Способ фокусировки оптики аппаратурных каналов с поэлементным формированием информационного поля
METHOD OF FOCUSING OPTICS OF EQUIPMENT CHANNELS WITH ELEMENT-BY-ELEMENT FORMATION OF INFORMATION FIELD

Изобретение относится к области систем наведения высокоточного, в частности противотанкового, оружия.
К настоящему времени передовыми признаны два типа систем наведения - с самонаведением («Джевелин» - США, «Спайк» - США, Израиль) и с телеориентированием ракеты в луче инжекционного лазера («Корнет» - Россия). Оба названных типа систем обеспечивают поражение танка с высокой вероятностью первым выстрелом.
Преимуществом самонаведения является реализация принципа «выстрелил - забыл» и вследствие этого повышенная выживаемость носителя. Недостатком при этом является чрезвычайно высокая стоимость выстрела (около $250 тыс. против $20 тыс. для комплексов типа «Корнет»). Поэтому комплексы на основе телеориентирования типа «Корнет» имеют хорошую перспективу как массовое высокоточное оружие. Настоящее предложение направлено на совершенствование аппаратуры наведения этого типа комплексов.
Комплексы типа «Корнет» являются полуавтоматическими, их наземная, т.е. расположенная на носителе, аппаратура содержит визир и излучатель (передатчик). Визир служит для обнаружения цели, наложения на нее и удержания прицельной марки. Излучатель служит для формирования оптических сигналов. Сигналы принимаются бортовой (расположенной на ракете) аппаратурой и используются для выработки команд, выводящих ракету на оптическую ось.
Для выработки сигналов, управляющих ракетой, в комплексах типа «Корнет» используется метод телеориентирования, т.е. ориентации ракеты в оптическом поле, формируемом наземной аппаратурой.
При этом для формирования упомянутого оптического поля используется поэлементный метод. Он заключается в том, что полезная, т.е. позволяющая по принятым ракетой сигналам определить координаты ракеты по осям ОХ и ОУ относительно оси прицеливания, информация формируется при помощи импульсного лазера, входящего в состав передатчика. Тело свечения лазера имеет вид полоски длиной 200-400 мкм и шириной около 2 мкм. Излучение лазера, работающего в режиме коротких импульсов длительностью около 100 нс, излучаемых со средней частотой следования 25 кГц, сформировано объективом в полоску - веерообразный луч. Полоска совершает колебательные движения по оси, перпендикулярной ее длинной стороне. Пусть полоска для определенности будет горизонтальной, тогда ее колебания производятся по вертикали.
Второй луч по геометрии и параметрам модуляции аналогичен первому, но формируемая им полоска вертикальна, а колебания (сканирование) осуществляются по горизонтали, т.е. по оси ОХ.
Кодирование сигналов производится следующим образом. Излучение ведут парами («двойками») импульсов. Интервалы времени между импульсами в «двойке» фиксированы для каждой из координат и являются для бортовой аппаратуры признаком принадлежности принятого сигнала той или иной оси координат. Длительность интервала времени между двойками изменяют в процессе движения луча таким образом, что каждой точке картинной плоскости в окрестности оптической оси соответствуют значения параметров модуляции (длительности между «двойками»), однозначно определяющие линейные координаты точки приема, т.е. центра приемной аппаратуры ракеты, относительно центра картинной плоскости и, таким образом, относительно оптической оси. Бортовая аппаратура ракеты принимает сигналы наземной аппаратуры, которые вследствие сканирования лучей по полю зрения являются пачками «двоек» с огибающей колоколообразной формы, разделяет сигналы по осям координат по значениям интервалов времени между импульсами в «двойках», определяет длительности интервалов времени между последовательно следующими «двойками». Затем по длительности интервала времени между двумя «двойками», наиболее близкими по времени к максимуму огибающей, бортовая аппаратура определяет координаты ракеты и вырабатывает команды, приводящие ракету на оптическую ось. Способ формирования сигналов и устройство для его осуществления защищены патентами [1, 2].
Необходимой процедурой настройки наземной аппаратуры является фокусировка оптики излучателя (передатчика) аппаратурного канала, т.е. установка требуемого расстояния вдоль оптической оси между объективом и телом свечения лазера.
