и телевизионной камеры 11. Первый фотоприемный 23 блок регистрирует интенсивность контрольного импульса ЛИ. На оптический вход второго фотоприемного блока 24 одновременно подается контрольный импульс ЛИ от лазерного гетеродина 14, который излучается одновременно с контрольным импульсом от лазерного передатчика 13. Частота импульса ЛИ fg от лазерного гетеродина 14 отличается от частоты ft на некоторую фиксированную величину Δ1. Эта величина дополнительного сдвига частоты fg импульса ЛИ может устанавливаться, как сдвигом (изменением) частоты генерации лазерного гетеродина 14, так и во втором блоке сдвига частоты ЛИ 18. Второй фотоприемный блок 24 регистрирует интерференционный сигнал (сигнал биений) между поступившими на его оптический вход первым контрольным импульсом ЛИ от лазерного передатчика 75 и вторым контрольным импульсом ЛИ от лазерного гетеродина 14. Образующийся электрический сигнал биений поступает на вход блока спектральных фильтров 25, в котором осуществляется измерение частоты биений Ωb, которая равна следующей величине:Setting the operating mode of the proposed system is as follows. To carry out the presetting cycle, a
Таким образом, в данном конкретном случае блок спектральных фильтров 25 измеряет величину сдвига частоты ЛИ Δ1, установленного в лазерном гетеродине 14, в блоке сдвига частоты ЛИ 18, или одновременно в обоих этих элементах. На оптический вход телевизионной камеры 11 поступает первый контрольный сигнал ЛИ с выхода телескопа 1. Данный импульс ЛИ проходит через лазерный усилитель 5, который вначале не накачивается и без изменений пропускает импульс ЛИ. На следующем этапе настройки осуществляется накачка лазерного усилителя 5 с помощью блока накачки 6. Одновременно на вход телевизионной камеры 11 поступает второй контрольный импульс ЛИ от лазерного гетеродина 14 через блоки сдвига частоты и сканирования ЛИ 16 и 17. При этом в блоке сдвига частоты ЛИ 16 устанавливается такой сдвиг частоты Δ2, который противоположен по знаку сдвигу частоты Δ1 в лазерном гетеродине 14 относительно частоты лазерного передатчика 13, в результате чего осуществляется компенсация сдвига частоты Δ1 и частота ЛИ, поступающая от лазерного гетеродина 14 на вход телевизионной камеры 11 от полупрозрачного зеркала 10 точно совпадает с частотой импульса ЛИ от лазерного передатчика 13:Δ2=-Δ1. Блок сканирования ЛИ 17 устанавливает некоторый фиксированный небольшой угол наклона второго контрольного импульса ЛИ относительно оптической оси O1-O2. В результате телевизионная камера 11 регистрирует голограмму, образующуюся от биений двух контрольных сигналов - импульсов ЛИ на оптическом входе телевизионной камеры 11. По этой контрольной голограмме осуществляется настройка режимов работы и регистрации телевизионной камеры 11. Далее осуществляют настройку и проверку функционирования системы в различных режимах при различном уровне усиления в лазерном усилителе 5, а также при различных частотах генерирования ЛИ в лазерном передатчике 13 и лазерном гетеродине 14. При этом осуществляют проверку функционирования при компенсации доплеровского сдвига с помощью изменения частоты генерирования ЛИ в лазерном передатчике 13 и в лазерном гетеродине 14, а также при изменении рабочей частоты приема и усиления ЛИ в лазерном усилителе 5 и в блоках сдвига частоты ЛИ 16 и 18. После завершения этапа предварительной настройки системы уголковый отражатель 39 выводится из системы посредством блока перемещения уголкового отражателя 40. На этом этап настройки системы завершается.Thus, in this particular case, the block of
Далее основной этап работы предлагаемой системы осуществляется следующим образом.Further, the main stage of operation of the proposed system is carried out as follows.
Космический аппарат, на борту которого находится предлагаемая лазерная голографическая локационная система, приближается к выбранному для наблюдения космическому объекту (астероиду или элементу космического мусора) на минимально возможное расстояние (от 10 м до 10-100 км). При этом по имеющейся астрономической информации осуществляется по возможности уравнивание скоростей перемещения объекта наблюдения и космического аппарата, то есть осуществляется уменьшение относительной скорости перемещения космического аппарата относительно наблюдаемого объекта. Полное исключение взаимного перемещения космического аппарата и наблюдаемого объекта в общем случае невозможно. По имеющейся астрономической информации осуществляется наведение оптической оси телескопа 1 (совпадающей с осью O1-О2) на наблюдаемый объект. Далее лазерный передатчик 15 генерирует импульс ЛИ с некоторой оптической частотой ft. Импульс ЛИ излучается в направлении наблюдаемого объекта посредством отражательного зеркала 37, установленного в тени контррефлектора 38 телескопа 1. Отраженный от объекта импульс ЛИ улавливается телескопом 1 и с его выхода направляется на вход первого фотоприемного блока 23, который регистрирует прямое изображение наблюдаемого объекта, сформированное первым объективом 26. При этом первое выносное полупрозрачное зеркало 3 находится на оптической оси системы O1-О2, как это показано на фиг. 1. Второе выносное полупрозрачное зеркало 8 находится в состоянии вне оптической оси O1-О2. По разности моментов времени излучения импульса ЛИ лазерным передатчиком 15 и момента времени регистрации импульса принятого излучения в первом фотоприемном блоке 23 в блоке управления 12 осуществляют определение дальности до наблюдаемого объекта. Повторяют генерацию импульса ЛИ в передатчике 15 и определяют второй раз расстояние до наблюдаемого объекта через некоторый фиксированный небольшой промежуток времени. На основании этого в блоке управления 12 осуществляют предварительную оценку скорости движения наблюдаемого объекта относительно системы (космического аппарата с системой на борту). На основании этого осуществляют предварительную оценку доплеровского сдвига, который необходимо компенсировать при регистрации голограммы наблюдаемого объекта. Предварительно доплеровский сдвиг ΔD частоты может быть определен по имеющейся астрономической информации в отношении скорости υа перемещения наблюдаемого объекта по линии визирования, например, астероида, относительно космического аппарата с лазерной системой на борту:The spacecraft, on board of which the proposed laser holographic location system is located, approaches the space object selected for observation (an asteroid or an element of space debris) at the minimum possible distance (from 10 m to 10-100 km). At the same time, according to the available astronomical information, if possible, the velocities of the object of observation and the spacecraft are equalized, that is, the relative speed of the movement of the spacecraft relative to the observed object is reduced. Complete exclusion of the mutual movement of the spacecraft and the observed object is generally impossible. According to the available astronomical information, the optical axis of the telescope 1 (coinciding with the axis O 1 -O 2 ) is pointed at the observed object. Next, the
ΔD=ft(2υа/с),Δ D \u003d f t (2υ a / s),
где с - скорость света; ft - частота генерации ЛИ в лазерном передатчике.where c is the speed of light; f t - LI generation frequency in the laser transmitter.
