ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА
OPTIC-ELECTRONIC SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области пеленгационных средств и систем слежения и может быть использовано при разработке систем обнаружения малоразмерных целей, определение их координат и слежения за ними в инфракрасной области спектра излучения объектов.
Известны координаты и системы слежения.
В координатор (см. авт. свид. СССР № 1841006 по заявке 3190245/22, положительное решение от 6.01.1989 г.) входит приемный объектив, в фокальной плоскости которого размещена главная плоскость оптического узла, состоящего из двух плоско-выпуклых одинаковых по радиусу оптически сопряженных и жестко связанных между собой линз. На внутренней стороне одной из них по всей ее плоскости нанесено покрытие из непрозрачного для видимого и инфракрасного излучений материала. В покрытии сделан вырез в виде узкой щели, выполненной по спирали Архимеда. Вырез начинается с оптической оси устройства и, пересекая ось Y, кончается на оси X, в точке максимального радиуса оптического узла. Держатель оптического узла, имеет по оси Х синхронизирующее отверстие, которое расположено на расстоянии большем, чем максимальный радиус оптического узла. с одной стороны держателя напротив синхронизирующего отверстия расположен светодиод, а с другой стороны фотодиод. Оптическая ось светодиод-фотодиод параллельна оптический оси устройства. Держатель через редуктор подключен к исполнительному электродвигателю. На входной оси редуктора расположен оптико-механический датчик углового положения.
После оптического узла на оптической оси устройства расположен четырехэлементный квадрантный приемник излучения. Выход фотодиода подключен через схему выреза импульсов и линии задержки к входам источников питания кроме источника питания первого квадранта, подключенного непосредственно. Выходы источников питания соединены соответственно с питающими входами четырехэлементного квадрантного приемника излучения, сигнальные выходы которого поступают на счетно-решающее устройство. Три выхода линий задержек и выход фотодиода также поступают на счетно-решающее устройство, девятый вход которого связан с оптико-механическим датчиком углового положения.
Работает координатор следующим образом.
Излучение от малоразмерных объектов излучения через приемный объектив и оптический узел попадает на четырехэлементный квадрантный приемник излучения. Держатель (вместе с оптическим узлом) вращается против часовой стрелки и производит по квадрантам анализ пространства излучения, которое находится в поле зрения приемного объектива.
В исходном положении синхронизирующее отверстие находится на оптической оси светодиод-фотодиод. В данный момент на вход источника питания, а через линии задержек на входы других трех источников питания, поступают со схемы выреза импульсов сигналы их последовательного запуска. Напряжение питания с блоков питания поступают поочередно на соответствующие квадранты.
В момент подачи напряжения питания на элемент приемника излучения производится поиск целей в данном квадранте. Вырез, при повороте его на 270°, полностью проанализирует данный квадрант. Начальным положением для анализа одного полного кадра является положение, когда синхронизирующее отверстие находится на оси Х. В этом случае с выхода фотодиода поступают импульсы запуска на блок питания непосредственно, а на три другие блоки питания через линии задержки, а также непосредственно и после линии задержки на счетно-решающее устройство.
Когда вырез, при вращении держателя оптического узла, пересекает объект излучения, то с соответствующего элемента приемника лучистой энергии на счетно-решающее устройство поступает электрический сигнал. Одновременно с ним на счетно-решающее устройство с выхода оптико-механического датчика угловых положений поступает сигнал, соответствующий угловому повороту держателя от начального положения.
Основным недостатком этого координатора является то, что он определяет только декартовые координаты целей. Слежение же за целью он не обеспечивает.
Координатор (см. авт. свид. № 1841034 по заявке 4510633, 17.02.1989), который выбран за прототип, отличается от вышеописанного координатора тем, что он определяет координаты группы целей, находящихся в поле зрения устройства в определенный момент времени. В нем линза оптического узла имеет вторую щель с началом на оптической оси и окончанием на оси Х в точке максимального радиуса линзы и равную ширине первой щели. Данное изобретение является дополнительным к вышеописанному.
Работает устройство следующим образом.
При вращении оптического узла щель, выполненная по радиусу, первой пересекает цели, находящиеся на разных радиусах. Эта информация запоминается в счетно-решающем устройстве. За этой щелью следует щель, выполненная по спирали Архимеда, определяющая полярные радиусы целей.
