Устройство для обнаружения и диагностирования источников оптического излучения

Устройство для обнаружения и диагностирования источников оптического излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретения относятся к оптико-электронным устройствам, предназначенным для обнаружения источников оптического излучения и диагностирования оптических характеристик этих источников. Преимущественная область применения предлагаемых устройств - охранные комплексы различного назначения, пеленгационные, телевизионные и тепловизионные приборы, системы управления робототехники, навигационные системы.

Известен оптико-электронный пеленгатор на основе датчика HARLID (US, patent №5428215), позволяющий определять углы прихода излучения с точностью ±1° в поле ±90° по горизонту, содержащий оптическую систему на основе цилиндрических линзовых элементов или щелевой диафрагмы, формирующую световую полоску на маске, выполненной в соответствии с кодом Грэя, за которой находятся фоточувствительные элементы.

Известна также разработка датчика фирмы Defence Research Establishment, Canada (A.Cantin, J.Dubois, P.Webb and M.P.Altman "Miniaturized digital High Angular Resolution Laser Irradiation Detectors (HARLID™) for Laser Warning Receivers" SPIE Vol.3061, 1997), в которой расположены один под другим два фоточувствительных элемента на основе Si и InGaAs. Такой подход позволяет расширить область спектральной чувствительности датчика с 0,4...1,1 до 0,4...2,1 мкм и, кроме того, повысить устойчивость системы к влиянию искусственных и естественных оптических помех.

Указанные устройства обладают рядом недостатков, наиболее существенными из которых являются:

- из-за использования анаморфотной оптической системы принципиально невозможно реализовать оптический тракт с высокими относительными отверстиями и качеством изображения;

- оптическая система пеленгатора формирует поле зрения по горизонту не более 100°...120°;

- рабочий спектральный диапазон пеленгатора узок и определяется спектральной чувствительностью используемых фотоприемников на основе Si, InGaAs, сверхпроводящих болометров или Ge, а в случае использования анаморфной оптической системы ухудшается из-за поглощения в ее линзовых компонентах.

Известно устройство, предложенное для устранения первого из указанных выше недостатков (US patent №5627675 от 06.05.1997 г., John E.Davis). В нем изображение зоны обзора формируется радиально-симметричной оптической системой. Такое техническое решение позволяет существенно увеличить эффективную площадь входного зрачка. Однако относительное отверстие описанного в обсуждаемом патенте устройства не превышает величины ˜1:3.

Наиболее близким к предлагаемым устройствам является устройство (US patent №5710661 от 20.01.1998 г., Int. CI⁶ G02В 17/00), содержащее оптическую систему, фотоприемное устройство и блок электронной обработки сигнала. Оно имеет ряд достоинств, главные из которых:

- изображение зоны обзора формируется радиально-симметричной оптической системой, что позволяет обеспечить значительную площадь входного зрачка (6,25 мм²);

- относительное отверстие оптической системы доведено до 1:2;

- конструктивная компоновка устройства позволяет использовать криогенное фотоприемное устройство (авторы, в первую очередь, предлагают использовать ФПУ на основе InSb), что обеспечивает хорошую чувствительность в спектральном диапазоне до 5 мкм.

Однако известное устройство также имеет недостатки:

- достижение сравнительно высокого относительного отверстия и, как следствие, значительной площади входного зрачка, достигнуто существенным усложнением оптического тракта - он содержит, кроме асферических зеркал еще и семь асферических линз; наличие линз особенно нежелательно, т.к. это неизбежно ограничивает возможный рабочий спектральный диапазон устройства, что отмечают и сами авторы;

- использование двумерной, полностью заполненной матрицы (авторы рекомендуют матрицу на основе InSb форматом 480×480), считывание сигналов с которой возможно с кадровой частотой не более сотен Гц, что резко ограничивает возможности извлечения из сигналов временной информации, а это особенно нежелательно при работе по импульсным источникам, например лазерным;

- наличие ФПУ, работающего в спектральном диапазоне до 5 мкм, затрудняет получение информации о спектральных характеристиках источников, что препятствует их диагностике;

Задачей изобретений является упрощение оптического тракта, увеличение рабочего спектрального диапазона, увеличение чувствительности, обеспечение возможности извлечения информации об оптических источниках излучения в угловом поле зрения 360° по горизонту и не менее -5°...+25° по вертикали, обеспечение возможности извлечения из сигналов временной информации и обеспечение диагностики спектральных характеристик источников.

