Развитие квантовой электроники и лазерных технологий привело к интенсивному развитию информационных и измерительных оптико-лазерных систем и их широкому применению в авиакосмическом приборостроении. В настоящее время наземные, авиационные и космические лазерные локаторы используются для решения задач слежения за подвижными объектами, измерения параметров их движения, наведения на цель, а также других задач информационного обеспечения комплексов обзора пространства, управления воздушным движением, автономной и спутниковой навигации [1−6].
Преимущества и потенциальные возможности лазерных локаторов — высокие точность и разрешающая способность при измерении дальности и угловых координат объектов, пространственная скрытность узконаправленных лазерных пучков, отсутствие проблемы электромагнитной совместимости — делают основной сферой их применения наземные комплексы слежения за воздушными и космическими объектами, в составе которых они используются как самостоятельно, так и совместно с радиотехническими системами [7,8]. Однако эффективность применения наземных оптико-лазерных систем при работе с воздушными и космическими объектами в реальных условиях в значительной степени определяется влиянием атмосферных искажений оптических сигналов на вертикальных и наклонных трассах [9−13].
Атмосферные фазовые искажения оптических сигналов приводят к нарушению пространственной когерентности излучаемого поля, увеличению расходимости лазерного излучения и, как следствие, снижению энергетического потенциала наземных лазерных локаторов. При фиксированной мощности лазерного передатчика уменьшение интенсивности оптического излучения на объекте и отношения сигнал/шум в приемной части локатора по сравнению со случаем дифракционной расходимости пучка подсветки может составлять порядок и более, в результате чего снижается эффективность работы лазерного локатора во всех режимах. Это проявляется в ухудшении технических характеристик, связанных с отношением сигнал/шум, в частности, вероятности обнаружения и потенциальной точности измерения параметров движения объекта, а также в ограничении возможностей работы наземных лазерных локаторов при высоком уровне фонового шума в дневное время суток.
Для повышения эффективности применения наземных лазерных локаторов в них необходимо осуществлять адаптивное управление излучаемым полем с целью коррекции атмосферных фазовых искажений оптических сигналов. Техническая реализация такой коррекции осуществляется устройствами адаптивной оптики и сводится к внесению в излучаемое поле предискажений в виде фазового распределения, сопряженного действующим атмосферным искажениям [14−20]. Один из алгоритмов адаптации — апертурного зондирования — ориентирован на применение именно для управления излучаемым полем в лазерных локаторах и позволяет не только компенсировать фазовые искажения среды распространения, но и управлять диаграммой направленности локатора при слежении за движущимися объектами [20−21].
В существующих наземных лазерных локаторах слежения за воздушными и космическими объектами адаптивное управление излучаемым полем отрабатывалось только в ходе отдельных экспериментов. Это связано с тем, что лазерная локация воздушных и космических объектов осложняется, во-первых, большими дальностями до объектов локации, во-вторых, необходимостью коррекции атмосферных искажений одновременно со слежением за объектом при изменении в широких пределах параметров его движения. В оптической схеме адаптивного лазерного локатора функции коррекции фазовых искажений и углового сопровождения объекта могут быть разделены между управляемыми многоканальным адаптивным контуром адаптивным и следящим зеркалами [19−22]. Однако при этом сохраняется необходимость обеспечения достаточного быстродействия контуров управления обоими зеркалами при работе на пределе выполнения условия квазистационарности атмосферных искажений.
Обеспечение достаточного быстродействия в системах адаптивной оптики имеет принципиальное значение, поскольку они являются системами управления реального времени и конечное быстродействие адаптивного контура определяет их временные ограничения [17,20]. К настоящему времени обобщен опыт применения систем адаптивной оптики в условиях пространственных ограничений, когда адаптивный контур имеет определенный запас по быстродействию или когда временные ограничения преодолеваются простым уменьшением постоянной времени адаптивного контура без оптимизации его передаточной характеристики [16,23]. В то же время для наземных адаптивных лазерных локаторов, предназначенных для работы с воздушными и космическими объектами, преодоление временных ограничений является основной технической проблемой, поскольку с управление излучаемым полем происходит на пределе выполнения условия выполнения условия квазистационарности атмосферных искажений. В этих условиях для эффективного применения наземных адаптивных лазерных локаторов по целевому назначению необходимо, прежде всего, обеспечить достаточное быстродействие при управлении излучаемым полем. При этом используемый алгоритм апертурного зондирования определяет, с одной стороны, структуру адаптивного контура, с другой стороны, методы оптимизации его характеристик и схем обработки принимаемых сигналов.
