СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕЛЕНГАЦИИ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD AND DEVICE TO TAKE BEARING TO OPTICAL RADIATION POINT SOURCE

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а более конкретно к способам и устройствам пеленгации источников лазерного излучения, таких как дальномер либо целеуказатель, и может быть использовано в системах самозащиты подвижных объектов военной техники (например, бронетанковой) от управляемого оружия путем постановки оптических либо других помех в направлении угрозы.
Известен способ пеленгации источников оптического излучения, основанный на использовании секторного обзора контролируемого пространства [1-4]. Пеленгаторы, реализующие этот способ, содержат входную оптическую систему, наборы фотоприемников, усилителей фототоков и пороговых элементов. Просматриваемое такими пеленгаторами поле зрения разбито по числу фотоприемников на ряд элементарных участков (секторов) и угловое положение регистрируемого источника определяется по номеру (позиции) облученного фотоприемника.
Недостатком известного способа является то, что в случае необходимости достижения высокой точности в определении направления на источник излучения, особенно в пределах широкого поля зрения, требуется большое количество фотоприемников, усилителей и пороговых элементов.
n
Этот недостаток устранен в способе, наиболее близком предлагаемому изобретению и использующем для определения направления на источник принцип пространственного кодирования в двоичной системе счисления (коде Грея) [5, 6]. Здесь число разрешаемых дискретов (положений источников излучения) равно 2, где n - число оптико-электронных каналов, при этом каждый из каналов формирует сигналы соответствующего разряда кода и включает в себя последовательно расположенные и оптически связанные входную оптическую систему, кодирующую маску и фотоприемник, выход которого через усилитель связан с пороговым элементом. Чувствительные площадки фотоприемников, в качестве которых используются фотодиоды, установлены в фокальной плоскости оптической системы и направление на источник излучения определяется выходными сигналами облученных и необлученных фотоприемников, т.е. по коду.
Известным способом пеленгации (с секторным обзором и кодированием пространства) присущ общий недостаток - низкая устойчивость к воздействию оптической синфазной помехи, обусловленной рассеянием излучения на входной оптике, а также переотражениями от элементов конструкции носителя, окружающих предметов и самого фотоприемника.
Известные технические решения, направленные на повышение помехозащищенности, предусматривают для способа с секторным обзором сравнение выходных сигналов соседних (смежных) фотоприемников и выделение для дальнейшего учета максимального из них [7-9]; для способа с кодированием пространства - введение в каждый из оптико-электронных каналов дополнительного канала, аналогичного основному, кодирующая маска в котором выполняется «негативным» рисунком, т.е. прозрачным участкам маски (с «позитивным» рисунком) основного канала соответствуют непрозрачные участки дополнительного и наоборот, а фотоприемники обоих каналов включаются на общую нагрузку дифференциально, благодаря чему на пороговый элемент подается разностный сигнал, компенсирующий помехи [10, 11]. Последний из указанных источников информации является прототипом (ближайшим аналогом).
К недостаткам известного способа пеленгации, использующего (при формировании сигналов каждого разряда кода) упомянутые выше два канала приема излучения с сопряженными фотоприемниками, следует отнести:
1) при заполевой засветке входного зрачка от источника, находящегося за пределами поля зрения и обладающего высокой интенсивностью излучения, синфазная помеха приводит к большому разбросу амплитуд выходных сигналов сопряженных фотоприемников, а соответственно и к существенному увеличению разностного сигнала, превышающему установленный пороговый уровень;
2) использование для пеленгации источника единой входной оптической системы требует установки чувствительных площадок фотоприемников на одной подложке, что затрудняет их гальваническую развязку и снижает устойчивость к электромагнитным наводкам;
3) в усилителях фототоков, особенно при работе в широком диапазоне регистрируемых энергетических экспозиций и принятии мер по повышению помехозащищенности, в частности, за счет ограничения полосы пропускания на низких частотах, могут возникнуть колебательные процессы, следствием которых явится появление (вслед за рабочими выходными импульсами) нерабочих импульсов противоположной полярности, а затем и «ложных», приводящих к ошибкам в оценке направления на излучатель.
