Анализатор поля излучения

Анализатор поля излучения

Реферат

 

Анализатор поля излучения предусматривает средство для анализа спектра пространственных мод излучения, принимаемого от объекта. В варианте осуществления многомодового волновода световой пучок, выходящий из лазера, направляют непосредственно на объект через волноводную структуру из окиси алюминия. Часть опорного лазерного пучка направляют непосредственно на генератор мод, который выборочно преобразовывает лазерное излучение в одну из ряда мод. Лазерный пучок, отраженный от объекта, смешивают со световым пучком, выходящим из генератора мод, для получения интерференционных сигналов. Эти сигналы измеряют с помощью детектора и анализируют с помощью программируемого компьютера. Путем последовательного изменения моды, которая вырабатывается с помощью генератора и анализа полученных в результате сигналов, получают спектр мод излучения, отраженного от объекта. Техническим результатом является создание анализатора поля излучения, используемого для классификации объектов. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 13 ил.

Настоящее изобретение относится к анализаторам поля излучения.

При освещении объекта когерентным излучением лазерного источника поле, отраженное от объекта, содержит большое количество информации о его трехмерной структуре и характере его поверхности. Анализ таких полей представляет важную основу для поиска целей, слежения и некооперативных методов распознавания. Гетеродинные системы, имеющие один детектор с одной апертурой и локальные генераторы основной моды, могут обнаруживать только составляющую основной моды поля, отраженного из объекта, что приводит в результате к значительным потерям потенциально полезной информации. В микроволновой области эта проблема решается за счет использования антенной решетки с субапертурами. Излучение, падающее на каждую субапертуру, когерентным способом обнаруживается с помощью отдельного локального генератора и детектора. В этом случае поле, падающее на антенную решетку, измеряется методом кусочной аппроксимации. Вследствие того что длина волны оптического излучения является короткой и существуют существенные технологические различия, реализация концепции приемной решетки с субапертурами при анализе поля, которое отражается от объектов, освещаемых лазерным излучением, на практике оказывается достаточно трудной.

В патенте США N US-A-4340304 описана интерферометрическая система, в которой два когерентных и ортогонально поляризованных луча по отдельности направляют в проверяемую область и в опорное плечо, и после их возвращения суммируют и фильтруют по поляризации так, что они интерферируют, получая при этом интерференционную картину. Интерференционная картина детектируется в плоскости с множеством отдельных точек детектирования, таким образом получая электрический сигнал для каждой точки. Сигналы обрабатывают и получают информацию о разности оптического пути при разрешающей способности выше, чем длина волны используемых лучей. Система предназначена для работы с одномодовым излучением.

Задача изобретения заключается в том, чтобы выполнить в альтернативном виде анализатор поля излучения.

Настоящее изобретение предусматривает анализатор поля излучения для анализа по меньшей мере частично когерентного излучения, которое поступает от объекта, при этом анализатор включает в себя сумматор излучения для получения интерференционных сигналов и средство для обнаружения интерференционных сигналов, отличающийся тем, что: (1) сумматор размещается для сложения принимаемого от объекта излучения, с каждым из множества полей ортогональных пространственных мод излучения для того, чтобы получить интерференционные сигналы, и (2) средство для обнаружения располагается так, чтобы обеспечить анализ излучения от объекта в форме спектра пространственных мод.

Для того чтобы вырабатывать интерференционные сигналы, между принимаемым излучением и сигналами с ортогональными пространственными модами излучения должна существовать определенная степень когерентности. Термин "объект" ("сцена") используется в общем смысле для обозначения любого объекта, находящегося в поле зрения, включая наземные объекты и отдельные цели или объекты, такие как пролетающий в небе самолет. Излучение, отраженное от объекта, можно классифицировать в терминах ортогонального набора свободных пространственных мод (например, Эрмита-Гаусса) или ортогонального набора свободных пространственных мод многомодового волновода (например, смешанные EH_mn моды волновода с квадратным сечением, где m и n - целые числа, которые больше или равны 1). В терминах анализа волноводных мод поле, распространяющееся от объекта, E_вх отображается на входной апертуре волновода и возбуждает спектр мод. Этот процесс может быть выражен как E_input = A_mnexp{i_mn}EH_mn, где A_mn и _mn - модуль и фаза сложной амплитуды mn-й моды EH_mn волновода, соответственно.

