ОПТИЧЕСКИЙ ПЕЛЕНГАТОР

Полезная модель относится к оптической технике и может быть использована 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, даeт 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является описанный в [6] оптический пеленгатор, содержащий фокусирующую приемную оптическую систему, два светоделителя, два фильтра, три фотоприемника, два усилителя, блок определения координаты X, блок определения координаты Y, фокусирующая приемная оптическая система, первый светоделитель, второй светоделитель и первый фотоприемник последовательно расположены на оптической оси, первый фильтр расположен на пути отраженного от первого светоделителя луча, второй фильтр расположен на пути отраженного от второго светоделителя луча, второй фотоприемник расположен на пути прошедшего через первый фильтр луча, выход второго фотоприемника соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом блока определения координаты Y, второй фотоприемник расположен на пути прошедшего через второй фильтр луча, выход третьего фотоприемника соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с первым входом блока определения координаты X, выход первого фотоприемника соединен с вторым входом блока определения координаты Y и вторым входом блока определения координаты X, градиент прозрачности первого фильтра параллелен оси Y, градиент прозрачности второго клина параллелен оси X.
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 полезной модели является повышение достоверности измерений.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический пеленгатор, содержащий фокусирующую приемную оптическую систему, два светоделителя, два фильтра, три фотоприемника, два усилителя, блок определения координаты X, блок определения координаты Y, фокусирующая приемная оптическая система, первый светоделитель, второй светоделитель и перыфй фотоприемник последовательно расположены на оптической оси, первый фильтр расположен на пути отраженного от первого светоделителя луча, второй фильтр расположен на пути отраженного от второго светоделителя луча, второй фотоприемник расположен на пути прошедшего через первый фильтр луча, выход второго фотоприемника соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом блока определения координаты Y, второй фотоприемник расположен на пути прошедшего через второй фильтр луча, выход третьего фотоприемника соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с первым входом блока определения координаты X, выход первого фотоприемника соединен с вторым входом блока определения координаты Y и вторым входом блока определения координаты X, градиент прозрачности первого фильтра параллелен оси Y, градиент прозрачности второго клина параллелен оси X, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит вторую фокусирующую приемную оптическую систему, диафрагму, привод диафрагмы, третий светоделитель, окуляр и регистрирующий блок, вторая фокусирующая приемная оптическая система расположена на оптической оси перед фокусирующей приемной оптической системой, диафрагма и третий светоделитель последовательно расположены на оптической оси между второй фокусирующей приемной оптической системой и фокусирующей приемной оптической системой, диафрагма расположена в фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы, окуляр расположен на пути отраженного от третьего светоделителя луча, выход блока определения координаты Y соединен с первым входом регистрирующего блока, выход блока определения координаты Х соединен с вторым входом регистрирующего блока, выход привода диафрагмы соединен с управляющим входом диафрагмы..
Такое построение заявленного оптического пеленгатора обеспечивает повышение достоверности 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 положения в фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы.
Сущность заявленного оптического пеленгатора поясняется описанием конкретного варианта выполнения и прилагаемым чертежом, на котором приведена схема заявленная устройства.
