СПОСОБ И УСТРОЙСТВО АЗИМУТАЛЬНО-УГЛОМЕСТНОЙ ИНДИКАЦИИ В ОПТИКО-ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
METHOD AND DEVICE OF AZIMUTH-ELEVATION INDICATION IN OPTICAL-LOCATION SYSTEMS

Изобретение относится к области лазерной локации и может быть применено в оптических приборах для прямой индикации и визуализации направления локации и их топографической привязки на местности, а также для повышения точности при автоюстировке.
Известны оптические способы и устройства сканирования по азимуту и углу места: от лазерной локации [Лазерная локация. Под ред. Н.П. Устинова, М.: Машиностроение, 1984] до лазерных координатно-измерительных систем с шестью степенями свободы, например Leica absolute tracker АТ960, и тому подобное [www.gfk-leica.ru. Hexagon Metrology].
Известны технические решения оптической локации (сканирования) пространства [Инфракрасные лазерные локационные системы. В.В. Протопопов, Н.П. Устинов, Москва, Воениздат, 1987].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является решение, реализованное в многофункциональной оптико-локационной системе [Патент RU 2292566]. В ней технический результат достигается посредством перископического расположения зеркал, позволяющих изменять направления луча обзора и наблюдать предметы, расположенные вне поля зрения фотоприемного устройства. При этом для автоюстировки вводится дополнительное лазерное излучение. При наличии ошибок в отклонении оптической оси контрольного пучка на фотоприемном устройстве возникает смещение центра дифракционного пятна контрольного пучка относительно выбранного начала координат. Величина смещения определяется датчиком отклонения оптической оси контрольного пучка лазерного излучения.
Несмотря на совершенство в вышеуказанных устройствах оптико-электронных, информационных и беспроводных технологий, они не решают задачи прямой азимутально-угломестной индикации и визуализации направления локации фактическим зондирующим пучком. Более того в прототипе точность юстировки - углового согласования оптических осей зондирующего пучка (передающего канала) и объектного пучка, отраженного от пространственных объектов (приемного канала) требует дополнительного введения контрольного пучка лазерного излучения с последующей коррекцией оптических осей и минимизации углового рассогласования.
Отсутствие прямой визуальной индикации направленности фактических приемопередающих излучений по азимуту и углу места и свето-теневых меток (указателей) в пучках зондирующего и отраженного объектного излучений усложняет оперативность топографической привязки устройства на местности, контроль ориентации и юстировку фактических зондирующего и отраженного объектного пучков.
Изобретение предназначено для расширения функциональных возможностей оптико-локационных систем и при ее осуществлении могут быть получены следующие технические результаты - прямая визуальная индикация направленности зондирующего излучения по азимуту и углу места и упрощение конструкции при сохранении точности автоюстировки.
Технический результат в многофункциональной оптико-локационной системе - прототипе [Патент RU 2292566] достигается за счет конструктивного совмещения оптической, механической и оптико-электронных частей разных функциональных узлов системы встроенных друг в друга посредством перископического эффекта взаимнорасположенных зеркал, позволяющих изменять направления луча обзора и наблюдать предметы, расположенные вне поля зрения фотоприемного устройства. А также за счет того, что устройство содержит формирователь комбинированного оптического пучка, систему коаксиальных валов с телескопическим расширителем комбинированного оптического пучка, встроенным во внутренний вал системы коаксиальных валов, оси вращения которых коллинеарны главной оптической оси комбинированного оптического пучка, систему вращающихся сканирующих зеркал, состоящую из зондирующего, центрального и приемного зеркал, кинематически связанных с коаксиальными валами и обеспечивающих: азимутальное круговое и секторальное по углу места сканирования пространства; разделение-суммирование зондирующих, отраженных (от объекта) и контрольного пучков; и их проекцию на комбинированное фотоприемное устройство с зеркально-линзовой оптикой, и электронную систему контроля, управления, обработки и отображения информации.
