УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ

УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ
СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ
Предлагаемая полезная модель относится к области оптико-электронных следящих систем (ОЭСС), работающих на переменном токе, и, в частности, к ОЭСС с импульсной модуляцией принимаемого излучения, в которых сигнал управления представляет собой синусоидальный сигнал, действующий на частоте модуляции, а его амплитуда (Асу) связана с величиной отклонения (А) излучателя от центра поля зрения (ПЗ) ОЭСС возрастающей функцией Асу  f (А).
Устройство предназначено к применению, прежде всего, в специализированной ОЭСС со следующими конструктивными особенностями. Модуляция осуществляется вращением маски с фотоприемником (ФП) вокруг визирной оси ОЭСС. Маска выполняется в виде профильной щели, по форме близкой к прямоугольной, и располагается в фокальной плоскости объектива вдоль радиуса вращения. Ее ширина согласовывается с угловым размером изображения точечного излучателя. В качестве ФП используется фоторезистор, образующий с обычными резисторами делитель постоянного напряжения. Предусилитель сигнала с фотоприемника имеет два параллельно работающих канала. Па входе первого канала установлен фильтр высоких частот (ФВЧ пу), частота среза которого почти на порядок превышает частоту модуляции (частоту вращения маски). Второй канал представляет собой истоковый повторитель постоянного тока.
Данная ОЭСС с предлагаемым для нее устройством формирования сигнала управления предназначена для работы по излучателям различной конфигурации, геометрических размеров и различным распределением энергии по площади излучателя, причем на различных расстояниях до излучателя.
МПК 7 G 01 5 3/78
Примером такого излучателя может служить реактивный двигатель с газовым факелом под различными углами наблюдения.
Определим при перечисленных выше конструктивных особенностях приемной системы ОЭСС сигналы на выходах предусилителя, являющиеся входными сигналами предлагаемого устройства. На фиг. 1 изображена фокальная плоскость оптической системы ОЭСС. На фиг. 1 обозначены:
соо - круговая частота вращения прямоугольной маски;
L - длина маски;
а - щирина маски;
d - диаметр изображения точечного излучателя;
А и ф - величина и фаза углового отклонения центра точечного излучателя от центра О поля зрения ОЭСС, соответственно.
На фиг. 2 изображена приведенная в 1 относительная характеристика спектральной плотности одиночного импульса косинус-квадратной формы, хорощо аппроксимирующего сигнал на выходе ФП, когда диаметр «d изображения излучателя равен щирине «а маски (см. фиг. 1).
Для периодической последовательности импульсов, формируемой при вращении маски с круговой частотой соо, зависимость на фиг. 2 будет представлять собой линейчатый спектр с основной частотой fo (f  ). Нри этом соответственно f  п  fo, где п - О, 1, 2.... Для преобразования относительной зависимости спектральной плотности в абсолютную ее ординаты умножаются на величину Афп  k, где
Афп - амплитуда импульсного сигнала; k  fo  тфпНа фиг. 3 представлены приведенные к величине Афп примеры характеристик 1, 2, 3 импульсов различной длительности, соответствующих коэффициентам ,05; ,l; ,2.
Спектральная характеристика выходного сигнала первого канала предусилителя формируется при умножении кривых 1, 2, 3 на фиг. 3 на амплитудно-частотную характеристику ФВЧпу с передаточной функцией Ф (р)  Т-р/(1+ Т-р), имеющей, например, частоту среза f  8  fo.
Из фиг. 3 следует, что для формирования пропорциональной зависимости величины АСУ сигнала управления исполнительным элементом ОЭСС от углового отклонения А излучателя от центра поля зрения необходимо при обработке сигнала с предусилителя использовать, в первую очередь, часть его спектра, расположенную справа от частоты « lOfo, в которой энергия сигнала меньщей длительности (соответствующей большему отклонению А) больще, чем энергия сигнала большей длительности.
