Активная головка самонаведения
ACTIVE HOMING HEAD

Изобретение относится к активным головкам самонаведения и может быть использовано в качестве бортового элемента летательных аппаратов (ЛА), как средство наведения ЛА на воздушные цели.
Известна активная головка самонаведения /патент US 4383663/ с возможностью работы на частотах от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона электромагнитных волн, содержащая корпус, внутри которого установлены входная оптическая система линз, блок источников излучения, а так же, соединенное через плату аналоговой обработки сигналов с платой цифровой обработки, соединенной по управляющему выходу с блок источников излучения, а по сигнальному выходу с выходной шиной головки самонаведения (ГСН).
При этом оптическая система линз выполнена с механическим сканированием луча путем вращения призмы вокруг продольной оси ГСН.
Недостатком известной активной головки самонаведения являются пониженная надежность работы ГСН, связанная с вращением призмы и наличием привода её вращения.
Задачей изобретения и его техническим результатом является повышение надежности работы ГСН.
Сущность изобретения.
Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что активная головка самонаведения содержит корпус, на внешней поверхности которого установлены флюгарки с датчиками их углового положения. Внутри корпуса установлены блок источников излучения и оптическая система линз с полосовым оптическим фильтром. Фильтр установлен после оптической системы линз перед фотоприемным устройством. Фотоприемное устройство выполнено в виде решетки фотоприемников, установленных перед передней фокальной плоскостью оптической системы. Выходы фотоприемников соединены с платой аналоговой обработки сигналов. Плата содержит последовательно соединенные блок операционных усилителей и блок пиковых детекторов. Выходы пиковых детекторов соединены с платой цифровой обработки сигналов. Плата цифровой обработки сигналов содержит многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, компаратор и электронно-вычислительную машину (ЭВМ). Вторые сигнальные входы ЭВМ соединены с сенсорными датчиками углового положения флюгарок, а управляющий выход ЭВМ соединен через генератор сильноточных импульсов с входами блока источников излучения. Сигнальный выход ЭВМ соединен с выходной шиной головки самонаведения (ГСН).
Такое конструктивное выполнение активной ГСН позволяет исключить громоздкие и малонадежные средства электромеханического сканирования. Следствием этого является повышение надежности работы ГСН и достижение заявленного технического результата. Дополнительно резко снижаются массогабаритные характеристики активной ГСН.
Сущность изобретения поясняется рисунками, представленными на фиг. 1 - фиг. 8.
На фигуре 1 представлена функциональная схема активной головки самонаведения (ГСН), на фигуре 2 - рисунок, поясняющий конструкцию активной ГСН, на фигуре 3 - вид фотоприемников в сечении А-А, на фигуре 4 - вид излучателей в сечении В-В, на фигуре 5 - сечение С-С ГСН по осям вращения флюгарок, на фиг. 6 - рисунок, поясняющий устройство оптической системы ГСН, на фиг. 7 - нормированная диаграмма плотности мощности импульсного источника, на фиг. 8 - нормированная диаграмма чувствительности фотоприемника решетки.
На фиг. 1 - фиг. 8 обозначены:
1 - корпус головки самонаведение (ГСН);
2 - входная оптическая система линз;
2.1 - фокус оптической системы 2;
3 - входной полосовой оптический фильтр;
4 - флюгарки;
5 - оси вращения флюгарок;
6 - подшипник вращения;
7 - магнит датчика углового положения флюгарок;
8 - сенсор датчика углового положения флюгарок (датчики на принципе Холла)
9 - решетка фотоприемников;
9.1 - фотоприемник;
10 - блок источников излучения  верхнего инфракрасного (ИК) диапазона;
10.1 - источник излучения (лазер);
11 - плата аналоговой обработки сигналов фотоприемников;
11.1 - операционный усилитель;
11.2 - пиковый детектор;
12 - плата цифровой обработки;
12.1 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь;
12. 2 - компаратор;
12.3 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ) обработки сигналов;
13 - генератор (формирователь) сильноточных импульсов;
14 - плата электропитания.
10.1
9.1
10.1
9.1.