Далее осуществляют регистрацию импульса ЛИ, отраженного от объекта в гетеродинном режиме приема ЛИ с помощью второго фотоприемного блока 24. Импульс ЛИ генерируется лазерным передатчиком 13 в третий раз. При этом на оптический вход второго фотоприемного блока 24 поступает гетеродинный сигнал ЛИ от лазерного гетеродина 14, который проходит через второй блок сдвига частоты ЛИ 18 и через второй блок сканирования ЛИ 19. В результате на оптическом входе второго фотоприемного блока 24 образуется гетеродинный сигнал с некоторой известной установленной частотой fg1. С выхода телескопа 1 импульс ЛИ поступает на оптический вход второго фотоприемного блока 24 посредством первого выносного полупрозрачного зеркала 3, полупрозрачного зеркала 30 и второго объектива 27. В результате образуется сигнал биений (интерференции) между импульсом ЛИ от объекта и гетеродинным сигналом, который регистрируется одним или одновременно несколькими фоточувствительными элементами второго фотоприемного блока 24. В блоке спектральных фильтров 25 осуществляется измерение частоты Ωmes электрического сигнала биений. На основании этого измерения в блоке управления 12 осуществляют собственно определение сдвига частоты ЛИ при отражении от наблюдаемого объекта Δ, которое непосредственно необходимо скомпенсировать при регистрации голограммы наблюдаемого объекта. Далее осуществляют включение лазерного усилителя 5, осуществляют генерацию импульсов ЛИ в лазерном передатчике 13 и в лазерном гетеродине 14 и регистрируют образующуюся голограмму наблюдаемого объекта телевизионной камерой 11. При этом по сигналам от блока управления 12 осуществляют генерацию ЛИ с такими частотами, которые совместно с установленными сдвигами частот в блоках сдвига частот ЛИ 16 и 18 обеспечивают компенсацию измеренного доплеровского сдвига при регистрации голограммы в телевизионной камере 11. Управление всеми элементами системы и установление необходимых частот генерации ЛИ в лазерных передатчике 13 и гетеродине 14, установление соответствующей частоты приема ЛИ в лазерном усилителе 5, а также установление необходимых сдвигов частоты ЛИ в блоках сдвига частоты ЛИ 16 и 18 осуществляют по сигналам от блока управления 12. При этом в блоке управления 12 вырабатываются управляющие сигналы, которые обеспечивают следующие соотношения между частотами генерации и сдвига ЛИ, обеспечивающие усиление принимаемого ЛИ, отраженного от объекта наблюдения, в лазерном усилителе 5 и регистрацию голограммы в телевизионной камере 11:Next, the LI pulse reflected from the object in the heterodyne LI reception mode is recorded using the
где ft - частота генерации ЛИ в лазерном передатчике 13; ΔD - величина доплеровского сдвига (частоты), которая получена по результатам измерений в блоке спектральных фильтров 25.where f t is the frequency of generation of LI in the
Величина доплеровского сдвига частоты ΔD связана со скоростью υ1 движения наблюдаемого объекта вдоль линии визирования соотношением:The value of the Doppler frequency shift Δ D is related to the speed υ 1 of the movement of the observed object along the line of sight by the relation:
ΔD=ft(2υ1/c),Δ D \u003d f t (2υ 1 / c),
где с - скорость света.where c is the speed of light.
Данное соотношение (2) определяет попадание частоты принимаемого ЛИ в полосу приема и усиления лазерного усилителя 5.This relation (2) determines whether the frequency of the received LR falls into the reception and amplification band of the laser amplifier 5.
Далее в соотношении (2) fa обозначена частота приема и усиления принимаемого ЛИ в лазерном усилителе 5 в стандартном режиме лазерного усилителя 5.Further, in relation (2) f a is the frequency of reception and amplification of the received LI in the laser amplifier 5 in the standard mode of the laser amplifier 5.
Данное соотношение выполняется при работе лазерного усилителя 5 в его основном стандартном режиме приема без использования сдвига частоты полосы приема непосредственно в самом лазерном усилителе 5. При использовании сдвига полосы приема в лазерном усилителе 5 используется следующее соотношение вместо (2):This relationship is satisfied when the laser amplifier 5 is operated in its main standard reception mode without using the frequency shift of the receive band directly in the laser amplifier 5. When using the shift of the receive band in the laser amplifier 5, the following relationship is used instead of (2):
где величина Δа определяет сдвиг полосы приема в лазерном усилителе 5 относительно его стандартной частоты приема fa.where the value of Δ and determines the shift of the reception band in the laser amplifier 5 relative to its standard reception frequency f a .