Известно устройство 2 формирования сигнала управления исполнительным элементом ОЭСС, предназначенное для выполнения этой задачи. Устройство 2 содержит последовательно соединенные импульсный усилитель, двухсторонний ограничитель, первый коммутирующий элемент, полосовой фильтр, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, нелинейный элемент, фазовращатель и избирательный усилитель. Иараметрический вход импульсного усилителя связан с его выходом через последовательно соединенные второй коммутирующий элемент, устройство автоматической регулировки усиления (АРУ) по сигналу и сумматор. Другой вход сумматора связан с выходом полосового фильтра через устройство автоматической регулировки усиления (АРУШ) по щумам. Известное устройство 2 выполняет задачу формирования зависимости АСУ (А), близкой к пропорциональной, в пределах поля зрения ОЭСС, если частоты (10... 15) fo лежат в полосе частот полосового фильтра устройства. ч Определим выходные сигналы каналов предусилителя при работе ОЭСС по излучателю с относительно большими угловыми размерами, когда излучатель находится в ближней по отношению к ОЭСС зоне. На фиг. 4 показано изображение излучателя в виде круга радиуса «г с центром в точке Оь расположенного в фокальной плоскости ОЭСС в некоторый фиксированный момент времени и находящегося на угловом расстоянии «А от центра вращения прямоугольной маски, имеющей ширину «а. На фиг. (5...7) приведены зависимости формы и спектра сигнала на выходе ФН, рассчитанные для различных значений а  А/г при круговом изменении фазы ф (в радианах). Из фиг. (5...7) следует, что сигналы (за вычетом постоянной составляющей) имеют квазисинусоидальную форму, а их спектры содержат три гармоники: нулевую, первую и вторую. Их величины приведены к величине нулевой гармоники при а  0. С ростом величины а первая и вторая гармоники возрастают, а нулевая убывает, причем величина второй гармоники существенно меньше первой, что соответствует квазисинусоидальной форме сигнала с ФП. Таким образом, в рассмотренном случае при малых отклонениях А (А  г) сигнал на выходе полосового фильтра устройства, описанного в литературе 2, подключенного к выходу первого канала предусилителя, будет практически отсутствовать. Рассмотрим формирование сигналов на выходе ФН при работе по излучателю другой конфигурации, отличной от формы круга. На фиг. 8 приведено изображение «размерного излучателя прямоугольной формы с отношением сторон с/Ь  3 и показана возможность вычисления величины L. Для различных отношений (3  А/с на фиг. 9, 10, 11 представлены сигналы и спектры сигналов с ФН на периоде вращения прямоугольной маски. Форма сигналов от излучателя прямоугольной формы существенно отличается от формы сигналов от излучателя круглой формы. Однако, несмотря на то, что спектры сигналов богаче, эти сигналы существенно подавляются полосовым фильтром, установленном в известном устройстве, описанном в литературе 2.
Таким образом, как в первом, так и во втором рассмотренном примере, известное устройство 2 является неработоспособным в тех случаях, когда излучатель находится в ближней по отношению к ОЭСС зоне. Это является существенным недостатком известного устройства 2.
Попытки устранения указанного недостатка были сделаны в известном устройстве 3 путем использования для формирования сигнала управления сигнала со второго канала преду сил ителя.
Известное устройство 3 предназначено для формирования на переменном токе сигнала управления исполнительным элементом ОЭСС. Устройство 3 имеет два входа и один выход и является наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению, в связи с чем оно может быть принято за прототип. Известное устройство 3 формирования сигнала управления исполнительным элементом оптико-электронных следящих систем содержит в качестве первого канала устройство, описанное в литературе 2, а также работающий параллельно ему второй канал, состоящий из последовательно соединенных делителя напряжения, коммутирующего элемента, импульсного усилителя, амплитудного детектора, фильтра низких частот, фазовращателя, двухстороннего ограничителя и сумматора, выход которого подключен к входу избирательного усилителя первого канала. Фазовращатель первого канала подключен ко второму входу сумматора. Кроме того, выход амплитудного детектора второго канала через устройство автоматической регулировки усиления связан с параметрическим входом импульсного усилителя второго канала.
