ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА
OPTOELECTRONIC SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к областям тепловизионных и пеленгационных средств и может быть использовано при разработке систем отображения окружающей тепловой обстановки, обнаружения на ее фоне более ярких малоразмерных объектов и определение их координат в инфракрасном диапазоне волн излучения.
В аналогах и прототипе не рассматриваются системы обработки информации, поскольку они не касаются предмета изобретения.
Обычно в систему обработки информации входят электронные ключи, линии задержек, блоки питания, усилители и др. В устройстве на данное предлагаемое изобретение приведена одна из возможных реализаций ее.
В оптико-электронных устройствах существуют два основных типа сканирующих систем: сканирование в параллельном и в сходящемся пучках лучей. В качестве сканирующих элементов обычно используются: колеблющееся зеркало, вращающийся зеркальный барабан, вращающаяся призма, вращающийся клин и др.
Рассмотрим преимущества и недостатки перечисленных выше типов оптических сканирующих устройств.
Расположение сканирующего зеркала в параллельном пучке лучей (перед объективом) не вносит дополнительных аберраций, но приводит к большим размерам и весам зеркала, а также к жестким допускам на качество изготовления его отражающей поверхности, которая вызывает астигматизм при наклоне зеркала под углом 45° к оптической оси объектива.
Если расположить колеблющееся зеркало между телескопической системой и объективом приемника излучения, то его размеры резко уменьшаются. Недостатком является то, что угол сканирования в пространстве объектов меняется в зависимости от расстояния, на которое сфокусирована система. Аналогично в зависимости от расстояния, на которое сфокусирована система, изменяется перемещение лучей в плоскости изображения.
В сходящемся пучке лучей колеблющееся зеркало имеет малые размеры, но за счет аберраций объектива увеличивается кружок рассеяния точечного источника излучения.
Существенным недостатком колеблющихся зеркал при сканировании с высокой скоростью является их нестабильность работы вблизи краев поля зрения. Поэтому при высокой скорости сканирования часто используются вращающиеся зеркальные барабаны. В сходящемся пучке у них наблюдается сильная расфокусировка в плоскости изображения за счет смещения центра грани. Поэтому их применяют в параллельном пучке. В этом случае габариты и вес зеркального барабана сильно увеличиваются. Хотя движение зеркальных барабанов непрерывно, тем не менее все недостатки сканирующего зеркала в параллельном пучке лучей присущи и им.
Призматические сканирующие системы в сходящемся пучке лучей невелики по размерам. Их движение непрерывно и стабильно. Для их привода применяются двигатели небольшой мощности.
Недостатки: низкий коэффициент использования развертки, сдвиг фокуса, аберрации, большие потери на отражение, создание накладывающейся на тепловую картину модулированной помехи из-за изменения собственного излучения в зависимости от угла сканирования.
Вращающиеся преломляющие клинья примеряются в параллельном пучке лучей, поскольку в сходящихся пучках они вызывают сильные аберрации. Использование двух вращающихся клиньев позволяет получить линейную развертку, развертку по кругу и т.д. К недостаткам относятся - размытие кружка рассеяния, обусловленное движением клиньев, нелинейность развертки во времени, низкий коэффициент использования развертки из-за изменения скорости по синусоидальному закону (при сканировании по линейному закону).
См., Л.З. Криксунов, ″Справочник по основам инфракрасной техники″, М., изд-во ″Советское радио″, 1978 г., стр. 207-218; Дж. Ллойд, ″Системы тепловидения″, М., изд-во ″Мир″, 1978 г., стр. 258-291.
В устройствах (см. авт. свид. СССР №778690, №606503, №563742) входной оптический поток разворачивается по кадру с помощью кадрового зеркала и с помощью объектива проектируется на линейный многоэлементный приемник лучистой энергии (ЛМПЛЭ), т.е. применяется сканирование в параллельном пучке лучей.
Как уже было сказано выше, подобные устройства обладают следующими недостатками:
- большие размер и вес зеркала;
- появление астигматизма в изображении точечного источника излучения за счет качества изготовления зеркала и его расположения под углом 45° к оптической оси объектива;
- низкая частота сканирования зеркала.
В устройстве, которое принято за прототип (см. авт. свид. СССР №847887), применяется также сканирование в параллельном пучке лучей, где сканирующим устройством является вращающийся зеркальный барабан.
Недостатки данного устройства следующие:
- большие размеры и вес барабана;
- появление астигматизма в изображении точечного источника излучения;
- при малых углах сканирования наблюдается малый коэффициент использования развертки.
Цель предложенного изобретения - упрощение системы с одновременным повышением качества изображения.