Этот координатор также определяет координаты целей. Следить за целью он не может.
Прецизионная автоматическая следящая система описана в патенте США №4020340. Эта система является активной оптико-электронной системой, в ней имеются передающий и приемный каналы.
Передающий канал содержит импульсный лазер, переотражающее устройство, зеркало слежения. Излучение лазера, пройдя переотражающее зеркало, попадает на зеркало слежения, с которого излучается в пространство объектов. Лазерное излучение, отразившись, например, от самолета, снова попадает на зеркало слежения. Зеркало слежения выполнено с возможностью перемещения по азимуту и углу места.
Приемный канал содержит зеркало слежения, объектив, квадрантный приемник с линзой, усилители, устройства сравнения сигналов с выходов сегментов квадрантного приемника для выделения сигналов ошибки. Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение, отразившись от отражателя на самолете, снова попадает на зеркало слежения. Пройдя объектив, оно попадает на линзу квадрантного приемника. В случае, когда оптическая ось приемного канала совпадает с осью пятна приемного излучения, сигналы с фоточувствительных площадок равны между собой. Неравенство напряжений означает, что оптическая ось приемного канала системы отклонилась от направления на цель, причем величина этого отклонения по соответствующим осям пропорциональна разности напряжений. Эта разность используется для выработки сигнала ошибки слежения за целью. Эти сигналы поступают на устройство, которое перемещает зеркало слежения по азимуту и углу места.
Основным недостатком этой следящей системы является то, что она не может определять координаты целей. Она может только за целью следить.
В патенте США №4021007 описана система стабилизации тангажа-рыскания. Она используется для направления снарядов или ракет по лазерному лучу.
Лазер находится вблизи пусковой установки, а четырехэлементный квадрантный приемник расположен позади транспортного средства, т.е. снаряда или ракеты. Снаряд входит в конус лазерного луча. Излучение лазера через линзу попадает на четырехэлементный квадрантный приемник снаряда. На приемник через его линзу попадает расфокусированное излучение. Размер пятна излучения обычно равен радиусу приемника.
Если продольная ось снаряда совпадает с осью лазерного луча, то пятно излучения будет в центре пересечения четырех квадрантов и электрические выходы от секторов приемника будут равны, а это значит, что снаряд направлен точно на цель, т.к. на цель направлен луч лазера.
Недостатком этой системы является то, что она обеспечивает слежение за целью, но не определяет ее координаты. Оптико-электронные системы, обеспечивающие одновременное определение координат целей и слежение за ними, не обнаружены. Предполагаемое изобретение является попыткой решения этого вопроса. Прототипом выбран координатор, описанный в заявке №4510633 СССР, а средства слежения использованы из патента США №4021007. В результате прототип представляет совокупность указанных устройств с использованием только тех признаков, которые необходимы для обеспечения работы системы в режиме слежения.
Целью предлагаемого изобретения является определение координат объектов и обеспечение слежения за ними.
Поставленная цель достигается за счет того, что в оптико-электронной системе, содержащей координатор, включающий последовательно установленные на одной оптической оси приемный объектив, анализатор изображения с держателем, в котором по осям декартовых координат выполнены четыре сквозные отверстия, конденсор, четырехэлементный квадрантный фотоприемник с блоками питания, линии задержки, счетно-решающее устройство, а также установленные с разных сторон анализатора изображения на осях сквозных отверстий с держателем светодиоды и фотодиоды, блоки питания светодиодов, исполнительный двигатель, механически связанный через редуктор с держателем, датчик угловых отклонений механически соединенный с редуктором, а также устройство слежения за целью, включающее линзу и четырехэлементный квадрантный фотоприемник, усилители сигналов элементов фотоприемника и две схемы вычитания сигналов, выходы которых соединены с устройством использования информации, отличающейся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения слежения за целью, анализатор изображения и конденсор выполнены единым оптическим узлом в виде оптически