Оптический пеленгатор содержит фокусирующую приемную оптическую систему 1, первый светоделитель 2, второй светоделитель 3, первый фильтр 4, второй фильтр 5, первый фотоприемник 6, второй фотоприемник 7, третий фотоприемник 8, первый усилитель 9, второй усилитель 10, блок 11 определения координаты X, блок 12 определения координаты Y, фокусирующая приемная оптическая система 1, первый светоделитель 2, второй светоделитель 3 и первый фотоприемник 6 последовательно расположены на оптической оси, первый фильтр 4 расположен на пути отраженного от первого светоделителя 2 луча, второй фильтр 5 расположен на пути отраженного от второго светоделителя 3 луча, второй фотоприемник 7 расположен на пути прошедшего через первый фильтр 4 луча, выход второго фотоприемника 7 соединен с входом первого усилителя 9, выход первого усилителя 9 соединен с первым входом блока 12 определения координаты Y, третий фотоприемник 8 расположен на пути прошедшего через второй фильтр 5 луча, выход третьего фотоприемника 8 соединен с входом второго усилителя 10, выход второго усилителя 10 соединен с первым входом блока 11 определения координаты X, выход первого фотоприемника 6 соединен с вторым входом блока 12 определения координаты Y и вторым входом блока 11 определения координаты X, градиент прозрачности первого фильтра 4 параллелен оси Y, градиент прозрачности второго фильтра 5 параллелен оси X. Оптический пеленгатор также содержит вторую фокусирующую приемную оптическую систему 13, диафрагму 14, привод диафрагмы 15, третий светоделитель 16, окуляр 17 и регистрирующий блок 18, вторая фокусирующая приемная оптическая система 13 расположена на оптической оси перед фокусирующей приемной оптической системой 1, диафрагма 14 и третий светоделитель 16 последовательно расположены на оптической оси между второй фокусирующей приемной оптической системой 13 и фокусирующей приемной оптической системой 1, диафрагма 14 расположена в фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы 13, окуляр 17 расположен на пути отраженного от третьего светоделителя 16 луча, выход блока 12 определения координаты Y соединен с первым входом регистрирующего блока, 18 выход блока 11 определения координаты Х соединен с вторым входом регистрирующего блока 18, выход привода 15 диафрагмы 14 соединен с управляющим входом диафрагмы 14. Изображенная около первого фильтра 4 стрелка показывает, что вектор градиента прозрачности первого фильтра 4 лежит в плоскости чертежа. Изображенный около второго фильтра 5 кружок с точкой в центре показывает, что вектор градиента прозрачности второго фильтра перпендикулярен плоскости чертежа.
1
1
1
1ФП
1
1
2
1
2
3
3
3
3
1
3
2ФП
2
1
3
2
4
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от удаленного объекта принимается второй фокусирующей приемной оптической системой 13, проходит через отверстие в диафрагме 14 и попадает на третий светоделитель 16. Отраженное от третьего светоделителя 16 оптическое излучение проходит через окуляр 17 и наблюдается оператором, который при наличии в поле зрения нескольких объектов выбирает требуемый объект и с помощью привода 15 диафрагмы 14 регулирует положение отверстия диафрагмы 14 в фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы 13 и размер отверстия диафрагмы 14 таким образом, чтобы через отверстие диафрагмы 14 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 14 и положение отверстия диафрагмы 14 в фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы 13 осуществляет компьютер. Возможно также осуществление полуавтоматического режима. В полуавтоматическом режиме часть указанных операций выполняет оператор, а остальные операции выполняет компьютер. Оптическое излучение мощностью J после прохождения через фокусирующую приемную оптическую систему 1 разделяется на два пучка на первом светоделителе 2, при этом мощность прошедшего через первый светоделитель 2 оптического излучения равна KJ, где К - коэффициент пропускания по мощности первого светоделителя 2, а мощность отраженного от первого светоделителя 2 излучения равна (1-K)J. Электрический сигнал U на выходе первого фотоприемника 6 равен αKKJ, где α - крутизна характеристики первого фотоприемника 6, К - коэффициент пропускания по мощности второго светоделителя 3. Отраженное от первого светоделителя 2 оптическое излучение проходит через первый фильтр 4. Пусть коэффициент К пропускания первого фильтра 4 можно записать в виде К=К'Y, где К' - постоянный коэффициент, то есть градиент пропускания первого фильтра 4 направлен вдоль оси Y, а зависимость пропускания от координаты Y имеет линейный характер. Тогда мощность оптического сигнала на входе второго фотоприемника 7 равна (1-K)K'JY, а электрический сигнал U на выходе второго фотоприемника 7 равен α(1-K)K'JY, где α - крутизна характеристики второго фотоприемника 7. Сигнал с выхода второго фотоприемника 7 поступает на вход первого усилителя 9, коэффициент усиления К которого имеет вид
4
1
1
2
2
1
3
К=αКK/[α(1-K)К'],
1УС
поэтому сигнал U на выходе первого усилителя 9 имеет вид
1УС
2ФП
4
2
1
3
1
1
2
2
1
3
1
1
2
U=UК=α(1-K)K'JYαKK/[α(1-K)К']=αKKJY.