Например, в общем случае прямоугольных волноводов без потерь с поперечным сечением 2а х 2b амплитуда поля моды EH_mn имеет вид для нечетных m и n и для четных m и n, где и _c - длина волны идеальной плоской волны в середине волновода.

При смешивании спектра мод, возбуждаемых в волноводе излучением, которое поступает от объекта, с известными модами, которые возбуждает настраиваемый генератор мод и которые также имеют сдвиг по частоте относительно излучения от объекта, можно определить относительные амплитуды и фазы мод, возбуждаемых в волноводе излучением от объекта, с помощью соответствующих измерений сигналов биений, полученных с использованием детектора.

Преимущество изобретения заключается в том, что моды, возбуждаемые излучением, отраженным от объекта, используются для классификации объектов. Следовательно, системы, основанные на анализаторе изобретения, можно устанавливать для того, чтобы регистрировать, когда обнаруживаются определенные моды излучения, и, следовательно, когда присутствуют определенные конкретные цели или объекты, без использования оператора. Кроме того, так как объект классифицируется с помощью мод, информация об объектах может быть представлена в виде перечня мод, присутствующих в излучении объекта, вместе с амплитудами и фазами этих мод.

Предпочтительным является то, что возбуждаемые моды вырабатываются с помощью генератора (или преобразователя мод), который основан на вводе двух плоских волн (или двух волн, которые с максимально возможной степенью точности аппроксимируются двумя идеальными плоскими волнами) под соответствующими углами и с соответствующими фазами в многомодовый волновод.

С другой стороны, возбуждение мод можно получить с помощью лазерного источника при вводе лазерного излучения в многомодовую волноводную структуру. В этом случае лазерный источник можно засинхронизировать по частоте и отстроить по частоте от другого лазера, который используется для освещения объекта.

Анализатор поля излучения может представлять собой один или несколько анализаторов, установленных в последовательной или параллельной решетке. Каждый анализатор можно затем разместить для анализа данной волноводной моды или ряда мод. Питание анализатора можно выполнить от одного настраиваемого преобразователя мод. С другой стороны, каждый расположенный в решетке анализатор может иметь свой собственный генератор мод или преобразователь мод.

В анализаторе поля излучения преимущественно предусмотрена компьютерная система для управления модами, которые генерируются при помощи настраиваемого генератора мод или преобразователя мод, а также для анализа спектра мод, измеренного с помощью анализатора.

В дополнительном аспекте, анализатор поля излучения можно установить как часть лазерной локационной системы.

Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых: фиг. 1 изображает в схематическом виде сечение в горизонтальной проекции анализатора поля излучения изобретения; фиг. 2 изображает общий вид многомодовой волноводной структуры, включенной в анализатор поля излучения (фиг. 1); фиг. 3 изображает общий вид настраиваемого преобразователя мод (фиг. 1); фиг. 4 изображает зависимость излучения, имеющего связь с модами прямоугольного волновода, от направления ввода излучения; фиг. 5 изображает относительный сдвиг фаз между модами (фиг. 4); фиг. 6 изображает в схематическом виде распространение излучения через расщепитель луча анализатора поля излучения (фиг. 1); фиг. 7 изображает ряд волноводных мод, полученных с помощью преобразователя мод (фиг. 3); фиг. 8 изображает профили мод излучения, полученных с помощью преобразователя мод (фиг. 3); фиг. 9 и 10 изображают теоретические расчеты характеристик анализатора поля излучения (фиг. 1); фиг. 11 изображает экспериментальные измерения, соответствующие теоретическим расчетам (фиг. 9); фиг. 12 изображает экспериментальные измерения, соответствующие теоретическим расчетам (фиг. 10); фиг. 13 изображает структурную оптическую схему анализатора изобретения, который входит в состав лазерной локационной системы.

На фиг. 1 изображен в схематическом виде анализатор поля излучения, обозначенный позицией 10. В его состав входит многомодовая волноводная структура 12, которая имеет по существу четыре идентичных многомодовых волновода: входной волновод 14, волновод 16 для преобразования мод, волновод 18 для передачи/приема излучения и детекторный волновод 20.

