УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ Российский патент 1997 года по МПК G01S3/78 

Изобретение относится к области электронного приборостроения и может быть (м. б. ) использовано для формирования сигнала управления исполнительным элементом (И.Э.) оптико-электронных следящих систем (О.Э.С.С.), в частности инфракрасных следящих систем (И. К. С. С.), с гиростабилизированным полем зрения, предназначенных для обнаружения, распознавания и автосопровождения (а. с. ) инфракрасных источников излучения, находящихся на небесном фоне или на фоне подстилающей поверхности земли (П.П.З.).

Гиростабилизация поля зрения И.К.С.С. м.б. выполнена, например, посредством трехстепенного астатического гироскопа с внутренним кардановым подвесом [1] В таком гироскопе ротор выполнен в виде постоянного магнита, установленного в кардановом подвесе и приводимого в движение вращающимся магнитным полем. Стабилизация осуществляется размещением элементов, формирующих поле зрения, на вращающемся магните. Статор служит для управления положением ротора и выполнен в виде соленоида, внутри витков которого располагается ротор. При пропускании через соленоид переменного тока вследствие взаимодействия магнитных полей, образованных вращающимся постоянным магнитом и протекающим по соленоиду током, возникает момент (Мк), разворачивающий ротор в определенном направлении и называемый моментом коррекции. Задача управления И. Э. заключается в непрерывном совмещении оси оптической системы (О.С.) с направлением на отслеживаемый источник ИК излучения (линия визирования). Если амплитуда гармонического сигнала, подаваемого на вход соленоида, содержит информацию о величине рассогласования между осью О.С. и линией визирования (Л. В. ), а фаза о направлении этого рассогласования это ось вращения магнита, а следовательно и ось О.С. будет разворачиваться в направлении устранения рассогласования и задача управления И.Э. (постоянный магнит) будет решена.

Сигнал, подаваемый на вход соленоида (привод И.Э.), называется сигналом управления или сигналом коррекции (U_к). Система формирования этого сигнала является одним из функционально взаимосвязанных блоков И.К.С.С. как системы автоматического регулирования, состоящей из измерителя координат отслеживаемого источника (координатор), схемы формирования сигнала коррекции (преобразователь), привода исполнительного элемента (соленоид) и самого И.Э. (вращающийся постоянный магнит). Измеритель координат, размещенный на магните, представляет собой оптическую систему (О.С.), в фокальной плоскости которой устанавливается растр анализатора изображения (А.И.) источника излучения и в непосредственной близости от него чувствительный элемент (фотоприемник). В зависимости от рисунка растра сигнал на выходе фотоприемника (Ф.П.) имеет вид пачки импульсов, следующих на частоте вращения ротора, параметры которых, например число импульсов в пачке, несут информацию о величине и направлении рассогласования. Схема формирования U_к предназначена для преобразования импульсов в синусоидальный сигнал (U_к), несущий ту же информацию.

Форма сигнала на выходе Ф.П. и закладываемая в его параметры информация о величине и направлении рассогласования определяется способом модуляции и видом модулятора. Как известно, по принципу устройства координаторы делятся на два класса: с модуляцией и без модуляции. В предлагаемой заявке речь идет о схеме обработки модулированных сигналов. В литературе [2] приводится ряд схем обработки для координаторов как с непрерывной, так и с импульсной модуляцией излучения. Так, например, на с. 88 (рис. 5, 6б) представлен растр, при вращении которого поток модулируется с частотой тем большей, чем дальше от центра находится изображение, т.к. число модулирующих полос возрастает по направлению от центра к периферии. Для преобразования отклонения частоты модуляции лучистого потока от заданного значения в напряжение, пропорциональное этому отклонению, применяют частотные детекторы. На с. 100 (рис. 5.24) представлена функциональная схема координатора с амплитудно-фазовой модуляцией, тракт электронной обработки сигналов с выхода Ф.П. которого включает в себя предварительный усилитель, резонансный усилитель, детектор и усилитель сигнала рассогласования.

На с. 117 (рис. 5.46а) представлена функциональная схема тракта вторичной обработки сигналов для координатора с широтно-импульсной модуляцией, принятая за прототип. Она включает импульсный усилитель (ИУ) с устройством автоматической регулировки усиления (АРУ), амплитудный детектор (АД) и избирательный усилитель (ИЗУ).