Следующее выполняемое соотношение:The following relation is performed:
где fg - частота гетеродинного сигнала ЛИ, генерируемого в лазерном гетеродине 14; Δbl1 - величина сдвига частоты ЛИ в первом блоке сдвига частоты ЛИ 16, осуществляемая при прохождении гетеродинного сигнала ЛИ через первый блок сдвига частоты ЛИ 16.where f g is the frequency of the heterodyne signal LI generated in the laser
При выполнении соотношения (4) частота опорного ЛИ, поступающего на оптический вход телевизионной камеры 11 с выхода первого блока сканирования ЛИ 11 и посредством полупрозрачного зеркала 10, совпадает с частотой сигнала ЛИ от наблюдаемого объекта, которое поступает на вход телевизионной камеры 11 с оптического выхода лазерного усилителя 5. Данное соотношение является основным при регистрации голограммы и определяет равенство оптических частот лазерных излучений (объектного и опорного лазерных пучков) при формировании и регистрации голограммы. Соотношения (2) и (3) определяют попадание частоты принимаемого ЛИ от объекта наблюдения в полосу приема и усиления ЛИ в лазерном усилителе 5. Таким образом, при установлении указанных соотношений относительно основных параметров элементов системы реализуется режим регистрации голограммы удаленного наблюдаемого объекта при компенсации доплеровского сдвига частоты принимаемого ЛИ.When relation (4) is fulfilled, the frequency of the reference LI coming to the optical input of the
Полученная и зарегистрированная голограмма наблюдаемого объекта с выхода телевизионной камеры 11 поступает в блок управления 12, где осуществляется обработка голограммы в цифровом виде, восстановление изображения с голограммы и другие действия.The received and registered hologram of the observed object from the output of the
В процессе приема ЛИ от объекта, регистрации голограммы и дальнейшего наблюдения объекта осуществляется непрерывное измерение доплеровского сдвига частоты ЛИ во втором фотоприемном блоке 24 и в блоке спектральных фильтров 25. Собственно измерение частоты доплеровского сдвига ΔD осуществляется в блоке управления 12 на основании следующего соотношения:In the process of receiving LI from an object, registering a hologram and further observing the object, continuous measurement of the Doppler shift of the LI frequency is carried out in the
где Ωmes - частота сигнала биений гетеродинного приема на выходе второго фотоприемного блока 24, измеренная в блоке спектральных фильтров 25; Δbl2 - величина сдвига частоты ЛИ гетеродинного сигнала ЛИ, осуществляемая во втором блоке сдвига частоты ЛИ 15 при прохождении гетеродинного сигнала через этот блок, устанавливаемая по сигналам от блока управления 12, как это было отмечено ранее.where Ω mes is the frequency of the heterodyne reception beat signal at the output of the
Данная величина сдвига частоты ЛИ в блоке сдвига 15 выбирается и устанавливается в блоке управления 12 из следующего условия: измеряемая частота биений Ωmes не должна превышать максимальной измеряемой частоты в блоке спектральных фильтров 25. При очень большом доплеровском сдвиге увеличивают величину сдвига частоты в блоке 18, в результате чего снижается величина измеряемой частоты биений, как это видно из формулы (5). Отсюда получаем следующую оценку величины частоты доплеровского сдвига ΔD, непрерывно получаемую в блоке управления 12:This value of the LI frequency shift in the
В соотношении (6) присутствует разность частот (fg-ft) ЛИ лазерного передатчика 13 и лазерного гетеродина 14. Данная величина непрерывно (с каждым импульсом ЛИ) измеряется в измерителе частоты ЛИ 15 и поступает в блок управления 12. На основании полученной оценки доплеровского сдвига осуществляют непрерывную подстройку устанавливаемых параметров элементов системы при небольших возможных изменениях относительной скорости движения наблюдаемого объекта. При необходимости может быть установлена и использована величина доплеровского сдвига, полученная на основании прогнозируемого изменения скорости движения наблюдаемого объекта в блоке управления 12. Одновременно в блоке управления 12 осуществляют установление величин пропускания ЛИ в управляемых ослабителях 20, 21 и 22 для обеспечения необходимого ослабления интенсивности импульсов ЛИ, генерируемых лазерными передатчиком 13 и гетеродином 14. Блоки сканирования ЛИ 17 и 19 осуществляют по командам от блока управления 12 изменение и корректировку углов падения ЛИ от лазерного гетеродина 14 на оптические входы телевизионной камеры 11 и второго фотоприемного блока 24.In relation (6) there is a frequency difference (f g -f t ) of the LI of the
В предлагаемой системе помимо регистрации голограммы наблюдаемого объекта регистрируется также дополнительная информация об объекте. Первый фотоприемный блок 23 регистрирует прямое изображение объекта. При необходимости дополнительно блок 23 регистрирует изображение объекта, полученное после усиления в лазерном усилителе 5. Для получения такого усиленного изображения объекта первое выносное полупрозрачное зеркало 3 выносится из системы, а второе выносное полупрозрачное зеркало 8 устанавливается на оптической оси системы, как это показано на фиг. 1. Усиленный импульс ЛИ с оптического выхода лазерного усилителя 5 поступает на вход объектива 27 посредством выносного полупрозрачного зеркала 8 и полупрозрачного зеркала 29. Объектив 26 строит на оптическом входе первого фотоприемного блока 23 оптическое усиленное изображение наблюдаемого объекта, которое с выхода блока 23 поступает в блок управления 12. Второй фотоприемный блок 24 работает в режиме гетеродинного приема сигнала ЛИ, отраженного от объекта, и регистрирует доплеровский портрет изображения объекта. Для получения этой информации первое выносное полупрозрачное зеркало 3 устанавливается на оптической оси системы, как это показано на фиг. 1. Второй фотоприемный блок 24 представляет собой фотоприемную матрицу чувствительных элементов, выходы которых через электронные усилители подключены к блоку спектральных фильтров 25. Объектив 27 формирует на этой фотоприемной матрице изображение объекта. Для измерения скорости движения объекта - доплеровского сдвига используется центральный элемент фотоприемной матрицы блока 24. Остальные элементы при