Входной волновод 14 имеет входную апертуру 22. Источник 24 излучения на основе CO₂-лазера размещается для ввода излучения во входную апертуру 22. Волновод 16 для преобразования мод имеет апертуру 26. Настраиваемый преобразователь 28 мод расположен в апертуре 26. Преобразователь 28 мод будет более подробно описан ниже. Он размещается для приема излучения с основной модой из волновода 16 для преобразования мод и преобразования его в излучение с любым требуемым номером моды. Вместе с излучением с требуемой модой оно затем поступает обратно в преобразовательный волновод 16. Кроме преобразования излучения в излучение с требуемой модой, в преобразователе мод также получают излучение с фазовой модуляцией или со сдвигом по частоте.

Волновод 18 для передачи/приема излучения имеет апертуру 30. Излучение, выходящее из волновода 18, связывается с модами свободного пространства вне многомодовой волноводной структуры 12 через апертуру 30 и линзовую систему 31. К тому же излучение в модах свободного пространства от внешних объектов связывается с волноводом 18 для передачи/приема излучения в моде волновода через линзовую систему 31 и апертуру 30.

Детекторный волновод 20 имеет апертуру 32. Детекторная система 34 размещается для детектирования излучения, выходящего из детекторного волновода 20 через апертуру 32. Детекторная система 34 подсоединяется к компьютерной системе 36 для регистрации и анализа излучения, выходящего из детекторного волновода 20.

Многомодовая волноводная структура 12 содержит расщепитель 38 луча, расположенный на концах волноводов 14 - 20 напротив апертур 22, 26, 30 и 32. Расщепитель 38 луча устанавливают по существу для отражения и пропускания в равной степени падающего излучения (то есть расщепитель луча имеет коэффициент деления 50%). Его устанавливают для отражения излучения, выходящего из входного волновода 14, в преобразовательный волновод 16 и для пропускания излучения из входного волновода 14 в волновод 18 для передачи/приема излучения. Аналогично, излучение из преобразовательного волновода 16 передается в детекторный волновод 20, а также отражается во входном волноводе 14. Также излучение из волновода 18 для передачи/приема излучения отражается и поступает в детекторный волновод 20, а также передается во входной волновод 14.

Ниже в общих терминах описывается работа анализатора 10 поля излучения, при этом более подробный теоретический анализ будет проведен ниже.

Основная мода излучения от источника 24 лазерного излучения образуется, чтобы соединиться во входном волноводе 14 в моду EH₁₁, т.е. в основную моду излучения. Основная мода излучения распространяется вдоль входного волновода 14 к расщепителю 38 луча. По существу 50% излучения проходит через расщепитель 38 луча к волноводу 18 для передачи/приема излучения. Оставшаяся часть (50%) излучения отражается в направлении преобразовательного волновода 16. Излучение в обоих волноводах 16 и 18 распространяется на основной моде к соответствующим апертурам 26 и 30.

Излучение, которое выходит из апертуры 30, связывается по существу с модой ТЕМ₀₀ излучения свободного пространства. Она освещает объект (не показан), и излучение, отраженное от объекта, связывается с волноводом 18 для передачи/приема излучения через апертуру 30. Излучение связывается в ряд мод волновода вида EH_mn, где m и n больше или равны единице.

Излучение с основной модой, которое выходит из апертуры 26, вводится в настраиваемый преобразователь 28 мод. Преобразователь 28 преобразовывает излучение с основной модой EH₁₁ в моды EH_mn волновода более высокого порядка. Преобразователь 28 выполняет преобразование мод с помощью возбуждения мод в управляемой последовательности. Преобразователем 28 управляют с помощью компьютера 36, через канал 40 управления. Преобразователь 28 возбуждает все моды в диапазоне EH₁₁ - EH_mn. При любой определенной установке преобразователь мод только возбуждает одиночную моду. При m = n = 10 разрешающая способность будет эквивалентна анализатору поля излучения предшествующего уровня техники с решеткой субапертур размером 10 х 10.

Моды, возбуждаемые с помощью преобразователя, передаются в преобразовательный волновод 16 через апертуру 26. Фазовый модулятор в преобразователе мод накладывает синусоидальную фазовую модуляцию на генерируемые моды. В одном варианте осуществления фазовый модулятор принимает вид полностью отражающего зеркала, установленного на пьезоэлектрическую стопу. Стопа возбуждается синусоидальным переменным напряжением, которое производит осевое перемещение зеркала, зависящее от времени в виде cos(t), где - частота возбуждения, амплитуда напряжения возбуждения устанавливается так, чтобы граница линейного перемещения была равна /2, где - длина плоской волны в середине волновода. Это перемещение зеркала накладывает на луч, отражаемый от зеркала, синусоидально изменяющийся сдвиг фаз (О ---> 360^o).