Задачей, решаемой предлагаемым способом пеленгации источников точечного излучения, является повышение помехоустойчивости и достоверности выдачи данных о местоположении этих источников в просматриваемом поле зрения.
р
имп
з
имп
имп
Поставленная задача решается благодаря тому, что каждую из 2n совокупностей «маска-фотоприемник» оптически связывают с отдельной формирующей системой, поля зрения этих систем устанавливают одинаковыми, а оптические оси - параллельными. Формируемый код представляют состоящим из m старших и n-m младших разрядов, отвечающих условию n/(n-m)=2…3. Старшие разряды формируют выходными сигналами сопряженных фотоприемников соответствующих каналов при одновременном воздействии на них излучения, распределяемого таким образом, что энергия излучения, поступающего на фотоприемники через маску с «позитивным» рисунком, не менее чем в 1,3…1,5 раза превышает энергию, поступающую на фотоприемник через маску с негативным рисунком. Для формирования младших разрядов используют выходные сигналы при условии, когда на один из фотоприемников соответствующего канала, использующего маску с «позитивным» либо «негативным» рисунком, поступает энергия излучения, превышающая не менее чем в 2,0…2,5 раза энергию, поступающую одновременно на сопряженный с ним фотоприемник. Факт регистрации источника устанавливают по наличию хотя бы одного из сигналов младших разрядов. Для фиксирования сформированного кода вырабатывают сигнал разрешения (строб) записи длительностью Т=t/(1,5…2,5), а по его завершению (для исключения восприятия ложных сигналов рабочей полярности) - сигнал запрета длительностью Т=(1500…2000) t, где t - длительность рабочего выходного сигнала.
Данный способ пеленгации источника излучения реализуется устройством, содержащим n оптико-электронных каналов. Каждый из них состоит из оптически связанных с входной оптической системой и последовательно расположенных первой кодирующей маски и первого фотоприемника, второй кодирующей маски и второго фотоприемника, причем вторая кодирующая маска выполнена «негативным» рисунком в сравнении с рисунком первой маски, выполненным «позитивным». Оба фотоприемника включены на общую нагрузку дифференциально и связаны через операционные усилители с соответствующими пороговыми элементами, построенными с использованием компараторов-одновибраторов, одновременно выполняющих функции формирователей выходных сигналов разрядов двоичного кода Грея. Сигналы представлены логическими уровнями «1» либо «0», несущими информацию о координате источника. В устройство введены блок логической обработки сигналов кода, подключенный к выходам компараторов, и разветвитель фототоков, представленный состоящим из пяти резисторов и включенный в каждый из каналов формирования младших разрядов кода в цепь связи сопряженных фотоприемников с соответствующим усилителем. При этом первый из резисторов включен последовательно в цепь соединения первого из сопряженных фотоприемников со вторым. Один вывод этого резистора, связанный с первым фотоприемником, нагружен на второй резистор и подключен через третий резистор к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а другой вывод, связанный со вторым фотоприемником, нагружен на четвертый резистор и через пятый резистор подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя. В каналах формирования старших разрядов кода Грея общий вывод сопряженных фотоприемников нагружен на резистор и подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя. Сигналы младших разрядов кода формируют из выходных сигналов фотоприемников при условии, когда на один из фотоприемников соответствующего канала, использующего маску с «позитивным» либо с «негативным» рисунком, поступает энергия излучения, превышающая не менее чем в 2,0…2,5 раза энергию, поступающую одновременно на сопряженный с ним приемник. Сигналы старших разрядов кода формируют из выходных сигналов сопряженных фотоприемников соответствующих каналов при одновременном воздействии на них излучения, распределяемого таким образом, что энергия излучения, поступающего на фотоприемники через маску с «позитивным» рисунком, не менее чем в 1,3…1,5 раза превышает энергию, поступающую на фотоприемник через маску с «негативным» рисунком. Факт регистрации источника излучения в просматриваемом поле зрения устанавливают в блоке логической обработки сигналов кода по наличию хотя бы одного из сигналов младших разрядов, для передачи этой информации через блок сопряжения во внешнее управляющее устройство.