вращении объекта регистрируют доплеровский портрет изображения объекта, информация о котором с выхода блока спектральных фильтров 25 поступает в блок управления 12 для дальнейшего анализа. Доплеровский портрет объекта содержит информацию о различных величинах доплеровского сдвига отдельных точек изображения объекта при его вращении. При отсутствии вращения наблюдаемого объекта все точки его изображения имеют одинаковый доплеровский сдвиг частоты принимаемого ЛИ. Таким образом, в блок управления 12 помимо голограммы наблюдаемого объекта поступает прямое изображение объекта, усиленное в лазерном усилителе 5 изображение объекта, а также доплеровский портрет изображения объекта. В блоке управления 12 осуществляют восстановление изображения с полученной голограммы, после чего осуществляют сравнение и обработку полученных изображений наблюдаемого космического объекта, на чем рабочий цикл системы завершается.In the proposed system, in addition to registering the hologram of the observed object, additional information about the object is also recorded. The
В предлагаемой лазерной голографической локационной системе возможна регистрация так называемой безопорной голограммы. Данный вид голограммы формируется без опорного пучка. Для этого при регистрации телевизионной камерой 11 сигнала ЛИ с выхода лазерного усилителя 5 опорный лазерный пучок от лазерного гетеродина 14 на вход телевизионной камеры 12 не подается. Это может быть достигнуто выключением на этот момент времени лазерного гетеродина 14, или полным перекрытием проходящего светового потока в управляемом ослабителе 20. Для регистрации безопорной голограммы в телевизионной камере 11 нет необходимости компенсации доплеровского сдвига в принимаемом от объекта ЛИ. При восстановлении такой безопорной голограммы в блоке управления 12 формируется симметричное изображение объекта - так называемая автосвертка. Данное изображение в виде автосвертки истинного изображения объекта также несет полезную информацию об объекте, позволяет определить максимальные размеры наблюдаемого объекта. Следует отметить, что безопорная голограмма и получаемое на ее основе изображение объекта в виде автосвертки не подвержено влиянию атмосферных искажений при наблюдении с земной поверхности. Безопорную голограмму и восстанавливаемое с нее изображение можно зарегистрировать до осуществления компенсации доплеровского сдвига частоты и обеспечить этим предварительную настройку лазерной системы по оценке получаемого симметричного изображения объекта без выполнения операции определения и компенсации доплеровского сдвига частоты. В целом это повышает эффективность работы предлагаемой лазерной системы.In the proposed laser holographic location system, it is possible to register the so-called unsupported hologram. This type of hologram is formed without a reference beam. To do this, when the
Предлагаемая лазерная голографическая локационная система содержит элементы, выпускаемые промышленностью. Одним из основных элементов системы является лазерный усилитель 5. В качестве лазерного усилителя в системе может быть использован газовый лазерный усилитель на атомарном йоде фотодиссоционного типа [6], имеющий общепринятое наименование - активный квантовый фильтр. Данный лазерный усилитель имеет высокую квантовую чувствительность, узкую полосу пропускания, необходимую для формирования голограммы, высокий коэффициент усиления при сохранении фазовых соотношений в усиливаемом ЛИ, что и обеспечило успешное применение данного лазерного усилителя в системах для формирования голограмм. Дополнительно данный лазерный усилитель обладает возможностью изменения частоты приема и усиления ЛИ, т.е. возможностью сдвига полосы приема ЛИ по частотной оси в относительно больших пределах. Подробно устройство и принцип действия и применения лазерного усилителя - активного квантового фильтра изложены в [6] и в монографии авторов [7]. Данный квантовый усилитель занесен также в книгу рекордов России [8], [9]. В предлагаемой системе изменение частоты полосы приема лазерного усилителя осуществляется для компенсации малых доплеровских сдвигов. При компенсации средних и больших доплеровских сдвигов частоты при наблюдении быстро движущихся астероидов лазерный усилитель 5 используется в стандартном режиме работы, при этом смещение его частоты приема не осуществляется. В этом случае для компенсации доплеровских сдвигов частоты применяется изменение частоты генерации в лазерном передатчике и смещение частот проходящего ЛИ в блоках сдвига частоты ЛИ.The proposed laser holographic location system contains elements produced by the industry. One of the main elements of the system is a laser amplifier 5. As a laser amplifier in the system, a gas laser amplifier based on atomic iodine of the photodissociation type [6] can be used, which has a generally accepted name - an active quantum filter. This laser amplifier has a high quantum sensitivity, a narrow bandwidth required for the formation of a hologram, a high gain factor while maintaining phase relationships in the amplified LR, which ensured the successful use of this laser amplifier in systems for the formation of holograms. Additionally, this laser amplifier has the ability to change the frequency of reception and amplification of LI, i.e. the possibility of shifting the LR reception band along the frequency axis within relatively large limits. The device and the principle of operation and application of a laser amplifier - an active quantum filter are described in detail in [6] and in the monograph of the authors [7]. This quantum amplifier is also included in the Russian Book of Records [8], [9]. In the proposed system, the frequency change of the receiving band of the laser amplifier is carried out to compensate for small Doppler shifts. When compensating for medium and large Doppler frequency shifts when observing fast-moving asteroids, the laser amplifier 5 is used in the standard mode of operation, while its reception frequency is not shifted. In this case, to compensate for Doppler frequency shifts, a change in the generation frequency in the laser transmitter and a frequency shift of the passing LI in the LI frequency shift blocks are used.
