Устройство пеленгации точечного источника лазерного излучения

Предлагаемая полезная модель относится к аппаратуре обнаружения точечного источника лазерного излучения и определения направления на этот источник и может быть использована в комплексах противодействия оружию с лазерными целеуказателями и дальномерами.
Известны оптические индикаторы лазерного облучения, патент РФ на изобретение №2151360, МПК F41H 7/00, опубл. 20.06.2000, устанавливаемые на подвижную боевую машину и определяющие направление на источник излучения. Выходные сигналы индикаторов поступают в систему управления противодействием, обеспечивающую оповещение экипажа об облучении, постановку маскирующей завесы в направлении прихода излучения и другие действия.
Оптические индикаторы лазерного облучения содержат приемники оптического излучения, в частности многоэлементные. Сведения о многоэлементном приемнике на основе полупроводниковой структуры, с формированием на выходе приемника электрического сигнала с кодом Грея, содержатся в описании патента РФ на полезную модель №50048, МПК H01L 27/00, H01L 31/00, опубл. 10.12.2005.
При облучении многоэлементного приемника оптического излучения локализованным пятном лазерного излучения изменяются параметры его чувствительных площадок и можно получить информацию о расположении облучаемой зоны. Кроме полезного сигнала, содержащего вышеуказанную информацию, на выходе приемника оптического излучения существуют шумы (тепловые, дробовые, вызванные, в том числе, фоновой засветкой и др.), которые могут приводить к ложному срабатыванию устройства, в результате чего возможна выдача недостоверных данных в систему управления противодействием.
Для снижения вероятности ложного срабатывания и повышения помехоустойчивости аппаратуры обнаружения источника лазерного излучения предложены различные технические решения, например, описанные в патенте РФ на изобретение №2390790, МПК G01S 3/78, опубл. 27.05.2010, в котором рассмотрена конструкция из набора дискретных широкоугольных приемных систем. Однако это устройство представляется достаточно сложным и не решает проблемы исключения ложных срабатываний.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство пеленгации точечного источника лазерного излучения, описанное в патенте на полезную модель RU №156165, МПК G01S 3/78, опубл. 10.11.2015. Устройство содержит цилиндрический объектив - формирователь изображения точечного источника излучения, многоразрядный кодовый фотоприемник, вход которого связан с выходом цилиндрического объектива, многоканальный дифференциальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор, формирователь опорного сигнала, компаратор, логическую схему, счетчик числа сигналов и электронное реле с сигнальным и управляющим входами, причем выход формирователя опорного сигнала присоединен к компаратору, выполненному многоканальным, выходы каждого разряда многоразрядного кодового фотоприемника подключены к входам одного из каналов многоканального дифференциального усилителя, выходы каждого канала многоканального дифференциального усилителя подключены к входам соответствующих каналов многоканального аналого-цифрового преобразователя, выходы соответствующих каналов многоканального аналого-цифрового преобразователя присоединены к входам первого многоканального компаратора и соответствующего ему по номеру канала второго многоканального компаратора, выходы компараторов подключены к соответствующим им по номеру каналов входам многоканальной схемы ИЛИ, выходы многоканальной схемы ИЛИ подключены к входам счетчика числа сигналов, выход счетчика числа сигналов соединен со вторым входом электронного реле к входам цифрового процессора, выход цифрового процессора связан с первым входом электронного реле, а выход электронного реле присоединен к системе управления противодействием.
Данное техническое решение позволяет несколько уменьшить вероятность ложного срабатывания, однако использование двух многоканальных компараторов, многоканальной логической схемы, счетчика числа сигналов приводит к усложнению схемы и конструкции устройства.
В предлагаемой полезной модели решается техническая задача упрощения схемы устройства с одновременным снижением вероятности ложного срабатывания и повышением вероятности правильного приема лазерного излучения, при этом достигается технический результат, заключающийся в повышении достоверности обнаружения точечного источника лазерного излучения и увеличении эффективности комплекса противодействия оружию с лазерными целеуказателями и дальномерами.
Это достигается тем, что в устройстве пеленгации точечного источника лазерного излучения, содержащем цилиндрический объектив, многоразрядный кодовый фотоприемник, вход которого связан с выходом цилиндрического объектива, многоканальный дифференциальный усилитель, расположенный на выходе многоразрядного кодового фотоприемника и многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, установленные так, что выходы каждого разряда многоразрядного кодового фотоприемника подключены к соответствующим входам каналов многоканального дифференциального усилителя, выходы каждого канала многоканального дифференциального усилителя подключены к соответствующим входам каналов многоканального аналого-цифрового преобразователя, а также цифровой процессор, формирователь опорного сигнала, компаратор и электронное реле с сигнальным и управляющим входами, причем выход формирователя опорного сигнала присоединен к первому входу компаратора, выходы каждого канала многоканального аналого-цифрового преобразователя подключены к соответствующим входам цифрового процессора, выход цифрового процессора связан с первым входом электронного реле, а выход электронного реле присоединен к системе управления противодействием, в отличие от известного, компаратор выполнен одноканальным, дополнительно введен сумматор модулей, установленный таким образом, что выходы каждого канала многоканального аналого-цифрового преобразователя подключены к соответствующим входам сумматора модулей, при этом выход сумматора модулей подключен ко второму входу компаратора, а выход компаратора подключен ко второму входу электронного реле.