Составные части блока логической обработки сигналов: устройство коммутации, связанное с выходами компараторов, элемент ИЛИ, устройство стробируемой буферной памяти, элемент задержки, формирователи сигналов разрешения и запрета записи. Входы элемента ИЛИ подключены к выходам компараторов младших разрядов, а выход через элемент задержки - ко входу формирователя сигнала разрешения записи. Выход этого формирователя подключен к управляющему входу устройства стробируемой буферной памяти и ко входу формирователя сигнала запрета записи, выход которого связан с управляющим входом устройства коммутации. Сигналы, несущие информацию о координате пеленгуемого источника, записываются через устройство коммутации в буфер памяти устройства стробируемой буферной памяти.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в качестве критерия наличия в поле зрения пеленгатора источника излучения принимается факт срабатывания порогового элемента любого из каналов младших разрядов. Установлено, что при заполевых засветках разброс амплитуд сигналов, вызванных воздействием синфазной помехи на смежные фотоприемники в этих каналах, не превышает 2 раз. В то же время сигнал от источника излучения, находящегося в поле зрения устройства пеленгации, превышает сигналы синфазной помехи (в том числе и при максимальном уровне воспринимаемого излучения) не менее чем в 2,5…3,0 раза. Указанные различия в сигналах младших разрядов и используются для селекции источника излучения, что делает их определяющими при установлении для компараторов соответствующих порогов срабатывания. Для минимизации числа «ложных» тревог применен также принцип временного стробирования, позволяющий отселектировать рабочие сигналы от ложных и уменьшить наводки на входные каскады усилителя от действия «паразитных» обратных связей. Все это позволяет существенно увеличить помехоустойчивость в использовании пеленгатора в жестких условиях эксплуатации, повысить достоверность в определении направления на излучатель и значительно снизить уровень «ложных» тревог.
Совокупность предложенных признаков авторам неизвестна.
Предлагаемое изобретение поясняется иллюстративным материалом, представленным на фиг.1-6.
Фиг.1 и 2 поясняют действие способа, при этом фиг.1 иллюстрирует принцип формирования сигналов старших разрядов кода, фиг.2 - младших. Работа устройства пеленгации, реализующего способ, поясняется фиг.3-6, где на фиг.3 приведена структурная схема данного устройства, на фиг.4 и 5 - функциональные схемы входящих в устройство блоков преобразования оптического сигнала в электрический и логической обработки сигналов, на фиг.6 - временная диаграмма работы блока обработки сигналов по формированию сигналов разрешения и запрета записи кодов.
1
2
пор
1
2
Подавление синфазной помехи в каждом из m-каналов формирования старших разрядов (фиг.1), включающих в себя объективы 1 и 2 с совмещенными оптическими осями, кодирующие маски 3 (основная) и 4 (дополнительная), сопряженные фотоприемники 5 и 6, усилитель 7 и пороговый элемент 8, производится путем взаимного вычитания фототоков I и I, создаваемых приемниками 5 и 6 соответственно, а также сравнением выходного сигнала усилителя 7, выполняющего функции преобразователя ток - напряжение, с пороговым уровнем U, установленным для элемента 8 исходя из выполнения условия I≥(1,3…1,5)I. При этом на выходе элемента появится импульс  рабочей (положительной) полярности, свидетельствующий о регистрации источника излучения. Данный импульс соответствует логическому уровню «1» разряда двоичного кода Грея. Отсутствие рабочего импульса на выходе элемента 8 соответствует уровню "0" кода.