Активная головка самонаведения содержит корпус 1, на внешней поверхности которого установлены флюгарки 4 с датчиками 8 их углового положения. Внутри корпуса 1 установлены блок 10 источников излучения 10.1 и оптическая система 2 линз с полосовым оптическим фильтром 3. Фильтр 3 установлен после оптической системы 2 линз перед фотоприемным устройством. Фотоприемное устройство выполнено в виде решетки 9 фотоприемников 9.1, установленных перед передней фокальной плоскостью оптической системы 2. Угловой размер Θ нормированной диаграммы углового распределения плотности мощности F излучения импульсных источников 10.1 подсветки представлен на фиг. 7, а угловой размер Θ нормированной диаграммы углового распределения чувствительности U фотоприемников 9.1 - на фиг 8. Источники 10.1 выполнены расколлимированными, то есть имеют расширенную диаграмму направленности, при этом Θ ≥ Θ
Выходы фотоприёмников 9.1 соединены с платой 11 аналоговой обработки сигналов. Плата 11 содержит последовательно соединенные блок операционных усилителей 11.1 и блок пиковых детекторов 11.2. Выходы пиковых детекторов 11.2 соединены с платой 12 цифровой обработки сигналов. Плата 12 цифровой обработки сигналов содержит многоканальный аналогово-цифровой преобразователь 12.1, компаратор 12.2 и электронно-вычислительную машину (ЭВМ) 12.3. Вторые сигнальные входы ЭВМ 12.3 соединены с сенсорными датчиками 8 углового положения флюгарок 4, а управляющий выход ЭВМ 12.3 соединен через генератор 13 сильноточных импульсов с входами блока 10 источников излучения 10.1. Блок 10 импульсных источников содержит не менее одного импульсного источника 10.1 подсветки цели, а решетка 9 - не менее трех фотоприемников 9.1. ЭВМ 12.3 обработки сигналов выполнена на основе ARM (Advanced RISC Machine) архитектуры с математическим сопроцессором на общем кристалле.
Сигнальный выход ЭВМ 12.3 соединен с выходной шиной головки самонаведения (ГСН).
Выходными сигналами ЭВМ 12.3 являются:
- текущие значения угловых положений цели в азимутальной α и угломестной β плоскостях;
- относительным угловым скоростям ,  в соответствующих плоскостях;
- текущая дальность L до цели.
Активная головка самонаведения работает следующим образом.
и
и
и
10.1
По заданной программе управления измерением координат воздушных объектов, заложенной в память ЭВМ 12.3 с заданным периодом обновления передает на формирователь 13 требуемые параметры зондирующих импульсов. Формирователь 13 генерирует модулирующие импульсы амплитудой U, длительностью τ и периодом следования Т. Далее указанные импульсы подаются на излучатели 10.1 блока 10 импульсных источников для подсветки цели. Под действием этих импульсов излучатели 10.1 блока 10 излучают электромагнитные волны в заданном диапазоне электромагнитных волн (ЭМВ). Далее эти ЭМВ излучаются в пространство с заданным угловым размером Θв двух ортогональных плоскостях. При встрече с воздушной целью зондирующие ЭМВ отражаются от воздушной цели в виде отраженных «эхосигналов». Эхосигналы принимаются входной оптической системой 2. Принятые сигналы проходят через полосовой узкополосный фильтр 3 и попадают на фотоприемники 9.1 решетки 9 в расфокусированном виде. Из-за того, что решетка 9 фотоприемников 9.1 расположена перед фокальной плоскостью 2.1 создается возможность распределения мощности принятых сигналов на решетке 10 фотоприемников 10.1 как функции углового положения воздушной цели относительно оптической оси ГСН. Далее принятое распределение плотности мощности сигналов на решетке 9 фотоприемников 9.1 усиливается усилителями 11.1, детектируется пиковыми детекторами 11.2, и в виде аналоговых сигналов поступает на многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12.1 и на компаратор 12.2. АЦП 12.1 преобразует поступившие от пиковых детекторов 11.2 аналоговые сигналы в цифровую форму и передает их в ЭВМ 12.3 для вычисления угловых координат и угловых скоростей. Одновременно компаратор 12.2 принимает поступившие от пиковых детекторов 11.2 аналоговые сигналы и передает их в ЭВМ 12.3 для точного измерения дальности до воздушной цели.
opt
opt
ЭВМ 12.3 на основании принятых сигналов формирует оптимальные параметры зондирующих импульсов - длительность τ и период Т их следования. Эти параметры подаются на генератор - формирователь 13 сильноточных импульсов. Под действием этих импульсов источники 4.1 излучают очередные зондирующие ЭМВ. Далее приемо-передающий процесс циклически повторяется N раз до заданного уровня накопления, обеспечивающего требуемую точность измерения параметров воздушной цели.