Известное устройство 3, принятое за прототип, при его использовании в ОЭСС с перечисленными выше конструктивными особенностями и условиями ее практического применения в работе по широкому спектру излучателей различной мощности и конфигурации имеет следующие недостатки.
обусловлено следующими причинами. Величина выходного сигнала второго канала предусилителя, в основном, определяется величиной его постоянной составляющей, значительная часть которой, в том числе и в ближней зоне, не информативна, что связано с включением фоторезистора в делитель постоянного напряжения и дрейфом нуля истокового повторителя.
2.Указанный в п. 1 недостаток может быть устранен путем подачи на вход второго канала устройства центрированного (без постоянной составляющей) сигнала. Однако, в связи с заданной жесткой структурой устройства (делитель напряжения, импульсный усилитель и амплитудный детектор, охваченные устройством АРУ), оно не может адаптироваться к излучателям различной мощности и угловых размеров с тем, чтобы формировать зависимости Асу(А) в соответствии с требованиями к точности и быстродействию ОЭСС. В частности, при синусоидальном сигнале на входе усилителя и амплитудного детектора с устройством АРУ (см., например, сигналы на фиг. 5, 6, 7 после их центрировки), когда его амплитуда пропорциональна как мощности принимаемого излучения, так и величине отклонения А, стабилизированный выходной сигнал детектора в замкнутой ОЭСС также пропорционален мощности принимаемого излучения. Следовательно, в данном случае, несмотря на АРУ, устройство не обладает адаптивными свойствами.
3.В известном устройстве 3 отсутствует возможность формирования требуемой зависимости АСУ (А) при большом многообразии входных сигналов. Причина этого заключается в следующем. Амплитудный детектор используется обычно при формировании огибающей амплитудно-модулированного сигнала на его входе (как, например, в первом канале прототипа), либо при формировании сигнала постоянного тока, величина которого связана со значением амплитуды его входного сигнала (например, как в системе АРУ). В прототипе же при подаче на вход второго канала сигналов, представленных на фиг. 5, 6, 7 и фиг. 9, 10, 11 после их центрирования, можно сформировать
характеристику АСУ (А) путем обработки непосредственно выходного сигнала импульсного усилителя с помощью фильтра нижних частот и избирательного усилителя, настроенного на частоту модуляции (то есть при отсутствии амплитудного детектора в прямой цепи второго канала устройства). Более того, при синусоидальном на частоте модуляции входном сигнале (см. фиг. 5, 6, 7) и при установке двухполупериодного амплитудного детектора сигнал управления, действующий на частоте модуляции, естественно, вообще не формируется. Таким образом, использование амплитудного детектора в прямой цепи второго канала известного устройства 3 во многих случаях некорректно.
4. В известном устройстве 3 установленный в прямой цепи второго канала коммутирующий элемент блокирует прохождение сигнала помехи (помехового сигнала) на вход второго импульсного усилителя для последующего формирования сигнала управления. Однако это увеличивает риск ошибочной блокировки полезного сигнала, принятого внещней схемой ОЭСС, вырабатывающей сигналы управления коммутирующими элементами, за помеховый сигнал. Тем более, что в ближней зоне вероятность принятия полезного сигнала за помеховый сигнал в рассматриваемой специализированной ОЭСС существенно возрастает.
Задачей полезной модели является обеспечение работоспособности устройства при работе ОЭСС по излучателям различных геометрических размеров и конфигураций, различного распределения энергии по площади излучателя на различных расстояниях от ОЭСС до излучателя.