В качестве лазерного передатчика 13 и лазерного гетеродина 14 также могут быть использованы лазерные йодные генераторы, аналогичные лазерному усилителю по составу рабочего вещества и общему устройству [7]. В состав лазерного гетеродина входит расширитель пучка ЛИ, обеспечивающий увеличение сечения пучка ЛИ до размеров приемной площадки телевизионной камеры 11, на которую в дальнейшем поступает излучение лазерного гетеродина. В состав лазерного передатчика также входит расширитель лазерного пучка (коллиматор) для формирования ЛИ для подсвета наблюдаемого объекта. В качестве телевизионной камеры 11 может быть использована современная передающая телекамера, например, ПЗС-камера с большим количеством чувствительных элементов (1000×1000). В качестве первого и второго фотоприемных блоков могут быть использованы высокочувствительные многоэлементные матрицы полупроводникового типа или матрицы фотоэлементов. Блоки сканирования и сдвига частоты ЛИ могут быть выполнены на основе акусто-оптических ячеек [10], выпускаемых промышленностью. Схема и принцип работы блока сдвига частоты импульсов ЛИ приведены в [5]. Изложение принципа работы блока спектральных фильтров 25 также приведено в [5]. В качестве блока управления 12 может быть использована современная высокопроизводительная ЭВМ, которая обеспечивает управление работой всех элементов системы, обработку зарегистрированных голограмм и изображений и, при необходимости, подготовку полученного объема информации для передачи на Землю. В настоящее время вопросы цифровой обработки голограмм и восстановления изображений хорошо освещены в современных научных исследованиях [11]. Хорошо освещены также вопросы регистрации и передачи голограмм по телевизионному каналу [12], восстановления голограмм и их обработка различными цифровыми и оптическими средствами [13]. Поэтому не существует каких-либо проблем в вопросе регистрации, обработки, восстановлении голограмм и изображений цифровыми средствами. До настоящего времени сложной проблемой была регистрация голограмм удаленных объектов, решение которой предложено в настоящем изобретении.As a
Следует отметить возможность решения еще одной проблемы при использовании предлагаемой лазерной голографической системы для наблюдения за удаленными космическими объектами с Земной поверхности через турбулентную атмосферу. В этом случае возникает проблема компенсации турбулентности атмосферы для обеспечения высокого разрешения при формировании изображений наблюдаемых космических объектов. Разрешающая способность систем наблюдения за космическими объектами с земной поверхности ограничена атмосферной турбулентностью, которая вносит в приходящий от объекта световой поток фазовые искажения. Основной характеристикой фазовых искажений атмосферы является размер той области в плоскости приемной апертуры приемного телескопа, в пределах которой флуктуации принимаемого светового поля являются независимыми. Размер этой области при стандартной атмосфере в приземном слое составляет порядка: rc=30-40 сантиметров. Если размер этой области rc больше диаметра Dr входной апертуры приемного телескопа rc>Dr, то реализуется угловое разрешение при наблюдении космического объекта, соответствующее данной оптической системе с диаметром апертуры телескопа Dr. Если диаметр апертуры телескопа больше размера области rc:Dr>rc, то угловое разрешение оптической системы оказывается хуже дифракционного разрешения данного телескопа и определяется размерами (диаметром) области rc корреляции атмосферных флуктуаций в приземном слое атмосферы. Поэтому оптические телескопы с большими диаметрами приемной апертуры (порядка нескольких метров) обладают угловой разрешающей способностью, соответствующей приемному телескопу с диаметром апертуры, равной диаметру области rc корреляции атмосферных флуктуаций Dr1=rc. Таким образом, приемные телескопы с большими диаметрами неспособны обеспечить высокую угловую разрешающую способность при наблюдении за космическими объектами с земной поверхности и только увеличивают общую чувствительность приемной системы наблюдения. Поэтому для увеличения угловой разрешающей способности больших телескопов используются адаптивные оптические средства [14], обеспечивающие компенсацию фазовых искажений атмосферы в плоскости приемной апертуры телескопа (в сопряженной плоскости), обеспечивающие указанную компенсацию до регистрации собственно изображения космического объекта, т.е. обеспечивающие до детекторную компенсацию атмосферных искажений. Такие адаптивные оптические средства представляют собой различные секционированные отражательные зеркала, управляемые специальными быстродействующими устройствами перемещения или изгиба секционированных зеркал и установленные в сопряженной плоскости приемной апертуры телескопа. Однако применение этих адаптивных оптических элементов является ограниченным и малоэффективным, что обусловлено малым временем корреляции атмосферных флуктуаций τс, которое составляет порядка нескольких миллисекунд (время «замороженности атмосферы»). За это время адаптивная оптическая до детекторная система в виде, например, секционированного зеркала должна обеспечить подбор компенсирующего фазового распределения при последовательной работе каждого элемента и выборе оптимального профиля изгиба зеркала по некоторому критерию, например, максимизации интенсивности наблюдаемого изображения объекта.It should be noted the possibility of solving another problem when using the proposed laser holographic system for observing remote space objects from the Earth's surface through a turbulent atmosphere. In this case, the problem arises of compensating for atmospheric turbulence to ensure high resolution when forming images of observed space objects. The resolving power of systems for observing space objects from the earth's surface is limited by atmospheric turbulence, which introduces phase distortions into the light flux coming from the object. The main characteristic of phase distortions of the atmosphere is the size of the region in the plane of the receiving aperture of the receiving telescope, within which the fluctuations of the received light field are independent. The size of this area with a standard atmosphere in the surface layer is about: r c =30-40 centimeters. If the size of this region r c is greater than the diameter D r of the entrance aperture of the receiving telescope r c >D r , then the angular resolution is realized when observing a space object, corresponding to a given optical system with a telescope aperture diameter D r . If the telescope aperture diameter is larger than the size of the region r c :D r >r c , then the angular resolution of the optical system is worse than the diffraction resolution of this telescope and is determined by the size (diameter) of the atmospheric fluctuation correlation region r c in the surface layer of the atmosphere. Therefore, optical telescopes with large receiving aperture diameters (on the order of several meters) have an angular resolution corresponding to a receiving telescope with an aperture diameter equal to the diameter of the atmospheric fluctuation correlation region r c D r1 =r c . Thus, receiving telescopes with large diameters are unable to provide high angular resolution when observing space objects from the earth's surface and only increase the overall sensitivity of the receiving observation system. Therefore, to increase the angular resolution of large telescopes, adaptive optical means are used [14], which provide compensation for the phase distortions of the atmosphere in the plane of the receiving aperture of the telescope (in the conjugate plane), providing the indicated compensation before the registration of the actual image of a space object, i.e. providing pre-detector compensation of atmospheric distortions. Such adaptive optical means are various sectioned reflective mirrors controlled by special high-speed devices for moving or bending the sectioned mirrors and installed in the conjugate plane of the telescope's receiving aperture. However, the use of these adaptive optical elements is limited and ineffective, due to the low correlation time of atmospheric fluctuations τ with , which is on the order of several milliseconds (the time of "freezing the atmosphere"). During this time, an adaptive optical to detector system in the form of, for example, a sectioned mirror should ensure the selection of a compensating phase distribution with the sequential operation of each element and the selection of the optimal mirror bending profile according to some criterion, for example, maximizing the intensity of the observed object image.
