JP2009534646A - ミサイルを検知する複数の赤外線センサの検査と評価、及び作業者訓練において赤外線センサとともに使用される装置 - Google Patents

Abstract

有限期間の入射エネルギーを積分する複数の赤外線センサを使用する複数のミサイル検知システムの検査と評価、及び作業者訓練で使用する装置２であって、この装置２は、赤外線センサに赤外線を照射する少なくとも１つの赤外線照明光源４を備え、この赤外線照明光源４は、振幅、パルス幅、パルス繰り返し間隔変調回路８によってデューティ及びピークパワーが制御された疑似連続波レーザ赤外線照明光源４であって、赤外線センサには疑似連続波レーザ赤外線照明光源４が実際のミサイルの特性に見えるように疑似連続波レーザ赤外線照明光源４が有限期間より短い繰り返し間隔で動作する。

Description

本発明は、ミサイルを検知する複数の赤外線センサの検査と評価、及び作業者訓練において赤外線センサとともに使用される装置に関し、より詳しくは、有限期間の入射エネルギーを積分し、ミサイルを検知する複数の赤外線センサの検査と評価において使用される装置に関する。

従来の装置は、ミサイルを検知する複数の赤外線センサの検査と評価、及び作業者訓練において赤外線センサとともに使用される。従来の装置は、複数のセンサに照射する赤外線照明光源を備えている。この赤外線照明光源は、例えばキセノンアークランプ又は石英ハロゲンランプでもよい。また、赤外線照明光源は、炭素又は金属の細いフィラメントであってもよい。従来の装置は、赤外線ミサイル検知センサの試験と評価に使用される。赤外線ミサイル検知センサは、例えば飛行機に搭載されてもよい。

上記の従来の装置では、３乃至６μｍの中赤外帯域で高出力が得られるよう上述のランプや細いフィラメント等の赤外線照明光源が使用される。しかしながら、上記のランプや細いフィラメントを使用する従来の装置には下記のような問題があった。
１． 高出力光源として高入力が必要である。
２． 指定の帯域以外を減らす対策は熱管理問題に至る。
３． 要求された赤外帯域以外の光を生成すると、生成された波長が原因で実用的でない動作条件になる。この実用的でない動作条件には、目の安全に関することや光源の変換に関することが含まれている。
４． 任意の照明システムのビーム幅は、光源の広がり及び開口の制約で制限される。全ての赤外線ミサイル警告センサは、ほぼ３°のビーム幅が必要である。しかしながら、既存の赤外線照明光源で得られる３°よりもかなり大きいビーム幅は、指定された標的に対しては低パワー密度となるかもしれない。
５． 加熱したランプやフィラメントの変調には限度がり、現在の赤外線ミサイル検知センサに対しては十分である。しかしながら、将来の更に発達した赤外線ミサイル検知センサに対応する能力はない。
６． 通常の動作と赤外線照明光源に関係する高い電磁放射が、問題のある大きさで生成されるかもしれない。これはランプという形での赤外線照明光源の問題である。
７． 既知の赤外線照明光源では、開口制限内で赤外線パワーを十分に生成することができない。例えば、飛行機に搭載されているときには、赤外線センサに実際の光源の広がりを示すために開口制限が決定される。これは画像システムが使用される場合である。

本発明は、上記問題を減らすことができる装置を提供することを目的とする。

したがって、本発明の装置は、有限期間の入射エネルギーを積分する複数の赤外線センサを使用する複数のミサイル検知システムの検査と評価、及び作業者訓練で使用する装置であって、前記装置は、前記赤外線センサに赤外線を照射する少なくとも１つの赤外線照明光源を備え、前記赤外線照明光源は、振幅、パルス幅、パルス繰り返し間隔変調回路によってデューティ及びピークパワーが制御された疑似連続波レーザ赤外線照明光源であって、前記赤外線センサには前記疑似連続波レーザ赤外線照明光源が実際のミサイルの特性に見えるように前記疑似連続波レーザ赤外線照明光源が前記有限期間より短い繰り返し間隔で動作する構成を有している。