1
2
1
2
2
1
Каждый из n-m-каналов младших разрядов (фиг.2) содержит объективы 9 и 10, кодирующие маски 11 и 12, фотоприемники 13 и 14, разветвитель фототоков 15, два усилителя 16 и 17 и два пороговых элемента 18 и 19. Формированию выходных импульсов ( соответствуют более «жесткие» требования к соотношению между значениями фототоков I и I. Так, условие, создаваемое разветвителем 15 для появления на выходе порогового элемента 18 импульса рабочей (отрицательной) полярности, соответствующего уровню «1», представляется в виде I≥(2,0…2,5)I, а для появления на выходе элемента 19 также импульса рабочей, но положительной полярности, соответствующего уровню «0» - I≥(2,0…2,5)I. Появление любого из этих импульсов принимается как факт обнаружения источника в просматриваемом поле зрения и, следовательно, служит управляющим (командным) сигналом для записи всей кодовой комбинации.
Устройство пеленгации (фиг.3), реализующее способ, содержит блок пространственного кодирования поля зрения 20, блок преобразования оптического сигнала в электрический 21, блок формирования сигналов кода Грея 22, блок логической обработки сигналов 23 и блок сопряжения 24, предназначенный для передачи информации о координате зарегистрированного источника во внешнюю информационную сеть.
Блок пространственного кодирования 20 представляет собой совокупность 2n объективов с совмещенными в пространстве оптическими осями и соответствующими кодирующими масками, формирующими основной и дополнительный коды. Блок преобразования оптических сигналов в электрические 21 выполнен с использованием отдельных единичных фотоприемников, включенных попарно в схему взаимного вычитания фототоков и нагруженных на операционные усилители, реализующие принцип преобразования ток - напряжение. Блок формирования сигналов кода Грея 22 включают в себя компараторы-одновибраторы, подключенные к выходам усилителей, и в зависимости от полярности входных сигналов этих усилителей вырабатывающие сигналы логических уровней «1» либо «0». Блоки логической обработки сигналов 23 и сопряжения 24, выполненные с использованием цифровых элементов малой и средней степени интеграции, реализуют принцип временного стробирования в фиксировании кодовой информации и ее передачу во внешнею сеть.
Работа устройства пеленгации происходит следующим образом (фиг.3). Если регистрируемый источник находится в поле зрения оптической системы пеленгатора, прямое излучение от этого источника кодируется блоком 20, а затем подается на датчиковую (фотоприемную) часть блока 21, осуществляющего преобразование излучения в электрические сигналы. Последние с помощью блока формирования сигналов 22 преобразуются в сигналы (логические уровни) двоичного кода Грея, несущие в себе информацию о координате источника. Блок логической обработки сигналов 23 вырабатывает сигнал разрешения записи кода в устройство памяти этого блока и по запросу со стороны внешнего управляющего устройства происходит передача кода через блок сопряжения 24. После передачи этих данных устройство пеленгации устанавливается в дежурный режим работы. При восприятии оптической частью устройства пеленгации рассеянного излучения (от помехового источника или протяженного фона) на выходе блока преобразования 21 будут отсутствовать сигналы в связи с принятыми мерами по подавлению синфазных помех (сравнение фототоков, установление порогов на срабатывание и др.).
0
1
5
1
4
Приведенная на фиг.4 функциональная схема блока преобразования сигналов 21 реализует вариант представления информации о координате источника 6-разрядным кодом Грея, из которых 4 являются старшими и 2 младшими (n=6, m=4). Блок содержит 12 отдельных фотоприемников, включенных попарно (5 и 6, 13 и 14) в разностные схемы сравнения фототоков, нагруженные на резистор R, связанный с неинвертирующим входом операционного усилителя 7 (в каналах формирования старших разрядов), и на резисторы R-R, образующие разветвитель фототоков 15 и подключенные к инвертирующим входам усилителей 16 и 17 (в каналах младших разрядов). Выходы блока, в частности A-А,  и  связаны с соответствующими входами формирователей сигналов блока 22.