Перечисленные системы формируют гармонический сигнал управления И.К.С.С. с координаторами, в которых модулятор излучения размещается в фокальной плоскости оптической системы, а фотоприемник размещается на кардановом подвесе ротора гироскопа. При этом модулятор выполняется в виде растра, занимающего значительную часть мгновенного поля зрения (М.П.З) И.К.С.С. что предопределяет низкую разрешающую способность И.К.С.С. как прибора.

Между тем работа на фонах, представляющих собой сочетание естественных и искусственных крупно и малоразмерных источников, требует соответствующих устройств для идентификации источников и отстройки от помеховых. Необходимым условием для этого является возможность раздельного во времени приема и анализа сигналов от каждого из источников, попадающих в МПЗ И.К.С.С. Такая возможность м.б. реализована выполнением модулятора в виде вращающейся фоточувствительной полоски, установленной в фокальной плоскости и расположенной радиально по отношению к О.О. Ширина этой полоски выбирается близкой к диаметру пятна аберрационного рассеяния, а длина определяет величину М.П.З. Такое выполнение, обеспечивая высокое разрешение, приводит также к повышению чувствительности вследствие размещения Ф.П. на стабилизированном основании.

Работа И.К.С.С. с таким фотоприемным устройством (Ф.П.У) характеризуется некоторыми особенностями.

1. При малых рассогласованиях из-за неизбежной технологической несогласованности между размерами Ф.П. и изображения источника излучения возникают выбросы сигнала коррекции, приводящие к ухудшению качества слежения, что особенно характерно при слежении за медленно перемещающимися или неподвижными источниками ИК-излучения вследствие малых угловых скоростей Л.В. и, следовательно, малых рассогласований ( ρ ).

2. Наличие обратно-пропорциональной зависимости длительности импульса Ти от r. Это объясняется большей скоростью пересечения изображения источника излучения полоской на ее периферии, чем у центра, поскольку чем уже импульс, тем меньше амплитуда первой гармоники его спектра, которая используется для управления И.Э. Вследствие этого большему r соответствует меньшее управляющее воздействие для устранения рассогласования, тогда как д.б. наоборот.

3. В процессе слежения может возникнуть такая ситуация, при которой объект слежения и помеховый источник излучения находятся в поле зрения И.К.С.С. на одном радиусе, т.е. оптически не разрешены. В таких случаях раздельный анализ источников становится невозможным, И.К.С.С. переходит на слежение за энергетическим центром слежения, что ведет к выходу объекта слежения из М.П. З. Анализ прототипа и других аналогов показал существенную недостаточность этих структур для устранения отрицательных последствий перечисленных выше особенностей работы И.К.С.С. в сложной фонопомеховой обстановке.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей И.К. С.С. в отношении точности и помехозащищенности.

Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные импульсный усилитель с устройством автоматической регулировки усиления, причем основной вход ИУ подключен к входу ФПУ, амплитудный детектор и избирательный усилитель, выход которого подключен к И.Э. введены двусторонний ограничитель, первый и второй коммутирующий элементы, полосовой фильтр, фильтр низкой частоты, нелинейный элемент, фазовращатель, устройство автоматической регулировки шумов и сумматор. При этом последовательно соединенные между собой двусторонний ограничитель, первый коммутирующий элемент и полосовой фильтр подключены между выходом импульсного усилителя и входом амплитудного детектора, последовательно соединенные между собой фильтр низкой частоты, нелинейный элемент и фазовращатель подключены между выходом амплитудного детектора и входом избирательного усилителя. К выходу импульсного усилителя подключен второй коммутирующий элемент, который через устройство АРУ подключен к первому входу сумматора, выход которого подключен к параметрическому входу импульсного усилителя, а второй вход сумматора через устройство автоматической регулировки шумов (АРУШ) соединен с выходом полосового фильтра. Управляющие входы коммутирующих элементов подключены к выходам устройства управления.