Фазово-модулированное излучение, выходящее из настраиваемого преобразователя 28, распространяется по преобразовательному волноводу 16 по направлению к расщепителю 38 луча. Излучение от объекта или объекта, который связан в волноводе 18 для передачи/приема излучения, распространяется по волноводу 18 в направлении к расщепителю 38 луча. Излучение, выходящее из преобразователя 28, и излучение, приходящее от объекта наблюдения или объекта смешиваются, проходя через расщепитель 38 луча и затем передается к детектору 34.

Из-за ортогональности мод волновода полный размах амплитуды изменения мощности, измеренный с помощью детектора, не будет равен нулю только в случае, когда мода EH_mn, приходящая от объекта наблюдения или объекта, приравнивается моде EH_mn, которая возбуждается с помощью настраиваемого преобразователя. Например, когда преобразователь 28 мод вырабатывает мод EH₃₁, будет ограничение изменения мощности в волноводе 18 для передачи/приема, и излучение от объекта проистекает от возбуждения моды EH₃₁. Результирующие синусоидальные изменения мощности записываются компьютером 36 и используются для вывода модуля и фазы составляющей EH₃₁ в поле, отраженном от объекта. Следовательно, исходя из знания установленных значений мод и относительных амплитуд и фаз мод, вырабатываемых с помощью настраиваемого преобразователя 28 мод и измерений синусоидальной мощности, выполненных с помощью детектора 34, можно определить комплексные амплитуды всех мод EH_mn излучения, присутствующих в излучении, принимаемом от объекта.

Это позволяет характеризовать поле излучения, отраженного от объекта, в соответствии с модами EH_mn возбужденным в волноводе для передачи/приема излучения. Чем выше порядок мод, используемый при анализе, тем больше разрешающая способность, с помощью которой можно характеризовать поле излучения от объекта. Более низкий порядок мод может нести информацию о пространственных характеристиках объекта, например, наличие моды EH₂₁ с двумя пиками интенсивности указывает на присутствие двух основных вертикальных составляющих в объекте. Наоборот, моды с более высоким порядком, такие как мода EH_10,10, несут информацию о более малых по объему деталях объекта. Следовательно, поля излучений от объекта можно классифицировать в терминах мод EH_mn, которые он возбуждает. Поля излучения от объекта можно калибровать, то есть известное поле объекта можно классифицировать в терминах мод EH_mn, которые он производит, и анализатор 10 можно затем разместить для того, чтобы регистрировать, когда моды EH_mn, соответствующие тому объекту, принимаются с помощью детектора 34. Анализатор 10 можно затем использовать как основу системы слежения, в которой объекты будут обнаруживать с помощью анализатора 10, первоначально откалиброванного в терминах мод EH_mn, которые они возбуждают.

На фиг. 2 изображен общий вид многомодовой волноводной структуры 12 (фиг. 1). Многомодовая волноводная структура 12 изготовлена из окиси алюминия. В ее состав входит три слоя: слой 210 подложки, образующий нижние стенки полых волноводов, волноводный слой 212, содержащий размещенные плитки 213, образующие вертикальные стенки полого волновода, и верхний слой 214, обозначенный пунктирными линиями и образующий верхние стенки полых волноводов.

Волноводный слой 212 определяет форму входного волновода 14, волновода 16 для преобразования мод, волновода 18 для передачи/приема излучения и детекторного волновода 20, показанного на фиг.1. Каждый из полученных в результате волноводов 14 - 20 имеет постоянное квадратное сечение со стороной 2а, где a равно одному миллиметру.

Ниже следует описание расположения волноводов 14-20 в системе отсчета 216. Волновод 16 для преобразователя мод и детекторный волновод 20 имеют соответствующие центральные продольные оси 218 и 220, проходящие в направлении x. Ось 220 смещена относительно оси 218 на 0,93 мм в положительном направлении y. Аналогично, входной волновод 14 и волновод 18 для передачи/приема излучения имеют центральные продольные оси 222 и 224, проходящие, соответственно, в направлении y. Ось 222 смещена относительно оси 224 на 0,93 мм в положительном направлении х.