Технический результат в первом варианте изобретения достигается тем, что устройство для обнаружения и диагностирования источников оптического излучения содержит объектив, фотоприемное устройство, блок анализа сигналов и дихроичный светоделитель, формирующий плоскости изображения, в которых находятся фотоприемные многоканальные устройства, попарно сопряженные в пространстве предметов, фотоприемные каналы которых выполнены с возможностью обеспечения отличающихся друг от друга монотонных спектральных характеристик, объектив состоит из зеркальных компонентов и имеет числовую апертуру более 0,5, угловое поле зрения 360° по горизонту и не менее -5°...+25° по вертикали, отрицательную дисторсию не менее 50%, блок анализа сигналов осуществляет измерение амплитуд, длительностей и периодов сигналов, излучаемых источниками оптического излучения.

Технический результат во втором варианте изобретения достигается тем, что устройство для обнаружения и диагностирования источников оптического излучения содержит объектив, фотоприемное устройство и блок анализа сигналов, при этом объектив состоит из зеркальных компонентов и имеет числовую апертуру более 0,5, угловое поле зрения 360° по горизонту и не менее -5°...+25° по вертикали, отрицательную дисторсию не менее 50%, многоканальное фотоприемное устройство представляет собой многослойную фоточувствительную структуру, каждый слой которой обладает различной спектральной чувствительностью, блок анализа сигналов выполнен с возможностью осуществления измерения амплитуд, длительностей и периодов сигналов, излучаемых источниками оптического излучения.

Изобретения поясняются чертежами, где:

На фиг.1 изображена схема разделения световых пучков, обеспечивающая возможность установки многоканальных фотоприемных устройств (для первого варианта исполнения устройства для обнаружения и диагностирования источников оптического излучения).

На фиг.2 изображена оптическая схема объектива.

На фиг.3 изображен блок электронного анализа сигналов.

На фиг.4 изображена конфигурация фоточувствительного элемента для определения горизонтальной координаты источника оптического излучения.

На фиг.5 изображена конфигурация фоточувствительного элемента для определения горизонтальной и вертикальной координат источника оптического излучения.

Приложение 1 - данные объектива с тремя зеркалами сферической формы.

Устройство для обнаружения и диагностирования источников оптического излучения по первому варианту выполнения содержит объектив 1, фотоприемные устройства 2 и 3, дихроичный светоделитель 4 (фиг.1) и блок электронного анализа сигналов (фиг.3). В примере, показанном на фиг.1, дихроичный светоделитель 4 формирует две плоскости изображения, а многоканальные фотоприемные устройства 2 и 3 сопряжены с этими плоскостями.

Объектив, формирующий изображение сферического пояса, содержит выпуклое первичное зеркало, выпуклое вторичное зеркало и вогнутое третичное зеркало. В частном случае, зеркала могут иметь сферическую форму. Конкретный пример такого частного случая приведен в приложении 1, а соответствующая оптическая схема объектива на (фиг.2). Как следует из приложения 1, относительное отверстие такой оптической системы может быть доведено до такой высокой величины как 1:0,5966.

Достижение столь значительного относительного отверстия улучшает общие характеристики предлагаемого устройства по двум причинам:

- увеличение площади входного зрачка;

- уменьшение площади фоточувствительных элементов ФПУ и, как следствие, улучшение пороговой чувствительности устройства.