сопряженных между собой рассеивающей плоско-вогнутой и собирающей двояковыпуклой линз, причем плоская поверхность рассеивающей плосковогнутой линзы расположена в фокальной плоскости приемного объектива и покрыта непрозрачным покрытиям для видимой и инфракрасной областей излучения, в которой по центру линзы имеется прозрачный круг и две щели одинаковые по ширине, одна из которых выполнена в виде спирали Архимеда с началом на оптической оси и окончанием на горизонтальной оси в точке максимального радиуса линзы, другая в виде щели, выполненной на оси X, а также введены переотражающее зеркало, установленное под углом 45° к оптической оси с возможностью перекрытия потока излучения от прозрачного круга в плоско-вогнутой линзе оптического узла, фокусирующая линза и второй четырехэлементный квадрантный фотоприемник, аналогичный фотоприемнику координатора, вторая фокусирующая линза, которая сочленена с фотоприемником конденсора и установлена после переотражающего зеркала, причем выходы соответствующих фотодиодов соединены со входами соответствующих блоков питания элементов фотоприемника координатора, а также со входами линий задержек, выходы которых подключены к блокам питания светодиодов, причем выход фотодиода, установленного на оси Х, подключен через линию задержки и блок питания к светодиоду, установленному по оси Y, выход фотодиода, установленного на оси Y, подключен через линию задержки и блок питания к светодиоду, установленному на оси Х, выход фотодиода, установленного на оси Х подключен через линию задержки и блок питания к светодиоду, установленному на оси Y, а выход фотодиода, установленного на оси Y, подключен через линию задержки и блок питания к светодиоду, установленному на оси Х и т.п.
Предлагаемое устройство существенно отличается по своим функциональным возможностям по сравнению с известными устройствами.
Аналоги и прототип, приведенные в заявке, являются или устройствами определения координат, или устройствами слежения за целью. Оптико-электронной системы, совмещающей эти функции, нет.
Данное техническое решение отличается от всех существующих новой совокупностью признаков, которые взаимосвязаны между собой, необходимы и достаточны для обеспечения поставленной задачи. На основании изложенного заявляемое техническое решение соответствует критерию ″Существенные отличия″.
На Фиг. 1 представлена блок-схема оптико-электронной системы, на фиг. 2 показаны эпюры напряжений работы координатора, на фиг. 3 представлен держатель с оптическим узлом, а на фиг. 4 и фиг. 5 показаны эпюры и блок-схема обработки сигналов.
В состав предлагаемого устройства (см. фиг. 1) входит приемный объектив 1, в фокальной плоскости которого размещена плоская поверхность 2 оптического узла 3, состоящего из оптически сопряженных между собой плоско-вогнутой и двояковыпуклой линз 4. На плоской поверхности плоско-вогнутой линзы нанесено покрытие, непрозрачное для видимой и инфракрасной областей спектра излучения. В покрытии по центру линзы имеется прозрачный круг 5 и две щели, одна из которых выполнена в виде спирали Архимеда 6 с началом на оптической оси и окончанием на горизонтальной оси в точке максимального радиуса линзы, другая в виде щели 7, выполненной по оси X. Держатель 8 оптического узла 3 имеет по осям декартовых координат сквозные отверстия см. фиг. 3. С одной стороны держателя 8 (со стороны объектива) напротив сквозных синхронизирующих отверстий 9 расположены светодиоды 10, а с другой стороны - (со стороны приемника) - фотодиоды 11. Оптические оси пар светодиод 10 - фотодиод 11 параллельны оптической оси устройства. Держатель 8 через редуктор 12 подключен к исполнительному двигателю 13.
После оптического узла 3 на оптической оси устройства под углом 45° к ней расположено переотражающее зеркало 14.
В координаторе после переотражающего зеркала 14 размещены фокусирующая линза 15 и сочлененный с ней четырехэлементный квадрантный фотоприемник 16. Выходы фотодиодов 11 соединены со входами соответствующих блоков питания 17, 18, 19, 20 элементов фотоприемника 16. Выходы блоков питания 17, 18, 19, 20 соединены соответственно с питающими входами четырехэлементного квадрантного фотоприемника 16, сигнальные выходы которого соединены с 1, 2, 3, 4 входами счетно-решающего устройства 21. Выходы блоков питания 17, 18, 19, 20 соответственно связаны с 5, 6, 7, 8 входами счетно-решающего устройства 21.