Поскольку многоканальный адаптивный контур лазерного локатора апертурного зондирования представляет собой замкнутую систему автоматического управления, в качестве основного подхода к анализу его временных ограничений и обоснованию условий обеспечения достаточного быстродействия в настоящей работе выбрано использование методов теории автоматического управления [24−28]. Основы такого подхода к анализу адаптивных оптических систем сформулированы в работах [20,23], его дальнейшее развитие состоит в оптимизации динамических характеристик адаптивного контура при одновременном выполнении условий устойчивости и качества регулирования и использовании в процессе адаптации оценок параметров движения объекта локации. При этом осуществляется совместный учет пространственных и временных ограничений адаптивного контура и используются дополнительные возможности получения информации о параметрах движения объекта за счет анализа связанных с реализацией алгоритма апертурного зондирования составляющих многоканальной фазовой модуляции принимаемых сигналов.
Необходимость разработки научно обоснованных технических решений при реализации управления излучаемым полем в наземных адаптивных лазерных локаторах, усиливается в настоящее время тем, что перспективные наземные лазерные локаторы разрабатываются как многофункциональные системы, выполняющие функции обнаружения и лазерной подсветки воздушно-космических объектов (целей), слежения за ними и измерения параметров их движения. При применении таких наземных лазерных локаторов на первый план выходит функция слежения за объектом и его сопровождения лазерным пучком подсветки, и адаптивное управление излучаемым полем позволяет за счет компенсации атмосферных фазовых искажений реализовать потенциальные возможности локатора по энергетическому потенциалу и одновременно обеспечить адаптивное слежение за объектом в пределах всей зоны видимости.
Таким образом, вопросы разработки методов оптимизации характеристик и обеспечения достаточного быстродействия адаптивного контура наземных лазерных локаторов апертурного зондирования при работе с воздушно-космическими объектами являются в настоящее время актуальными и составляют научную задачу, имеющую теоретическое и прикладное значение.
Цель работы — повышение эффективности применения наземных адаптивных лазерных локаторов при работе с воздушно-космическими объектами за счет оптимизации динамических характеристик адаптивного контура и использования в процессе адаптации оценок параметров движения объекта.
Основная научная задача — оптимизация динамических характеристик контура управления излучаемым полем адаптивных лазерных локаторов при слежении за подвижными объектами с компенсацией атмосферных фазовых искажений.
Объект исследования — наземный адаптивный лазерный локатор апертурного зондирования, предназначенный для слежения за воздушными и космическими объектами.
Предмет исследования — быстродействие контура управления адаптивным и следящим зеркалами адаптивного лазерного локатора апертурного зондирования с многоканальной фазовой модуляцией.
Научная новизна диссертационной работы состоит в:
1) графоаналитическом решении задачи оптимизации динамических характеристик отдельных каналов адаптивного контура лазерного локатора апертурного зондирования с учетом условий устойчивости и требуемого качества регулирования;
2) исследовании быстродействия контура управления адаптивным и следящим зеркалами лазерного локатора апертурного зондирования при коррекции атмосферных фазовых искажений в условиях пространственно-временных ограничений;
3) обосновании принципов адаптивного слежения за объектом и структурных схем адаптивных лазерных локаторах апертурного зондирования с измерением параметров движения объекта на комбинационных частотах многоканальной фазовой модуляции.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что:
1) Оптимизация характеристик адаптивного контура выполнена для наиболее общего случая описания динамических характеристик отдельных каналов дифференциальным уравнением третьей степени, найденные оптимальные значения коэффициентов усиления отдельных каналов обеспечивают выполнение условий устойчивости адаптивного контура и типовых для систем автоматического управления требований к качеству регулирования;
2) Сформулированные требования к быстродействию адаптивного контура управления адаптивным и следящим зеркалами наземного лазерного локатора апертурного зондирования обеспечивают преодоление временных ограничений при адаптивном слежении за воздушно-космическими объектами с компенсацией атмосферных фазовых искажений;
3) Разработанные структурные схемы адаптивных лазерных локаторов апертурного зондирования с измерением параметров движения объекта на комбинационных частотах многоканальной фазовой модуляции в изменяющихся условиях слежения за объектом приближают качество коррекции атмосферных фазовых искажений к предельно возможному.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения списка литературы и приложения.