本発明の装置は、既知の装置と比較して、疑似連続波レーザ赤外線照明光源を使用することに利点がある。上記の赤外線照明光源と比較した場合、疑似連続波レーザ赤外線照明光源の利点は下記の通りである。
１． 赤外線ミサイル検知センサは、非常に狭い帯域の波長の赤外線だけに応答するのに対し、現在使用されている赤外線照明光源は、非常に広い帯域の波長の赤外線を放出している。疑似連続波レーザ赤外線照明光源は、任意の開口で、任意の入力パワーで、優れた帯域内パワー出力を示し、高効率放射装置である。
２． 疑似連続波レーザ赤外線照明光源の電力供給要求は、現在使用される又は既知の赤外線照明光源よりも低い。本発明の装置は、スイッチングに関して低い電力で制御するという要件がある。これによって既知の及び現在使用されている赤外線照明光源に比べて電力互換性の問題が少なくなる。
３． 疑似連続波レーザ赤外線照明光源は、現在使用される又は既知の赤外線照明光源によって引き起こされる目の安全性の問題に比べてかなり少ない。
４． パルス状のレーザ光源は、赤外線の広い周波数帯域で有効である。照明光源のスペクトル特性が特定の用途に効率的に変えられる。これには、複数の光源を使用して複雑なスペクトルを生成することも含まれる。これは、照明光源の正確さを決定する弁別器としてスペクトル特性を使用する赤外線検知器に関することである。
５． 疑似連続波レーザ赤外線照明光源は、ミサイル検知システムで最速の特性よりも早い速度で変調可能である。
６． 疑似連続波レーザ赤外線照明光源は、点光源に近似でき、光学素子は、特定の用途のレーザビームを最適化し、任意のビーム幅の照準パワーを最大にするように設計されている。

本発明の第１の実施の形態では、装置の疑似連続波レーザ赤外線照明光源がレーザによって励起される光パラメトリック発振器である。

励起レーザは、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザでもよい。また、他の種類のレーザが使用されてもよい。光パラメトリック発振器は、本発明の装置内で十分なパワーを与えることができる。

変調回路は、音響光学変調器を備えてもよい。音響光学変調器は、光パラメトリック発振器の前に配置するのが好ましい。このような配置が、光パラメトリック変調器の出力で、より長い波長に必要なカスタマイズされた低効率の変調器とは対照的に、共通で、高効率で、低コストの変調器の使用を可能にしている。光パラメトリック発振器は、周期的に分極したニオブ酸リチウムの結晶で構成されるのが好ましいが、他の光パラメトリック発振器が使用されてもよい。

本発明の第１の実施の形態では、疑似連続波レーザ赤外線照明光源が、不要な波長を分離する少なくとも１つのミラーと、光パラメトリック発振器の空洞を形成する少なくとも１つのミラーと、光パラメトリック発振器にレーザビームを集光させる少なくとも１つのレンズと、不要な波長を受け取る少なくとも１つのビームシンクとを含んでもよい。

不要な波長を分離する２つミラーがあるのが好ましい。光パラメトリック発振器の空洞を形成する２つのミラーがあるのが好ましい。不要な波長を受け取る２つビームシンクがあるのが好ましい。

レーザは、要求されたビームの発散及び出力開口の大きさを設定するためにビームを成形する光学ユニットを含んでもよい。光学ユニットは、ファセット光学ユニットでもよい。ファセット光学ユニットは、ファセットミラーユニットであることが好ましい。

ファセットミラーユニットは、発散レンズ、リフレクター、リフレクターで反射された赤外線を受け取るファセット複合ミラーを備えてもよい。また、ファセットミラーユニットは、環境に影響されないよう装置を密閉する窓を含むのが好ましい。

本発明の第２の実施の形態では、疑似連続波レーザ赤外線照明光源が量子カスケードレーザである。

通常、本発明の装置では、量子カスケードレーザの配列で十分なパワーを確保している。更に、量子カスケードレーザ間のスペクトル応答の僅かの変動のため、レーザの配列は、特定の用途に必要とされる大きなスペクトルの多様性が確保される。