Обеспечение требований по максимизации относительного отверстия оптической системы в предлагаемом устройстве особенно важно для обеспечения требуемого потенциала во всем сверхшироком спектральном диапазоне по следующим причинам:

- учитывая то, что спектральная чувствительность фотонных фотоприемников растет с увеличением длины волны регистрируемого излучения;

- в силу обеспечения необходимого энергетического потенциала для регистрации излучения в очень широком спектральном диапазоне 0,4...16 мкм из-за падения спектральной чувствительности к коротковолновой границе диапазона.

Выбор чисто зеркального варианта объектива предлагаемого устройства объясняется отсутствием хроматизма, вносимого линзовыми оптическими элементами, и поэтому предложенный объектив при использовании соответствующих покрытий может формировать изображение практически при почти предельном относительном отверстии, практически во всем оптическом диапазоне.

Размеры аберрационных пятен, формируемых описываемой оптической системой, зависят от ее относительного отверстия, углового поля зрения по вертикали, масштаба системы, а также от количества и порядка примененных асферических поверхностей. Следует сказать, что оптимальным будет такой уровень форсирования оптических характеристик системы, при котором размеры аберрационных пятен сравнимы с выбранным размером фоточувствительных элементов ФПУ. Именно такой уровень форсирования достигнут в оптической системе, данные о которой приведены в Приложении 1.

Получение изображения расположенной в пространстве предметов зоны, для которой угловое поле зрения превышает 180°, при условии конечного размера фоточувствительной области ФПУ, возможно лишь при наличии отрицательной дисторсии. Величина этой дисторсии должна иметь некое, зависящее от заданных тактико-технических характеристик, оптимальное значение: достаточно большое для возможного уменьшения размера фоточувствительной области ФПУ, но не чрезмерное, поскольку иначе не будет обеспечена точность определения вертикальной угловой координаты обнаруживаемых источников. Четко определить желательные границы отрицательной дисторсии по этой причине затруднительно и авторы приняли значение, которое представляется им разумным компромиссом.

Для устройства, регистрирующего информацию от значительной части окружающего его пространства, сферическая система координат является единственной системой, обеспечивающей изотропность пеленгационной характеристики. Проекция сферической системы координат пространства предметов в пространство изображений приводит к естественной полярной конфигурации фоточувствительной зоны ФПУ. В простейшем случае такая конфигурация может иметь вид фоточувствительного кольца, разбитого на трапециевидные "лепестки" (фиг.4). Необходимость определения вертикальной координаты источников приводит к многокольцевой структуре (фиг.5). Принципиальная возможность определения угловых координат источника оптического излучения является необходимым, но недостаточным условием для его обнаружения и, тем более, диагностирования. Полноценное решение задачи обеспечивается получением дополнительной информации о временных параметрах излучения и о его оптическом спектре. Определение временных параметров излучения - комплексная проблема. Для ее решения ФПУ должно обладать достаточной чувствительностью и достаточно широкой полосой пропускания электрических частот. Типичные, представляющие интерес, источники могут излучать импульсы оптического излучения с длительностями от единиц наносекунд до сотен миллисекунд, а также модулированное непрерывное излучение на частотах от сотен Гц до десятков кГц. Дополнительный усложняющий фактор - необходимая очень широкая область спектральной чувствительности ФПУ, приблизительно от 0,4 до 16 мкм. На современном уровне развития фотоэлектроники указанным требованиям в значительной степени удовлетворяют ФПУ на основе CdHgTe, при различных уровнях охлаждения.

Блок электронного анализа сигналов имеет следующую структуру (смотри фиг.3). N входов соответствуют числу фоточувствительных каналов ФПУ. Каждый из N входов транслирует сигнал в два субблока анализа. Первый субблок содержит параллельную гребенку М фильтров, согласованных с длительностями импульсов, излучаемыми представляющими интерес источниками. За каждым из фильтров установлен измеритель амплитуды импульса. Таким образом, первый субблок обеспечивает оптимальное обнаружение импульсного оптического излучения, измерение длительности, амплитуды и периода импульсов. Второй субблок предназначен для анализа непрерывных сигналов. Он осуществляет измерение их частоты и амплитуды.