Выходы фотодиодов 11 также соединены со входами линий задержек 22, выходы которых подключены ко входам блоков питания 23 светодиодов 10. Выход фотодиода 11, установленного на оси X, через линию задержки 22 и блок питания 23 подключен к светодиоду 10, установленному на оси Y. Выход фотодиода 11, установленного на оси Y, через линию задержки 22 и блок питания 23 подключен к светодиоду 10, установленному на X. Выход фотодиода 11, установленного на оси X, через линию задержки 22 и блок питания 23 подключен к светодиоду 10, установленному на оси Y. Выход фотодиода 11, установленного на оси Y, через линию задержки 22 и блок питания 23 подключен к светодиоду, установленному на оси Х и т.д. (см. фиг. 2).
В системе слежения после переотражающего зеркала 14 размещены фокусирующая линза 24 и сочлененный с ней четырехэлементный квадрантный фотоприемник 25. Сигнальные выходы фотоприемника 25 соединены с усилителями 26, 27, 28, 29. Выходы усилителей 26 и 28, 27 и 29 соединены соответственно со схемами вычитания 30 и 31. Схемы вычитания 30 и 31 подключаются к внешним устройствам использования информации. С них поступает сигнал величины отклонения оптической оси от направления на цель.
Счетно-решающее устройство 21 входом 9 через датчик угловых положений 32 подключено к редуктору 12.
Предлагаемая оптико-электронная система работает следующим образом.
Излучение от малоразмерных объектов излучения через приемный объектив 1 попадает на плоскую поверхность 2 плоско-вогнутой линзы оптического узла 3. Плоская поверхность находится в фокальной плоскости приемного объектива 1. На выходе оптического узла 3 излучение представляет собой параллельный пучок лучей. Переотражающее зеркало 14 перекрывает область излучения от прозрачного круга 5 в плоской поверхности 2 и направляет его в систему слежения, оптическая часть которой состоит из фокусирующей линзы 24 и четырехэлементного квадрантного фотоприемника 25. При этом фотоприемник 25 удален от фокусной точки линзы 24 на расстояние, при котором световое пятно, падающее на этот фотоприемник 25 от удаленного источника светового излучения, имеет диаметр, приблизительно равный радиусу детектора.
х
п
л
у
в
н
п
л
в
н
Когда оптическая ось устройства слежения совпадает с направлением на цель, сигналы с квадрантов приемника равны между собой. Неравенство напряжений означает, что оптическая ось системы отклонилась от направления на цель, причем величина этого отклонения по соответствующим осям пропорциональна разности напряжений: ΔU=U-U и ΔU=U-U, где U, U, U и U напряжения с правого, левого, верхнего и нижнего квадрантов фотоприемника. Эта разность используется в качестве меры отклонения оптической оси от направления на цель, а при необходимости - для выработки сигнала ошибки слежения за целью.
Выходы элементов фотоприемника 25 через усилители 26, 27, 28, 29 подключены к двум схемам вычитания 30 и 31, причем к схеме вычитания 30 подключены усилители 26 и 28, а к схеме вычитания 31 - усилители 27 и 29. Схемы вычитания 30 и 31 воспроизводят сигналы отклонения оси от цели соответственно по осям X и Y декартовой системы координат. Со схем вычитания 30 и 31 сигналы поступают на внешнее устройство использования информации.
Излучение от оптического узла 3, находящееся за пределами переотражающего зеркала 14, поступает в координатор. Оптическая часть координатора после переотражающего зеркала состоит из фокусирующей линзы 15 и сочлененного с ней четырехэлементного квадрантного фотоприемника 16. Фокусирующая линза 15 фокусирует излучение в ″точку″ на фотоприемнике 16.
Держатель 8 (вместе с оптическим узлом 3) вращается против часовой стрелки и производит по квадрантам декартовой системы координат анализ пространства излучения, которое находится в поле зрения приемного объектива 1.
В исходном положении синхронизирующее сквозное отверстие 9 находится на оси X. В этом случае излучение от светодиода 10 поступает на фотодиод 11, электрический импульс которого поступает на блок питания 17, а через линию задержки 22 и блок питания 23 на светодиод 10, расположенный на оси Y. Вращаясь, держатель 8 проходит пары светодиод-фотодиод, расположенные на осях Y и X и только поджигает светодиод 10, расположенный на оси Y. Все это время (до поджига светодиода 10, расположенного на оси Y) на элемент фотоприемника 16, расположенного в 1-м квадранте, поступает напряжение с блока питания 17. Таким образом происходит анализ изображения в 1-м квадранте.