Одновременно ЭВМ 12.3 измеряет текущую дальность L до цели в соответствии с выражением:
(1)
где:
τ - временная разница между моментами выдачи сигналов зондирования и моментом прихода ответных от цели эхо-сигналов.
- фиксированная задержка, учитывающая время формирования излучаемого фронта зондирующего сигнала и шумовой сдвиг срабатывания пикового детектора 11.2 от пришедшего эхо-сигнала;
с - скорость света.
Одновременно с измерением дальности L до цели и углов α, β ЭВМ 12.3 измеряет = f(φ) -  уровень j-го принятого эхо-сигнала от каждого i-го фотоприемника 9.1 решетки 9.
Измеренные уровни сигнала  накапливаются и усредняются в ЭВМ 12.3 по времени по следующей формуле:
, (2)
где:
N - число импульсов для осреднения в зависимости от режима может изменяться от 10 (1мс) до 10000 за измерительный цикл.
При этом соотношение сигал - шум каждого приемного канала пропорционально величине .
Таким образом, происходит обработка сигналов  фотоприемников 9.1.
min
Далее по разностным величинам между  и опорным минимальным сигналом U, которые проецируются на ортогональные оси системы координат ГСН (на фигурах не показано), определяются углы места α и азимутальный угол β воздушной цели из выражений:
; (3)
,           (4)
где:
n - количество фотоприемников 9.1 в решетке 9;
- коэффициент пропорциональности для угла места, получаемый при калибровке ГСН на стенде;
- коэффициент пропорциональности для азимутального угла, получаемый при калибровке ГСН на стенде;
- геометрическое вертикальное смещение i-го приемника 9.1 в решетке 9 относительно приемника с минимальным сигналом;
- геометрическое горизонтальное смещение i-го приемника 9.1 в решетке 9 относительно приемника с минимальным сигналом.
Одновременно с измерением величин α, β, L измеряются угловые скорости  и  перемещения цели из выражений:
;           (5)
(6)
где:
- значения угла места на предыдущем измерительном цикле;
- значения азимутального угла предыдущем измерительном цикле;
- временной интервал между измерительными циклами;
N - количество последовательно излученных импульсными источниками 10.1. блока 10 зондирующих импульсов за измерительный цикл.
Измеренные значения координат воздушной цели α, β, ,  и L далее передаются через выводное устройство ЭВМ 12.3 на выходную шину ГСН.
Одновременно мгновенные угловые положения флюгарок 4, определяющие аэродинамические углы атаки и скольжения, измеряются датчиками 8 и передаются в ЭВМ 12.3. ЭВМ 12.3 вносит поправку в измеренные значения углов α и β (3-4). Тем самым компенсируется угловые колебания носителя ГСН, вызванные неоднородностью атмосферы и низкочастотными автоколебаниями носителя ГСН.
Данное изобретение не ограничивается приведенным выше примером его осуществления.
В рамках данного описания изобретения возможны и другие варианты его конструкции.
Так, например, для усиления входного потока ЭМВ и формирования общей диаграммы направленности решетки 9 фотоприемников 9.1 в ГСН может использоваться, как линзовая система, простая коллимационная (без усиления входного потока ЭМВ), так и система из криволинейных зеркал (рефлекторная оптическая система), позволяющая увеличить дальность обнаружения и измерения координат целей ГСН.
Кроме того для измерения аэродинамических углов атаки и скольжения могут дополнительно использоваться приемники статического давления воздуха, расположенные по периметру корпуса ГСН. В качестве датчиков угловых положений флюгарок могут быть использованы не только датчики Холла, но и оптические, емкостные и резистивные датчики.