Указанная цель достигается за счет того, что в оптико-электронной системе, содержащей объектив, сканирующее устройство с редуктором и исполнительным электродвигателем, расположенное в фокальной плоскости объектива, ЛМПЛЭ, ВКУ, счетно-решающее устройство, синхронизатор и систему обработки информации, выход которой соединен с первыми входами ВКУ и счетно-решающего устройства, а второй и третий входы ВКУ соединены с первым и вторым выходами синхронизатора, третий выход которого подключен ко входу системы обработки информации и второму входу счетно-решающего устройства, сканирующее устройство выполнено в виде прямоугольной непрозрачной пластины, в которой имеются вертикальные щели, высота которых и расстояние между ними равны соответственно высоте и ширине анализируемого кадра, причем пластина с одной стороны соединена с пружиной, а с другой - через толкатель соединена с кулачком, который с двух сторон относительно оси X декартовой системы координат с 45° до 180° выполнен по архимедовой спирали, а промежуток между 45° и -45° в виде прямой, и в нее введен однокоординатный конденсор, оптически соединенный с ЛМПЛЭ, расположенный на минимально возможном расстоянии от пластины и перекрывающий анализируемый кадр, причем размер его по высоте равен длине ЛМПЛЭ, по ширине - ширине анализируемого кадра, и введен датчик угла поворота, входом соединенный с редуктором, а выходом подключенный к третьему входу счетно-решающего устройства и первому входу синхронизатора.
Суть предлагаемого изобретения заключается в том, что предлагаемое сканирующее устройство:
- не вносит никаких оптических искажений в плоскость изображения объектива системы;
- не вносит модулированных помех, накладывающихся на тепловую картину изображения;
- имеет (80÷90)% коэффициент использования развертки;
- имеет небольшие габариты и вес;
- движется оно непрерывно;
- при малой скорости вращения кулачка можно получить большую частоту кадров изображения;
Данное техническое решение соответствует критерию ″существенные отличия″.
На фиг. 1 показана функциональная блок-схема системы, а на фиг. 2 представлено сканирующее устройство в аксонометрии.
В состав предлагаемого устройства (см. фиг. 1) входят объектив 1, сканирующее устройство 2, содержащее сканирующую рамку 3, толкатель 4 и кулачок 5, редуктор 6, исполнительный электродвигатель 7, цилиндрическая линза 8, ЛМПЛЭ 9 с блоками питания 10, две группы линий задержек 11 и 12, электронные ключи 13, усилитель 14, синхронизатор 15, видеоконтрольное устройство (ВКУ) 16, счетно-решающее устройство 17, датчик угла поворота 18 и пружина 19.
Сканирующая рамка 3 представляет собой прямоугольную непрозрачную тонкую пластину 20, в которой имеются узкие вертикальные щели 21. Высота щелей 21 и расстояние между ними равны соответственно размерам анализируемого кадра 22. Пластина 20 расположена в фокальной плоскости объектива 1. На минимально возможном расстоянии от пластины 20 расположена цилиндрическая линза 8, оптически связанная с ЛМПЛЭ 9.
Сигнальные выходы элементов ЛМПЛЭ 9 (кроме первого, который соединен непосредственно) через первую группу линий задержек 11 и электронные ключи 13 связаны со входом усилителя 14, выход которого соединен с первыми входами ВКУ 16 и счетно-решающего устройства 17. Второй и третий входы ВКУ соответственно соединены с первым и вторым выходами синхронизатора 15, третий выход которого соединен с питающими входами блоков питания 10 элементов ЛМПЛЭ 9, через вторую группу линий задержек 12 с управляющими входами электронных ключей 13, со вторым входом счетно-решающего устройства 17. Датчик угла поворота 18 соединен с редуктором 6, а его выход подключен к третьему входу счетно-решающего устройства 17 и четвертому входу ВКУ.
Кулачок представляет собой дисковый кулачок, т.е. он внешний плоский (см. фиг. 2). Он с двух сторон относительно оси X на 135° очерчен по архимедовой спирали (участки СА и СБ), а между точками А и Б - прямой АБ. Заостренный толкатель 4 жестко соединен со сканирующей рамкой 3, которая соединена с пружиной 19.