Сущность изобретения заключается в следующем. Предлагается устройство формирования сигнала управления И.Э. использующее импульсную модуляцию излучения. В устройство введены блоки, обеспечивающие требуемую точность слежения во всем диапазоне изменения скорости Л.В. ( Л.В.), а также блоки, возбуждающие в контуре слежения в определенных ситуациях, например в случае оптического неразрешения источников излучения, автоколебания, что обеспечивает возможность их разрешения, а следовательно, и их селекции. Как уже отмечалось выше, при малых рассогласованиях возникают выбросы сигнала коррекции, ухудшающие качество слежения. Эти выбросы можно было бы устранить профилированием полоски, для чего пришлось бы расширять ее к периферии, что существенно уменьшило бы столь важную при селекции разрешающую способность. Поэтому для формирования возрастающей зависимости U_к f(r) и устранения выбросов коррекции используется тракт электронной обработки. Таким образом, если в процессе слежения объект слежения и какой-либо более мощный источник излучения окажутся в поле зрения И.К.С.С. на одном радиусе, они будут оптически не разрешены. В этом случае слежение будет происходить за энергетическим центром, который находится ближе к помеховому источнику. Это приведет через некоторое время к выходу объекта слежения из поля зрения И.К.С.С. Поэтому прежде, чем это произойдет, необходимо организовать их оптическое разрешение. Таким средством является возбуждение в контуре слежения круговых или линейных автоколебаний (а. к). приводящих к периодическому движению оси ротора относительно изображения объекта слежения. Тогда при очередном колебательном движении объект слежения и помеха окажутся по разные стороны центра поля зрения, т.е. будут разрешены и селекция произойдет. Для возбуждения в тракте а. к. используется двусторонний ограничитель, уровень ограничения которого выбирается несколько выше уровня задержки АРУ по сигналам от объекта слежения. Суммарный сигнал от объекта слежения и помехи ограничивается этим блоком и в контуре слежения возникают а. к. Для уменьшения выбросов сигнала коррекции и получения хорошего качества слежения при малых рассогласованиях используется устройство АРУШ, нормирующее шумы, ФНЧ и НЭ.

Сущность изобретения поясняет функциональная схема тракта обработки, представленная на чертеже.

Устройство формирования сигнала управления И.Э. содержит импульсный усилитель 1 для усиления импульсов с выхода ФПУ, последовательно соединенный с двусторонним ограничителем 2, служащим для возбуждения в тракте а. к. к выходу которого подключен первый коммутирующий элемент 3 (КЭ1), управляемый сигналами от управляющего устройства. В данном случае в качестве управляющего устройства используется спектральный селектор, не входящий в структуру формирования сигнала управления, а только размыкающий контур слежения на время, необходимое для отстройки от помеховых источников излучения, поэтому его устройство в данной заявке не рассматривается. К выходу КЭ1 подключен полосовой фильтр 4 (ПФ), предназначенный для фильтрации шумов и подавления синусоидальной составляющей, и последовательно соединенные с ним амплитудный детектор 5 (АД), фильтр 6 низкой частоты (ФНЧ), обеспечивающий снижение нелинейных искажений сигнала, нелинейный элемент 7 (НЭ), служащий для снижения добротности замкнутого контура устройства в зоне малых рассогласований и повышения устойчивости контура при малых скоростях. К выходу НЭ 7 подключены фазовращатель 8, предназначенный для компенсации фазового сдвига в электронном блоке, и избирательный усилитель 9, с выхода которого сигнал подается на исполнительный элемент. К выходу импульсного усилителя 1 подключен второй коммутирующий элемент 10 (КЭ2), выход которого подключен к входу устройства 11 АРУ, к параметрическому входу МУ1 подключен сумматор 12, первый и второй входы которого соединены с выходами устройства 11 АРУ и устройства 13 АРУШ, предназначенный для суммирования сигналов с этих блоков. Вход устройства 13 АРУШ подключен к выходу ПФ4. Устройства АРУ и АРУШ служат для того, чтобы обеспечить малые изменения величины сигнала и шума на выходе усилителя при больших изменениях величины сигнала и шума на его входе.

