ПАССИВНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ПЕЛЕНГАТОР

Полезная модель относится к оптической технике и может быть использована для определения угловых координат удаленных 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, техническое решение, описанное в [5], в котором малое зеркало телескопа, приводимое в движение электродвигателем, осуществляет круговое движение сфокусированного пятна по матрице фотоприемников. Освещение объекта осуществляется импульсным лазером. Система обработки осуществляет подсчет числа импульсов на выходе каждого элемента матрицы фотоприемников и рассчитывает угловые координаты объекта. Недостатки описанного технического решения заключаются в низком быстродействии, обусловленном необходимостью механического движения малого
зеркала телескопа, и в сложности обработки сигналов с матрицы фотоприемников.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является оптический пеленгатор, описанный в [6]. Он содержит последовательно расположенные на оптической оси фокусирующую приемную оптическую систему и телевизионную передающую трубку, а также электронную систему, осуществляющую формирование выходных сигналов, соответствующих угловым координатам объекта, и сигналов, управляющих режимом работы телевизионной передающей трубки. Светочувствительная поверхность телевизионной передающей трубки осуществляет преобразование оптического излучения в электрический сигнал. В состав электронной системы входят генератор разверток, усилитель отклоняющей системы по горизонтальной оси, усилитель отклоняющей системы по вертикальной оси, переключающий блок и блок формирования выходных сигналов. Мишень телевизионной передающей трубки выполнена в виде диафрагмы с узкой щелью, имеющей форму окружности, через которую поток электронов может проходить к аноду телевизионной передающей трубки. Известный оптический пеленгатор работает следующим образом. Оптическое излучение от пеленгуемого объекта преобразуется фокусирующей приемной оптической системой в сфокусированное пятно на фотокатоде телевизионной передающей трубки. С помощью отклоняющих катушек телевизионной передающей трубки, питаемых импульсами тока треугольной формы, электронное изображение сфокусированного пятна развертывается поочередно по двум взаимно перпендикулярным направлениям, как показано стрелками на фиг.1 а. Так как на анод телевизионной передающей трубки электронный поток попадает только через щель диафрагмы, то на нагрузочном резисторе, соединенном с анодом телевизионной передающей трубки, образуются импульсы напряжения, расстояния между которыми по шкале времени определяется угловыми координатами пеленгуемого объекта. Блок формирования выходных сигналов преобразует временные интервалы между импульсами напряжения на нагрузочном резисторе в сигналы, пропорциональные угловым координатам пеленгуемого объекта. Графики, приведенные на фиг.1б-г, иллюстрируют этот процесс: на фиг.1б приведена
o
1
2
зависимость напряжения развертки U от времени t по одной из координатных осей, например, по оси X, на фиг.1в приведена зависимость импульсов напряжения U на нагрузочном резисторе от времени t при отсутствии рассогласования между направлением по оси Х на пеленгуемый объект и оптической осью фокусирующей приемной оптической системы, а на фиг.1г приведена зависимость импульсов напряжения U на нагрузочном резисторе от времени t при наличии рассогласования между направлением по оси Х на пеленгуемый объект и оптической осью фокусирующей приемной оптической системы.
Известный оптический пеленгатор имеет ряд недостатков. Первый недостаток заключается в том, что он имеет малую дальность. Это обусловлено тем, что почти вся энергия оптического излучения пеленгуемого объекта, принимаемого фокусирующей приемной оптической системой и преобразуемая в энергию электронного пучка, теряется на мишени. Через кольцевое отверстие в мишени проходит и участвует в дальнейшей работе только малая часть энергии электронного пучка, так как ширина кольцевой щели мишени принципиально должна быть узкой по сравнению с размахом (амплитудой) развертки. Увеличение ширины кольцевой щели приводит либо к снижению точности, либо к усложнению блока формирования выходных сигналов. Второй недостаток заключается в низкой достоверности результатов измерений. Если в поле зрения фокусирующей приемной оптической системы находится посторонний объект, то его оптическое излучение, прошедшее через щель мишени, создает импульсы напряжения, искажающие результаты измерений. Третий недостаток заключается в низкой надежности ввиду высокой сложности электронной части устройства. Это обусловлено необходимостью обеспечения питания телевизионной передающей трубки высоковольтным напряжением, сложностью всех блоков и элементов, входящих в состав электронной системы и, главное, тем, что для неискаженной передачи и обработки коротких импульсов все блоки и элементы, входящие в состав блока формирования выходных сигналов, должны быть широкополосными, что усложняет схемное решение электронной части известного оптического пеленгатора.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение потребительских свойств путем повышения дальности, повышения достоверности и повышения надежности электронной части устройства.
