ИМПУЛЬСНЫЙ КООРДИНАТНЫЙ ДАТЧИК Российский патент 1997 года по МПК G01S3/78 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и является составной частью устройства для определения координат импульсных источников света. Может использоваться, в частности, для полуавтоматического сопровождения летящего объекта по ИК-ответчику.

Известен датчик положения светового пятна [1] содержащий объектив, в фокальной плоскости которого расположен координатный фотоприемник, выходами подключенный к входам четырех каналов, каждый из которых состоит из нескольких усилительных каскадов, выходы каждого из которых подключены к соответствующим элементам задержки, распределитель импульсов, выход которого соединен с управляющим входом блока пиковых детекторов, алгебраический сумматор, второй блок задержки и блок автоматической регулировки усиления (АРУ).

Упомянутый датчик обладает низкой статической точностью из-за разброса регулировочных характеристик четырех каналов усиления и низкой динамической точностью при малой частоте вспышек вследствие инерционности АРУ.

Известен датчик положения светового пятна [2] содержащий объектив, в фокальной плоскости которого расположен координатный фотоприемник, выходами подключенный к входам четырех каналов, каждый из которых состоит из каскадно соединенных усилителей, выходы которых подключены к элементам задержки, распределитель импульсов, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам блока пиковых детекторов и суммарно-разностного блока. С целью повышения точности определения координат светового пятна в датчик введены аналоговый коммутатор, блок выбора порядка и блок выравнивания порядка. Основной недостаток этого датчика аппаратурная сложность.

Аппаратурной сложностью обладает также устройство для вычисления координат светового пятна [3]
Эти усложненные схемы оправданы, если необходимо регистрировать источники света, излучающие однократные или редко повторяющиеся вспышки света. В случае, если частота вспышек составляет десятки герц, схему построения датчика можно упростить.

В упомянутых датчиках нет запирающего напряжения для фотоприемника, поэтому нагрузочная прямая будет проходить в нелинейной области характеристик фотоприемника.

В датчиках также нет защиты от солнечных засветок и постоянных световых помех. Для устранения этих помех в схеме нужно предусмотреть входной разделительный трансформатор. Тогда для импульсов нагрузкой будет приведенное к первичной обмотке входное сопротивление усилителя, а для помех активное сопротивление обмотки трансформатора. Так как последнее значительно меньше входного сопротивления усилителя, то и помеха будет значительно ослаблена.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является согласующее устройство аппаратуры полуавтоматического управления [4] Оно содержит объектив, в фокальной плоскости которого расположен координатный фотоприемник, выходами подключенный к входу сумморазностного блока, состоящего из пяти трансформаторов, пяти усилителей и четырех резисторов. Первичные полуобмотки первого трансформатора подключены к выходам 1 и 3 фотоприемника, вторичная обмотка подключена к входу первого усилителя. Первичные полуобмотки второго трансформатора подключены к выходам 2 и 4 фотоприемника, а вторичная обмотка
к входу второго усилителя. Первичная обмотка третьего трансформатора одним концом через полуобмотки первого и второго трансформаторов подключена к выходам фотоприемника, а другим концом к источнику запирающего напряжения. Вторичная обмотка третьего трансформатора подключена на вход третьего усилителя, на выходе которого имеем суммарное выходное напряжение.

Выходы первого и второго усилителей через резисторы подключены к первичной обмотке четвертого трансформатора в противофазе, а к первичной обмотке пятого трансформатора через резисторы в фазе. Вторичная обмотка четвертого трансформатора подключена на вход четвертого усилителя, на выходе которого имеем выходное напряжение по курсу. Вторичная обмотка пятого трансформатора подключена на вход пятого усилителя, на выходе которого имеем выходное напряжение по тангажу.

Описанный прототип имеет недостаточную точность вычисления координат светового пятна и значительные габариты. Это обусловлено температурной нестабильностью транзисторных усилителей и значительными нелинейными искажениями импульсов во входных трансформаторах. Значительные габаритные размеры имеют входные трансформаторы, на которых суммируются импульсные сигналы.

