Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах (1981), страница 30

В известных системах ~(139) нашли применение составные многосегментные зеркала, элементы которых закреплялись на выдвигаемых основаниях типа поршней («поршневые» зеркала), а также деформируемые гибкие зеркала мембранного типа. При разделении функций модуляторов-сканаторов и корректоров в качестве последних можно использовать акусто- и электрооптические фазовращатели. Основными проблемами, возникающими при разработке современных адаптивных систем, являются обеспечение высокой частоты фазового сканирования, которая должна быть в десятки раз больше частоты возмущающих воздействий и частоты их отслеживания, а также создание модуляторов-сканаторов большой площади, в частности зеркал. При работе с мощными лазерными пучками возникают дополнительные трудности, связанные с возможным разрушением оптических деталей при воздействии потоков очень большой плотности.

Так, в некоторых системах приходится охлаждать рабочую поверхность зеркала-сканатора. При этом заметными преимуществами обладают сплошные гибкие деформируемые зеркала. Однако, как показали специальные исследования, им свойственны и определенные недостатки: большее влияние перекрестных связей между отдельными каналами на точность и устойчивость системы, 2яУ-эффект и др. (138, 139).

Экспериментальные исследования многоканальных систем и их основных узлов показали возможность отслеживания возмущений с частотами до 300 Гц при частоте фазовой модуляции (сканирования) 30...60 кГц. При использовании охлаждаемых гибких вибрирующих зеркал удается достичь перемещений отдельных участ- 158 ков (каналов) зеркала в .+-15 мкм с частотой вибрации (сканирования) до 5 кГц. Постоянные времени систем в целом составляли 1...2 мс.

Системы с коррекцией углов наклона волнового фронта предназначены, главным образом, для получения хорошего изображения удаленных объектов. Измеряя локальные отклонения и наклоны в о~дельных зонах входного зрачка по отношению к идеальной сферической волне, можно определить полную картину искажений принятого волнового фронта, а затем произвести его необходимую коррекцию.

Принцип действия таких адаптивных систем рассмотрим на примере успешно реализованной на практике системы компенсации атмосферных возмущений, работающей в реальном масштабе времени [1281. Система основана на: 1) точном и одновременном измерении наклона волнового фронта в большом числе точек входного зрачка приемной оптической системы; 2) использовании принципа параллельной обработки информации благодаря применению матрицы приемников излучения и соответствующей им совокупности параллельно работающих электронных каналов (процессоров), которые необходимы для вычисления сигналов, требуемых для коррекции волнового фронта; 3) использование монолитного пьезоэлектрического зеркала с управляемым профилем, которое выполняет функции корректора волнового фронта (КВФ).

Наиболее простым случаем является такой, когда искажения волнового фронта оптического сигнала возникают в непосредственной близости от входного зрачка приемной системы. При этом для эффективной коррекции можно использовать только лишь одно зеркало— КВФ, установленное вблизи плоскости изображения оптически неоднородной среды (ОНС), т.

е. вблизи плоскости выходного зрачка объектива приемной системы. Такой случай представлен на рис. 7.12. Фронт волны, создаваемой удаленным опорным излучателем (1), проходит через ОНС (2) и попадает на объектив (3). Линза (4) коллимирует пучок лучей и согласует диаметр пучка с размером КВФ вЂ” деформируемого зеркала (5), помещенного в плоскости, где изображается ОНС. Следовательно, каждый элемент ОНС изображается на КВФ, так что неоднородности волнового фронта могут быть скомпенсированы корректором. Затем линза (6) фокусирует пучок лучей в плоскость !59 решетки сдвигового интерферометра.

Этот интерферометр, условно показанный в виде решетки (7), приводимой во вращение приводом (18), образует в плоскости приемников (9) интерференционную картину, соответствующую фазовым разностям в плоскости КВФ. Линза (8) сопрягает плоскость расположения чувствительных площадок приемников с плоскостью КВФ и одновременно с плоскостью ОНС. Фаза интерферограммы в каждой точке плоскости приемников пропорциональна наклону волнового фронта в соответствующей точке плоскости ОНС. После предварительного усиления в блоке 10 сигналы с приемников поступают на вход блока фазовых детекторов (12), питаемых от генератора опорного напряжения (11).