Основные результаты и выводы по разделу 4
1. Проанализирован спектральный состав отраженного от объекта излучения адаптивного лазерного локатора апертурного зондирования с многоканальной фазовой модуляцией и показано наличие в принимаемом сигнале комбинационных составляющих частот пробных возмущений, которые могут быть использованы для измерения параметров движения объекта локации. Использование в процессе адаптации информации о параметрах движения объекта, являющейся дополнительной по отношению к сигналам ошибки, выделяемым по результатам анализа пробных возмущений, является обязательным с точки зрения реализации оптимальной обработки принимаемых сигналов. Основным условием выполнения измерений является достаточный для выделения составляющих принимаемого сигнала на комбинационных частотах энергетический потенциал лазерного локатора. При типичных значениях индекса многоканальной фазовой модуляции суммарная амплитуда сигналов ошибки, по которым из принимаемого излучения может быть выделена измерительная информация, составляет около 20% от амплитуды сигналов ошибки, используемых для управления средними фазами излучения на субапертурах адаптивного зеркала.
2. Предложены методы многошкальных фазовых измерений угловых координат и дальности до объекта на комбинационных частотах многоканальной фазовой модуляции и использования результатов этих измерений при формировании сигналов управления адаптивным и следящим зеркалами. Результаты измерения угловых координат используются при управлении следящим зеркалом в процессе адаптивного слежения за объектом, а результаты измерения дальности используются для устранения влияния задержки принимаемого сигнала на процесс синхронного детектирования при управлении адаптивным зеркалом в процессе компенсации атмосферных фазовых искажений. Показано, что в реальных условиях адаптивного слежения за воздушными и космическими объектами и компенсации атмосферных фазовых искажений проблема фазовой неоднозначности, свойственная фазовым измерениям, не возникает.
3. Предложены и защищены патентами 2 схемы адаптивных лазерных локаторов апертурного зондирования, предназначенных для адаптивного слежения за движущимися объектами и коррекции фазовых искажений среды распространения за счет адаптивного управления излучаемым полем подсветки объекта локации. В состав предложенных адаптивных лазерных локаторов кроме многоканального блока управления матрицей фазосдвигающих элементов, представляющей собой корректор волнового фронта зонального типа, входят блоки измерений угловых координат объекта или дальности до объекта. Измерения проводятся на комбинационных частотах многоканальной фазовой модуляции фазосдвигающих элементов. Результаты измерений используются при формировании сигналов управления фазосдвигающими элементами. В результате при изменении в широких пределах угловых координат и дальности до объекта локации качество слежения за объектом и коррекции атмосферных фазовых искажений приближается к предельно возможному, определяемому линейным приближением процесса адаптации.
4. Выполнена оценка эффективности адаптивного управления излучаемым полем в наземных лазерных локаторах при работе с воздушно-космическими объектами по величине выигрыша в интенсивности излучения подсветки, падающего на объект, по сравнению со случаем подсветки в условиях некомпенсируемых атмосферных искажений. Показано, что при обеспечении достаточного быстродействия адаптивного контура в представляющем интерес диапазоне значений отношения диаметра передающей апертуры к радиусу когерентности атмосферных фазовых искажений и при числе субапертур адаптивного зеркала в несколько десятков выигрыш составляет от 5 до 45 раз. Определены условия, при которых система с адаптивной фазовой коррекцией по выбранному показателю эффективности практически приближается к дифракционной.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе обоснованы методы обеспечения достаточного быстродействия адаптивного контура управления адаптивным и следящим зеркалами наземного лазерного локатора апертурного зондирования при слежении за воздушно-космическими объектами. При работе на пределе выполнения условия квазистационарности атмосферных искажений, что характерно для работы с воздушно-космическими объектами, обеспечение достаточного быстродействия адаптивного контура является основным условием эффективного применения наземных адаптивных лазерных локаторов.
Разработанные методы и предлагаемые технические решения предполагают оптимизацию динамических характеристик отдельных каналов адаптивного контура на основе совместного учета его пространственных и временных ограничений и использование в процессе адаптации дополнительной информации о параметрах движения объекта локации, выделяемой при анализе составляющих принимаемого сигнала, отраженного от объекта. Теоретической основой разработанных методов являются теории лазерной локации, адаптивных оптических систем и систем автоматического управления, обработки и спектрального анализа сигналов.
В результате проведения исследований по теме диссертационной работы получены следующие основные результаты:
1. Рассмотрены основные принципы построения и технические решения существующих и перспективных лазерных локаторов наземных комплексов слежения за воздушно-космическими объектами. Обоснована необходимость разработки технических решений, обеспечивающих реализацию потенциальных возможностей перспективных наземных лазерных локаторов при локации подвижных воздушных и космических объектов на дальностях в десятки и сотни километров и в ожидаемых динамичных условиях изменения воздушно-космической обстановки.