Задачей изобретения является улучшение технических характеристик датчика и упрощение конструкции.

Технический результат заключается в повышении точности определения координат светового пятна и уменьшении габаритных размеров.

Это достигается тем, что в предлагаемом датчике, содержащем объектив, в фокальной плоскости которого размещен координатный фотоприемник, источник запирающего напряжения и суммарно-разностный блок, включающий усилители, введены четыре идентичных канала, каждый из которых содержит входной трансформатор и операционный усилитель с фиксированным коэффициентом передачи. Начала первичных обмоток входных трансформаторов соединены с соответствующими выходами координатного фотоприемника, а концы первичных обмоток соединены с источником запирающего напряжения. Вторичные обмотки каждого входного трансформатора соединены с входом соответствующего операционного усилителя. Выходы усилителей каналов соединены с соответствующими входами суммарно-разностного блока, который выполнен на первом, втором и третьем операционных усилителях и резисторах одинакового номинала.

Неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через резисторы с первым, четвертым входами суммарно-разностного блока и общей точкой, а инвертирующий вход с вторым и третьим входами суммарно-разностного блока и выходом первого операционного усилителя.

Неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен через резисторы с первым и вторым входами суммарно-разностного блока и общей точкой, а инвертирующий вход с третьим и четвертым входами суммарно-разностного блока и выходом второго операционного усилителя.

Неинвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с общей точкой, а инвертирующий вход соединен через резисторы с первым, вторым, третьим, четвертым входами суммарно-разностного блока и выходом третьего операционного усилителя. Выходы первого, второго и третьего операционных усилителей являются соответственно выходами датчика по курсу, тангажу и суммарному сигналу.

Исключение арифметических операций во входных трансформаторах позволило уменьшить габариты и вес датчика, а также повысить точность вычисления координат светового пятна.

На чертеже представлена стуктурная схема предлагаемого датчика.

Датчик содержит объектив 1, в фокальной плоскости которого расположен координатный фотоприемник 2, выходами подключенный к входам четырех одинаковых каналов 3, каждый из которых содержит входной трансформатор 4 и усилитель 5 с фиксированным коэффициентом передачи. Каждый из четырех выходов фотоприемника 2 через первичную обмотку соответствующего входного трансформатора 4 соединен с источником запирающего напряжения 6, а вторичная обмотка трансформатора 4 подключена на вход усилителя 5. Выходы усилителей 5 являются выходами каналов 3.

Выходы каналов 3 подключены на соответствующие входы суммарно-разностного блока 7, содержащего операционные усилители 8-10 и резисторы одинакового номинала 11-27.

Неинвертирующий вход операционного усилителя 8 соединен через резисторы 11 и 20 с первым и четвертым входами суммарно-разностного блока и общей точкой через резистор 24. Инвертирующий вход соединен с вторым и третьим входами суммарно-разностного блока через резисторы 14 и 17, а также с выходом операционного усилителя через резистор 23.

Неинвертирующий вход операционного усилителя 9 соединен через резисторы 12 и 15 с первым и вторым входами суммарно-разностного блока и общей точкой
через резистор 26. Инвертирующий вход соединен через резисторы 18 и 21 с третьим и четвертым входами суммарно-разностного блока, а также с выходом операционного усилителя через резистор 25.

Неинвертирующий вход операционного усилителя 10 соединен с общей точкой, а инвертирующий вход соединен через резисторы 13, 16, 19 и 22 соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами суммарно-разностного блока, а также с выходом операционного усилителя через резистор 27.

Датчик работает следующим образом.

Изображение источника света в момент вспышки проецируется объективом 1 на фотоприемник 2. Пятно света делится координатными осями фотоприемника на четыре части. На выходах фотоприемника возникают одновременно четыре импульса тока I₁, I₂, I₃ и I₄, пропорциональные площадям освещенных частей фотоприемника. Каждый импульс поступает на вход своего канала 3, содержащего входной трансформатор 4 и усилитель 5 с фиксированным коэффициентом передачи. В каналах импульсы усиливаются и преобразуются в напряжения U₁, U₂, U₃ и U₄, пропорциональные входным токам. Источник запирающего напряжения 6 обеспечивает работу фотоприемника в линейной области характеристик.