После детектирования сигналы проходят через блок усилителей (13) на электро- механические или пьезоэлектрические устройства (14), управляющие профилем зеркала в отдельных его точках, т. е. на КВФ подаются сигналы, пропорциональные «местным» разностям фаз. Рис. 7.!2, Адаптивная система с коррекцией наклона волнового фронта Для образования изображения источника, свободного от возмущений, вносимых ОНС, в систему вводится светоделитель (!5) и объектив (16). В фокальной плоскости (17) этого объектива возможна регистрация откорректированного изображения. В большинстве реальных систем ОНС распределена вдоль всей или значительной части трассы распространения лучей.

Кроме того, удаленные участки ОНС могут 1БО располагаться за пределами изопланатической зоны углового поля, т. е. угловой зоны, в которой возможна указанная коррекция. Оба фактора могут быть в принципе скомпенсированы путем использования нескольких многоканальных КВФ, размещаемых в таких плоскостях внутри приемной компенсационной системы, где изображаются отдельные участки ОНС.

При перемещении излучателя в угловом поле системы происходит общий наклон волнового фронта. Это вызывает сдвиг фаз электрических сигналов во всех каналах системы. Для исключения влияния наклона в 7 электронном тракте осред- г няются аналоговые напряжения, соответствующие фазовым сдвигам по ортогональным осям хх и уу системы координат, в которой О;О г осуществляется коррекция. О О~О Эти напряжения подаются на двухосную корректирую- О О О 1 О О щую систему, в которой используются пьезоэлектри- О О О О О О ческие датчики, наклоняющие КВФ как единое целое.

Таким образом можно осу- Рис. т.!3. Монолитное иьезоществить слежение за пере- электрическое зеркало: МЕщЕНИяМИ ИЗЛуяатсдя. 7 — аеркальный слой (алюннннро- ванное покрытие на стеклвнной . Системы с коррекцией подложке1 2 — унравлиющие влекиаклона волнового фронта тРОЛЫ: 3 — ОЬЕВОВЛЕитРИЧЕСКОЕ ОС- лозанне; 4 — общий электрод особенно эффективны в тех случаях, когда пучок лучей, идущих от источника, перемещается по входному зрачку как целое, а не раздроблен на множество частей. В системе, описанной в 11281, в качестве излучателя использовался Не — Хе-лазер, удаленный на 300 м от приемной системы. Корректором являлось монолитное гибкое зеркало диаметром 5 см с управляющими его профилем электродами.

Конструкция зеркала представлена иа рис. 7,13. Экспериментальные исследования адаптивной системы подтвердили ее эффективность. Угловое разрешение точечного источника, как и максимальная освещенность в его изображении, при ее использовании повышается в несколько раз. Если система без коррекции фазовых искажений способна различать 161 звезды до 6-й величины, то при коррекции возможно различение звезд 14-й величины. В случае слабых флуктуаций коррекция общего и местных наклонов волнового фронта обеспечивает характеристики системы, близкие к днфракционным.

Одной из основных трудностей, возникающих прн практической реализации описанного метода, является малый размер изопланатической зоны углового поля (обычно несколько угловых секунд). Реальным путем увеличения диапазона углов, в которых возможна коррекция, является использование многоканальных КВФ, что, конечно, существенно усложняет систему. В [87] показано, что в системах с фазовым сопряжением и коррекцией наклона волнового фронта амплитуда входного сигнала (плотность потока фотонов), необходимая для обеспечения заданной ошибки измерения волнового фронта, не зависит от числа л отдельных элементарных приемников (субапертур, корректоров наклона волнового фронта) при постоянных их размерах.

В этих системах с увеличением п растет сложность измерителей фазы. В то же время необходимая амплитуда входного сигнала в системах с разделением каналов и системах для,компенсации размытия изображений при постоянной площади элементарного приемного элемента пропорциональна п'. В таких системах применяется один приемник, что упрощает конструкцию, однако при большом числе приемных элементов управляющие устройства должны быть более высокочастотными, что усложняет систему. Поэтому в них общее число элементов и, следовательно, общий размер входного зрачка, на котором компенсируются искажения, ограничивается частотной характеристикой управляющего устройства 11271.