Предлагаемая лазерная голографическая система обеспечивает регистрацию голограммы удаленного космического объекта при наблюдении с земной поверхности. При этом регистрируется и сохраняется информация об объемном изображении объекта, а также информация о фазовых атмосферных искажениях в плоскости апертуры телескопа, существовавших в момент регистрации голограммы. Далее полученная голограмма в цифровом виде поступает в блок управления 12, представляющий собой высокопроизводительную современную ЭВМ. Здесь по специальной программе до восстановления изображения наблюдаемого объекта осуществляется обработка голограммы, заключающаяся во внесении в цифровой форме компенсирующих фазовых предискажений в пространственный двумерный спектр изображения объекта, подбор компенсирующих фазовых предискажений до полной компенсации фазовых атмосферных искажений в реализации зарегистрированной голограммы. При этом не существует ограничений в плане ограниченного времени корреляции атмосферных флуктуаций, так как вся реализация атмосферных флуктуаций зарегистрирована при регистрации голограммы одновременно с информацией об изображении объекта. Существует лишь требование, чтобы длительность импульса ЛИ τр при регистрации голограммы не превышала времени корреляции атмосферных флуктуаций τс:τр<τс. Данное требование легко выполняется автоматически, так как длительность импульса ЛИ, формируемого лазерным передатчиком составляет доли микросекунды и значительно меньше времени корреляции атмосферных флуктуаций.The proposed laser holographic system provides registration of a hologram of a remote space object when observed from the earth's surface. In this case, information about the volumetric image of the object is recorded and stored, as well as information about the phase atmospheric distortions in the plane of the telescope aperture that existed at the time the hologram was recorded. Next, the resulting hologram in digital form enters the
Таким образом, при цифровой обработке зарегистрированной в предлагаемой системе голограммы осуществляется полная компенсация атмосферных искажений и восстановление высококачественного изображения космического объекта с угловой разрешающей способностью, соответствующей диаметру апертуры приемного телескопа Dr, значительно превышающей диаметр области корреляции атмосферных флуктуаций Dr>rc. Таким образом, предлагаемая лазерная система обладает возможностью компенсации атмосферных искажений при использовании больших приемных телескопов без использования дорогостоящей и малоэффективной специальной адаптивной оптики, а также вообще без каких-либо дополнительных средств в составе предлагаемой лазерной системы, кроме использования специальной дополнительной программы для обработки голограммы от объектов, наблюдаемых с земной поверхности. Создание таких программных средств в цифровой голографии известно и освоено в современных научных исследованиях [11]. Предлагаемая лазерная система обеспечивает использование этих программных средств для решения новой для цифровой голографии задачи - обработки голограмм и восстановления изображений космических объектов и реализации высокого углового разрешения при использовании больших астрономических телескопов.Thus, digital processing of the hologram recorded in the proposed system provides full compensation for atmospheric distortions and restoration of a high-quality image of a space object with an angular resolution corresponding to the aperture diameter of the receiving telescope D r , significantly exceeding the diameter of the atmospheric fluctuations correlation region D r >r c . Thus, the proposed laser system has the ability to compensate for atmospheric distortions when using large receiving telescopes without the use of expensive and inefficient special adaptive optics, and also without any additional means as part of the proposed laser system, except for using a special additional program for processing holograms from objects observed from the earth's surface. The creation of such software tools in digital holography is known and mastered in modern scientific research [11]. The proposed laser system provides the use of these software tools for solving a new problem for digital holography - processing holograms and restoring images of space objects and implementing high angular resolution when using large astronomical telescopes.
По материалам представленной заявки на изобретение проведен цикл теоретических и экспериментальных работ, представленных в монографии авторов [7]. На фиг. 2 представлен результат получения изображения объекта после усиления импульсного сигнала ЛИ в лазерном усилителе - активном квантовом фильтре [6]. При этом было экспериментально доказано сохранение фазовых соотношений в усиливаемом лазерном сигнале и возможность регистрации голограммы. На фиг. 3 представлено изображение тест-объекта, полученное при обработке голограммы [13].Based on the materials of the submitted application for the invention, a series of theoretical and experimental works presented in the monograph of the authors [7] was carried out. In FIG. Figure 2 shows the result of obtaining an image of an object after amplifying the LR pulse signal in a laser amplifier - an active quantum filter [6]. In this case, the conservation of phase relations in the amplified laser signal and the possibility of recording a hologram were experimentally proved. In FIG. Figure 3 shows the image of the test object obtained by processing the hologram [13].
В предлагаемой лазерной голографической локационной системе следует выделить следующие факторы новизны.In the proposed laser holographic location system, the following novelty factors should be highlighted.