Признаками, отличающими изобретение от прототипа являются: радиально-щелевое диафрагмирование зондирующего пучка с одновременным формированием теневой метки в сечении зондирующего пучка и световой метки проецируемой на поверхность лимба в виде изображения радиальной щели, при этом световая метка движется синхронно в двух измерениях по окружности кольцевого лимба при азимутальной развертке, и по его высоте описывая круги при угломестной развертке или изменяя угол наклона сканирующих зеркал. С этой целью в устройство введены лимб, выполненный в виде цилиндра или конуса с нанесенными продольными круговыми и поперечными рисками и щелевая диафрагма, выполненная в зондирующем зеркале. Кроме того, дополнительное введение люминесцентного слоя на рабочую поверхность лимба обеспечивает преобразование ИК-излучения зондирующего пучка в видимую световую метку (при использовании зондирующих лазеров с соответствующим ИК-излучением).
Полученные при осуществлении изобретения технические результаты, а именно прямая визуальная индикация направленности зондирующего излучения по азимуту и углу места и упрощение конструкции при сохранении точности автоюстировки, достигаются посредством радиально-щелевого диафрагмирования зондирующего пучка с одновременным формированием теневой метки в зондирующем пучке и световой метки, проецируемой на поверхность лимба в виде изображения радиальной щели.
На фигуре изображены способ и структурная схема устройства азимутально-угломестной индикации в оптико-локационных системах, где 1 - формирователь комбинированного оптического пучка ∑λ с визирной осью - опорной визирной меткой, состоящий из зондирующего λ1 и контрольного λ2 лазерных излучений, 2 - система коаксиальных валов, оси вращения которых коллинеарны главной оптической О-О оси, 3 - телескопический расширитель комбинированного оптического пучка ∑λ, 4, 5, 6 - соответственно зондирующее, центральное и приемное сканирующие зеркала, механически и кинематически связанные с коаксиальными валами, 7 - комбинированное фотоприемное устройство (ФПУ), 8 - электронная система контроля, управления, обработки и отображения информации, техническая сущность которой отражена в прототипе [Патент RU 2292566], 9 - лимб с нанесенными на рабочую поверхность продольными и поперечными рисками, выполненный в виде цилиндра или конуса, ось вращения которого коллинеарна главной оптической О-О оси, 10 - радиально-щелевая диафрагма, выполнена в зондирующем зеркале 4 (Вид А), 11 - слой люминофора, нанесенный на рабочую поверхность лимба, 12 и 13 - метки, соответственно, теневые в зондирующем λ1 и отраженном λ3 от объекта пространства пучках излучения (сечения Б-Б и В-В, соответственно) и световая метка - изображение щели радиально-щелевой диафрагмы 10 на рабочей стороне лимба 9 или на слое 11 люминофора, нанесенного на его рабочую сторону.
Принцип действия оптической локации, регистрации и визуализации сигналов посредством ФПУ 7 с зеркально-линзовой оптикой, повышения точности совмещения осей приемопередающего каналов, а также кинематических и электрических связей с элементами контроля, управления, обработки и отображения информации электронной системы 8 отражены в прототипе [Патент RU 2292566].
Формирователь 1 комбинированного оптического пучка ∑λ, состоящий из коллимированных зондирующего λ1 и контрольного λ2 лазерных излучений, прошедших через призму Дове (не показана) с визирной осью (опорной визирной меткой) оптически связан с комбинированным ФПУ 7 через перископическую систему зеркал 4, 5, 6 и электрически с интерфейсным выходом 1 электронного блока 8, по которому осуществляется контроль и управление комбинированным оптическим пучком.
Система 2 коаксиальных валов, оси вращения которых коллинеарны главной оптической O-O оси, состоит из внутреннего и внешнего валов, разделенных промежуточным валом. Последний предназначен для управляемости и стабилизации моментов трения между внутренним и внешним валами при их вращении. Внутренний вал связан механически с горизонтальной круговой платформой, на которой размещена система зеркал: 4 зондирующее, 5 центральное и 6 приемное, обеспечивающих перископический эффект - изменение направления луча обзора вне поля зрения ФПУ 7. Вращение внутреннего вала обеспечивает вращение горизонтальной круговой платформы, связанной с зеркалами 4, 5, 6, и, соответственно, сканирование оптико-локационной системой пространства по азимуту α. Внешний вал связан кинематически посредством шкивов с зеркалами 4 и 6, центры которых лежат на ортогональный O*-O* оси. Вращение внешнего вала обеспечивает синхронное вращение зеркал 4 и 6 относительно оси O*-O*, и, соответственно, сканирование оптико-локационной системой пространства по углу γ места. Контроль и управление системой 2 коаксиальных валов осуществляется электрически датчиками углового положения и приводами (не показаны) через интерфейсный выход 2 электронного блока 8.
