УСТРОЙСТВО СКАНИРОВАНИЯ И СЛЕЖЕНИЯ
SCANNING AND TRACKING DEVICE

Устройство сканирования и слежения относится к области оптико-электронного приборостроения, точнее к оптико-электронным приборам кругового и секторного обзора, обнаружения, сопровождения и телевизионной регистрации морских и наземных объектов.
При определении уровня техники были найдены и проанализированы следующие аналоги заявляемого устройства.
Широкопольная инфракрасная система кругового обзора (В.Я. Ширнин и др. Широкопольная инфракрасная система кругового обзора (патент РФ №2189049 от 03.10.2001 г.) содержит установленные на платформе, вращающейся вокруг вертикальной оси, две ИК-оптические системы, выполненные в виде ИК-объективов и соответствующих им входных плоских зеркал с приводами и датчиками углов их разворота, которые оптическим переключателем поочередно сопрягаются с общим N-элементным приемником ИК-излучения. Система содержит также блок управления приводами, блок формирования координат и расположенное вне платформы устройство отображения информации, связанное с каналом передачи информации.
Сканирующие устройства кругового обзора (B.C. Васильев и др. Сканирующее устройство кругового обзора (патенты РФ №2271552 от 08.04.2004 г. и №2271553 от 08.04.2004 г., тех же авторов). Сущность изобретения: конструкция сканирующих устройств кругового обзора состоит из двух подвижных блоков, установленных концентрично в неподвижном корпусе и имеющих одну вращательную степень свободы относительно общей продольной оси. Каждый из подвижных блоков связан редуктором с приводом, в состав которого входят двигатель и датчик положения, установленные на неподвижном корпусе.
Оптико-электронное устройство кругового обзора, в котором сканер, выполнен с возможностью вращения в азимутальной плоскости приводом с датчиком угла и состоит из трех идентичных измерительных ИК-каналов, каждый из которых имеет объектив, плоское зеркало, фотоприемное устройство и блок обработки сигнала (В.З. Вожжов и др. Оптико-электронное устройство кругового обзора. Патент РФ №2321016 от 24.05.2006 г.).
Оптико-электронная станция кругового обзора, содержащая узел сканирующего (поворотного) зеркала, компенсатор разворота изображения, привод, объектив, матричное фотоприемное устройство (ФПУ) и электронный блок обработки сигналов (Р.А. Насибуллин и др. Оптико-электронная станция кругового обзора. Патент РФ №2428728 от 09.03.2010 г.).
ИК-система кругового обзора содержит неподвижное основание, установленную на нем платформу с расположенным на ней вращающимся преимущественно вокруг вертикальной оси оптико-механическим блоком с фотоприемным устройством и блоком предварительной обработки сигналов, снабженным приводом вращения и датчиком угла поворота по горизонту, установленную в оптико-механическом блоке, ИК-оптическую систему, оптически сопряженную с фотоприемным устройством и связанную с блоком предварительной обработки сигналов (Б.А. Войцель и др. Инфракрасная система кругового обзора. Патент РФ №2460085 от 20.04.2011 г.).
Основной недостаток перечисленных устройств состоит в том, что при сканировании изображение перемещается по матрице фотоприемного устройства. Поэтому телерегистрация изображения наблюдаемого пространства должна вестись в отсутствие сканирования, т.е. при фиксированном положении визирной оси устройства.
От этого недостатка свободна оптико-пеленгационная система кругового обзора (Тарасов В.В. и др. Оптико-пеленгационная система кругового обзора. Патент РФ №2356063 от 27.11.2007 г.), которая включает оптико-электронный блок электронного сканирования пространства, имеющий N оптико-электронных каналов электронного сканирования, объективы которых равномерно расположены в азимутальной плоскости на окружности с радиальным расположением их оптических осей. Поля обзора этих объективов перекрывают сканируемое пространство в азимутальной плоскости без пропусков.