2. Рассмотрено влияние атмосферы на условия слежения за воздушнокосмическими объектами наземными лазерными локаторами. Показано, что в условиях прозрачной атмосферы наибольшее влияние на работу наземных лазерных локаторов оказывает вызванное атмосферными фазовыми искажениями расширение пучка подсветки, и в качестве основного направления повышения эффективности наземных лазерных локаторов обосновано использование адаптивного управления излучаемым полем, позволяющего решить задачи формирования узконаправленного пучка лазерной подсветки и углового сопровождения движущихся объектов в условиях атмосферных искажений оптических сигналов.
3. В качестве основного алгоритма адаптивного управления излучаемым полем для наземных лазерных локаторов рассмотрен алгоритм апертурного зондирования с многоканальной фазовой модуляцией. При использовании в оптической схеме локатора адаптивного и следящего зеркал данный алгоритм позволяет одновременно компенсировать фазовые искажения оптических сигналов, вносимые средой распространения, и управлять диаграммой направленности локатора при слежении за движущимися объектами. Определены пути обеспечения достаточного быстродействия адаптивного контура при реализации адаптивной фазовой коррекции и слежения за движущимся объектом — оптимизация динамических характеристик отдельных каналов и использование в процессе адаптации результатов измерения параметров движения объекта.
4. Рассмотрен энергетический потенциал наземных лазерных локаторов в типичных условиях работы с воздушными и космическими объектами. Показано значительное влияние угловой расходимости излучения подсветки на энергетический потенциал лазерных локаторов. Это позволяет при фиксированной выходной мощности лазерного передатчика за счет адаптивного управления излучаемым полем улучшать технические характеристики лазерного локатора, связанные с отношением сигнал/шум, а при высоких уровнях фонового шума в дневное время и в сумерки расширять возможности работы в любое время суток.
5. Выполнено формализованное описание алгоритма апертурного зондирования при управлении излучаемым полем адаптивного лазерного локатора. Рассмотрена взаимосвязь между операторами отдельного канала и многоканального адаптивного контура лазерного локатора апертурного зондирования. В линейном приближении получено аналитическое выражение для сигнала ошибки в отдельном канале адаптивного контура, функционирующем совместно с остальными каналами, и показано, что в установившемся режиме адаптации динамические свойства отдельного канала и многоканального адаптивного контура идентичны.
6. Аналитическими методами получены условия устойчивости для отдельного канала адаптивного контура, динамические свойства которого описываются дифференциальным уравнением третьей степени, как системы автоматического управления и как шаговой экстремальной системы. Оба условия представлены в виде ограничений на коэффициент усиления в отдельном канале адаптивного контура в зависимости от постоянных времени передаточной характеристики канала, величины пробных возмущений, уровня сигнала на входе адаптивного контура и числа каналов.
7. Сформулирована и решена графо-аналитическим методом задача оптимизации параметров отдельного канала адаптивного контура по критерию максимального быстродействия при обеспечении требуемого запаса устойчивости. На основании анализа вещественных частотных характеристик замкнутого канала адаптивного контура получена зависимость, позволяющая выбрать оптимальные коэффициенты усиления, обеспечивающие максимальное быстродействие при заданных постоянных времени передаточной характеристики канала и выполнении типовых требований к запасу устойчивости. С учетом соответствия динамических свойств отдельного канала и адаптивного контура в целом полученные результаты представляют собой условия оптимизации параметров многоканального адаптивного контура лазерного локатора апертурного зондирования.
8. Обосновано использование для исследования условий достаточного быстродействия адаптивного контура спектральных представлений фазовых искажений и корректирующих воздействий. Показано, что использование временных спектров компенсируемых составляющих фазовых искажений и обобщенных фильтрующих функций корректоров волнового фронта позволяет учесть совместное влияние на качество коррекции пространственных и временных ограничений, а также уточнить известные оценки условий достаточного быстродействия адаптивного контура, полученные для среднего временного спектра атмосферных фазовых искажений.