Телескопический расширитель 3 комбинированного оптического пучка ∑λ размещен коллинеарно (соосно) оси вращения системы 2 коаксиальных валов, внутри внутреннего вала и образует главную оптическую O-O ось.
Зеркала, соответственно, зондирующее 4, центральное 5 и приемное 6 связаны механически с внутренним валом системы 2 коаксиальных валов посредством круговой платформы и оптически между собой. Центры 4 и 6 зеркал образуют ортогональную оптическую ось O*-O* и центрированы относительно друг друга и главной оптической О-О оси, зеркала 4 и 6 связаны кинематически с внешним валом посредством шкивов.
В зондирующем зеркале 4 выполнена радиально-щелевая диафрагма 10. На фигуре поз. 10 показана компланарно плоскости, образуемой пересечением главной О-О и ортогональной O*-O* оптических осей центрального зеркала 5 и дополнительно поз. 4 и 10 показаны разверткой - Вид А. Часть зондирующего излучения λ1, пройдя через радиально-щелевую диафрагму 10, проецируется на рабочую сторону лимба 9 с измерительной шкалой в виде изображения щели - световой метки 13. Одновременно со световой меткой в зондирующем λ1 пучке и, соответственно, в отраженном от объекта λ3 пучке формируется теневая метка 12 (на фиг. 1 показана на выносных сечениях Б-Б и В-В, соответственно).
Лимб 9 (круговое кольцо с измерительной шкалой) выполнен в виде цилиндра или конуса, ось вращения которого коллинеарна главной оптической О-О оси. При этом на его рабочей стороне (с точки наблюдения - визуализации показаний) нанесена шкала с продольными и поперечными рисками, или иной конфигурацией рисок.
Наличие люминесцентного слоя 12 на одной или обеих сторонах лимба 9 позволяет преобразовывать ИК-излучение λ1 зондирующего пучка, спроецированного через радиально-щелевую диафрагму на шкалу лимба в излучение видимого λ спектра. В качестве слоя 12 может быть использована, фотолюминесцентная композиция, преобразующая зондирующее λ1 излучение в излучения видимого спектра. Рабочей стороной лимба 9 может быть как внутренняя, так и внешняя сторона, в зависимости от угла зрения. Для внешней рабочей стороны лимб необходимо выполнить прозрачным в видимом диапазоне спектра.
Комбинированное ФПУ 7 на фиг.1 показано условно и состоит из комбинации фоточувствительных элементов приема теплового излучения объектов, лазерного излучения λ1 зондирующего пучка и отраженного λ3 от объектов, и лазерного излучения λ2 контрольного пучка, а также дополнительно содержит зеркально-линзовую оптику с приводом и с датчиком углового положения компенсатора поворота изображения [Патент RU 2292566]. ФПУ 7 связано электрически с интерфейсным выходом 3 электронной системы 8 контроля, управления, обработки и отображения информации, а оптически - с лазерными излучениями λ1, λ2 и λ3. Лазерное излучение λ2 контрольного пучка служит для контроля совмещения и коррекции оси зондирующего λ1 пучка при его рассогласовании относительно оси отраженного от объектов приемного λ3 пучка.
Способ и устройство работают следующим образом. Созданный формирователем 1 из зондирующего λ1 и контрольного λ2 комбинированный оптический пучок ∑λ с визирной меткой распространяется коллимарно оси вращения системы 2 коаксиальных валов, образующих главную оптическую ось О-О в направлении комбинированного ФПУ 7 с зеркально-линзовой оптикой. При этом внутри внутреннего вала системы 2 коаксиальных валов комбинированный оптический пучок ∑λ расширяется телескопическим лазерным расширителем 3 до заданных по сечению (диаметру зондирующего и контрольного пучков) размеров.