Решение поставленной задачи в соответствии с п.1 формулы полезной модели обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее фокусирующую приемную оптическую систему, фотоприемник, сканирующее устройство, маску с кольцевым окном, устройство обработки, сканирующее устройство и маска с кольцевым окном расположены последовательно на оптической оси, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит маску с круглым окном, устройство обработки содержит фильтр, измеритель амплитуды, измеритель разности фаз, регистрирующее устройство и генератор гармонического сигнала, в качестве сканирующего устройства использовано круговое оптическое сканирующее устройство, фокусирующая приемная оптическая система и круговое оптическое сканирующее устройство расположены последовательно на оптической оси, маска с кольцевым окном, маска с круглым окном и фотоприемник расположены последовательно на оптической оси, маска с круглым окном расположена в фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, выход фотоприемника соединен с входом фильтра, выход фильтра соединен с входом измерителя амплитуды и с первым входом измерителя разности фаз, выход генератора гармонического сигнала соединен с вторым входом измерителя разности фаз и с управляющим входом кругового оптического сканирующего устройства, выход измерителя амплитуды соединен с первым входом регистрирующего устройства, выход измерителя разности фаз соединен с вторым входом регистрирующего устройства.
Такое построение пассивного оптического пеленгатора позволяет повысить потребительские свойства путем повышения дальности, повышения достоверности и повышения надежности электронной части устройства. Повышение дальности обеспечивается тем, что при круговом сканировании сфокусированного пятна по краю круглого отверстия диафрагмы в среднем за период проходит половина энергии принятого оптического излучения,
что позволяет по сравнению с известным техническим решением, имеющим узкое кольцевое отверстие в диафрагме, увеличить отношение сигнал/шум, в результате чего увеличивается дальность. В отличие от прототипа, в котором мишень с кольцевым отверстием обеспечивает формирование импульсов напряжения, содержащих информацию об угловых координатах объекта, в заявленном устройстве маска с кольцевым окном подавляет оптическое излучение от постороннего объекта, в результате чего повышается достоверность. Так как в устройстве обработки присутствуют только гармонические сигналы одной частоты, то все элементы электронного тракта могут быть выполнены узкополосными, что позволяет упростить конструкцию устройства обработки, за счет чего повышается надежность.
В частном случае в соответствии с п.2 формулы полезной модели круговое оптическое сканирующее устройство содержит два линейных оптических сканирующих устройства и фазовращатель, причем линейные оптические сканирующие устройства расположены последовательно на оптической оси, их плоскости сканирования ортогональны, выход генератора гармонического сигнала соединен с управляющим входом первого линейного оптического сканирующего устройства и входом фазовращателя, выход фазовращателя соединен с управляющим входом второго линейного оптического сканирующего устройства.
Сущность полезной модели поясняется описанием конкретного варианта конструктивного выполнения пассивного оптического пеленгатора и прилагаемыми чертежами, на которых:
- на фиг.1а-г приведены рисунки, поясняющие принцип действия прототипа;
- на фиг.2 приведена функциональная схема заявляемого пассивного оптического пеленгатора;
- на фиг.3 приведен рисунок, поясняющий принцип действия маски с кольцевым окном и маски с круглым окном;
- на фиг.4 приведена функциональная схема варианта конструктивного выполнения кругового оптического сканирующего устройства;
- на фиг.5а-в приведены рисунки, поясняющие принцип определения радиальной координаты сфокусированного пятна;
- на фиг.6а-в приведены рисунки, поясняющие принцип определения угловой координаты сфокусированного пятна;
- на фиг.7 приведен рисунок, поясняющий принцип действия маски с кольцевым отверстием при подавлении оптического излучения от постороннего источника света.