На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства пеленгации точечного источника лазерного излучения, на фиг. 2 изображена топология чувствительной площадки многоразрядного кодового фотоприемника.
Устройство пеленгации точечного источника лазерного излучения (фиг. 1) состоит из цилиндрического объектива 1, многоразрядного кодового фотоприемника 2, многоканального дифференциального усилителя 3, где 3.1-3.N - каналы многоканального усилителя по количеству разрядов многоразрядного кодового фотоприемника 2, многоканального аналого-цифрового преобразователя 4, где 4.1-4.N - каналы многоканального аналого-цифрового преобразователя, сумматора модулей 5, формирователя опорного сигнала 6, компаратора 7, цифрового процессора 8, и электронного реле 9, при этом первый вход электронного реле 9 является сигнальным входом, а второй вход электронного реле 9 является управляющим входом. Чувствительная площадка (фиг. 2) кодового фотоприемника 2 размещена в фокальной плоскости цилиндрического объектива 1, выход которого связан со входом многоразрядного кодового фотоприемника 2. Выходы каждого чувствительного элемента многоразрядного кодового фотоприемника 2 подключены к входам одного из каналов многоканального дифференциального усилителя 3, выходы каждого канала многоканального дифференциального усилителя 3 подключены к входам соответствующих каналов многоканального аналого-цифрового преобразователя 4, выходы каждого канала многоканального аналого-цифрового преобразователя 4 подключены к входам цифрового процессора 8, а также к входам сумматора модулей 5, выход которого подключен к первому входу компаратора 7. Ко второму входу компаратора 7 подключен выход формирователя опорного сигнала 6, а выход компаратора соединен со вторым входом электронного реле 9, к первому входу электронного реле 9 подключен выход цифрового процессора 8, а выход электронного реле 9 присоединен к системе управления противодействием.
пит.
1
8
Чувствительная площадка (фиг. 2) многоразрядного кодового фотоприемника 2, в общем случае состоит из «N» пар дорожек, где 10 - одна из дорожек, изготовленных из материала, параметры которого изменяются при воздействии оптического излучения, например, фоторезистивной среды, полупроводниковой структуры и т.п. В качестве примера показана чувствительная площадка с четырьмя парами дорожек. Определенные участки на каждой дорожке закрыты масками 11, непрозрачными для оптического излучения. Левые электрические выводы со всех дорожек объединены и обозначены U, правые электрические выводы с каждой дорожки, обозначенные K-K, - это электрические выходы дорожек. Если подключить многоразрядный кодовый фотоприемник 2 к внешней электрической цепи, а на его чувствительной площадке сформировать изображение источника оптического излучения в виде полосы 12, то на выходах многоразрядного кодового фотоприемника 2 возникнет комбинация электрических сигналов, соответствующая параллельному двоичному коду Грея и содержащая информацию о координате этой полосы излучения относительно левого или правого края чувствительной площадки многоразрядного кодового фотоприемника 2.