本発明の第２の実施の形態の装置は、レーザビームを平行光線にするコリメータ手段を含んでもよい。

量子カスケードレーザの配列は、多数の量子カスケードレーザチップの配列であって、コリメータ手段は、量子カスケードレーザチップ毎に少なくとも１つのコリメータレンズを備えている。コリメータ手段は、出力開口の大きさを増すために少なくとも１つのファセット光学ユニットを備えてもよい。

図１及び２には、有限期間の入射エネルギーを積分し、ミサイルを検知する複数の赤外線センサの検査と評価、及び作業者訓練において複数の赤外線センサとともに使用される本発明の実施の形態の装置２が示されている。この装置２は、複数の赤外線センサに赤外線を照射する少なくとも１つの赤外線照明光源を備えている。この赤外線照明光源は、振幅、パルス幅、パルス繰り返し間隔変調回路によってデューティ及びピークパワーが制御された疑似連続波レーザ赤外線照明光源である。赤外線センサには疑似連続波レーザ赤外線照明光源が実際のミサイルの特性に見えるように疑似連続波レーザ赤外線照明光源が有限期間より短い繰り返し間隔で動作する。この疑似連続波レーザ赤外線照明光源は、光パラメトリック発振器４であり、レーザ６によって励起される。レーザ６は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザである。

変調回路は、レーザビーム１０の時間的出力プロファイルを正確に生成するためにレーザビーム１０を変調し、制御する音響光学変調器８を備えている。図１に示すように、音響光学変調器８は、光パラメトリック発振器４の前に配置される。音響光学変調器８は、周期的に分極したニオブ酸リチウムの結晶によって構成される。光パラメトリック発振器の後に音響光学変調器８が配置するのが一般的なやり方であり、光パラメトリック発振器４の前に音響光学変調器８を配置することは、革新的で、利点がある。光パラメトリック発振器４の後に音響光学変調器８を配置すると、下記の利点がある。光パラメトリック発振器４の前に配置されたときの音響光学変調器８が変調する必要がある波長は、光パラメトリック発振器４の後に配置されたときの好ましい波長よりも短い。光パラメトリック発振器４の前に配置されたとき、音響光学変調器８の光学仕様がより低いことを意味している。例えば、１ｕｍ領域の既成の音響光学変調器のコストは、それと等価な中赤外音響光学変調器に比べてかなり少ない。

レーザヘッドは、レーザ光源、電源、および必要なレーザ構成部品を含んでいる。

装置２は、必要でない波長を分離する２つのミラー１２、１４と、メニスカスを形成し、光パラメトリック発振器４の空洞を形成する２つのミラー１６、１８を含んでいる。レンズ２０は、レーザビーム１０を光パラメトリック発振器４に集光させている。ビームシンク２２、２４は、不要な波長を受け取るために設けられている。ファセット光学ユニット２６は、要求された発散と開口の大きさを設定するために設けられ、ビーム２５をビーム２８に成形している。

図２に示すように、ファセット光学ユニット２６は、ファセットミラーユニットであり、任意の発散レンズ３０と、任意のリフレクター３２と、ファセット複合ミラー３４と、出口窓３６とを備えている。ファセット複合ミラー３４は、リフレクター３２で反射した赤外線エネルギーを受け取るものである。図を簡潔にするため、４つのファセットで構成されたファセット複合ミラー３４が示されているが、ファセットの実際の数は、形成されたビーム２８の要求された最終ビーム幅と要求された有効開口の大きさに依存している。出口窓３６は、図２に示すようにファセット複合ミラー３４から赤外線エネルギーを受け取る。