Вращение внутреннего вала системы 2 коаксиальных валов и связанных с ним лазерного расширителя 3 и горизонтальной платформы с закрепленными на ней зеркалами 4, 5 и 6 обеспечивает сканирование оптико-локационной системой пространства по α азимуту. Вращение внешнего вала системы 2 коаксиальных валов и связанных с ним кинематически синхронного вращения зеркал 4 и 6 обеспечивает сканирование локационной системой пространства по углу γ места.
В процессе сканирования контролируемой зоны тепловое излучение объектов через входное 6 и центральное 5 зеркала поступает на оптический вход комбинированного ФПУ 7. Кроме теплового излучения сканируемых фрагментов контролируемой зоны, на оптический вход ФПУ 7 поступает излучение λ2 контрольного пучка, который формируется по тем же оптическим осям, что и зондирующий пучок. Сформированный зондирующий пучок лазерного излучения λ1 последовательно проходит телескопический расширитель 3 и направляется на отражательную поверхность центрального зеркала 5 и далее на отражательную поверхность зондирующего зеркала 4. При этом часть зондирующего излучения λ1, прошедшая через радиально-щелевую диафрагму 10, проецируется на рабочую сторону лимба 9 с измерительной шкалой в виде изображения щели - световой метки 13. Одновременно со световой меткой в зондирующем λ1 пучке и, соответственно, в отраженном от объекта λ3 пучке формируется теневая метка 12 (сечения Б-Б в пучке λ1 и В-В в пучке λ3, соответственно). При наличии объекта лазерное излучение зондирующего пучка λ1 с теневой меткой 12 (сечение Б-Б) отражается от объектов и проецируется на приемное зеркало 6 в виде пучка λ3 с теневой меткой 12 (сечение В-В) и далее, отражаясь от поверхности центрального зеркала 5, направляется в зеркально-линзовый объектив ФПУ 7. ФПУ регистрирует изображение (пространственное распределение интенсивности излучения λ3 в сечении) от объекта и сравнивает его посредством электронной системы 8 с опорной визирной меткой контрольного пучка λ2, сформированной визирной осью призмы Дове в формирователе 1 комбинированного оптического пучка. При рассогласовании меток в фокальной плоскости ФПУ 7 теневой 12 в лазерном пучке λ3 и опорной визирной в контрольном пучке λ2 электронной системой 8 осуществляется автоматическая коррекция углового согласования оптических осей зондирующего λ1 (передающего канала) и отраженного λ3 от объектов пространства (приемного канала) пучков.
Выполнение центрального зеркала 5 полупрозрачным светоделительным для зондирующего пучка излучением λ1 так, что основная часть спроецированного на его поверхность излучения отражается на зондирующее зеркало 4, а часть излучения λ1, прошедшая через зеркало 5, проецируется на оптический вход ФПУ 7, позволяет формировать изображения опорных визирных меток от пучков λ1 и λ2 изучений и теневой метки от отраженного от объекта приемного излучения λ3. При несовпадении изображений меток электронной системой 8 осуществляется автоматическая коррекция углового согласования оптических осей. Следовательно, наличие теневых меток в пучках λ1 и λ3 и их согласование с опорной визирной меткой, образованной визирной осью призмы Дове в формирователе 1 комбинированного оптического пучка ∑λ позволяет упростить конструкцию, исключив контрольное излучение λ2 и связанные с ним системы генерации, контроля и управления лазерным λ2 излучением.
Таким образом, радиально-щелевое диафрагмирование зондирующего пучка, выполненное в зондирующем зеркале 4, позволяет одновременно формировать теневые метки в зондирующем и отраженном пучках и световую метку, проецируемую на поверхность лимба в виде изображения радиальной щели. При этом световая метка движется синхронно в двух измерениях по окружности кольцевого лимба при азимутальной развертке и по его высоте, описывая круги при угломестной развертке (осевое вращение зеркала 4) или изменяя угол наклона зеркала. Дополнительное введение люминесцентного слоя на рабочую поверхность лимба обеспечивает преобразование ИК-излучения зондирующего пучка в видимую световую метку (при использовании зондирующих лазеров соответствующего ИК-излучения).