1. Следует отметить реализацию возможности получения и регистрации голограмм удаленных движущихся космических объектов на основе использования лазерного усилителя - активного квантового фильтра, обладающего уникальными возможностями по обеспечению высокой чувствительности на уровне квантового предела, высокой помехозащищенностью при одновременном сохранении фазовой структуры усиливаемого оптического приемного сигнала. Одновременно с используемым лазерным усилителем для усиления объектного голографического сигнала используется лазерный гетеродинный прием сигнала от наблюдаемого объекта для измерения и компенсации доплеровского сдвига с используемыми известными методами лазерного гетеродинирования [15]. Собственно, компенсация доплеровского сдвига при наличии движения наблюдаемого объекта реализуется известными средствами акустооптики, а также дополнительно путем смещения частот генерирования ЛИ в лазерных передатчике и гетеродине и путем сдвига частоты приема и усиления ЛИ в лазерном усилителе - активном квантовом фильтре. Это обеспечивает регистрацию голограммы движущегося космического объекта и восстановление изображения методами цифровой оптики и голографии в используемом современном компьютере. Можно отметить, что изложенная совокупность действий и элементов лазерной системы, реализующей действия, представлена впервые, обладает новизной и позволяет впервые реализовать указанный эффект регистрации голограммы движущегося космического объекта.1. It should be noted the implementation of the possibility of obtaining and recording holograms of distant moving space objects based on the use of a laser amplifier - an active quantum filter, which has unique capabilities to provide high sensitivity at the level of the quantum limit, high noise immunity while maintaining the phase structure of the amplified optical receiving signal. Simultaneously with the laser amplifier used to amplify the object holographic signal, laser heterodyne signal reception from the observed object is used to measure and compensate for the Doppler shift using known methods of laser heterodyning [15]. Actually, compensation of the Doppler shift in the presence of movement of the observed object is implemented by known means of acousto-optics, as well as additionally by shifting the LR generation frequencies in the laser transmitter and local oscillator and by shifting the LR reception and amplification frequency in the laser amplifier - active quantum filter. This provides registration of a hologram of a moving space object and restoration of the image using digital optics and holography methods in a modern computer. It can be noted that the above set of actions and elements of the laser system that implements the actions is presented for the first time, has novelty and allows for the first time to realize the indicated effect of registering a hologram of a moving space object.
2. Вторым фактором можно отметить новизну собственно применения данной предлагаемой лазерной системы для регистрации голограммы космического объекта и восстановления высококачественного изображения при использовании предлагаемой лазерной системы для наблюдений за космическими объектами непосредственно с земной поверхности через приземный слой атмосферы. При этом в результате регистрации голограммы фиксируется информация не только об изображении объекта, но также регистрируется информация о фазовых искажениях атмосферы в момент регистрации голограммы. При восстановлении изображения с голограммы цифровыми методами обеспечивается компенсация этих фазовых искажений и реализация высокой угловой разрешающей способности в изображении наблюдаемого объекта, соответствующая угловой разрешающей (дифракционной) способности приемного телескопа большого диаметра, превышающего диаметр зоны (области) корреляции атмосферных фазовых искажений многократно. Такой эффект достигается без использования каких-либо дополнительных элементов или блоков в предлагаемой лазерной системе, а только за счет использования специального дополнительного программного обеспечения. При этом достигаемый эффект увеличения разрешающей способности превышает величину повышения разрешения телескопов при использовании современной сложной и дорогостоящей адаптивной астрономической оптики. Данный результат при использовании предлагаемой лазерной системы также достигается впервые и не имеет аналогов в научной литературе по адаптивной оптике и системам наблюдения космических объектов.2. The second factor is the novelty of the actual use of this proposed laser system for recording a hologram of a space object and restoring a high-quality image when using the proposed laser system for observing space objects directly from the earth's surface through the surface layer of the atmosphere. In this case, as a result of the registration of the hologram, information is recorded not only about the image of the object, but also information about the phase distortions of the atmosphere at the time of registration of the hologram is recorded. When restoring an image from a hologram by digital methods, these phase distortions are compensated and a high angular resolution is realized in the image of the observed object, which corresponds to the angular resolution (diffraction) ability of a receiving telescope of large diameter, which exceeds the diameter of the atmospheric phase distortion correlation zone (region) many times over. This effect is achieved without the use of any additional elements or blocks in the proposed laser system, but only through the use of special additional software. In this case, the achieved effect of increasing the resolution exceeds the increase in the resolution of telescopes using modern complex and expensive adaptive astronomical optics. This result, when using the proposed laser system, is also achieved for the first time and has no analogues in the scientific literature on adaptive optics and systems for observing space objects.
Предлагаемая лазерная голографическая локационная система вследствие высокой эффективности и указанных свойств найдет применение в системах контроля и наблюдения космического пространства и в наземных оптических наблюдательных системах, в том числе и для замены используемых систем адаптивной оптики.The proposed laser holographic location system, due to its high efficiency and these properties, will find application in systems for monitoring and observing outer space and in ground-based optical observation systems, including for replacing the used adaptive optics systems.
Источники информации.Information sources.
1. Авторское свидетельство СССР №944437, опубл. 20.04.1995, бюл. №11.1. Author's certificate of the USSR No. 944437, publ. 04/20/1995, bul. No. 11.
2. Патент США №3889226, кл. 340-54.2. US patent No. 3889226, class. 340-54.
3. Авторское свидетельство СССР №1265688, опубл. 23.10.1986, бюл. №39.3. Author's certificate of the USSR No. 1265688, publ. 10/23/1986, bul. No. 39.
4. Патент РФ №2152056, опубл. 27.06.2000, бюл. №18.4. RF patent No. 2152056, publ. 06/27/2000, bul. No. 18.
5. Патент РФ №2575766 опубл. 20.02.2016, бюл. №5.5. RF patent No. 2575766 publ. 20.02.2016, bul. No. 5.
6. Патент РФ №2133533, опубл. 30.09.1997, бюл. №20.6. RF patent No. 2133533, publ. 09/30/1997, bul. No. 20.