Недостаток этой системы состоит в сложности конструкции. Например, для кругового обзора (360°) с приемлемым разрешением на местности требуется примерно 25 объективов с полем зрения до 15°. Поэтому для увеличения разрешения в систему дополнительно включен узкопольный оптико-электронный канал механического сканирования пространства, оптическая ось объектива которого проходит перпендикулярно азимутальной плоскости через центр окружности, на которой расположены объективы оптико-электронных каналов электронного сканирования. Включение дополнительного канала еще более усложняет конструкцию системы.
Прототипом предлагаемого устройства может послужить устройство кругового обзора (Ф.М. Броун и др. Способ кругового обзора матричным фотоприемным устройством и устройство для его осуществления. Патент РФ №2445644 от 19.04.2010 г.), содержащее: азимутальную платформу с приводом; оптическую систему, установленную на этой платформе; МФПУ, установленное в фокальной плоскости оптической системы; поворотную платформу с датчиком угла поворота; оптический компенсатор, установленный на поворотную платформу и выполненный в виде преломляющей призмы с четным числом N граней; мультипликатор; блок формирования синхроимпульсов (БФСИ).
Кроме того, для синхронизации работы МФПУ и оптического компенсатора в предлагаемом устройстве вход БФСИ соединен с выходом датчика угла, выход - со входом кадровой синхронизации МФПУ, а ось поворотной платформы соединена с осью сканирующей азимутальной платформы мультипликатором с коэффициентом передачи Км, равным Км=2π/β⋅N.
Благодаря введению оптического компенсатора смещения изображения известное устройство позволяет вести сканирование наблюдаемого пространства непрерывно, без остановок движения азимутальной платформы, получая при этом качественные телекадры.
Недостатки известного устройства состоят:
- в сложности механической конструкции и наличии погрешностей передачи вращения от оси азимутальной платформы на ось поворотной платформы компенсатора;
- в увеличении погрешностей компенсации в начале и конце рабочей зоны призмы, вызванного приближенной формулой скорости компенсации;
- в отсутствии режима слежения за обнаруженным объектом.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в более гибком управлении движением оптического компенсатора, что позволяет увеличить время экспонирования наблюдаемого пространства, повысить точность компенсации и упростить конструкцию устройства за счет исключения механической передачи между сканирующей платформой и поворотной платформой призмы и обеспечить режим слежения за обнаруженным объектом с пониженным энергопотреблением в этом режиме.
Указанные результаты достигаются тем, что азимутальная платформа снабжена датчиком угла поворота, а поворотная платформа призмы снабжена самостоятельным электроприводом, управляемым от вычислительного блока, задающего требуемый характер движения призмы. Это позволяет исключить погрешности сканирования, в том числе и круговом, на концах рабочей зоны призмы и расширить угловую рабочую зону призмы, а также вести слежение за обнаруженным объектом только вращением поворотной платформы, которая обладает существенно меньшими массогабаритными характеристиками и, следовательно, требует в несколько раз меньших энергозатрат, чем при вращении азимутальной платформы. Последнее обстоятельство может быть важным при автономном питании устройства.
На чертеже схематично показано устройство кругового обзора.
Предлагаемое устройство сканирования и слежения содержит (см. чертеж) азимутальную платформу (АП) 1 с приводом 2, подключенным к блоку управления приводом АП 3, и датчиком угла поворота АП 4. На АП 1 установлены объектив 5, оптический компенсатор 6, выполненный в виде оптической призмы и установленный на поворотной платформе (ПП) 7, снабженной приводом ПП 8 с блоком управления приводом ПП 9 и датчиком угла поворота ПП 10, матричное фотоприемное устройство 11 (МФПУ) с блоком управления МФПУ (БУМФПУ) 12 и запоминающим устройством (ЗУ) 13, подключенным своими информационными выходами к вычислительно-управляющему блоку (ВУБ) 14, выход кадровой синхронизации которого соединен с соответствующим входом БУМФПУ 12. Информационные входы ВУБ 14 подключены к информационным выходам датчиков угла АП 4 и ПП 10, а управляющие выходы - к входам блоков управления приводами АП 2 и ПП 9. Кроме того, управляющий вход ВУБ 14 подключен к выходу блока управления устройством (БУУ) 15. Информационный выход ВУБ 14 служит для подключения какого-либо внешнего устройства, например монитора 16.