Волноводный слой 212 имеет также 2 прорези. Это расположено между волноводами 14 и 20 и волноводами 16 и 18, соответственно. Расщепитель 38 луча расположен в прорезях 226 и 228 у общего пересечения 232 волноводов от 14 до 20. Расщепитель луча сделан из селенида цинка и имеет толщину 1,9 мм. Диэлектрическое покрытие напыляется на его поверхность, обеспечивая 50% пропускания и 50% отражения для падающего светового пучка.

Волноводы 14-20 имеют соответствующие апертуры 22, 26, 30 и 32 на конце волноводного слоя 212. Лазерный источник 24 размещается по центру на продольной оси 222. Настраиваемый преобразователь 28 мод размещается по центру на оси 218 в отдалении от апертуры 26 и на расстоянии 1,0 миллиметр от преобразовательного волновода 16. Детектор 34 представляет собой охлаждаемый квадратный кристалл размером 4,0 мм из кадмий-ртуть-теллурида (КРТ), который размещается по центру на оси 220, при этом он позиционируется таким способом, чтобы захватывать все излучение, выходящее из апертуры 32.

На фиг. 3 показан общий вид настраиваемого преобразователя 28 (фиг. 1). В его состав входит многомодовая волноводная структура 310, содержащая четыре полых волновода. Структура 310 содержит три слоя 312, 314 и 316. Слой 312 состоит из пластины 313 подложки, которая образует нижние стенки полых волноводов, слой 314 содержит расположенные в определенном порядке плитки 315, которые образуют вертикальные стенки полых волноводов, и слой 316, показанный пунктирными линиями, является верхней пластиной 317, которая образует верхние стенки полых волноводов.

Расположение плиток 315 образует четыре многомодовых волновода 318, 320, 322 и 324. Волновод 318 представляет собой входной волновод, волновод 320 - волновод для первого преобразования мод, волновод 322 - волновод для второго преобразования мод и волновод 324 - волновод для проверки мод. Каждый волновод имеет квадратное поперечное сечение со стороной 2,0 мм. Каждый волновод 318 - 324 имеет соответствующую апертуру 326, 328, 330 и 332 на соответствующем крае слоя 314.

Волноводы 318 - 324 имеют соответствующие центральные продольные оси 334, 338, 340 и 336. Ось 338 смещена относительно оси 334 на 0,93 мм в положительном направлении y, как показано с помощью оси 342. Аналогично, ось 336 смещена относительно оси 340 на 0,93 мм в положительном направлении x. При работе, ось 334 параллельна и соосна оси 218 (фиг. 2).

Слой 314 имеет две прорези 344 и 346, проходящие через все ее толщину. Прорезь 334 расположена на пересечении волноводов 318 и 324, и прорезь 346 - на пересечении волноводов 320 и 322. Каждая прорезь 334 и 346 поддерживает расщепитель 348 луча из селенида цинка толщиной 1,96 мм. Волноводы 320 и 322 для первого и второго преобразования мод имеют соответствующие зеркала 350 и 352 для связанного преобразования мод. Они размещены по центру вдоль осей 336 и 338 и на расстоянии приблизительно 1,0 мм от апертур 328 и 330. Зеркала 350 и 352 установлены на соответствующих моторизованных креплениях (не показаны). Крепления дают возможность зеркалам 350 и 352 поворачиваться относительно выбранных осей. Зеркало 350 поворачивается относительно центральных осей 354 и 356, которые являются, соответственно, вертикальной осью, параллельной направлению z, и горизонтальной оси, параллельной направлению y. Зеркало 352 поворачивается относительно центральных осей 358 и 360, которые, соответственно, параллельны направлению z и направлению x. Кроме того, расстояние между зеркалами 350 и 352 и их волноводные апертуры 328 и 330 могут меняться линейными моторами. Движение зеркал контролируется компьютером 36 фиг. 1.

Преобразователь 28 мод размещается рядом с многомодовой волноводной структурой 12 так, чтобы световой пучок, выходящий из апертуры 26, связывался в апертуре 326 из входного волновода 318 преобразователя 28.