Излучение светодиода 10, расположенного на оси Y, через сквозное отверстие 9 поступает на фотодиод 11, электрический импульс которого поступает на блок питания 18, а через линию задержки 22 и блок питания 23 на светодиод 10, расположенный на оси Х. Вращаясь, держатель 8 проходит пары светодиод-фотодиод, расположенные на осях X и Y, и только поджигает светодиод 10, расположенный на оси X. Все это время (до поджига светодиода 10, расположенного на оси Х) на элемент фотоприемника 16, расположенного в 4-м квадранте, поступает напряжение с блока питания 18. Таким образом происходит анализ изображения в 4-м квадранте.
Анализ изображения в 3-м и 2-м квадрантах происходит аналогичным образом.
При вращении оптического узла 3 щель 7, выполненная по радиусу, первой последовательно пересекает цели, находящиеся на разных радиусах. Информация о радиусах, на которых имеются цели, а соответственно и их полярных углах, запоминается в счетно-решающем устройстве 21. За щелью 7 следует щель 6, выполненная в виде спирали Архимеда, которая определяет величину полярных радиусов целей.
На счетно-решающее устройство 21 поступают сигналы с датчика угловых положений 32, который подключен к редуктору 12.
Координатор оптико-электронной системы обнаруживает цель, определяет ее координаты и выдает их на внешнее устройство использования информации, которое направляет оптическую ось оптико-электронной системы на цель. В этом случае происходит захват цели следящим устройством и происходит процесс слежения оптико-электронной системой за целью.
В качестве фотоприемников используется ФР-15. Пара светодиод-фотодиод выполнена соответственно на АЛ107Б и ФД-256. В качестве исполнительного электродвигателя используется ДАДЧ-60-12. В качестве приемного объектива используется объектив изделия ″Тмин-Кристалл″. В качестве датчика угловых положений применен фотоэлектрический преобразователь типа ОЭПМК-16 (см. ″Фотоэлектрические преобразователи информации″. М., Изд-во ″Машиностроение″, 1974, стр. 367).
В предложенном устройстве схемы задержки выполнены на микросхемах 564ТМ2, а схемы питания элементов фотоприемника на микросхеме 564ТР2 (см. Е.А. Зельдин: ″Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре″ Л., Изд-во ″Энергоатомиздат″, 1986, стр. 266-273).
Определение координат цели может производиться в контроллерах типа К1-30, ДВК-2М, ЕС1840 и других. Можно для этого сделать и специальный вычислитель.
Алгоритм работы устройства следующий. Реально получаем временные интервалы между импульсом начала просмотра квадранта и сигналами с прямой щели (ПЩ) с фигурной щели (ФЩ).
На Фиг. 4 произведены диаграммы работы устройства.
Время t прямым образом определяет угол φ, т.е. t тождественно φ. Зная время τ, можно определить полярный радиус r. Для этого определяем
о
Т=τ-t-τ,
о
где τ - временной сдвиг между ПЩ и ФЩ.
Время Т тождественно радиусу r.
Система обработки должна обеспечивать:
- определение t;
- определение τ;
- определение T;
i
i
Кроме того, необходимо запоминать вышеуказанные параметры. При существовании нескольких целей надо для соответствующих t установить соответствующие T.
На фиг. 5 представлена схема обработки сигналов, входящая в состав счетно-решающего устройства, где
А - усилитель сигналов ПЩ и ФЩ;
o
Б - линия задержки, время задержки которой равно τ;
ТГ - тактовый генератор;
MS - мультиплексор;
СЧ1 и СЧ2 - счетчики импульсов.
Сигналы с квадранта проходят через блок А и поступают на мультиплексор MS. Управляющим сигналом для MS является сигнал с линии задержки Б. MS пропускает на выход сигнала сигналы от ПЩ, а затем от ФЩ. Сигналы ПЩ и ФЩ останавливают (или стробируют) соответственно счетчики СЧ1 и СЧ2. Данные счетчиков являются параметрами t и τ, которые поступают на вход вычислителя. Таким образом, алгоритм работы вычислителя следующий: запоминание t, τ; вычисление T; выдача данных во внешнюю схему.