ПЕЛЕНГАТОР ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА
OPTICAL RANGE BEARING FINDER

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано для определения угловых координат различных удаленных отражающих или излучающих в оптическом диапазоне объектов.
Известен угломерный инструмент, называемый астрономическим посохом [1], представляющий собой трость с визиром и с нанесенной вдоль трости шкалой. На трости укреплена с возможностью перемещения вдоль трости поперечная планка с двумя визирами на ее концах. Передвигая поперечную планку вдоль трости, необходимо совместить визир, находящийся на трости у глаза наблюдателя, и визир на левом конце поперечной планки таким образом, чтобы они совпали с направлением на первую звезду, а визир, находящийся у глаза наблюдателя, и визир на правом конце поперечной планки необходимо совместить таким образом, чтобы они совпали с направлением на вторую звезду. Отсчет положения поперечной планки по шкале, нанесенной на трость, дает угловое расстояние между звездами. Недостаток известного технического решения заключается в низкой точности измерений.
Известны также многочисленные варианты угломерных устройств, например, теодолиты [2], гониометры [3], секстанты [4], в которых измерение углов осуществляется с помощью угловой шкалы или ее части. Недостатком таких устройств является низкая точность измерений.
Известны различные варианты оптических пеленгаторов, например, описанное в [5] техническое решение, в котором малое зеркало телескопа, приводимое в движение электродвигателем, осуществляет круговое движение сфокусированного пятна по матрице фотоприемников. Подсветка объекта осуществляется импульсным лазером. Система обработки осуществляет подсчет числа импульсов на выходе каждого элемента матрицы фотоприемников и рассчитывает угловые координаты объекта. Недостатки описанного пеленгатора заключаются в низком быстродействии, обусловленном необходимостью механического движения малого зеркала телескопа и в сложности обработки сигналов с матрицы фотоприемников.
Известен оптический пеленгатор [6], содержащий последовательно расположенные на оптической оси приемную оптическую систему, приводимый в движение электродвигателем полудисковый модулятор, выполненный в форме вращающейся вокруг оптической оси непрозрачной пластины, имеющей форму полукруга, и фотоприемник, а также последовательно соединенные фильтр и измеритель разности фаз, причем выход фотоприемника соединен с входом фильтра, синхронизующий выход электродвигателя соединен с вторым входом измерителя разности фаз, середина прямого края полудиска совмещена с оптической осью, а фильтр настроен на пропускание гармонического сигнала с частотой, равной частоте вращения полудиска. Недостатком известного технического решения является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью механического вращения полудиска. Кроме того, известный оптический пеленгатор позволяет определить только угловую полярную координату положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости приемной оптической системы, то есть направление отклонения волнового вектора принимаемого оптического излучения от оптической оси приемной оптической системы, а для однозначного определения направления прихода оптического излучения необходимо определять также и радиальную полярную координату положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости, то есть величину отклонения волнового вектора принимаемого оптического излучения от оптической оси приемной оптической системы.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является описанный в [7] оптический пеленгатор, содержащий фокусирующую приемную оптическую систему, два поляризатора, два светоделителя, поглощающий клин, ротационный клин, три фотоприемника, два усилителя, два делителя, преобразователь и регистрирующий блок, при этом фокусирующая приемная оптическая система, первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор и первый фотоприемник расположены последовательно на оптической оси, причем второй фотоприемник расположен на пути отраженного от первого светоделителя луча, третий фотоприемник расположен на пути отраженного от второго светоделителя луча, выход первого фотоприемника соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом первого делителя, выход первого делителя соединен с входом преобразователя, выход третьего фотоприемника соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с первым входом второго делителя и вторым входом первого делителя, выход второго фотоприемника соединен с вторым входом второго делителя, градиент пропускания поглощающего клина параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, градиент угла поворота ротационного клина параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, выход второго делителя соединен с первым входом регистрирующего блока, а выход преобразователя соединен с вторым входом регистрирующего блока.
Недостаток известного оптического пеленгатора заключается в низкой достоверности измерений, что обусловлено появлением погрешности измерений при нахождении в поле зрения фокусирующей приемной оптической системы более одного отражающего (или светящегося) объекта.