Ниже следует описание работы преобразователя 28 мод. Излучение с основной модой, которое вводится в апертуру 326, распространяется по входному волноводу 318 к расщепителю 348 луча. Так как расщепитель 348 луча является делителем луча с коэффициентом деления 50%, то по существу половина падающего излучения проходит через него к первому волноводу 320 для преобразования мод. Существенная часть оставшейся части отражается во второй волновод 322 для преобразования мод. Излучение распространяется по волноводам 320 и 322 и выходит из апертур 328 и 330. Излучение падает на зеркала 350 и 352 и отражается обратно по направлению к апертурам 328 и 330.

Связь отраженного от зеркал 350 и 352 излучения в волноводах 320 и 322 зависит от углов наклона зеркал 350 и 352. На фиг. 4 показан график изменения значения моды, связанной в волноводе 320 после отражения от зеркала 350. Тот же самый график используется для излучения, которое связано от зеркала 352 до волновода 322. Видно, что модули волноводных мод, связанных в волноводах, изменяются с углом наклона соответствующего зеркала. Положительные наклоны относятся к поворотам зеркал 350 и 352 по часовой стрелке относительно соответствующей вертикальной оси (то есть оси z) 358 и 360. Отрицательные наклоны относятся к поворотам против часовой стрелки. На графике (фиг. 4) представлены моды EH_mn, где n равно 1.

Из графика следует, что при нулевом наклоне только мода EH₁₁ излучения связывается с соответствующими волноводами. Однако при увеличении положительного наклона модуль моды EH₁₁ уменьшается до тех пор, пока он не станет по существу равным нулю при наклоне 11,0 миллирадиан. Наоборот, модуль моды EH₂₁ быстро увеличивается при положительных наклонах до максимального значения приблизительно 2,5 миллирадиан. Однако максимальная амплитуда модуля моды EH₂₁ не достигает значения, которое будет эквивалентно значению моды EH₁₁, скорее всего оно будет ограничено приблизительно двумя третями этого значения.

При более высоких положительных наклонах другие моды более высокого порядка EH₃₁, EH₄₁, EH₅₁ и т.д. также начнут связываться с соответствующими волноводами. Эти моды имеют максимальные амплитуды при наклонах зеркала приблизительно 4,0, 5,5 и 7,0 миллирадиан, соответственно. Их максимумы по существу те же самые, как и у моды EH₂₁. Для отрицательных наклонов зеркала модули всех мод остаются теми же самыми, как и для положительных наклонов, однако их фазы имеют различные значения. Наклон зеркала, который требуется для получения максимальной амплитуды любой заданной моды, за исключением моды EH₁₁ (для которой максимум достигается при нулевом наклоне), можно предсказать с хорошей степенью точности с помощью формулы: = m_c/8a, , где - наклон в радианах, m - номер моды EH_ml^th-й моды, _c- длина плоской волны в середине волновода (в случае полых волноводов и длины плоской волны в свободном пространстве), и а - половина ширины волновода. Например, если m = 3, = 10,6 мкм и а = 1,0 мм, то = 0,003975 радиан, то есть приблизительно 4 миллирадиан при хорошем соответствии с численными расчетами (фиг. 4). В то время как фиг. 4 обозначает, что модуль возбужденных мод меняется, как функция наклона зеркала, фиг. 5 показывает, как, в дополнение, фазовые сдвиги между модами являются еще и функциями наклона зеркала. Можно видеть, что для положительных наклонов зеркала антисимметричные моды EH₂₁ и EH₂₁ имеют сдвиг на 90^o (или /2) относительно симметричных мод EH₁₁, EH₃₁ и EH₅₁. Наоборот, для отрицательных наклонов зеркала антисимметричные моды имеют сдвиг на 270^o (3/2). Из фиг. 4 и 5 видно, что для любого конкретного угла наклона зеркала кратность мод связана с соответствующим волноводом. Например, для положительного наклона 4 миллирадиан дают вклад моды EH₁₁, EH₂₁, EH₃₁, EH₄₁ и EH₅₁. Однако значения модулей мод являются различными. Модуль основной моды равен приблизительно 0,05, как и у EH₅₁, модули мод EH₂₁ и EH₄₁ составляют приблизительно 0,25, несмотря на то, что модуль EH₄₁ имеет максимальное значение при 0,4.