Пассивный оптический пеленгатор содержит фокусирующую приемную оптическую систему 1, фотоприемник 2, сканирующее устройство, маску 3 с кольцевым окном, устройство обработки 4, сканирующее устройство и маска 3 с кольцевым окном расположены последовательно на оптической оси. Пассивный оптический пеленгатор также содержит маску 5 с круглым окном, устройство обработки 4 содержит фильтр 6, измеритель 7 амплитуды, измеритель 8 разности фаз, регистрирующее устройство 9 и генератор 10 гармонического сигнала, в качестве сканирующего устройства использовано круговое оптическое сканирующее устройство 11, фокусирующая приемная оптическая система 1 и круговое оптическое сканирующее устройство 11 расположены последовательно на оптической оси, маска 3 с кольцевым окном, маска 5 с круглым окном и фотоприемник 2 расположены последовательно на оптической оси, маска 5 с круглым окном расположена в фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1, выход фотоприемника 2 соединен с входом фильтра 6, выход фильтра 6 соединен с входом измерителя 7 амплитуды и с первым входом измерителя 8 разности фаз, выход генератора 10 гармонического сигнала соединен с вторым входом измерителя 9 разности фаз и с управляющим входом кругового оптического сканирующего устройства 11, выход измерителя 7 амплитуды соединен с первым входом регистрирующего устройства 9, выход измерителя 8 разности фаз соединен с вторым входом регистрирующего устройства 9.
Круговое оптическое сканирующее устройство 11 содержит два линейных оптических сканирующих устройства 12 и 13 и фазовращатель 14, причем линейные оптические сканирующие устройства 12 и 13 расположены последовательно на оптической оси, их плоскости сканирования ортогональны,
выход генератора 10 гармонического сигнала соединен с управляющим входом первого линейного оптического сканирующего устройства 12 и входом фазовращателя 14, выход фазовращателя 14 соединен с управляющим входом второго линейного оптического сканирующего устройства 13.
Пассивный оптический пеленгатор работает следующим образом. Принимаемое от лоцируемого объекта оптическое излучение после прохождения через фокусирующую приемную оптическую систему 1 превращается в сходящийся пучок и попадает в круговое оптическое сканирующее устройство 11, после прохождения которого сходящийся пучок оптического излучения совершает равномерное круговое движение. Маска 3 с кольцевым окном не пропускает оптическое излучение от посторонних источников света. Амплитуда сканирования сходящегося пучка оптического излучения выбрана такой, чтобы радиус окружности, по которой движется центр сфокусированного пятна, был равен радиусу круглого окна в маске 5, поэтому сфокусированное пятно движется по краю круглого окна маски 5. На управляемый вход кругового оптического сканирующего устройства 2 с выхода генератора 10 гармонического сигнала поступает сигнал с частотой ω, поэтому сфокусированное пятно движется по краю круглого окна с частотой ω. Прошедшее через маску 5 с круглым отверстием оптическое излучение попадает на светочувствительную поверхность фотоприемника 2. Сигнал с выхода фотоприемника 2 поступает на вход фильтра 6, который пропускает только гармонический сигнал с частотой ω. Измеритель амплитуды 7 определяет амплитуду прошедшего через фильтр 6 сигнала, которая пропорциональна радиальной полярной координате положения сфокусированного пятна принятого оптического излучения на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Измеритель разности фаз определяет разность фаз между сигналом с выхода фильтра 6 и сигналом с выхода генератора гармонического сигнала 10. Эта разность фаз однозначно связана с угловой полярной координатой положения сфокусированного пятна принятого оптического излучения на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Регистрирующее устройство 9 определяет угловые координаты пеленгуемого объекта.