1
4
имп
р
зад
з
1
2
зад
имп
р
имп
з
имп
Работу блока логической обработки сигналов 23 рассмотрим по его функциональной схеме, показанной на фиг.5, и временной диаграмме процессов (эпюрам напряжений) на фиг.6. Составные части данного блока: устройство коммутации сигналов кода 25, связанное с выходами блока 22, элемент ИЛИ 26, устройство стробируемой буферной памяти 27, элемент задержки 28, формирователи сигнала разрешения записи кода 29 и сигнала запрета 30. Принятые обозначения на схеме и временной диаграмме: В-В,  и  - рабочие выходные сигналы кода длительностью t, сформированные блоком 22 и представляющие собой (в качестве примера) кодовую комбинацию логических уровней «010110», Т - длительность сигнала разрешения записи, t - время задержки в формировании этого сигнала относительно переднего фронта первого поступившего рабочего импульса младшего разряда кода (в данном случае это сигнал ) и Т - длительность сигнала запрета записи, C и С - линии поступления сигналов «готов к передаче» и «передать информацию» соответственно. Установленные соотношения между указанными выше временными параметрами: t=t/(4…5), Т=t/(1,5…2,5), Т=(1500…2000)t.
1
6
5
р
р
з
1
2
Сигналы B-В, несущие в себе информацию о координате источника, поступают в виде параллельного кода через устройство коммутации 25 на вход устройства стробируемой буферной памяти 27 для последующей их записи в буфере памяти этого устройства. Кроме того, сигналы двух младших разрядов (, ,  и ) дополнительно подаются на элемент ИЛИ 26. Передним фронтом первого из этих сигналов, для данного примера таким сигналом является уровень «1», реализующий сигнал В (фиг.6), меняется на обратный выходной потенциал элемента ИЛИ. Через элемент задержки 28 происходит срабатывание формирователя 29, формирующего строб разрешения записи Т. При этом код, соответствующий координате источника, записывается в буфер памяти устройства 27. По истечении времени, определяемом длительностью строба Т, формируется (с помощью формирователя 30) строб запрета Т и одновременно по линии связи C на вход блока сопряжения 24 поступает сигнал «готов к передаче». При наличии команды на линии связи С сигналы о координате источника (в виде последовательного кода) транслируются во внешнюю сеть.
Таким образом, предложенные способ и устройство пеленгации точечного источника оптического излучения обладают, в сравнении с прототипом и аналогами следующими основными преимуществами:
- помехозащищенностью к воздействию синфазных оптических помех при заполевых засветках, так и при воздействии электромагнитных полей на каналы усиления (преобразования) фототоков;
- высокими динамическим диапазоном и точностью пеленгования;
- простотой и компактностью построения составных частей пеленгатора (оптической, фотоприемной, электронной обработки сигналов);
- возможностью использования общерасходных (и сравнительно дешевых) фото-приемников, в частности одноплощадных фотодиодов с изолированными выводами.
Предложения по установлению конкретных предельных значений пороговых уровней для компараторов определены на основе результатов исследований помехозащищенности экспериментальных образцов пеленгаторов в широком диапазоне воздействующих факторов (при прямых и модулированных солнечных засветках; облучении оптико-приемной части прямым и рассеянным излучениями при углах, превышающих поле зрения; работе на подвижном носителе совместно с включенным на нем бортовым электрооборудованием и питании от бортовой сети).
Источники информации
1. Патент США №3699341, кл. G01t, опубл. 17.10.72 г.
2. Заявка ФРГ №2554846, кл. G01S, опубл. 08.07.76 г.
3. RLI laser warning device, «International Defense Review», v.10, №3, 1977 г., р.551.
4. Орлов В.А., Лазеры в военной технике, М., Военное изд-во МО СССР, 1976 г., стр.148.
5. Патент США №3440426, н.кл. 250-209, опубл. 01.05.69 г.
6. Патент США №5428215, кл. G01J, June 27, 1995.
7. Патент США №3518443, кл. H01i, опубл. 30.06.70 г.
8. Заявка ФРГ №2153032, кл. G01S, опубл. 12.08.76 г.
9. Авторское свидетельство СССР №13793, кл. C01S, 1979 г.
10. Приемные головки лазерного излучения ТШУ-1-11, ТШУ-1-1. Рекламный проспект ОАО «Красногорский завод», 2002 г.
11. Патент РФ №50048. Полезная модель - прототип.