9. Исследовано качество коррекции атмосферных фазовых искажений адаптивным и следящим зеркалами в условиях пространственно-временных ограничений адаптивного контура. Получены зависимости коэффициента Штреля от степени искажений и параметров быстродействия адаптивного контура. Показано, что использование в адаптивном лазерном локаторе следящего зеркала совместно с адаптивным зеркалом, не приводя к значительному повышению предельно достижимого качества коррекции, позволяет снизить требования к быстродействию адаптивного контура так, что они оказываются менее жесткими, чем при использовании в тех же условиях только адаптивного или только следящего зеркала.
Ю.Определены условия достаточного быстродействия адаптивного контура при управлении адаптивным и следящим зеркалами лазерного локатора апертурного зондирования при коррекции атмосферных фазовых искажений. Расчеты коэффициентов, характеризующих быстродействие адаптивного контура при управлении адаптивным и следящим зеркалами, выполнены с использованием частотной характеристики фильтра-прототипа, имеющего такую же эквивалентную полосу пропускания замкнутой системы как реальные частотные характеристики с оптимизированными параметрами. Сформулированы условия, которым должны удовлетворять постоянные времени каналов управления адаптивным и следящим зеркалами для обеспечения достаточного быстродействия при коррекции атмосферных фазовых искажений.
11. Обоснованы требования к постоянным времени каналов управления адаптивным и следящим зеркалами наземного лазерного локатора апертурного зондирования в типичных условиях локации воздушных и космических объектов. Показана принципиальная необходимость учета движения объекта и связанного с ним псевдовтера при выборе постоянной времени каналов управления и адаптивным, и следящим зеркалами при компенсации атмосферных фазовых искажений одновременно с угловым сопровождением движущихся объектов. Определены ограничения на обеспечение достаточного быстродействия адаптивного контура, связанные с временем задержки при распространении излучения до объекта и обратно, и условия, когда угловое сопровождение объекта необходимо осуществлять с помощью дополнительного контура наведения.
Проанализирован спектральный состав отраженного от объекта излучения лазерного локатора апертурного зондирования с многоканальной фазовой модуляцией и показано наличие в принимаемом сигнале комбинационных составляющих частот пробных возмущений, которые могут быть использованы для измерения параметров движения объекта. Рассмотрены условия выделения составляющих на комбинационных частотах и показано, что при типичных значениях индекса многоканальной фазовой модуляции суммарная амплитуда сигналов ошибки, по которым из принимаемого излучения может быть выделена измерительная информация, составляет около 20% от амплитуды сигналов ошибки, используемых для управления средними фазами излучения на субапертурах адаптивного зеркала.
13.Предложены методы многошкальных фазовых измерений угловых координат и дальности до объекта на комбинационных частотах многоканальной фазовой модуляции и использования результатов этих измерений при управлении адаптивным и следящим зеркалами. Результаты измерения угловых координат используются при управлении следящим зеркалом для адаптивного слежения за объектом, а результаты измерения дальности используются для устранения влияния задержки принимаемого сигнала на процесс синхронного детектирования при управлении адаптивным зеркалом для компенсации атмосферных фазовых искажений. М. Предложены и защищены патентами 2 схемы адаптивных лазерных локаторов апертурного зондирования, предназначенных для адаптивного слежения за движущимися объектами и коррекции фазовых искажений среды распространения за счет адаптивного управления излучаемым полем подсветки объекта локации. Измерения проводятся на комбинационных частотах многоканальной фазовой модуляции, а результаты измерений используются в адаптивном контуре при формировании сигналов управления адаптивным зеркалом. В результате при изменении в широких пределах угловых координат и дальности качество слежения за объектом и коррекции атмосферных фазовых искажений приближается к предельно возможному, определяемому линейным приближением процесса адаптации. 15. Выполнена оценка эффективности адаптивного управления излучаемым полем в наземных лазерных локаторах при работе с воздушно-космическими объектами по величине выигрыша в интенсивности излучения подсветки, падающего на объект, по сравнению со случаем подсветки в условиях некомпенсируемых атмосферных искажений. Показано, что при обеспечении достаточного быстродействия адаптивного контура в представляющем интерес диапазоне значений отношения диаметра передающей апертуры к радиусу когерентности атмосферных фазовых искажений и при числе субапертур адаптивного зеркала в несколько десятков выигрыш составляет от 5 до 45 раз. Определены условия, при которых система с адаптивной фазовой коррекцией по выбранному показателю эффективности практически приближается к дифракционной.
Полученные результаты диссертационной работы имеют теоретическое и прикладное значение. В своей совокупности они составляют решение поставленных задач и позволяют достигнуть цель исследований — повышение эффективности наземных адаптивных лазерных локаторов апертурного зондирования при работе с воздушно-космическими объектами.
