УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
APPARATUS FOR DETERMINING ANGULAR COORDINATES OF OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к области оптической электроники и может быть использовано в прецизионных системах обеспечения вхождения в связь, в системах точного нацеливания узких оптических лучей, системах траекторных измерений, а также в системах обеспечения устойчивости оптического канала передачи информации, размещенных на подвижных средствах.
Известно устройство (прототип) определения направления на источник оптического излучения (ИОИ) по рассеянной в атмосфере составляющей (см., например, А.Ю.Козирацкий, Ю.Л.Козирацкий, П.Е.Кулешов и др. Патент №2285275, Россия, G01S 17/06. Бюл. №28 от 10.10.06. Способ определения направления на источник оптического излучения по рассеянной в атмосфере составляющей и устройство его реализации. - М:, РОСПАТЕНТ, 2006), содержащее первый и второй оптико-электронные координаторы (ОЭК) с матричными фотоприемниками, первый и второй блоки вычитания, первый и второй квадраторы, первый и второй делители, сумматор, блок извлечения квадратного корня, первый и второй блоки вычисления arctg, выходы которых являются выходами устройства. Недостатками данного устройства являются ограниченный диапазон определения значений угловых координат ИОИ, ограниченных углом, образованным линиями (диагоналями), соединяющими крайние фотоэлементы верхней и нижней линеек ОЭК, а также жесткая привязка матриц фотоэлементов ОЭК к координатным плоскостям.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является расширение диапазона значений определяемых угловых координат ИОИ и снятие ограничений на установку ОЭК в декартовой системе координат.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве определения угловых координат ИОИ, включающем установленные в декартовой системе координат первый и второй оптико-электронные координаторы с матричными фотоприемниками, каждый фотоэлемент которых имеет координатную привязку в декартовой системе координат, дополнительно установлены первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой аналогово-цифровые преобразователи, микропроцессор и индикатор, при этом первый, второй, третий и четвертый выходы первого оптико-электронного координатора соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого аналогово-цифровых преобразователей соответственно, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами микропроцессора, первый, второй, третий и четвертый выходы второго оптико-электронного координатора соединены с входами пятого, шестого, седьмого и восьмого аналогово-цифровых преобразователей соответственно, выходы которых соединены соответственно с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами микропроцессора, выход которого соединен с входом индикатора.
Сущность изобретения заключается в применении двух ОЭК с матричными фотоприемниками, в которых используются помимо горизонтальных линеек фотоэлементов дополнительно вертикальные линейки фотоэлементов, осуществляющих прием рассеянного излучения под ортогональным углом к оси пучка ИОИ. Это позволяет расширить диапазон измеряемых значений угловых координат ИОИ за счет дополнительного увеличения количества фотоэлементов ОЭК и расширения сектора просмотра в поле зрения ОЭК. Применение элементов электронно-вычислительной техники для обработки сигналов ОЭК позволяет снять жесткие требования к установке ОЭК к декартовой системе координат. Это приводит к тому, что координатная привязка фотоэлементов ОЭК (с последующим внесением выбранных координат фотоэлементов в алгоритм вычисления, реализованный в микропроцессоре) может осуществляться независимо от схемы обработки сигналов. По существу, сигналы фотоэлементов ОЭК, имеющие максимальные выходные значения, являются «ключами», по которым микропроцессор обращается к внесенным (хранящимся) координатам фотоэлементов для их использования в вычислительном процессе. Поэтому предлагаемое техническое решение позволяет отказаться от блоков, включенных в устройство-прототип, функционирование которых требует жесткой привязки фотоэлементов в декартовых координатных плоскостях.
11
1n
1N
1w
1m
21
2i
2N
2s
Принцип функционирования предлагаемого устройства продемонстрирован на геометрической схеме расположения ОЭК и пучка ИОИ в декартовой системе координат (фигура 1). Для наглядности в схеме фокусирующие свойства формирующей оптики не учитываются. Это позволяет представить изображение пучка ИОИ и поля матриц ОЭК соизмеримыми размерами. При этом поле матрицы фотоэлементов второго ОЭК расположено в плоскости x0z, а поле первого ОЭК повернуто относительно плоскости 0yz на угол α. Фотоэлементы ОЭК имеют координатную привязку, координаты которых известны и внесены в память микропроцессора и имеют обозначение: первый индекс указывает на принадлежность ОЭК, второй индекс - номер фотоэлемента. Матрицы фотоэлементов ОЭК одинаковы и имеют количество в вертикальных линейках M фотоэлементов, в горизонтальных линейках N фотоэлементов. Оптический пучок от ИОИ падает на плоскость xy0 таким образом, чтобы в определении угловых координат были задействованы вертикальные линейки фотоэлементов (для демонстрации тех. результата). Часть оптической оси пучка представляется в виде проекций на плоскостях матриц фотоэлементов ОЭК, задаваемые точками с координатами a(x, 0, z), b(x, y, z), g(0, y, z), f(0, y, z), где , , , ,  - номер фотоэлемента по осям z и y, имеющего максимальный выходной сигнал.
