УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к устройствам для измерения скорости объекта и может быть использовано для измерения скоростей, например, летательных аппаратов и естественных объектов при астрономических наблюдениях.

Известно устройство для измерения скорости объекта /1/, состоящее из оптической системы, пространственного фильтра, фотоприемника, дифференциального усилителя и полосового электрического фильтра. В устройстве излучение проходит пространственный фильтр и генерирует в фотоприемнике сигнал, который усиливается и для выделения сигнала необходимой частоты поступает на полосовой фильтр, полоса пропускания которого регулировкой устанавливается пропорциональная скорости объекта.

Недостатком устройства является дискретный ряд пространственных фильтров, из-за чего с его помощью можно измерять только дискретный ряд скоростей объектов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения скорости /2/, содержащее оптическую систему, ряд пространственных фильтров, последовательно размещенных в одной плоскости, фотоприемник и электронный блок усиления с полосовыми электрическими фильтрами. При относительном движении объекта или пространственных фильтров проходящее через них излучение от объекта вызывает изменение сигналов фотоприемника, частота которых пропорциональна относительной скорости объекта. Выходные электрические сигналы с фотоприемника, пропорциональные пространственным частотам пространственных фильтров, поступают на компараторы, где сопоставляются с соответствующими заданными значениями. Схема управления устройства задает параметры пространственных фильтров и определяет скорость движения объекта по соответственно установленным для полосовых фильтров средним частотам.

Недостатками данного устройства для измерения скорости объектов является, во-первых, предварительная калибровка по скорости объектов частотного спектра полосовых фильтров и определение скорости объекта по средней частоте калиброванного полосового фильтра, что снижает точность измерения скорости, а во-вторых, дискретный ряд пространственных фильтров, в силу чего с его помощью можно измерять только дискретный ряд скоростей объектов.

Для достижения технического результата, заключающегося в повышении точности измерения путем непрерывного измерения частотной полосы фильтра, в устройстве для измерения скорости объекта, содержащем оптическую систему, фотоприемник, расположенный центрировано оптической оси системы, пространственный фильтр, размещенный между оптической системой и фотоприемником, и электронный блок регистрации сигнала фотоприемника, оптическая система выполнена в виде телескопической системы с переменным угловым увеличением, а пространственный фильтр совмещен с фотоприемником и выполнен в виде полупроводниковой подложки с двумя р-п-р- переходами, фоточувствительные области которых образованы центрировано расположенными в одной плоскости кольцом и размещенным внутри него кругом, при этом радиусы кольца и круга имеют размеры, при которых поля зрения переходов не перекрываются, ширина кольца соответствует необходимому пространственному разрешению, а в качестве электронного блока регистрации сигналов фотоприемника используют частотомер.

Сочетание телескопической системы с переменным угловым увеличением и кольцевого фотодиода с определенными размерами радиусов, указанными в формуле, дает возможность измерять непосредственно полосу Δf электрического тракта, пропорциональную полосе Δν пространственного фильтра, т.е. определять весь диапазон скоростей объекта. При этом устраняется как конструктивный элемент набор пространственных фильтров, функцию которых в предлагаемом устройстве выполняет телескопическая система с переменным угловым увеличением и кольцевой фотодиод.

Кроме того, не требуется предварительной калибровки полосовых фильтров электрического тракта по скоростям объектов соответственно средним частотам полосовых фильтров.

Появляется возможность проводить дифференцирование изменения сигнала, т. е. дифференцирование скорости объекта за время наблюдения сигнала в полосе Δf и оценивать ускорение объекта и мгновенную скорость .

На фиг.1 представлена схема устройства;на фиг.2 схема хода лучей;на фиг. 3 блок-схема.

Устройство состоит из телескопической системы 3 с переменным угловым увеличением, фотоприемника 4, расположенного на оптической оси телескопической системы и центрированного относительно нее, выполненного из двух центрированных друг относительно друга р-п- переходов, первый 1 из которых представляет собой круг радиуса ρ второй 2 выполнен в виде кольца шириной D = R₂ - R₁ внутри которого находится первый. Объект 5 в форме круга имеет переменный угловой размер, т.е. набегает на наблюдателя /устройство/. При этом объект 5, телескопическая система 3 и кольцевой фотодиод 2 центрированы так, что изображение объекта бежит при увеличении его углового размера концентрически по поверхности фотодиода с линейной скоростью v_┴ которая связана с линейной скоростью движения объекта по оси системы на наблюдателя.