Задачей изобретения является повышение достоверности измерений.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее фокусирующую приемную оптическую систему, два поляризатора, два светоделителя, поглощающий клин, ротационный клин, три фотоприемника, два усилителя, два делителя, преобразователь и регистрирующий блок, при этом фокусирующая приемная оптическая система, первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор и первый фотоприемник расположены последовательно на оптической оси, причем второй фотоприемник расположен на пути отраженного от первого светоделителя луча, третий фотоприемник расположен на пути отраженного от второго светоделителя луча, выход первого фотоприемника соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом первого делителя, выход первого делителя соединен с входом преобразователя, выход третьего фотоприемника соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с первым входом второго делителя и вторым входом первого делителя, выход второго фотоприемника соединен с вторым входом второго делителя, градиент пропускания поглощающего клина параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, градиент угла поворота ротационного клина параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, выход второго делителя соединен с первым входом регистрирующего блока, а выход преобразователя соединен с вторым входом регистрирующего блока, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит вторую фокусирующую приемную оптическую систему, диафрагму, привод диафрагмы, третий светоделитель и окуляр, причем вторая фокусирующая приемная оптическая система, диафрагма и светоделитель расположены последовательно на оптической оси перед фокусирующей приемной оптической системой, диафрагма расположена в фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы, окуляр расположен на пути отраженного от третьего светоделителя луча, а выход привода диафрагмы соединен с управляющим входом диафрагмы.
Такое построение заявляемого пеленгатора оптического диапазона повышает достоверность измерений за счет обеспечения возможности выбирать с помощью диафрагмы один объект, угловые координаты которого необходимо измерить. При этом привод диафрагмы обеспечивает ей возможность изменения размера отверстия и ее положения в фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы.
Сущность заявленного пеленгатора оптического диапазона поясняется описанием конкретного варианта выполнения и прилагаемым чертежом, на котором приведена схема заявленного устройства.
Пеленгатор оптического диапазона содержит фокусирующую приемную оптическую систему 1, два поляризатора 2 и 3, два светоделителя 4 и 5, поглощающий клин 6, ротационный клин 7, три фотоприемника 8, 9 и 10, два усилителя 11 и 12, два делителя 13 и 14, преобразователь 15 и регистрирующий блок 16, при этом фокусирующая приемная оптическая система 1, первый поляризатор 2, первый светоделитель 4, поглощающий клин 6, ротационный клин 7, второй светоделитель 5, второй поляризатор 3 и первый фотоприемник 8 расположены последовательно на оптической оси, причем второй фотоприемник 9 расположен на пути отраженного от первого светоделителя 4 луча, третий фотоприемник 10 расположен на пути отраженного от второго светоделителя 5 луча, выход первого фотоприемника 8 соединен с входом первого усилителя 11, выход первого усилителя 11 соединен с первым входом первого делителя 13, выход первого делителя 13 соединен с входом преобразователя 15, выход третьего фотоприемника 10 соединен с входом второго усилителя 12, выход второго усилителя 12 соединен с первым входом второго делителя 14 и вторым входом первого делителя 13, выход второго фотоприемника 9 соединен с вторым входом второго делителя 14, градиент пропускания поглощающего клина 6 параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1, градиент угла поворота ротационного клина 7 параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1, выход второго делителя 14 соединен с первым входом регистрирующего блока 16, а выход преобразователя 15 соединен с вторым входом регистрирующего блока 16. Заявленный пеленгатор оптического диапазона также содержит вторую фокусирующую приемную оптическую систему 17, диафрагму 18, привод 19 диафрагмы 18, третий светоделитель 20 и окуляр 21, причем вторая фокусирующая приемная оптическая система 17, диафрагма 18 и третий светоделитель 20 расположены последовательно на оптической оси перед фокусирующей приемной оптической системой 1, диафрагма 18 расположена в фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы 17, окуляр 21 расположен на пути отраженного от третьего светоделителя 20 луча, а выход привода 19 диафрагмы 18 соединен с управляющим входом диафрагмы 18.