Для анализа излучения, падающего от объекта, с помощью метода, позволяющего получать очертания объекта, необходимо, чтобы преобразователь 28 мод возбуждал по существу в любой момент одиночные моды EH_mn. Если он возбуждает многочисленные моды, то у них могут возникать биения с многочисленными модами анализируемого поля излучения объекта, вызывая многочисленные сигналы биений. Более сложные методы обработки сигналов необходимы будут для того, чтобы определить, какие моды присутствовали бы в обнаруженном с помощью детектора 34 излучении. Если с помощью преобразователя мод будут возбуждаться одиночные моды, то анализ будет намного проще.

Для возбуждения по существу чистых мод, симметричные и антисимметричные моды можно отделить таким способом, чтобы приблизительно только одна мода выходила из преобразователя 28 мод в любой момент времени для любого данного наклона зеркала. Моды отделяются благодаря процессу когерентного смешивания на расщепителе 348 луча.

На фиг. 6 изображено в схематическом виде распространение излучения через расщепитель луча. Расщепитель 348 луча имеет две поверхности 600 и 602. Поверхность 600 имеет антиотражающее покрытие, в то время как поверхность 602 имеет многослойное диэлектрическое покрытие с коэффициентом передачи 50% и коэффициентом отражения 50%. Следовательно, излучение, распространяющееся по направлению к расщепителю 348 луча, передается через и отражается от поверхности 602 в волноводы 320 и 322, соответственно, при равном соотношении коэффициентов. Отражение фактически происходит на границе перехода между расщепителем 348 луча, который имеет высокий коэффициент преломления, и воздушной средой, которая имеет низкий коэффициент преломления. Излучение, которое падает на эту границу перехода со стороны зеркала 352, проходит в среду с низким коэффициентом преломления и отражается на границе перехода между воздушной средой и средой с высоким коэффициентом преломления расщепителя 348 луча. В этом случае отраженное излучение не меняет свою фазу. Наоборот, излучение, достигающее границы перехода со стороны зеркала 350, проходит в среду расщепителя луча с высоким коэффициентом преломления и отражается от границы перехода со средой с низким коэффициентом преломления, то есть с воздушной средой, которая окружает расщепитель 348 луча. Отраженное излучение приобретает сдвиг по фазе на радиан (или на 180^o).

Следующее связывание излучения в волноводах 320 и 322, отражение от зеркал 350 и 352 еще раз суммируется в излучение, отраженное от и переданное через точку 604. Следовательно, излучение от зеркал 350 и 352 можно комбинировать в точке 604 и можно выполнить связь мод в каждом из волноводов 318 или 324. Для интенсивности данной моды EH_mn, которая будет иметь максимальное значение в выходном волноводе 318, разность фаз между излучениями, которые отражаются от зеркал 350 и 352, проходят через волноводы 320 и 322 и границу 604 перехода, должна удовлетворять следующему условию: _mn350-_mn352 = p2, где p - целое число, _mn350 - фаза моды EH_mn, которая вводится в волновод 318 и отражается от зеркала 350, и _mn352 - фаза моды EH_mn, которая вводится в волновод 318 и отражается от зеркала 352.

Для того чтобы выполнить это условие для данной моды, зеркало 350 размещается с возможностью бокового перемещения в направлении x (осевое перемещение вдоль оси волновода) на расстояние x. Это перемещение приводит к изменению фазы _c в _mn350, которое приводится в виде: где _mn - длина волны моды EH_mn.

Так как лазерным источником 24 является CO₂-лазер, то длина волны излучения свободного пространства составляет 10,6 мкм. Чтобы получить изменение фазы _c, необходимо перемещение на расстоянии x = _mnc/4. На практике для того чтобы одинаковые моды находились в фазе, _c необходимо регулировать так, чтобы разность _mn350-_mn352 была кратна 2 радиан на целое значение.