ф
ф
Рисунок, приведенный на фиг.5, поясняет процесс определения радиальной полярной координаты r положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. На фиг.4 заштрихована та часть апертуры сфокусированного пятна, через которую проходит принятое оптическое излучение к фотоприемнику 2, а через U обозначен сигнал на выходе фильтра 6. Если направление прихода оптического излучения совпадает с оптической осью фокусирующей приемной оптической системы 1, то в круглое окно маски 5 в любой момент времени проходит излучение одной и той же мощности (фиг.5а). Поэтому сигнал на выходе фотоприемника 2 имеет постоянную величину, сигнал на выходе фильтра 6 равен 0, а измеритель амплитуды 7 фиксирует, что r=0. Если направление прихода оптического излучения не совпадает с оптической осью фокусирующей приемной оптической системы 1, то мощность оптического излучения, проходящего через круглое окно маски 5, изменяет свою величину с частотой ω (площадь заштрихованной части сфокусированного пятна на рис.5б и 5в изменяется при движении сфокусированного пятна по кругу). Чем больше угол между направлением прихода оптического излучения и оптической осью фокусирующей приемной оптической системы 1, тем больше амплитуда сигнала U на выходе фильтра 6 (фиг.5б и 5в), тем больше сигнал, регистрируемый измерителем амплитуды 7. Таким образом, измеритель амплитуды 7 регистрирует сигнал, который пропорционален величине радиальной полярной координаты r положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1.
ф
Рисунок, приведенный на фиг.6, поясняет процесс определения угловой полярной координаты φ положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. На фиг.6 заштрихована та часть апертуры сфокусированного пятна, через которую проходит принятое оптическое излучение к фотоприемнику 2. На фиг.6а,б,в изображены зависимости сигнала U на выходе фильтра 6 от времени t при трех различных угловых координатах положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Из фиг.6а,б,в видно, что в зависимости от направления
ф
ф
отклонения изменяется фаза гармонического сигнала U на выходе фильтра 6. За начальную фазу можно принять ту, которая получается при отклонении сфокусированного пятна вверх. Тогда фаза сигнала U при отсчете по направлению движения сфокусированного пятна тоже будет равна φ.
Приведенный на фиг.4 вариант конструктивного исполнения кругового сканирующего устройства 11 работает следующим образом. Сигнал с выхода генератора 10 гармонического сигнала попадает на управляющий вход первого линейного сканирующего устройства 12 и на вход фазовращателя 14, который осуществляет сдвиг фазы проходящего через него сигнала на π/2. Сигнал с выхода фазовращателя 14 подается на управляющий вход второго линейного сканирующего устройства 13. Принятый поток оптического излучения проходит через первое линейное сканирующее устройство 12, которое осуществляет периодическое изменение направления распространения потока оптического излучения по гармоническому закону с частотой, равной частоте сигнала на выходе генератора гармонического сигнала 10. После прохождения через второе линейное сканирующее устройство 13 поток оптического излучения осуществляет периодическое изменение направления распространения по гармоническому закону в плоскости, перпендикулярной плоскости сканирования первого линейного сканирующего устройства 12 с частотой, равной частоте сигнала на выходе генератора 10 гармонического сигнала, причем фазы колебаний направления распространения потока оптического излучения в этих плоскостях отличаются на π/2 (этот фазовый сдвиг создает фазовращатель 14), а амплитуды этих отклонений равны между собой. Совокупность двух пространственных колебательных движений равных амплитуд в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с фазовым сдвигом, равным π/2, представляет собой движение сфокусированного пятна принятого оптического излучения по круговой траектории по краю круглого окна отверстия маски 5. Период движения сфокусированного пятна по кругу равен периоду сигнала на выходе генератора 10 гармонического сигнала. Прошедшее через круглое окно маски 5 оптическое излучение попадает на фотоприемник 2.
Повышение достоверности поясняется рисунком, приведенным на фиг.7. Сходящийся пучок оптического излучения от исследуемого объекта проходит через окно 15 маски 3 без ослабления. Сходящийся пучок 16 оптического излучения от постороннего объекта осуществляет круговое сканирование по зоне 17, центр которой не совпадает с центром кольцевого окна 15 маски 3, поэтому на светочувствительную поверхность фотоприемника 2 попадает излучение от постороннего объекта только при его прохождении через области, обозначенные позициями 18 и 19. Таким образом, оптическое излучение от постороннего объекта формирует на выходе фотоприемника 2 за один период кругового сканирования два импульса, которые будут почти полностью подавлены фильтром 6, который пропускает только электрический сигнал с частотой ω.
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 N 1426745, МПК G01S 3/78.
6. Криксунов Л.З., Усольцев И.Ф. Инфракрасные устройства самонаведения управляемых снарядов. М. Сов. радио, 1963. С.70-72.