В общем случае оптическая призма может иметь любое четное число граней. Для простоты изложения работа рассматривается для устройства, в котором оптический компенсатор выполнен в виде четырехгранной оптической призмы, а период кадровой развертки выбран равным периоду кадровой развертки стандартного телевидения - 0,04 с.
Рассмотрение работы устройства ведется с момента, когда призма оптического компенсатора 6 находится в начале своей зоны рабочих углов.
Объектив 5 (см. чертеж) через призму оптического компенсатора 6 формирует оптическое изображение наблюдаемого пространства на фоточувствительной поверхности МФПУ 11.
Оператор через БУУ 15 задает ВУБ 14 режим сканирования окружающего пространства. Сканирование может быть как круговым, так и секторным. При сканировании привод АП 2 приводит АП 1 в равномерное вращение. На ВУБ 14 с датчика угла АП 4 поступает информация об угловом положении платформы АП 2. ВУБ 14 по этой информации вычисляет требуемый для компенсации сдвига изображения угол поворота оптического компенсатора 6 и подает управляющий сигнал на привод ПП 8, который поворачивает оптический компенсатор 6 на вычисленный угол. Контроль поворота осуществляется по датчику угла ПП 10. Можно показать (М.М. Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов, Л., «Машиностроение», 1983, стр. 90-91), что полная компенсация перемещения оптического изображения по светочувствительной поверхности МФПУ 11 вследствие вращения АП 1 обеспечивается при выполнении условия:
,
где ϕ - угол поворота АП,
b - толщина призмы,
f - фокусное расстояние объектива,
α - угол поворота ПП,
n - показатель преломления призмы.
В момент начала зоны рабочих углов оптического компенсатора 6 ВУБ 14 выдает на БУМФПУ 12 синхроимпульс, по которому БУМФПУ 12 выдает сигнал на открытие электронного затвора МФПУ 11, т.е. разрешает экспонирование изображения наблюдаемого пространства. При достижении конца зоны рабочих углов оптического компенсатора 6 ВУБ 14 выдает на БУМФПУ 12 синхроимпульс, закрывающий электронный затвор МФПУ 11. Далее идет поворот ПП до выхода оптического компенсатора 6 в начало зоны рабочих углов. Полученные телевизионные кадры запоминаются в ЗУ 13. Так как кадры меняются с высокой с частотой (25 кадров/с), то для нормальной работы оператора частоту выдачи телевизионных кадров на монитор 16 следует снизить, например, до одного кадра в секунду. Эту операцию осуществляет ВУБ 14, извлекая с заданной частотой телевизионные кадры из ЗУ 13.
При обнаружении объекта оператор устанавливает БУУ 15 в режим слежения и вызывает на монитор 16 через БУУ 15 и ВУБ 14 из ЗУ 13 телевизионный кадр с обнаруженным объектом. Одновременно ВУБ 14 подает сигналы на разворот АП 2 в зону выбранного телевизионного кадра и переходит в режим управления приводом ПП 8, т.е. поворотом оптического компенсатора 6, по командам оператора. При достижении оптическим компенсатором 6 предельных рабочих углов ВУБ 14 подает сигнал на поворот АП 1 на величину половины поля зрения объектива 5 и одновременно подает сигнал на привод ПП 8, устанавливая оптический компенсатор 6 в середину его рабочей зоны. Этим обеспечивается непрерывность слежения за обнаруженным объектом в широком диапазоне углов перемещения объекта.