Для достижения этого технического результата предлагается устройство формирования сигнала управления исполнительным элементом оптикоэлектронных следящих систем, которое, как и наиболее близкое к нему, выбранное в качестве прототипа, содержит два канала обработки информационного сигнала. Первый канал обработки информационного сигнала предлагаемого устройства полностью совпадает с первым каналом описанного выще известного устройства 3. Второй канал обработки информационного
сигнала содержит импульсный усилитель, параметрический вход которого связан с выходом устройства автоматической регулировки усиления, последовательно соединенные фильтр низкой частоты, фазовращатель и двухсторонний ограничитель. Выход двухстороннего ограничителя второго канала подключен к первому входу сумматора, соединенного с избирательным усилителем. Ко второму входу сумматора подключен фазовращатель первого канала. Вход импульсного усилителя первого канала и управляющие входы первого и второго коммутирующих элементов первого канала, являются, соответственно, первым информационным и первым и вторым управляющими входами устройства. Выход избирательного усилителя является выходом устройства. Особенностью предлагаемой полезной модели, отличающей его от известного устройства 3, принятого за прототип, является то, что во второй канал устройства дополнительно введены фильтр высокой частоты, первый, второй и третий переключаемые делители напряжения, детектор положительного значения сигнала, детектор отрицательного значения сигнала, вычитатель и триггер. Фильтр высокой частоты, первый переключаемый делитель напряжения, второй переключаемый делитель напряжения, импульсный усилитель второго канала, детектор положительного значения сигнала и вычитатель соединены последовательно. Выход импульсного усилителя второго канала через последовательно соединенные детектор отрицательного значения сигнала и третий переключаемый делитель напряжения связан со вторым входом вычитателя. Выход вычитателя соединен с входами фильтра низкой частоты и устройства автоматической регулировки усиления второго канала. Управляющие входы первого и третьего переключаемых делителей связаны с выходом триггера, вход которого, а также вход фильтра высокой частоты и управляющий вход второго переключаемого делителя напряжения являются, соответственно, третьим и вторым информационными входами и третьим управляющим входом устройства.
1.В предложенной полезной модели, как и в прототипе, на второй информационный вход устройства подается сигнал со второго канала преду сил ителя ОЭСС. Величина его постоянной составляющей в значительной степени определяется особенностями фотоприемного устройства ОЭСС (включение фоторезистора в делитель постоянного напряжения, дрейф нуля истокового повторителя постоянного тока). В прототипе эта часть сигнала, поступая во второй канал устройства, сужает его динамический диапазон настолько, что он оказывается неспособным к обработке информативной части сигнала, поступающего с предусилителя. Поэтому входной сигнал устройства необходимо центрировать, практически не подавляя первую гармонику сигнала. Для этого в заявляемом устройстве введен фильтр высокой частоты, установленный на входе второго канала, с частотой среза, почти на порядок меньшей частоты модуляции сигнала.
2.Предлагаемое устройство формирует сигнал управления из сигналов с предусилителя фотоприемного устройства ОЭСС при ее работе по излучателю, например, реактивному двигателю с газовым факелом, на различных расстояниях до него и различных углах наблюдения. Индикатриса излучения такого излучателя симметрична относительно продольной оси и может рассматриваться в пределах углов наблюдения 0-180°. При этом на выходах предусилителей образуются сигналы различной формы и мощности. Очевидно, что для повыщения точности ОЭСС необходимо для каждого из углов наблюдения установить начало эффективной работы второго канала устройства, когда с уменьшением расстояния эффективность первого канала существенно снижается. Для выполнения этой задачи в предлагаемом устройстве устанавливаются требуемые коэффициент передачи делителя напряжения (Кдн) и коэффициент преобразования (Кпр) схемы формирования огибающей сигнала.
двух поддиапазонов (0.. .90°) и (90°... 180°) углов наблюдения и переключать их по сигналу от внешнего по отношению к ОЭСС устройства. Для этого в предлагаемом устройстве делитель напряжения и вновь введенная схема формирования огибаюш,ей сигнала, состоящая из следующих элементов: детектора положительного значения сигнала, детектора отрицательного значения сигнала, вычитателя и третьего переключаемого делителя напряжения, выполняются переключающими. Их управляющие входы соединены с выходом триггера, вход которого является третьим информационным входом устройства.