Качество фокусировки оптики в значительной степени определяет важный параметр системы наведения - ее энергетический потенциал (запас по сигналу) - максимально допустимое ослабление сигнала средой распространения луча, при котором аппаратура функционирует нормально, т.е. с заданным значением показателей качества, в частности точностью измерения координат. Чем выше энергетический потенциал аппаратурного канала, тем шире диапазон условий, в которых может функционировать система наведения.
Из уровня техники известен способ фокусировки оптики, применяемый, например, в фотографических приборах: пленку или светочувствительную матрицу устанавливают в положение, при котором обеспечивается максимальная резкость изображения (минимальный размер изображения точки). Применительно к лазерному передатчику это означает, что тело свечения лазера устанавливают с наивысшей достижимой точностью в положение, при котором обеспечивается минимальная расходимость луча. В литературе [3] описаны разные методы фокусировки (установки на «бесконечность») оптики, например, объективов коллиматоров. С помощью этих методов сетка (в случае наблюдательных приборов) или тело свечения лазера (в случае фокусировки лазерного передатчика) устанавливаются с наибольшей возможной точностью в фокальную плоскость объектива. При этом достигается минимальная расходимость луча или минимальный размер изображения точки и, соответственно, максимально возможная концентрация энергии на оси луча. В качестве прототипа нами взят широко распространенный способ фокусировки ([4], стр. 10), заключающийся в том, что расстояние между объективом и фотопластинкой или телом свечения лазера выбирают из условия достижения минимального размера изображения точки или в случае фокусировки лазерного передатчика минимальной расходимости луча.
Недостатком прототипа и других известных методов фокусировки является то, что для аппаратуры с поэлементным методом формирования информационного поля описанный метод фокусировки не обеспечивает максимального значения основного показателя качества - энергетического потенциала. Данный недостаток вызван тем, что при поэлементном методе формирования информационного поля для измерения каждого значения любой из двух координат необходимо принять и обработать не один импульс, а некоторую совокупность импульсов, т.е. сигнальную посылку, длительность которой существенно превышает длительность одиночного импульса. Так, для описанного выше способа кодирования для определения одного значения координаты необходимо измерить интервалы времени между импульсами в каждой «двойке», что позволяет определить наименование координаты (горизонт или вертикаль), а также измерить интервал времени между «двойками», непосредственно определяющий значение координаты. Таким образом, минимальный отрезок сигнала, в котором содержится информация о координате луча, т.е. элементарная сигнальная посылка ЭСП составляет две соседние «двойки»: Вследствие этого реальный энергетический потенциал определяется амплитудой минимального импульса в посылке из двух «двоек», ближайших по времени к моменту, соответствующему максимуму огибающей.
Решаемая настоящим предложением проблема заключается в поиске технического решения, обеспечивающего повышение энергетического потенциала аппаратурного канала.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение качества системы наведения, в частности расширение диапазона условий применения: система нормально функционирует при более сильных ослаблениях сигнала по сравнению с прототипом.
Данный технический результат достигается за счет предложенного метода фокусировки оптики излучателя, включающего взаимную установку лазера и объектива на оптической оси в области отрицательной расфокусировки на расстоянии, выбранном из условия обеспечения максимального значения амплитуды сигнальных импульсов в точке, удаленной от максимума огибающей сигнальных импульсов на длительность элементарной сигнальной посылки.
Из результатов выполненных авторами теоретических исследований и экспериментов следует, что при фокусировке оптики аппаратурного канала выбранного типа для достижения максимального энергетического потенциала и, следовательно, для устранения отмеченного недостатка расстояние между объективом и лазером следует выбрать таким, при котором обеспечивается максимальная для всех значений расфокусировки величина амплитуды огибающей не в точке максимума, а на удалении по временной оси от максимума огибающей, равном длительности ЭСП (при описанном выше способе кодирования - амплитуде четвертого импульса ЭСП). При этом, в отличие от прототипа, расфокусировка имеет ненулевое значение, а освещенность на оси луча не максимальна.