1Д
Сигнал с выхода первого усилителя 9 поступает на первый вход блока 12 определения координаты Y, а на второй вход данного блока поступает сигнал с выхода первого фотоприемника 6. В соответствии с этим сигнал U на выходе блока 12 определения координаты Y будет равен отношению сигнала на первом его входе к сигналу на втором его входе
1Д
1УС
1ФП
1
1
2
1
1
2
U=U/U=αKKJY/[αKKJ]=Y,
то есть сигнал на выходе блока 12 определения координаты Y равен Y - координате положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы 13.
5
5
5
5
1
2
5
3ФП
3
1
2
5
3
6
Отраженное от второго светоделителя 3 оптическое излучение проходит через второй фильтр 5. Пусть коэффициент пропускания К второго фильтра 5 можно записать в виде К=K'X, где K' - постоянный коэффициент, то есть градиент пропускания второго фильтра 5 направлен вдоль оси X, а зависимость его пропускания от координаты Х имеет линейный характер. Тогда мощность оптического сигнала на входе третьего фотоприемника 8 равна K(1-K)KJX, а электрический сигнал U на выходе третьего фотоприемника 8 равен αК(1-К)К'JХ, где α - крутизна характеристики третьего фотоприемника 8. Сигнал с выхода третьего фотоприемника 8 поступает на вход второго усилителя 10, коэффициент К усиления которого имеет вид
6
1
2
3
2
5
К=αK/[α(1-К)К'],
2УС
Поэтому сигнал U на выходе второго усилителя 10 имеет следующий вид
2УС
3ФП
6
3
1
2
5
1
2
3
2
5
1
1
2
U=UК=αК(1-К)К'JХαК/[α(1-К)К']=αКKJХ.
2Д
Сигнал с выхода второго усилителя 10 поступает на первый вход блока 11 определения координаты X, на второй вход которого поступает сигнал с выхода первого фотоприемника 6. В соответствии с этим сигнал U на выходе блока 11 определения координаты Х равен отношению сигнала на первом его входе к сигналу на втором его входе
2Д
2УС
2ФП
1
1
2
1
1
2
U=U/U=αKKJX/[αKKJ]=X,
то есть сигнал на выходе блока 11 определения координаты Х равен Х - координате положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы 13.
Зная характеристики фокусирующих приемных оптических систем 1 и 13 и декартовы координаты Х и Y положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости второй фокусирующей приемной оптической системы 13, можно определить направление прихода оптического излучения от удаленного объекта и тем самым его угловые координаты.
3
5
4
6
Реализация заявляемого оптического пеленгатора не вызывает затруднений, так как все его блоки, узлы и элементы широко применяются в оптике и электронике. Так, Фильтр 4 (фильтр 5) может быть выполнен из однородного поглощающего материала, толщина которого линейно изменяется вдоль оси Y (оси X) либо в виде плоско-параллельной пластины, концентрация поглощающих частиц в которой линейно изменяется вдоль оси Y (оси X). Линейность зависимости К от Y и К от Х не является обязательным требованием, эти зависимости могут иметь более сложный вид, тогда выражения для коэффициентов усиления К первого усилителя 9 и К второго усилителя 10 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. Легомина И.Н., Тихонов Ю.Ф., Кириченко Д.В., Янов В.Г. Датчики волнового фронта. Учебное пособие. МО РФ, СПб: ВКА им. А.Ф.Можайского. 1993. С.19-23.