Устройство содержит также предварительный усилитель 6, частотомер 7, блок коммутации 8, ЭВМ 9.

Устройство для бесконтактного измерения скорости объекта работает следующим образом.

Регистрируют первым фотодиодом 1 /фиг.1, круглым/, выполняющим функцию "маяка" при юстировке, источник излучения объект 5 и настраивают устройство с помощью телескопической системы 3 на максимум сигнала /объект находится в позиции а /. Затем подбирают два таких последовательных угловых увеличения телескопической системы 3, γ_o и γ₁, при одном из которых γ_o большем второй фотодиод 2 /кольцевой/ регистрирует объект 5, а при другом угловом увеличении γ₁ меньшем не регистрирует / объект в позиции а /. Далее при γ₁ после появления сигнала на кольцевом фотодиоде 2 -/объект в позиции δ /, который поступает на предварительный усилитель 6 /фиг.3/ и на автоматический частотомер 7, фиксируют частоту f_в, затем фиксируют частотомером 7 частоту f _н выхода сигнала фотодиода 2 на насыщение /объект в позиции в/. При этом сигналы с частотомера 7 поступает через блок коммутации 8 на ЭВМ 9 и вычисляется скорость объекта по измеренной величине Δf при известных параметрах телескопической системы 3 и кольцевого фотодиода 2 R₁ и r₂ согласно соотношению

где F' и F'+ ΔF′ выражаются через параметры телескопической системы и фотодиода соотношениями


фокусные расстояния объектива и окуляра телескопической системы,
D диаметр зрачка окуляра.

Предлагаемое устройство для измерения скорости объекта позволяет:
во-первых, измерять непосредственно полосу Δf электрического тракта, пропорциональную полосе Δν пространственного фильтра, т.е. определять весь диапазон скоростей объекта;
во-вторых, устраняется как конструктивный элемент, набор пространственных фильтров, функцию которых в предлагаемом устройстве выполняет телескопическая система с переменным угловым увеличением и кольцевой фотодиод,
в третьих, не требуется предварительная калибровка полосовых фильтров электрического тракта по скоростям объекта соответственно средним частотам полосовых фильтров,
в-четвертых, появляется возможность дифференцирования изменения сигнала, то есть дифференцирование скорости объекта за время наблюдения сигнала в полосе Δf и оценивать ускорение объекта и мгновенную скорость .

Использование: для измерения скорости, например, летательных аппаратов и естественных объектов при астрономических наблюдениях. Сущность изобретения: устройство состоит из телескопической системы с переменным угловым увеличением, фотоприемника, расположенного на оптической оси системы, который выполнен из двух центрированных друг относительно друга фотодиодов (р-п-переходов). Первый выполнен в виде круга, второй в виде кольца, внутри которого находится первый. При набегании объекта по оси системы на наблюдателя (устройство) его изображение бежит, при увеличении его углового размера концентрически по поверхности фотоприемника с линейной скоростью v_┴ , которая связана с линейной скоростью движения объекта по оси системы на наблюдателя. При этом первый фотодиод выполняет функцию "маяка" при юстировке, а с помощью второго фотодиода и частотомера регистрируют частотную полосу электрического сигнала, пропорциональную v_┴, и определяют скорость при известном угловом увеличении телескопической системы и геометрических параметрах кольцевого фотодиода. 3 ил.

Устройство для измерения скорости объекта, содержащее оптическую систему, фотоприемник, расположенный центрированно на оптической оси системы, пространственный фильтр, размещенный между оптической системой и фотоприемником, и электронный блок регистрации сигнала фотоприемника, отличающийся тем, что оптическая система выполнена в виде телескопической системы с переменным угловым увеличением, а пространственный фильтр совмещен с фотоприемником и выполнен в виде полупроводниковой подложки с двумя p-n-переходами, фоточувствительные области которых образованы центрированно расположенными в одной плоскости кольцом и размещенным внутри него кругом, при этом радиусы кольца и круга имеют размеры, при которых поля зрения переходов не перекрываются, ширина кольца соответствует необходимому пространственному разрешению, а в качестве электронного блока регистрации сигналов фотоприемника используют частотомер.