図２に示されたファセット光学ユニット２６では、ファセット複合ユニット３４がリフレクター３２で反射された赤外線ビームの光学路を曲げている。その画像は、多数の個別の光源のように見える。例えば、４０個のファセットがあってもよい。複合光源は、各光源の組合せとして見え、開口全域に広がっている。飛行機上の赤外線センサは、遠距離にある複数の点光源を分解して識別できないので、広がりのある光源のように見える。赤外線センサが赤外線照明光源を誤報として片付けるなら、この光源の操作が必要不可欠である。ファセット複合ミラー３４の２つ目の目的は、出力ビームが十分な幅と高さを有し、必要に応じて照明する、例えば、飛行機全体を照明するよう確保することである。それ固有の特性によってレーザビーム２５は狭く、それが光学的に不変なら、飛行機等の物体の一部を照明するだけである。

図３には、装置３８が部分的に示されている。その装置３８の疑似連続波レーザ赤外線照明光源は、量子カスケードレーザ４２の配列４２である。量子カスケードレーザ４２の配列４２は、個々の量子カスケードレーザ４２が量子カスケードレーザチップである。装置３８は、レーザビーム５２をレーザビーム４６の平行光線にするコリメータ手段４４を含んでいる。コリメータ手段４４は、量子カスケードレーザチップ毎に個別のコリメータレンズ４８を備えている。図３に示すように、装置３８は、ビーム形状制御ユニット５０を備えている。

装置３８のパワーは、配列４０で使用された量子カスケードレーザ４２の数で決定される。低パワーの用途では、レーザの数が１つでもよい。レーザビーム５２が広げられ、図２に示された１つ又は複数のファセット光学ユニットを用いて成形されてもよい。この場合、発散するレーザビーム５２を出力する量子カスケードレーザ４２として発散レンズ３０がなくてもよい。高パワーの用途では、複数の量子カスケードレーザと、配列４０の空間広がりの性質によって、それ自体が適切な光学開口を有する。図３は、高パワー用途の装置を示している。量子カスケードレーザチップ４２毎にレーザビーム５２を適切なコリメータレンズ４８で平行光線にする必要がある。各量子カスケードレーザのチャンネルは、１つの光学開口を提供する。例えば、５００ｍ以上の遠距離で飛行機上の赤外線センサは、詳細に解像できないので、配列４０は一つの広がった光源のように見える。発散と開口の要求が満たされるように、個々に平行光線にされたビーム４６が光学系で更に広げられ、又は成形されることができる。

装置３８では、変調駆動回路５３で変調が達成される。個々の量子カスケードレーザ４２は、パルス幅、パルス繰り返し間隔、パルス振幅を制御する変調駆動回路を有している。量子カスケードレーザ４２は、非常に高いパルス繰り返し周波数で動作できる。この周波数は、ミサイル検知用の赤外線センサの時定数よりもずっと早く、疑似連続波ビームを生成し、赤外線センサが実際の脅威と判定する。組合せられた３つの変調パラメータによって、システムのダイナミックレンジを最大にする。また、出力パワーを制御するデューティ変調によって、赤外線センサを照明する赤外線照明光源を備える既知の装置で達成されるものと比較し、ほぼ線形の繰り返し制御機能が提供され、装置３８がより正確で再現可能な光源が生成される。量子カスケードレーザ４２から出力される比較的低い個々のパワーは、配列４０が要求の厳しい用途に必要であることを意味している。配列４０では、個々のチャンネルからのパルスがインターリーブされ、配列４０の量子カスケードレーザ４２の数に比例する因子によって各チャンネルのパルス繰り返し周波数の要件が下がる。その結果、配列の大きさの増加によってシステムのダイナミックレンジが改善される。

大気は、シンチレーションの過程を経て、レーザが使用されているシステムの品質や動作に影響する。図３に示された装置３８では、下記のようにしてこの影響のリスクに対処している。
１． 空間的に分布した多数の光源が、有効光源の広がりを増す。
２． 個々の開口/レンズの大きさがチャンネル毎に最大化される。
３． パルスインターリービングは、チャンネル間の干渉がないよう確保される。
４． 量子カスケードレーザ毎のチャンネルの広帯域及びマルチモード特性が、短いパルス繰り返しと相まって、従来のレーザのそれよりもコヒーレンス長を減じている。