Пеленгатор оптического диапазона работает следующим образом. Оптическое излучение от удаленного объекта принимается второй фокусирующей приемной оптической системой 17, проходит через отверстие в диафрагме 18 и попадает на третий светоделитель 20. Отраженное от третьего светоделителя 20 оптическое излучение проходит через окуляр 21 и наблюдается оператором, который при наличии в поле зрения нескольких объектов выбирает требуемый объект и с помощью привода 19 диафрагмы 18 регулирует положение отверстия диафрагмы 18 в фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы 17 и размер отверстия диафрагмы 18 таким образом, чтобы через отверстие диафрагмы 18 проходило оптическое излучение только от требуемого объекта. Эта операция может производиться в ручном, автоматическом или полуавтоматическом режимах, во втором случае анализ изображения, выбор требуемого объекта, а также выбор размера отверстия диафрагмы 18 и положение отверстия диафрагмы 18 в фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы 17 осуществляет компьютер. Возможно также осуществление полуавтоматического режима. В полуавтоматическом режиме часть указанных операций выполняет оператор, а остальные операции выполняет компьютер.
1
1
1
2
2
1
2
2фп
2
1
2
2
3
3
3
3
1
2
3
1
2
3
4
4
5
5
1
2
3
4
6
6
1
2
3
4
6
3фп
3
1
2
3
4
6
3
1
2
3
4
6
7
5
7
1фп
1
1
2
3
4
6
7
5
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
2
Прошедшее через третий светоделитель 20 оптическое излучение проходит через фокусирующую приемную оптическую систему 1 и первый поляризатор 2, в результате чего оно становится линейно поляризованным. Пусть мощность прошедшего через фокусирующую приемную оптическую систему 1 оптического излучения равна J, тогда после прохождения через первый поляризатор 2 его мощность становится равной KJ, где K - коэффициент пропускания первого поляризатора 2. Мощность прошедшего через первый светоделитель 4 оптического излучения равна KKJ, где K - коэффициент пропускания первого светоделителя 4, а мощность отраженного от первого светоделителя 4 оптического излучения равна K(1-K)J. Электрический сигнал U на выходе второго фотоприемника 9 будет равен αK(1-K)J, где α - крутизна характеристики второго фотоприемника 9. Оптическое излучение, прошедшее через первый светоделитель 4, проходит через поглощающий клин 6, градиент пропускания которого направлен вдоль координаты Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Пусть коэффициент пропускания K поглощающего клина 6 можно записать в виде K=K Х, где K  - постоянный коэффициент. Тогда мощность оптического излучения на выходе поглощающего клина 6 будет равна KKK XJ. Мощность прошедшего через ротационный клин 7 оптического излучения будет равна KKK KXJ, где K - коэффициент пропускания ротационного клина 7. Ротационный клин 7 осуществляет поворот плоскости поляризации прошедшего через него оптического излучения на угол φ, причем градиент угла поворота φ направлен вдоль оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Пусть угол поворота φ плоскости поляризации оптического излучения можно записать в виде φ=KY, где K - постоянный коэффициент. Мощность оптического излучения, прошедшего через второй светоделитель 5, будет равна KKK KKXJ, где K- коэффициент пропускания второго светоделителя 5, а мощность отраженного от второго светоделителя 5 оптического излучения будет равна KKK K(1-K)XJ. Электрический сигнал U на выходе третьего фотоприемника 10 будет равен αKKK K(1-K)XJ, где α - крутизна характеристики третьего фотоприемника 10. После прохождения через второй светоделитель 5 оптическое излучение проходит через второй поляризатор 3. Пусть ось максимального пропускания второго поляризатора 3 параллельна оси максимального пропускания первого поляризатора 2. Тогда в соответствии с законом Малюса [8] мощность прошедшего через второй поляризатор 3 оптического излучения будет равна KKK KKKXJ·cos(KY), где K- коэффициент пропускания второго поляризатора 3. Электрический сигнал U на выходе первого фотоприемника 8 будет равен αKKK KKKXJcos(KY), где α - крутизна характеристики первого фотоприемника 8.