Импульсный усилитель 1 выполнен на базе операционного усилителя 820 УД1 ВКО. 347.018. ТУ20, в качестве регулируемого элемента используется полевой транзистор 2П103Г ТФ 366.000 ТУ. В цепь системы 11 АРУ входят дифференциальный усилитель на микросхеме 198.НТ.1Б ШПС 348.002 ТУ, детектор на диоде 2Д103А ТТ3.362.060 ТУ и фильтр на резисторе Ц2.23 ОЖО 467.081 ТУ и конденсаторе К-53-22-6, 3В-33мФ ±20% ОЖО 464.158 ТУ. Цепь устройство 13 АРУШ включает усилитель на транзисторе 198.НТ.1Б ШПО 348.002 ТУ с коэффициентом передачи К 2.3, фильтр на конденсаторе К10-17-А-М47-2200 пФ ±10% ОЖО 460-107 ТУ и резисторах Ц2.23 ОЖО 464.158 ТУ, дифференциальный усилитель на микросхеме 198. НТ. 1Б ШПО 348.002 ТУ и фильтр на резисторе С2.23 ОЖО 467.081 ТУ и конденсаторе К53-22-6,3В-33 мф ±20% ОЖО 464.158 ТУ. Параметры импульсного усилителя с АРУ и АРУШ следующее:
Коэффициент передачи К 90.110
Уровень задержки АРУ U₁ 2,1.2,5B
Уровень задержки АРУШ U₂ 320.420 мВ
Жесткость АРУ и АРУШ Не менее 3 дБ.

Ограничитель 2 собран на диодах 2Д906В ТТ3-362.105 ТУ и резисторах С2.23 ОЖО 467.081 ТУ. Первый и второй коммутирующие элементы 3 и 10 представляют собой ключи 2П103, собранные на транзисторах 2Т203Г ЩИ3.365.007 ТУ. В качестве ПФ4 взят фильтр с передаточной характеристикой

где K 0,0002;
T 0,000122;
ξ0,38462.

ПФ4 собран на операционных усилителях 820УД1 ВКО. 347.018ТУ 20. Амплитудный детектор 5, фильтр 6 низкой частоты, фазовращатель 8 и избирательный усилитель 9 собраны на тех же операционных усилителях.

ФНЧ имеет передаточную характеристику вида

где T₁2,4•10^-4 с;
T₂ 5,0•10^-3 с;
T₃ 2,4•10^-3 с;
T₄ 2,1•10^-4 с;
K 2,5.

Фазовращатель 8 обладает невысокой фазовой крутизной, причем постоянство добротности контура при выставке установочной фазовой ошибки обеспечивается за счет отсутствия зависимости коэффициента передачи ФВ от частоты. Нелинейный элемент 7, например, описанный в [3] выполнен на операционном усилителе 820УД1 ВКО.347.018 ТУ20. Сумматор 12 выполнен на резисторах С2.23 ОЖО 467.081 ТУ. Избирательный усилитель 9 представляет собой полосовой фильтр второго порядка с резонансной частотой, равной частоте вращения гироскопа с полосой пропускания 36.44 Гц.

Устройство формирования сигнала управления исполнительным элементом работает следующим образом. Электрический импульс, близкий по форме к косинус-квадратному, несущий информацию о величине и направлении рассогласования, с выхода ФПУ поступает на импульсный усилитель 1, где усиливается и поступает на вход ограничителя 2, который пропускает нормированные сигналы от объекта слежения без искажения, а ограничивает только сигнал помехи, при этом возбуждая в тракте автоколебания. При отсутствии как разрешенных, так и неразрешенных с объектом слежения оптических помех с выхода ограничителя 2 сигнал поступает на полосовой фильтр 4. Он превращает входные импульсы в отрезки затухающей синусоиды, причем их длительность тем больше, чем короче длительность импульса, что и решает задачу обратного преобразования и превращения зависимости U_к f(ρ) в возрастающую. После детектирования на амплитудном детекторе 5 пачки импульсов поступают на ФНЧ6, подавляющий высокие частоты, содержащиеся в них, что облегчает настройку нелинейного элемента 7, уменьшая крутизну характеристики U_к f(r) на начальном участке. Это позволяет получить хорошее качество слежения при малых . Фазовращатель 8 устраняет фазовый сдвиг, образующийся при прохождении сигнала по тракту обработки. Избирательный усилитель 9 выделяет из импульсов первую гармонику, которая и управляет положением О.О. При попадании в поле зрения И. К.С.С. помехи и при наличии на выходе устройства сигнала от объекта слежения первый коммутирующий элемент 3, нормально замкнутый, размыкается посредством сигнала от управляющего устройства и отключает цепь устройства 13 АРУШ на время, необходимое для отстройки от помех. Если же на входе устройства присутствует только сигнал помехи, КЭ1 замкнут. Цепь устройства 11 АРУ находится в разомкнутом положении, т.к. в противном случае устройство будет воспринимать помеху за объект слежения. Поэтому она замыкается только при наличии на управляющем входе второго коммутирующего элемента 10 сигнала от управляющего устройства в момент прохождения сигнала от объекта слежения. Сумматор 12 суммирует сигналы с АРУ и АРУШ и подает суммарный сигнал на параметрический вход ИУ1.