Авторы изобретения не конкретизируют методы измерения амплитуд, длительностей и периодов электрических сигналов, которые могут быть использованы в блоке анализа сигналов, т.к. эти методы детально разработаны в рамках классической радиотехники и, сами по себе не имеют элементов существенной новизны.

Оптические спектральные характеристики источников определяются следующим образом: в первом варианте исполнения предлагаемого устройства в каждой из двух плоскостей изображений (пример, показанный на фиг.1) находятся конгруэнтные фоточувствительные структуры, имеющие различные, но обязательно монотонные характеристики спектральной чувствительности. Реализация такого решения давно известна: путем установки оптических фильтров с различной спектральной чувствительностью перед каждым ФПУ или выбором отличающихся спектральной чувствительностью материалами каждого ФПУ и другими способами. В пространстве предметов угловое положение каждого из фоточувствительных каналов находящихся в одной из плоскостей, совпадает с сопряженным каналом, находящимся во второй плоскости. При таком условии, отношение амплитуд с этих попарно-сопряженных каналов будет нести информацию о спектре источника оптического излучения.

Во втором варианте выполнения устройство для обнаружения и диагностирования источников оптического излучения содержит объектив, многоканальное фотоприемное устройство и блок электронного анализа сигналов (фиг.3). Конструктивное выполнение объектива и блока анализа сигналов для второго варианта устройства аналогично их конструктивному выполнению для первого варианта устройства.

Фотоприемное устройство представляет собой многослойную фоточувствительную структуру, каждый слой которой обладает различной спектральной чувствительностью.

Необходимая для второго варианта предлагаемого устройства многослойная фоточувствительная структура, слои которой имеют отличающиеся спектральные характеристиками, может быть реализована за счет вариации стехиометрического состава соединения CdHgTe, а также создания многослойного фоточувствительного элемента из различных полупроводниковых материалов и другими известными способами.

Как следует из вышесказанного, предлагаемое устройство позволяет получить об источнике оптического излучения следующую информацию: угловые координаты, оптические спектральные характеристики, амплитуду сигнала, создаваемого на входном зрачке устройства и, тем самым, облученность на входном зрачке, длительности излучаемых импульсов, периоде, в случае непрерывного режима излучения. Все указанные величины предлагается включить в качестве компонентов в вектор признаков цели, что, по мнению авторов, обеспечит существенно более высокую, по сравнению с прототипом, вероятность обнаружения источников оптического излучения, а также достаточную устойчивость устройства к естественным оптическим помехам.

1. Устройство для обнаружения и диагностирования источников оптического излучения, содержащее объектив, фотоприемное многоканальное устройство и блок анализа сигналов, отличающееся тем, что введены второе фотоприемное многоканальное устройство и дихроичный светоделитель, формирующий две плоскости изображения, в каждой из которых находятся фотоприемные многоканальные устройства, попарно сопряженные в пространстве предметов, фотоприемные каналы которых выполнены с возможностью обеспечения отличающихся друг от друга монотонных спектральных характеристик, объектив состоит из зеркальных компонентов и имеет числовую апертуру более 0,5, угловое поле зрения 360° по горизонту и не менее -5°...+25° по вертикали, отрицательную дисторсию не менее 50%, блок анализа сигналов выполнен с возможностью осуществления измерения амплитуд, длительностей и периодов сигналов, излучаемых источниками оптического излучения.

2. Устройство для обнаружения и диагностирования источников оптического излучения, содержащее объектив, фотоприемное многоканальное устройство и блок анализа сигналов, отличающееся тем, что объектив состоит из зеркальных компонентов и имеет числовую апертуру более 0,5, угловое поле зрения 360° по горизонту и не менее -5°...+25° по вертикали, отрицательную дисторсию не менее 50%, многоканальное фотоприемное устройство представляет собой многослойную фоточувствительную структуру, каждый слой которой обладает различной спектральной чувствительностью, блок анализа сигналов выполнен с возможностью осуществления измерения амплитуд, длительностей и периодов сигналов, излучаемых источниками оптического излучения.