Работает устройство следующим образом. Объектив 1 в своей фокальной плоскости формирует тепловую картину исследуемого участка пространства, которая определена размерами анализируемого кадра 22. Исполнительный электродвигатель 7 при помощи редуктора 6 вращает кулачок 5, который при помощи толкателя 4 перемещает прямолинейно сканирующую рамку 3. Пружина 19 поджимает сканирующую рамку 3 к кулачку 5. При вращении кулачка 5 сканирующая рамка 3 будет перемещаться по оси X декартовой системы координат. Ее щели 21 будут последовательно проходить анализируемый кадр 22. Одна щель выходит из кадра, другая входит в него. Количество щелей 21 в сканирующей рамке 3 определяется рабочим ходом кулачка 5 (отрезок СД) и шириной анализируемого кадра 22.
a
a
a
Так, например, в уравнении опирали Архимеда r=φ (где r - полярный радиус,  - постоянная, φ - угол поворота), при =2,5 см рабочий ход кулачка 5 равен ≈6,0 см. При ширине анализируемого кадра 22, равной ≈1,0 см, в сканирующей рамке 3 выполнены 6 щелей 21, которые просматривают анализируемый кадр 22 6 раз слева-направо и 6 раз справа-налево, т.е. при одном полном повороте кулачка 5 (на 360°) наблюдается 12 кадров анализируемого кадра 22.
Поскольку кулачок 5 очерчен по архимедовой спирали, то щели 21 имеют постоянную скорость при прохождении анализируемого кадра 22.
Строки теплового изображения при помощи цилиндрической линзы 8 поступают на ЛМПЛЭ 9, элементы которого вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные величине поступающего потока излучения. Электрические сигналы с элементов ЛМПЛЭ 9, проходя первую группу линий задержек 11 и электронные ключи 13, через усилитель 14 поступают на первые входы ВКУ 16 и счетно-решающего устройства 17. С третьего выхода синхронизатора 15 поступают импульсы включения блоков питания 10, формирующие строки изображения анализируемого кадра 22. Эти же импульсы через вторую группу линий задержек 12 поступают на управляющие входы электронных ключей 13, а также на второй вход счетно-решающего устройства 17. Вторая группа линий задержек 12 и электронные ключи 13 служат для того, чтобы в каждый данный момент времени к усилителю 14 подключался только один элемент ЛМПЛЭ 9. С первого и второго выходов синхронизатора 15 на второй и третий входы ВКУ 16 поступают импульсы синхронизации по строкам и кадрам. С датчика угла поворота 18 на третий вход счетно-решающего устройства и на первый вход синхронизатора поступают импульсы с преобразователя типа вал-код.
На экране ВКУ 16 формируется визуальная тепловая картина анализируемого кадра 22 с более яркими точечными источниками излучения. Счетно-решающее устройство 17 выдает декартовые координаты этих точечных источников излучения.
Предлагаемое сканирующее устройство обладает следующими существенными преимуществами по сравнению с известными:
- не вносит никаких оптических изменений в плоскость изображения объектива системы;
- не создает модулированных помех, накладывающихся на тепловую картину изображения;
- имеет (80÷90)% коэффициент использования развертки;
- имеет небольшие габариты и вес;
- движется оно непрерывно;
- при малой скорости вращения кулачка можно получить большую частоту кадров изображения;
В предлагаемом устройстве в качестве оптической системы можно использовать зеркальные, зеркально-линзовые или линзовые объективы типа ПИКАР-11, ″Иртал-4″, В-1604 и др. В качестве приемников излучения можно применить охлаждаемые до 80 K приемники из антимонида индия, свинец-олово-теллура, ртуть-кадмий-теллура и др., например, ФУЛ-132 ОС2.003.023 ТУ, ФРО-152П OC4, 681.070 ТУ, ″Арга-2″ и др. линейные или матричные приемники излучения.
В качестве счетно-решающего устройства применена ЭВМ. Для этих целей можно использовать ЭВМ типа К1-20, К1-30, ДВК-2М, ЕС1840 или любую другую, функциональные возможности которой позволяют проделать нижеописанные операции (см. ″Микропроцессорные средства и системы″, М., №4, 1986 г., стр. 7, 15.). Можно счетно-решающее устройство выполнить и аппаратурно, поскольку операции выполняются несложные.
В предложенном устройстве применен фотоэлектрический преобразователь типа ОЭПМК-16 (см. ″Фотоэлектрические преобразователи информации″, М., изд-во ″Машиностроение″, 1974 г., стр. 367). С выхода ОЭПМК-16 поступает натуральный двоичный параллельный код, характеризующий угол поворота вала редуктора исполнительного электродвигателя. Цифровой код находится в линейной зависимости от угла поворота вала. Код ОЭПМК-16 поступает на ЭВМ. На ЭВМ поступают также строчные импульсы синхронизатора. В момент прихода на ЭВМ импульса цели, выдаются его координаты на устройство использования информации. Зная по коду в каждый момент угол поворота вала и с какого элемента приемника поступил импульс цели, можно определить его координаты 7.