Из фиг. 5 видно, что для положительных наклонов зеркала 350 относительно оси z (см. фиг. 3) антисимметричные моды EH₂₁, EH₄₁, EH₆₁ и т.д. имеют сдвиг на 90^o относительно симметричных мод, в то время как для отрицательных наклонов зеркала 350 относительно оси z антисимметричные моды EH₂₁, EH₄₁, EH₆₁ и т.д. имеют сдвиг на 270^o относительно симметричных мод. Рассмотрим ситуацию, где зеркало 350 имеет положительный наклон и зеркало 352 имеет положительный наклон (который после отражения от расщепителя 348 луча равен эффективному значению отрицательного наклона в выходном волноводе 318, насколько соотносятся относительные фазы мод). Если с помощью приложения соответствующего сдвига фаз, прикладываемого через управляемое пьезоэлектрическим способом смещение зеркала 350, оно устанавливается таким образом, что симметричные моды, пропускаемые расщепителем 348 луча от зеркала 350 в выходной волновод 318, находятся в фазе с симметричными модами, которые отражаются расщепителем 348 луча от зеркала 352 в выходной волновод 318, то эти симметричные моды будут конструктивно интерферировать в точке 604 и производить луч с симметричными модами, которые будут связаны в волноводе 318. Наоборот, с теми же самыми наклонами зеркала прошедшие и отраженные антисимметричные моды от зеркал 350 и 352 будут находиться не в фазе в точке 604, и будут деструктивно интерферировать в поле, выходящем из волновода 318. Одновременно эти антисимметричные моды будут в фазе в поле, которое выходит из волновода 324, и будут конструктивно интерферировать, в то время как симметричные моды в выходном поле волновода 324 будут вне фазы интерферировать деструктивно. Следовательно, где зеркало 350 смещается, там достигается деструктивная интерференция между симметричными модами в выходном поле в волноводе 318, антисимметричные моды будут в фазе и будут интерферировать конструктивно. Одновременно в волноводе 324 выходящие симметричные моды будут интерферировать конструктивно и антисимметричные моды будут отсутствовать.

В приведенной выше ситуации набор мод, который связан с волноводом 324, можно использовать в качестве проверки на моды, которые образуются в выходном поле волновода 318, то есть на выходе преобразователя 28 мод. Например, если антисимметричные моды необходимо выводить через волновод 318, то волновод 324 должен содержать симметричные моды и наоборот. Волновод 324 может иметь детекторную решетку (не показано) напротив своей выходной апертуры 322 для анализа мод.

Предыдущий аргумент показывает, как выходное излучение преобразователя 28 мод можно выбрать так, чтобы иметь либо симметричную, либо антисимметричную моду, и как спектральную чистоту данной моды можно максимизировать с помощью выбора значений наклонов зеркал 350 и 352 в соответствии с выражением = m_c/8a. Однако если входная волна в преобразователе мод не является идеально плоской, то выходная волна в каждой из этих установок может содержать многочисленные моды, и поэтому возникнет дополнительное требование для подавления эффектов, связанных с появлением нежелательных мод. Это достигается следующим образом.

Из графика (фиг. 4) видно, что для нулевого наклона зеркала будет возбуждаться только основная мода EH₁₁. При наклоне зеркала 4.0 миллирадиан EH₃₁ является основной полученной модой, но имеются также небольшие вклады из мод EH₅₁ и EH₁₁. В этом случае антисимметричные моды игнорируются, поскольку их можно удалить, так как описано выше. Измеряя выходной сигнал анализатора с помощью преобразователя 28 мод при нулевом наклоне зеркал 350 и 352, можно точно установить амплитуду основной моды EH₁₁, так как только эта мода возбуждается при нулевом наклоне.

Амплитуду моды EH₃₁ можно определить путем измерения выходного сигнала анализатора при наклоне зеркал, установленных в преобразователе мод, равном +2,5 миллирадиан. Из фиг. 4 следует, что вклад мод EH₃₁ и EH₁₁ по существу тот же самый и все другие симметричные моды имеют очень низкие значения. Амплитуду моды EH₁₁ при наклоне зеркала 2,5 миллирадиан можно определить, исходя из предыдущего измерения при нулевом наклоне. Из графика фиг. 4 видно, что амплитуда моды EH₁₁ изменяется с наклоном зеркал известным способом и амплитуду при любом наклоне можно найти из амплитуды при нулевом наклоне. Так как амплитуда EH₁₁ при наклоне 2,5 миллирадиан известна, то можно вычислить вклад в сигнал моды EH₃₁. Аналогично, при наклоне зеркала 5,5 миллирадиан можно определить амплитуду моды EH₅₁, исходя из полученных ранее значений мод EH₁₁ и EH₃₁