1H
1B
2H
2B
1B
1H
2B
2H
1H
1h
1B
1q
2H
2v
2B
2r
11
1n
1N
1w
1m
1N
1w
1n
1
1h
1k
1
1q
1j
1M
1
1q
1j
21
2i
2N
2s
2N
2i
1
2v
1
2r
1
2r
1h
2v
Для определения угловых координат ИОИ согласно устройству прототипу необходимо знать длины отрезков Δx=x-x и Δy=y-y, где x, x, y, y - координаты фотоэлементов верхней и нижней линеек первого и второго ОЭК, сигнал на выходе которых имеет максимальное значение. Произведем замену вторых индексов координат x=x, x=x, y=y, y=y, где , , ,  - номер координаты по осям х и y, полученных пересечением линий проекций оптической пучка и горизонтальных линек фотоэлементов. Значение искомых длин (Δx, Δy) отрезков в ситуации, представленной на фигуре 1, возможно получить с использование свойств подобных треугольников, а именно Δx из треугольников с вершинами Δa(x, 0, z)b(x, y, z)c(x, y, z) и Δa(x, y, 0)b(x, y, z)с(x, y, 0), Δy из треугольников с вершинами Δg(0, y, z)f(0, y, z)e(0, y, z) и Δg(0, y, 0)f(0, y, d)e(0, y, 0), где ,  - номер координаты по оси y, полученные пересечением линий проекций оптической пучка и горизонтальных линек фотоэлементов. Учитывая, что плоскость матицы первого ОЭК повернута на угол α относительно плоскости 0yz, угловые координаты ИОИ и координат центра пятна (точка A(x, y, 0)) подсвета определяются выражениями
,
,
, ,
,
2M
1M
где d=z=z - расстояние между верхней и нижней линейками фотоэлементов ОЭК.
Подобные алгоритмы вычисления угловых координат ИОИ можно рассмотреть для всех возможных случаев расположения пучка ИОИ и установки ОЭК в декартовой системе координат. Реализация этих алгоритмов в микропроцессоре позволит получить искомые координаты ИОИ.
Таким образом, предлагаемое изобретение за счет дополнительного использования вертикальных (боковых) линеек фотоэлементов ОЭК и в зависимости от их установки в декартовой системе координат позволяет существенно расширить диапазон определения значений угловых координат ИОИ. Применение электронно-вычислительных технологий (микропроцессора или ЭВМ) в построении устройства снимает ограничения на строгую привязку полей матриц именно в координатных плоскостях за счет реализации вычислительного процесса оценки координат ИОИ в виде программы. Тем самым предлагаемое авторами устройство устраняет недостатки прототипа.
На фигуре 2 представлена блок-схема устройства. Блок-схема устройства содержит первый и второй ОЭК с матричными фотоприемниками 1, 2, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой аналогово-цифровые преобразователи 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10, микропроцессор 11 и индикатор 12.
Устройство работает следующим образом. Предварительно осуществляют установку ОЭК в декартовой системе координат и координатную привязку их фотоэлементов. Координаты фотоэлементов заносятся (запоминаются) в элементах памяти микропроцессора (ЭВМ) 11. Рассеянное оптическое излучение принимается ОЭК 1, 2. С выходов ОЭК 1, 2 сигналы фотоэлементов, имеющие максимальные значения выходных сигналов, преобразуются в кодовые сигналы соответствующими аналогово-цифровыми преобразователями 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 и поступают в микропроцессор (ЭВМ) 11, где осуществляется вычисление координат центра пятна подсвета и угловых координат ИОИ, значения которых отображаются индикатором 12.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестно устройство определения угловых координат ИОИ, включающее установленные в декартовой системе координат первый и второй оптико-электронные координаторы с матричными фотоприемниками, каждый фотоэлемент которых имеет координатную привязку, дополнительно установленные первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой аналогово-цифровые преобразователи, микропроцессор и индикатор, при этом первый, второй, третий и четвертый выходы первого оптико-электронного координатора соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого аналогово-цифровых преобразователей соответственно, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами микропроцессора, первый, второй, третий и четвертый выходы второго оптико-электронного координатора соединены с входами пятого, шестого, седьмого и восьмого аналогово-цифровых преобразователей соответственно, выходы которых соединены соответственно с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами микропроцессора, выход которого соединен с входом индикатора.
Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые оптические и радиотехнические узлы и устройства.