По знаку расфокусировку целесообразно взять отрицательной, т.е. такой, при которой лазер смещен к объективу относительно фокальной плоскости. При этом, в отличие от случая положительной расфокусировки, луч лазера на выходе из объектива имеет ненулевую положительную расходимость, т.е. расширяется. При этом, в отличие от положительной расфокусировки, в пространстве перед объективом передатчика отсутствует плоскость, в которой луч сфокусирован «идеально», а значит, для этой плоскости энергетический потенциал не максимален.
Сущность предложения поясняется чертежами, на которых схематически изображены эпюры сигналов, принимаемых бортовой аппаратурой или ее имитатором, используемым при разной степени расфокусировки оптики передатчика в процессе настройки. При проходе луча по полю зрения вдоль одной из осей координат, пусть для определенности это ось ОХ, сигнал представляет собой группу импульсов, которые изображены в виде толстых линий, нумерованных цифрами 1-10. Огибающая имеет колоколообразную форму и показана тонкой линией. Для упрощения чертежа и облегчения понимания принято, что максимум огибающей совпадает с моментом начала отсчета по времени (t=0), при этом на чертежах показана только правая половина пачки. Интервалы Тх между импульсами в паре («двойке) определяют принадлежность сигнала той или иной оси координат (в данном случае оси ОХ). Интервалы Тк между двойками определяют линейное отклонение оси луча на программной дальности (принято для определенности, что речь идет об отклонении по курсу) от нулевого положения по оси ОХ. Как отмечено выше, для определения координаты ракеты необходимо принять, как минимум, две двойки, поэтому элементарная сигнальная посылка (ЭСП) представлена на каждом рисунке в виде двух «двоек» (четыре толстые линии). Начало и конец ЭСП совпадают соответственно с первым и четвертым импульсами. Энергетический запас канала пропорционален амплитуде М4 четвертого импульса. На фигурах 1-3 схематически изображены сигналы, принимаемые бортовой аппаратурой при разной степени расфокусировки:
фиг. 1 - Идеальная, т.е. соответствующая способу, выбранному в качестве прототипа, фокусировка. Лазер установлен в фокальной плоскости объектива, расфокусировка Δ равна нулю, энергетический потенциал, определяемый амплитудой четвертого импульса М4, снижен по сравнению с максимальным, соответствующим оптимальной расфокусировке значением;
фиг. 2 - Оптимальная, т.е. предлагаемая фокусировка. Лазер установлен на расстоянии от объектива, обеспечивающем максимальную амплитуду четвертого импульса, величина расфокусировки оптимальна (Δ=Δопт), М4 имеет максимальное значение из возможных при разных расфокусировках);
фиг. 3 - Чрезмерная, превышающая оптимальную расфокусировка, значение Δ превышает Δопт, энергетический потенциал, определяемый амплитудой М4, снижен по сравнению с максимальным, соответствующим оптимальной расфокусировке значением.
Заявленный способ осуществляется следующим образом. Лазерный передатчик устанавливают на оптической скамье перед высококачественным объективом, например объективом из комплекта оптической скамьи ОСК-2. В фокальной плоскости этого объектива располагают диафрагму, имитирующую входной зрачок бортовой аппаратуры. За диафрагмой располагают фотоприемник, сигналы которого наблюдают на экране осциллографа. Включают передатчик и, перемещая его объектив вдоль оптической оси, добиваются минимальной ширины пачки. Затем, контролируя амплитуду четвертого импульса, перемещают объектив передатчика в направлении лазера, вводя таким образом отрицательную расфокусировку, находят положение, при котором амплитуда импульса, совпадающего с концом элементарной сигнальной посылки, т.е. четвертого импульса, отсчитываемого от максимума огибающей, имела максимальное значение, после чего закрепляют объектив.
Литература
1. Патент №2100745, «Способ формирования оптического поля для телеориентирования управляемых объектов и устройство для его осуществления.
2. Патент №2123166, «Устройство для формирования оптического поля для телеориентирования управляемых объектов».
3. Афанасьев В.А. Оптические измерения. - М., Недра, 1968, стр. 131, абз. 4.
4. Шульман М.Я. Автоматическая фокусировка оптических систем. - Л., Машиностроение. Ленингр. отделение, 1990. - 224 с.: ил. ISBN 5-217-00920-9.