Введение новых блоков в тракт формирования сигнала управления позволило:
сформировать сигнал управления требуемой формы в отношении зон нечувствительности и линейности, обеспечивающий требуемую точность слежения как по быстро, так и по медленно перемещающимся источникам излучения;
придать ОЭСС адаптивность по отношению к оптической разрешенности источников, одновременно находящихся в поле зрения О.Э.С.С. и тем самым повысить помехозащищенность.

Литература
1. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения, М: Машиностроение, 1989, с.454.

2. Справочник по приборам инфракрасной техники. / Под ред. Л.З.Криксунова. Киев: Техника, 1980, с.100, с.117 (прототип).

3. Авт. св. N 557387, кл G 06 G 7/26, 1977.

Использование: в оптико-электронных (О. Э.С.С) в частности в инфракрасных (И. К. С. С) следящих системах с гиростабилизированным полем зрения. Задача: повышение точности слежения и помехозащищенности О.Э.С.С. Сущность: в устройство, содержащее импульсный усилитель (ИУ) с устройством автоматической регулировки усиления (АРУ), амплитудный детектор (АД) и избирательный усилитель (ИзУ) введены двусторонний ограничитель, первый и второй коммутирующие элементы (КЭ1 и КЭ2), полосовой фильтр (ПФ), фильтр низкой частоты (ФНЧ), нелинейный элемент (НЭ), фазовращатель (ФВ), устройство автоматической регулировки шумов (АРУШ) и сумматор. При этом основной вход ИУ соединен с выходом фотоприемного устройства, а к его выходу последовательно подключены двусторонний ограничитель КЭ1, ПФ, АД, ФНЧ, НЭ, ФВ и ИзУ, выход которого соединен с входом исполнительного элемента. Выход ИУ через КЭ2 и устройство АРУ подключен к первому входу сумматора, выход которого соединен с параметрическим входом ИУ. Выход ПФ через устройство АРУШ подключен к второму входу сумматора. Управляющие входы КЭ1 и КЭ2 подключены к выходам устройства управления. Введение новых блоков позволяет обеспечить необходимую точность слежения во всем диапазоне изменения скорости линии визирования за счет формирования сигнала управления требуемой формы в отношении зон нечувствительности и линейности, а также придать О.Э.С.С адаптивность по отношению к оптической разрешенности источников излучения, находящихся в поле зрения О.Э.С.С посредством возбуждения в контуре слежения автоколебаний. 1 ил.

Устройство формирования сигнала управления исполнительным элементом оптико-электронных следящих систем, содержащее импульсный усилитель с устройством автоматической регулировки усиления в цепи обратной связи, причем импульсный усилитель является входом информационного сигнала, амплитудный детектор и избирательный усилитель, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены двусторонний ограничитель, первый и второй коммутирующие элементы, полосовой фильтр, фильтр низкой частоты, нелинейный элемент, фазовращатель, устройство автоматической регулировки шумов и сумматор, при этом последовательно соединенные между собой двусторонний ограничитель, первый коммутирующий элемент и полосовой фильтр подключены между выходом усилителя и входом амплитудного детектора, к выходу которого последовательно подключены фильтр низкой частоты, нелинейный элемент и фазовращатель, выходом подключенный к входу избирательного усилителя, при этом к выходу импульсного усилителя подключен второй коммутирующий элемент, который через устройство автоматической регулировки усиления подключен к первому входу сумматора, выход которого подключен к параметрическому входу импульсного усилителя, второй вход сумматора соединен с выходом полосового фильтра через устройство автоматической регулировки шумов, а вторые входы коммутирующих элементов являются входами сигналов управления.