3. Установленный во втором канале предлагаемого устройства второй переключаемый делитель напряжения ПДН2, управляющий вход которого является третьим управляющим входом устройства, ослабляет помеховый сигнал в установленное число раз и, следовательно, пропускает на формирование сигнала управления хотя и ослабленный полезный сигнал, принимаемый за помеховый сигнал. Таким образом, повышается точность управления ОЭСС в ближней зоне.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Полезная модель иллюстрируется чертежом (см. фиг. 12), на котором представлена функциональная схема одного из конкретных примеров выполнения заявляемого устройства. На фиг. 12 введены следующие обозначения и нумерация блоков:
1- импульсный усилитель первого канала ИУ1;
2- двухсторонний ограничитель первого канала ОГР1;
3- первый коммутирующий элемент первого канала КЭ1; АРУ сигн АРУ 7- нелинейный элемент НЭ; 8- фазовращатель первого канала ФВ1; 9- сумматор первого канала S1; 10- устройство автоматической регулировки усиления первого канала ; 11- второй коммутирующий элемент первого канала КЭ2; 12- устройство автоматической регулировки щумов АРУШ. Элементы с 1 по 12 образуют первый канал обработки информационного ла. 13- фильтр высокой частоты ФВЧ; 14- первый переключаемый делитель напряжения ПДН1; 15- второй переключаемый делитель напряжения ПДН2; 16- импульсный усилитель второго канала ИУ2; 17- устройство автоматической регулировки усиления второго канала ; 18- детектор положительного значения сигнала ДПЗ; 19- детектор отрицательного значения сигнала ДОЗ; 20- вычитатель ВЧ; 21- третий переключаемый делитель напряжения ПДНЗ; 22- фильтр низкой частоты второго канала ФНЧ2; 23- фазовращатель второго канала ФВ2; 24- двухсторонний ограничитель второго канала ОГР2; 25- сумматор Z;
Элементы с 13 по 24 и 27 образуют второй канал обработки информационного сигнала.
1 инф.вх., 2 инф.вх., 3 инф.вх. - информационные входы устройства; 1 упр.вх., 2 упр.вх., 3 упр.вх. -управляющие входы устройства; вых. - выход.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. На 1-й и 2-й информационные входы устройства поступают сигналы, величины которых изменяются в щироких пределах. Поэтому каналы их обработки содержат усилители с АРУ. 1-й информационный вход является входом импульсного усилителя ИУ1(1) первого канала, выход которого через второй коммутирующий элемент КЭ2 (И), устройство АРУ1 (10) и сумматор Z1 (9) связан с его параметрическим входом. КЭ2 (11), на управляющий вход которого подается сигнал от внещнего устройства, не пропускает в АРУ 1(10) помеховые сигналы. Между выходом ИУ1 (1) и вторым входом сумматора Z1 (9) включены последовательно соединенные двухсторонний ограничитель ОГР1 (2), первый коммутирующий элемент КЭ1 (3), полосовой фильтр ПФ (4) и устройство АРУШ (12). С помощью ОГР1 (2) устанавливаются допустимые пределы изменения сигнала, поступающего через КЭ1 (3) на ПФ (4). Полосовой фильтр ПФ (4) выделяет информативную часть сигнала на 1-м входе устройства и одновременно устанавливает полосу, в которой действуют шумы, поступающие вместе с полезным сигналом на 1-й вход устройства. КЭ1 (3), управляемый внешним устройством, не пропускает помеховые сигналы на вход ПФ (4). Устройство АРУШ (12) вырабатывает сигнал регулирования коэффициента усиления ИУ1 (1), зависящий от уровня щумов на выходе ПФ (4), и тем самым стабилизирует этот уровень.
