Оптико-электронное устройство регистрации лазерного пятна подсвета дальномера-целеуказателя с длиной волны 1,06 (1,55) мкм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптико-электронное устройство регистрации лазерного пятна подсвета дальномера-целеуказателя с длиной волны 1,06 (1,55) мкм

Бадертдинов Э.Р., Владимирский С.В., Габдрахманов Т.Р., Денисов И.Г., Козлов А.В., Липатов В.В., Непогодин И.А., Новиков А.Г., Яцык В.С. ОАО «Научно-производственное объединение «Государственный институт прикладной оптики»

Аннотация

В современных устройствах наведения и целеуказания возникает необходимость визуализации лазерного пятна импульсного дальномера-целеуказателя с определением его координат относительно объекта наблюдения. В докладе приводятся результаты разработки устройства регистрации лазерного пятна для рабочих длин волн 1,06 (1,55) мкм, используемого в интересах решения задач дальномера-целеуказателя.

регистратор пятно лазер импульсный

Традиционно тенденцией развития и совершенствования оптико-электронной аппаратуры систем лазерного подсвета-целеуказания является повышение точности наведения лазерного излучения с определением углового местоположения лазерного пятна относительно объекта наблюдения при его сопровождении. С появлением современных высокочувствительных матричных фотоприёмных устройств большого формата со спектральной восприимчивостью в диапазоне 0,9…1,7 мкм, охватывающего стандартные длины волн коротковолнового инфракрасного излучения лазеров на 940 нм (NIR), 1064 нм, 1310 нм, 1550 нм (SWIR), появляется возможность высокоточного контроля положения луча, что не реализуемо при помощи стандартных средств наблюдения.

Способность наблюдения изображения объекта на лазерных длинах волн позволяет строить оптико-электронные системы, совмещающие в одном устройстве функции дальномера с функциями системы автоматического целеуказания, повышая их компактность. Однако при работе дальномера, как правило, используется импульсный режим работы лазера, при котором сложно выделить короткий по длительности отраженный от объекта сигнал от сигнала, создаваемого фоном.

Нами было разработано устройство регистрации лазерного пятна дальномера-целеуказателя, включающее импульсный лазер и камеру, спектральный диапазон чувствительности которой перекрывает рабочую длину волны лазера 1,06 (1,55) мкм (SWIR). Особенностью камеры является ее синхронная работа с моментом зондирования пространства лазерным излучением. Длительность экспонирования камеры напрямую зависит как от длительности лазерного импульса, так и от размеров объекта по глубине наблюдаемой сцены. Введение функций стробирования (т.е. задержки начала экспонирования и регулировки ее длительности) позволяет выделить одиночный отраженный лазерный импульс от объекта при значительном уменьшении фонового сигнала. Контроль за положением лазерного пятна относительно объекта осуществляется регистратором путем совмещения двух видеокадров с разным временем экспонирования (кадр с изображением объекта формируется за время около ~ 10 мс, а кадр с изображением пятна за ~ 0,01 мс). Блок-схема регистратора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схема регистратора

На рисунке цифрами обозначены следующие составные части:

1) объектив камеры;

2) узкополосный световой фильтр на лазерную длину волны;

3) блок аналого-цифрового преобразователя сигнала с ФПУ;

4) устройство управления фотоприемником;

5) устройство видеообработки и формирования изображения;

6) блок синхронизации и регулировки стробирования;

7) оснастка для сведения оптических осей.

В регистраторе блок синхронизации и регулировки стробирования управляет моментом начала времени экспонирования матрицы камеры и длительностью экспонирования. Параметры стробирования задаются программно. Момент начала экспонирования отсчитывается от момента излучения лазерного импульса (определяемого по сигналу от дополнительного опорного фотоприемника) пропорционально известной дальности до объекта. Длительность экспонирования задается кратно величине длительности лазерного импульса.

В камере регистратора используется многоэлементная фотоприемная матрица на основе материала арсенида индия-галлия со следующими характеристиками:

- спектральный диапазон чувствительности 0,9…1,7 мкм;

- формат матрицы 640х512 элементов;

- размер чувствительной площадки 25х25 мкм;

- линейный размер матрицы 16х12,8 мм;

- темновой ток не превышает 0,2пА;

- квантовая эффективность больше 70% в диапазоне 1,0…1,6 мкм;

- коэффициент заполнения ячейки больше 99%;

- удельная обнаружительная способность не менее на длине 1,55 мкм;

- нелинейность чувствительности менее 10% при 50% накоплении;

- максимальная пиксельная скорость считывания ~ 10 МГц.

В качестве излучателя использовался импульсный иттербиевый лазер ИЛМИ-0,5-20 фирмы НТО «ИРЭ-Полюс» со следующими характеристиками:

- длина волны излучения 1,06 мкм;

- длительность импульса 200 нс;

- номинальная средняя выходная мощность 20 Вт (импульсная мощность 2,5 кВт);

- номинальная энергия в импульсе 0,5 мДж;

- расходимость лазерного пучка 0,4 мрад;

- частота следования импульсов 40 кГц;

- средняя выходная мощность регулируемая.

В соответствии с концепцией и блок-схемой регистратора были разработаны электронные и оптические блоки. В камере использован объектив с фокусным расстоянием 300 мм и относительным отверстием 1:4,5. Для наблюдения лазерного пятна оптические оси камеры и лазера были совмещены. Внешний вид регистратора приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Регистратор лазерного пятна

С разработанным устройством были проведены эксперименты по регистрации лазерного пятна на кирпичной трубе, освещенной прямым солнечным излучением, находящейся на расстоянии 578 м от точки наблюдения. В эксперименте для оценки пороговой чувствительности устанавливались различные значения времени экспонирования матрицы при минимальной средней выходной мощности лазерного излучения около 70 мВт. На рисунках 3 и 4 представлены примеры изображений, полученные в ходе эксперимента при различном времени экспонирования. При малом времени экспонирования матрицы - 25 мкс за один кадр - фиксируется однократный сигнал импульса зондирования. Для данной ситуации отраженный сигнал от трубы оценивался как пороговый. Регистрация изображения камеры велась по команде оператора в режиме однократного запуска считывания кадра по моменту фиксации излучения лазерного импульса.

Рисунок 3. Примеры наблюдения лазерного пятна подсвета.

Рисунок 4. Изображение пятна лазера на трубе при одиночном импульсе подсвета и

За время накопления 25 мкс энергетический эквивалент фонового сигнала от трубы с одного пикселя матрицы составил W_ф = 1,59·10^-17 Дж. При этом энергетический эквивалент фактического шума одного пикселя W_ш = 4,6·10^-17 Дж. Величина мощности в импульсе (для указанных выше параметров лазера и минимальной средней мощности излучения) составила P_имп=10 Вт, а энергия в импульсе W_имп= P_имп·ф_имп=2·10^-6 Дж. При таком импульсе излучения накопленная за 25 мкс энергия суммарного отраженного сигнала (оцениваемого как порогового для визуального обнаружения пятна в изображении), приведенного к одному пикселу матрицы, составила величину W_порог = 1,23·10^-15 Дж. Тогда достигнутое соотношение сигнал/шум равно величине W_порог/ W_ш = 27.

Следует отметить, что локатор с параметрами данного регистратора и энергией в импульсе лазера 0,1 Дж (при прочих указанных выше условиях локации) позволяет обеспечить видение пятна подсвета с дистанции в несколько десятков километров.

Результаты данной работы предполагается использовать в дальнейших разработках оптико-электронных систем с лазерными каналами дальнометрии и целеуказания.

Размещено на Allbest.ru