7. Носач О.Ю., Манкевич С.К., Орлов Е.П. Лазерная локация и космическая связь на йодных лазерах, Саарбрюкен, Германия, 2015, стр. 217.7. Nosach O.Yu., Mankevich S.K., Orlov E.P. Laser ranging and space communication using iodine lasers, Saarbrücken, Germany, 2015, p. 217.
8. Книга рекордов России. Сертификат №00874 (2015 г.). Наибольшая помехозащищенность приема оптического сигнала. Авторы: Манкевич С.К. Носач О.Ю., Орлов Е.П.8. Russian Book of Records. Certificate No. 00874 (2015). The highest noise immunity of optical signal reception. Authors: Mankevich S.K. Nosach O.Yu., Orlov E.P.
9. Книга рекордов России. Сертификат №00875 (2015 г.). Наибольшая чувствительность приема оптического сигнала. Авторы: Манкевич С.К., Носач О.Ю., Орлов Е.П.9. Russian Book of Records. Certificate No. 00875 (2015). The highest sensitivity of optical signal reception. Authors: Mankevich S.K., Nosach O.Yu., Orlov E.P.
10. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики, Москва, Радио и связь, 1985.10. Balakshiy V.I., Parygin V.N., Chirkov L.E. Physical foundations of acousto-optics, Moscow, Radio and communication, 1985.
11. Ярославский Л.П., Мерзляков Н.С. Цифровая голография, Москва, Наука, 1982.11. Yaroslavsky L.P., Merzlyakov N.S. Digital Holography, Moscow, Nauka, 1982.
12. Манкевич С.К., Матвеев И.Н. О чувствительности голографической телевизионной системы. Техника средств связи, серия Техника телевидения, вып. 3 (17), Москва, 1979, стр. 36-44.12. Mankevich S.K., Matveev I.N. On the sensitivity of a holographic television system. Technique of means of communication, series Technique of television, vol. 3 (17), Moscow, 1979, pp. 36-44.
13. Манкевич С.К. и др. Применение электронно-лучевой трубки в голографическом телевидении, Техника кино и телевидения, №10, 1979.13. Mankevich S.K. et al. The use of a cathode-ray tube in holographic television, Technique of cinema and television, No. 10, 1979.
14. Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики, Москва, Наука, 1985.14. Vorontsov M.A., Shmalgauzen V.I. Principles of adaptive optics, Moscow, Nauka, 1985.
15. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование, Москва, Наука, 1985, стр. 288.15. Protopopov V.V., Ustinov N.D. Laser heterodyning, Moscow, Nauka, 1985, p. 288.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2790960C1 true RU2790960C1 (en) | 2023-02-28 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2812809C1 (en) * | 2023-07-03 | 2024-02-02 | Сергей Константинович Манкевич | Laser holographic locator |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2152056C1 (en) * | 1999-06-23 | 2000-06-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Астрам" | Method for laser direction finding and device which implements said method |
| RU2575766C1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-02-20 | ОАО "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" | Laser locator |
| US9541635B2 (en) * | 2015-03-10 | 2017-01-10 | The Boeing Company | Laser phase diversity for beam control in phased laser arrays |
| US10502951B2 (en) * | 2016-06-07 | 2019-12-10 | Raytheon Company | High-performance beam director for high-power laser systems or other systems |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2152056C1 (en) * | 1999-06-23 | 2000-06-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Астрам" | Method for laser direction finding and device which implements said method |
| RU2575766C1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-02-20 | ОАО "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" | Laser locator |
| US9541635B2 (en) * | 2015-03-10 | 2017-01-10 | The Boeing Company | Laser phase diversity for beam control in phased laser arrays |
| US10502951B2 (en) * | 2016-06-07 | 2019-12-10 | Raytheon Company | High-performance beam director for high-power laser systems or other systems |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2812809C1 (en) * | 2023-07-03 | 2024-02-02 | Сергей Константинович Манкевич | Laser holographic locator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3781552A (en) | Self-calibrating multiple field of view telescope for remote atmospheric electromagnetic probing and data acquisition | |
| US5504719A (en) | Laser hydrophone and virtual array of laser hydrophones | |
| US7940444B2 (en) | Method and apparatus for synchronous laser beam scanning | |
| JP2023546168A (en) | Technology to compensate for Doppler diffusion due to mirrors in coherent LIDAR systems using matched filtering | |
| US20230029592A1 (en) | Method for scanning a transmitted beam through a 360° field-of-view (fov) | |
| CN108717194A (en) | One species complex Doppler anemometry laser radar | |
| US5006813A (en) | Nonlinear optical doppler imaging amplifier | |
| JPH10163982A (en) | Method and device for remote data transmission in free space by light | |
| RU2790960C1 (en) | Holographic laser location system | |
| US10082382B2 (en) | Phasing an optical interferometer using the radio emission from the target being observed | |
| US7999922B1 (en) | Coherent imaging system and method for producing high resolution images | |
| US6778886B2 (en) | Satellite location determination system | |
| CN110888177B (en) | Dark and weak target detection device under strong sky light background | |
| Davis et al. | Complex field mapping of large direct detector focal plane arrays | |
| RU2812809C1 (en) | Laser holographic locator | |
| RU2799499C1 (en) | Laser holographic receiving system | |
| US6111644A (en) | Interferometer for detecting and analyzing coherent radiation | |
| RU2183841C1 (en) | Method of laser location and laser location device for its implementation | |
| US5969334A (en) | Multi-pulse laser photography | |
| CN110186568B (en) | Photon mixing terahertz wave detection device | |
| EP0449337A2 (en) | Range finding array camera | |
| RU2575766C1 (en) | Laser locator | |
| RU2269795C1 (en) | Method for one-positional measurement of laser emission source coordinates and device for realization of said method | |
| CN113551877B (en) | Weak light detection system for testing ultralow background scattering | |
| CN113932729B (en) | Terahertz antenna-shaped surface detection system and method based on optical frequency comb |