Импульсы напряжения далее поступают на входу суммарно-разностного блока 7, содержащего операционные усилители 8-10 и резисторы одинакового номинала, собранные по схеме сумматора-вычитателя.

На неинвертирующий вход операционного усилителя 8 подаются напряжения U₁ и U₄, на инвертирующий вход напряжения U₂ и U₃. На выходе усилителя 8 образуется напряжение по курсу U_k=U₁ +U₄-U₂-U₃. На неинвертирующий вход операционного усилителя 9 подаются напряжения U₁ и U₂, на инвертирующий вход напряжения U₃ и U₄. На выходе усилителя 9 образуется напряжение по тангажу U_т= U₁+U₂-U₃-U₄. Неинвертирующий вход операционного усилителя 10 соединен с общей точкой, а на инвертирующий вход подаются напряжения U₁ и U₂, U₃ и U₄. На выходе усилителя 10 образуется напряжение суммарного сигнала U_Σ=-4 (U₁+U₂+U₃+U₄).

Источники информации
1. Патент США N 3696248, кл 250-203, 1972.

2. А.с. СССР N 578632, кл. G 01 S 3/78, 1977.

3. А.с. СССР N 525037, кл. G 01 S 3/78, 1976.

4. Аппаратура полуавтоматического управления 9С484. Техническое описание БЛ1.335.030 ТО, Красногорск, 1976, с.74-77.

Предлагаемый датчик является составной частью устройства для определения координат импульсного источника света и может использоваться, в частности, для полуавтоматического сопровождения летящего объекта по ИК-ответчику. Технический результат - повышение точности определения координат и уменьшение габаритных размеров. Датчик содержит объектив, в фокальной плоскости которого расположен координатный фотоприемник, источник запирающего напряжения, суммарно-разностный блок, четыре идентичный канала, каждый из которых содержит входной трансформатор и операционный усилитель с фиксированным коэффициентом передачи. Начала первичных обмоток входных трансформаторов соединены с соответствующими выходами координатного фотоприемника, а концы - с источником запирающего напряжения. Вторичные обмотки входных трансформаторов соединены с соответствующими выходами операционных усилителей, выходы операционных усилителей каналов соединены с соответствующими входами суммарно-разностного блока, который выполнен на трех операционных усилителях и резисторах одинакового номинала. Выходные сигналы суммарно-разностного блока являются выходами датчика по курсу, тангажу и суммарному сигналу. 1 ил.

Импульсный координатный датчик, содержащий объектив, в фокальной плоскости которого расположен координатный фотоприемник, источник запирающего напряжения, сумморазностный блок, содержащий три усилителя и четыре резистора, отличающийся тем, что в датчик дополнительно введены четыре идентичных канала, каждый из которых содержит входной трансформатор и усилитель с фиксированным коэффициентом передачи, а в сумморазностный блок дополнительно введено тринадцать резисторов, причем все резисторы сумморазностного блока имеют одинаковое электрическое сопротивление и все усилители датчика выполнены операционными, начала первичных обмоток входных трансформаторов соединены с соответствующими выходами координатного фотоприемника, а концы первичных обмоток с источником запирающего напряжения, вторичные обмотки входных трансформаторов соединены с соответствующими входами операционных усилителей, выходы операционных усилителей каналов с соответствующими входами сумморазностного блока, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через резисторы с первым и четвертым входами сумморазностного блока и общей точкой, а инвертирующий вход через резисторы с вторым и третьим входами сумморазностного блока и выходом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен через резисторы с первым и вторым входами сумморазностного блока и общей точкой, а инвертирующий вход через резисторы с третьим и четвертым входами сумморазностного блока и выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с общей точкой, а инвертирующий вход через резисторы с первым четрертым входами сумморазностного блока, выходы первого третьего операционных усилителей являются выходами датчика по курсу, тангажу и суммарному сигналу соответственно.