添付の図面を参照して説明した本発明の実施の形態は、ほんの一例であり、改良されてもよい。

本発明の実施例は、添付図面を参照しながら説明される。
図１は、ミサイルを検知する複数の赤外線センサの検査と評価、及び作業者訓練において複数の赤外線センサとともに使用される第１の装置を示している。 図２は、図１に示された装置を部分的に詳しく示している。 図３は、ミサイルを検知する複数の赤外線センサの検査と評価、及び作業者訓練において複数の赤外線センサとともに使用される第２の装置を部分的に示している。

符号の説明

２、３８ 装置
４ 疑似連続波レーザ赤外線照明光源
６ レーザ
８ 音響光学変調器
１０、２５、２８、４６、５２ レーザビーム
１２、１４、１６、１８ ミラー
２０ レンズ
２２、２４ ビームシンク
２６ ファセット光学ユニット
３０ 発散レンズ
３２ リフレクター
３４ ファセット複合ミラー
３６ 出口窓
４０ 配列
４２ 量子カスケードレーザ
４４ コリメータ手段
４８ コリメータレンズ
５０ ビーム形状制御ユニット
５３ 変調駆動回路

Claims (19)

1. 有限期間の入射エネルギーを積分する複数の赤外線センサを使用する複数のミサイル検知システムの検査と評価、及び作業者訓練で使用する装置であって、前記装置は、前記赤外線センサに赤外線を照射する少なくとも１つの赤外線照明光源を備え、
   前記赤外線照明光源は、振幅、パルス幅、パルス繰り返し間隔変調回路によってデューティ及びピークパワーが制御された疑似連続波レーザ赤外線照明光源であって、
   前記赤外線センサには前記疑似連続波レーザ赤外線照明光源が実際のミサイルの特性に見えるように前記疑似連続波レーザ赤外線照明光源が前記有限期間より短い繰り返し間隔で動作することを特徴とする装置。
2. 前記疑似連続波レーザ赤外線照明光源は、レーザによって励起される光パラメトリック発振器であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記レーザは、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記変調回路は、音響光学変調器を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の装置。
5. 前記音響光学変調器は、前記光パラメトリック発振器の前に配置することを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記光パラメトリック発振器は、周期的に分極したニオブ酸リチウムの結晶によって構成されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の装置。
7. 前記疑似連続波レーザ赤外線照明光源は、不要な波長の信号を分離する少なくとも１つのミラーと、前記光パラメトリック発振器の空洞を形成する少なくとも１つのミラーと、前記光パラメトリック発振器にレーザビームを集光させる少なくとも１つのレンズと、不要な波長を受け取る少なくとも１つのビームシンクとを含むことを特徴とする請求項４から請求項６までの何れかに記載の装置。
8. 不要な波長を分離する２つのミラーがあることを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 前記光パラメトリック発振器の空洞を形成する２つのミラーがあることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の装置。
10. 不要な波長を受け取る２つのビームシンクがあることを特徴とする請求項７から請求項９までの何れかに記載の装置。
11. 前記疑似連続波レーザ赤外線照明光源は量子カスケードレーザであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記量子カスケードレーザは、多数あることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記レーザビームを平行光線にするコリメータ手段を備えることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の装置。
14. 前記多数の量子カスケードレーザは、多数の量子カスケードレーザチップであって、前記コリメータ手段は、量子カスケードレーザチップ毎に少なくとも１つのコリメータレンズを備えることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の装置。
15. 前記量子カスケードレーザは、出力開口の大きさを増すために前記レーザビームを拡張する少なくとも１つの光学ユニットを含むことを特徴とする請求項４から請求項１０までと、請求項１１から請求項１２までの何れかに記載の装置。
16. 前記光学ユニットは、ファセット光学ユニットであることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 前記ファセット光学ユニットは、ファセットミラーユニットであることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記ファセットミラーユニットは、少なくとも１つの発散レンズと、少なくとも１つのリフレクターと、前記リフレクターで反射された赤外線エネルギーを受け取る少なくとも１つのファセット複合ミラーとを備えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 環境に影響されないよう前記装置を密閉する窓を含むことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
    

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