Выходной сигнал полосового фильтра ПФ (4) поступает также на амплитудный детектор АД (5) и далее через последовательно соединенные фильтр низкой частоты ФПЧ1 (6), нелинейный элемент НЭ (7), фазовращатель ФВ1 (8), сумматор S (25) и избирательный усилитель ИзУ (26) проходит на
выход устройства. Второй вход сумматора Е (25) подключен к выходу двухстороннего ограничителя ОГР2 (24) второго канала устройства. Амплитудный детектор АД (5) формирует огибающую сигнала ПФ (4), первая гармоника которой, выделяемая с помощью ФНЧ1 (6) и ИзУ (26), настроенного на частоту модуляции принимаемого ОЭСС излучения, является формируемой устройством первой частью сигнала управления исполнительным элементом ОЭСС. При этом НЭ (7) увеличивает свой коэффициент передачи с ростом величины сигнала на его входе, а с помощью ФВ1 (8) первого канала устанавливается требуемый в ОЭСС сдвиг фаз огибающей сигнала. 2-й информационный вход устройства является входом фильтра высоких частот ФВЧ (13). Информационной частью поступающего на 2-й информационный вход сигнала является его первая гармоника, действующая на частоте модуляции. Фильтр ФВЧ (13), частота среза которого почти на порядок меньше частоты модуляции, центрирует сигнал (не пропускает далее его постоянную составляющую). Выход ФВЧ (13) через первый переключаемый делитель напряжения ПДН1 (14) и второй переключаемый делитель напряжения ПДН2 (15) связан с входом импульсного усилителя ИУ2 (16) второго канала. Управляющий вход ПДН1 (14) связан с выходом триггера Т (27), состояние которого определяет значение коэффициента передачи ПДН1 (14). Состояние Т (27) зависит от сигнала на его входе (3-м информационном входе устройства), поступающего из внешнего устройства, в котором определяется тип излучателя для ОЭСС. Управляющий вход ПДН2 (15) является 3-м управляющим входом предлагаемого устройства.
Выход импульсного усилителя ИУ2 (16) второго канала связан со своим параметрическим входом через последовательно соединенные детектор положительного значения сигнала ДПЗ (18), вычитатель ВЧ (20) и устройство автоматического регулирования АРУ2 (17). При этом выход ИУ2 (16) через последовательно соединенные детектор отрицательного значения сигнала ДОЗ (19) и третий переключаемый делитель напряжения ПДНЗ (21) также связан со
вторым входом вычитателя ВЧ (20), а управляющий вход ПДНЗ (21) соединен с выходом триггера Т (27).
Устройство из ДПЗ (18), ДОЗ (19), ПДНЗ (21) и ВЧ (20) формирует огибающую выходного сигнала импульсного усилителя ИУ2 (16) второго канала, первая гармоника которой, выделяемая с помощью фильтра низких частот ФНЧ2 (22) и избирательного усилителя ИзУ (26), является формируемой устройством второй частью сигнала управления исполнительным элементом ОЭСС. При этом с помощью фазовращателя ФВ2 (23) второго канала устанавливается требуемый в ОЭСС сдвиг фаз огибающей сигнала, а двухсторонний ограничитель ОГР2 (24) второго канала устанавливает допустимые пределы изменения сигнала.
Таким образом, предлагаемая полезная модель благодаря усовершенствованию второго канала формирования сигнала управления обеспечивает работоспособность устройства при работе ОЭСС по излучателям различных геометрических размеров и конфигураций, различного распределения энергии по площади излучателя на различных расстояниях от ОЭСС до излучателя.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1.М.М. Мирошников Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л.: Изд. «Машиностроение, Ленинградское отделение, 1977, с. 420.
2.Патент РФ № 2093850, кл. G01S, 3/78, опубл. 20.10.1997.
3.Свидетельство РФ № 15406, кл. GO IS, 3/78, опубл. 10.10.2000 прототип.