Устройство пеленгации точечного источника лазерного излучения работает следующим образом. Излучение от удаленного точечного источника лазерного излучения - лазерного дальномера или целеуказателя, проходит через цилиндрический объектив 1 и фокусируется в виде полосы на чувствительной площадке многоразрядного кодового фотоприемника 2. При присоединении электрических выводов каждого разряда многоразрядного кодового фотоприемника 2 к соответствующим входам многоканального дифференциального усилителя 3, на выходах дифференциального усилителя 3 формируются электрические сигналы. В многоканальном аналого-цифровом преобразователе 4 амплитуды электрических сигналов преобразуются в цифровую информацию. Выходы многоканального аналого-цифрового преобразователя 4 соединены с входами цифрового процессора 8. Выходной сигнал цифрового процессора 8 передается в систему управления противодействием только при включенном электронном реле 9, на управляющий вход которого подается сигнал с компаратора 7. Из-за наличия шумов на выходе многоразрядного кодового фотоприемника 2 на выходах многоканального дифференциального усилителя 3 могут возникнуть шумовые выбросы, превышающие некоторое пороговое значения, которые также преобразуются в цифровую информацию. Сигналы с выхода многоканального аналого-цифрового преобразователя 4 поступают также на входы сумматора модулей 5, который суммирует сигналы со всех разрядов. При этом сигналы от лазерного излучения складываются арифметически, так как у них одинаковое временное положение и модули их имеют одинаковую полярность, то есть сумма сигналов в «N» раз больше, чем сигнал с одного элемента. В то же время шумы с разных чувствительных элементов не коррелированы и поэтому их среднеквадратичное значение можно найти как корень квадратный из суммы квадратов соответствующих значений шумов для каждого элемента. При этом отношение сигнал - шум на выходе сумматора возрастает по сравнению с отношением сигнал - шум для каждого разряда в корень квадратный из «N» раз. Сигнал с сумматора модулей 5 поступает на второй вход компаратора 7, а на первый вход компаратора 7 подается опорное напряжение от формирователя опорного сигнала 6. Сигнал с компаратора является командой на включение электронного реле 9 и на выход электронного реле подается информация от цифрового процессора 8. Поскольку отношение сигнал - шум на выходе сумматора модулей 5 больше, чем на выходе каждого/любого разряда многоразрядного кодового фотоприемника 2, вероятность появления ложной информации на выходе уменьшается и одновременно повышается вероятность правильного приема оптических сигналов. В результате снижается вероятность срабатывания рассматриваемого устройства пеленгации точечного источника лазерного излучения по ложным сигналам, источником которых являются шумы и одновременно повышается вероятность правильного приема лазерного излучения.
Цилиндрический объектив может быть изготовлен из стекла или иного оптического материала. В качестве многоразрядного кодового фотоприемника может быть применен фотодиод типа ФД 246, сведения о технических характеристиках которого, приведены в книге Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Приемники оптического излучения, М.: «Радио и связь», 1989, стр. 59, а также другой многоэлементный приемник оптического излучения. Многоканальный дифференциальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, сумматор модулей, формирователь опорных сигналов, компаратор, цифровой процессор, электронное реле - типовые электронные устройства. Конструктивно сумматор модулей, формирователь опорных сигналов, компаратор, цифровой процессор и электронное реле могут входить в состав программируемой логической интегральной схемы.
Оценим вероятности ложного срабатывания и правильного приема при работе устройства, описанного в ближайшем аналоге и при работе предлагаемого устройства.
В устройстве, взятом в качестве ближайшего аналога, в случае отсутствия лазерного излучения на входе устройства, электронное реле открывается и информация поступает на выход устройства только при одновременном наличии ложного срабатывания на всех N или на любых N-1 разрядах.
Вероятность такого события (при малой вероятности ложного срабатывания) может быть оценена по формуле:
где:
л.т.1
Р - вероятность ложного срабатывания за время наблюдения;
н
t - время наблюдения;
к
t - интервал корреляции шумового процесса;
- вероятность ложного срабатывания на одном разряде на интервале корреляции;
N - число разрядов;
- число сочетаний из N по N-1;
.
Для нормального распределения плотности вероятности шумового тока:
где:
П1
J - значение порога срабатывания,
1
σ - среднеквадратичное значение шума в каждом разряде,
,
При работе предлагаемого устройства вероятность ложного срабатывания (в случае малой вероятности ложного срабатывания) рассчитывается по формуле:
Поскольку модули сигналов складываются арифметически, их сумма в N или N-1 раз больше, чем сигнал с одного разряда.
Примем:
П2
П1
J=(N-1)×J
Шумы на разных чувствительных элементах не коррелированы, поэтому примем:
,
Тогда:
;
и
Для оценки примем:
, тогда
;
Значению  соответствует:
; тогда:
;
-16
Значение F(8,25)≈0,7×10, откуда:
,
л.т2
л.т1
Т.е. Р<<Р.
С учетом роста отношения сигнал-шум (в рассматриваемом примере в 1,5 раза) вероятность пропуска сигнала в предлагаемом устройстве значительно меньше, чем в устройстве, взятом в качестве ближайшего аналога, соответственно вероятность правильного приема выше.
При обработке случайных выбросов вероятность подачи команды на включение электронного реле и, соответственно, формирования ложного выходного сигнала в предлагаемом устройстве существенно ниже, чем при обработке сигналов, источником которых является излучение лазерного дальномера или целеуказателя.
Таким образом, достигнут технический результат - упрощена схема устройства пеленгации точечного источника лазерного излучения и одновременно снижена вероятность ложного срабатывания оптического индикатора лазерного излучения и повышена вероятность правильного приема лазерного излучения, улучшены эксплуатационные характеристики, при этом обеспечено повышение достоверности обнаружения точечного источника лазерного излучения - лазерного дальномера или целеуказателя.