3фп
9
Электрический сигнал U с выхода третьего фотоприемника 10 поступает на вход второго усилителя 12, коэффициент усиления K которого имеет вид:
.
2ус
Поэтому сигнал U на выходе второго усилителя 12 будет иметь вид:
2ус
2д
Сигнал U с выхода второго усилителя 12 поступает на первый вход второго делителя 14, а на второй вход второго делителя 14 поступает сигнал с выхода второго фотоприемника 9. В соответствии с этим сигнал U на выходе второго делителя 14 будет равен отношению сигнала на первом его входе к сигналу на втором его входе, а именно:
.
1фп
8
Электрический сигнал U с выхода первого фотоприемника 8 попадает на вход первого усилителя 11, коэффициент усиления которого K имеет вид:
.
1ус
Поэтому сигнал U на выходе первого усилителя 11 будет иметь вид:
1ус
2ус
1д
Сигнал U с выхода первого усилителя 11 поступает на первый вход первого делителя 13, а на второй вход первого делителя 13 поступает сигнал U с выхода второго усилителя 12. В соответствии с этим сигнал U на выходе первого делителя 13 будет равен отношению сигнала на его первом входе к сигналу на его втором входе, а именно:
.
1д
5
-1
Сигнал U с выхода первого делителя 13 поступает на вход преобразователя 15, который последовательно проводит следующие операции: извлечение квадратного корня, взятие арккосинуса и усиление с коэффициентом усиления, равным (K). Таким образом, сигнал на выходе преобразователя 15 будет равным Y.
Принимая значения координаты Х сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 на первый вход регистрирующего блока 16 и значения координаты Y сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 на второй вход регистрирующего блока 16, регистрирующий блок 16 определяет угловые координаты удаленного лоцируемого объекта.
3
8
9
Реализация заявленного пеленгатора оптического диапазона не вызывает затруднений, так как все его блоки, узлы и элементы широко применяются в оптике и электронике. Так, поглощающий клин 6 может быть выполнен из однородного поглощающего материала, толщина которого линейно изменяется вдоль оси Х либо в виде плоско-параллельной пластины, концентрация поглощающих частиц в которой линейно изменяется вдоль оси X. Ротационный клин 7 может быть выполнен из однородного материала, обладающего оптической активностью [8] в форме клина, толщина которого линейно изменяется вдоль оси Y либо в виде плоско-параллельной пластины, концентрация оптически активных частиц в которой линейно изменяется вдоль оси Y. Ротационный клин 7 может быть также выполнен из материала, обладающего электрооптическим эффектом (эффект Керра [9] или эффект Поккельса [10]) либо магнитооптическим эффектом (эффект Фарадея [11] или эффект Коттона-Мутона [12]). Следует отметить, что линейность зависимости K от Х и φ от Y не является обязательным требованием, эти зависимости могут иметь более сложный вид, тогда выражения для коэффициентов усиления K первого усилителя 11 и K второго усилителя 12 будут иметь более сложный вид, чем указано выше.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Зигель Ф.Ю. Астрономы наблюдают. М.: Наука, 1985. С.7-8 (рис.2).
2. Соловьев В.А., Яхонтов В.Е. Основы измерительной техники. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980. С.78-82.
3. Соловьев В.А., Яхонтов В.Е. Основы измерительной техники. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980. С.73-77.
4. Советский энциклопедический словарь. / Научно-редакционный совет; А.М.Прохоров (пред.). М.: Сов. энциклопедия, 1981. С.1201.
5. Патент Великобритании №1426745, МПК G01S 3/78.
6. Фукс-Рабинович Л.И., Епифанцев М.В. Оптико-электронные приборы. Л.: Машиностроение, 1979. С.90-92.
7. Бурлуцкий С.Г., Саккулин А.Н., Рудой Е.М., Экало А.В., Янов В.Г. Оптический пеленгатор. Патент №2231080 на изобретение, приоритет 24.03.2003, публ. 20.06.2004, МПК 7 G01S 3/78/.
8. Яворский В.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1971. С.671-673.
9. Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. А.М.Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1984. С.280-281.
10. Там же. С.560.
11. Там же. С.802-803.
12. Там же. С.317.