ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫЙ СЛЕДЯЩИЙ КООРДИНАТОР Российский патент 1998 года по МПК G01S5/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для поиска естественных и искусственных источников оптического излучения, выбора из них объекта слежения и автосопровождения (а.с.) его как в автономном режиме работы, так и в составе бортовой аппаратуры.

Известен ряд оптикоэлектронных следящих координаторов (ОЭСК), использующих для формирования сигнала управления положением своей оптической оси (о. о.), информацию о величине рассогласования между этой осью и направлением на объект слежения, называемое, обычно, линией визирования (л.в.). Такие приборы в целях защиты от помеховых крупноразмерных теплоизлучающих формирований, типа облачных, используют малые поля зрения, которые необходимо стабилизировать, чтобы при воздействии на ОЭСК механических возмущений, например вибраций корпуса, не произошло срыва слежения.

В работе [1] описан ОЭСК, содержащий оптическую систему (о.с.) и установленный в ее фокусе растр анализатора изображения (А.И.) источника излучения, составляющие поле зрения прибора. Эти элементы жестко закрепляются на вращающемся постоянном магните и образуют все вместе ротор трехстепенного астатического гироскопа, устанавливаемого в кардановом подвесе, на торце которого в непосредственной технологической близости от растра А.И. размещается фотоприемник (ф. п.) в виде фотосопротивления (ф.с.). Статором такого гироскопа является соленоид, внутри витков которого вращается магнит. При взаимодействии магнитных полей, возбуждаемых вращением магнита и подачей в соленоид гармонического сигнала на частоте вращения, несущего информацию о положении объекта слежения в поле зрения ОЭСК, возникает магнитный момент, называемый моментом коррекции разворачивающий ось ротора (она же о.о. ось прибора) в направлении согласования ее с л.в. Таким образом, ротор выполняет функции стабилизации поля зрения, модуляции о.о.

В целом ОЭСК представляет собой сочетание элементов фотооптической системы (ф. о. с.) и гироскопа, осуществляемое посредством карданова подвеса с подшипниками вращения и слежения, цилиндрической втулки, бленды и осевой спицы. В этой конструкции карданов подвес размещается внутри втулки, на которую надевается блок, состоящий из главного сферического зеркала объектива, наклеиваемого своей стеклянной подложкой на переднюю по ходу лучей поверхность постоянного магнита. В другой торец втулки вставляется корректирующая линза объектива, которая осевой спицей жестко соединена с контрзеркалом. Между контрзеркалом и линзой на осевой спице жестко закрепляется бленда, защищающая ф. о.с. от посторонних засветок, а обмотка соленоида располагается на корпусе ОЭСК. Представленный выше ОЭСК позволяет производить а.с. объектов слежения на фоне крупноразмерных теплоизлучающих формирований при воздействии на его корпус вибрационных колебаний определенного диапазона частот и амплитуд и может рассматриваться в качестве аналога.

Он имеет, однако, ряд существенных ограничений по функциональным возможностям в отношении основных показателей качества работы ОЭСК, чувствительности, помехозащищенности и точности сложения.

1. Использование сферического главного зеркала предполагает наличие сферической аберрации, ограничивающей достижимый минимальный размер аберрационного пятна, а, следовательно, разрешающую способность и точность слежения.

2. Наличие только одного фотоприемника не позволяет реализовать помехозащиту ОЭСК от малоразмерных высокотемпературных помеховых источников оптического излучения по спектральному признаку [2] Такие источники, в частности, отделяющиеся от объектов слежения, являются к настоящему времени наиболее распространенными и эффективным средством противодействия работе ОЭСК.

3. Размещение фотоприемника на нестабилизированном основании (карданов подвес) имеет следствием появление виброшумов на выходе ф.п. и проигрыш в чувствительности. К тем же последствиям ведет и установка ф.п. вне фокальной плоскости, вызывающая определенную расфокусировку излучения.

4. Использование в конструкции осевой спицы делает невозможным установку фотоприемников в центре этих оптических элементов, что усложняет устройство ОЭСК с использованием большего числа ф.п.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является ОЭСК, обладающий более широкими функциональными возможностями и предназначенный для работы в двухрежимной головке самонаведения (ГСН) поиска источников излучения и а.с. объекта слежения [3] В известном устройстве используются два ф.п. размеры чувствительных площадок которых сравнимы с аберрационным пятном рассеяния, определяемого качеством оптической системы. Один из этих ф.п. (Si) имеет максимум спектральной чувствительности в ультрафиолетовой области спектра, а другой (PbS) в ближней ИК-области. Фотоприемное устройство (ФПУ) выполняется наложением фоточувствительных площадок друг на друга и устанавливается в фокусе оптической системы на нестабилизированном основании с системой подвода для охлаждения жидкого азота. Оптическая система жестко закреплена на постоянном магните и вращается вместе с ним внутри витков соленоида, причем подвес, разгон и поддержание оборотов ротора реализуется газовой струей, что позволяет достичь высоких частот вращения вследствие отсутствия соответствующих подшипников. Малые размеры аберрационного пятна, определяемые асферизацией элементов объектива, позволяют реализовать высокую точность сложения и разрешающую способность, необходимую для раздельного приема и обработки сигналов от каждого из источников, попадающих в поле зрения ОЭСК, что является необходимым условием спектральной селекции, а также высокую чувствительность, улучшаемую также охлаждением. Использование ф.п. из PbS и Si позволяет обнаруживать и следить на фоне крупноразмерных теплоизлучающих образований и на определенных ракурсах, а малоразмерными источниками, максимум излучения которых приходится на область спектра (1,8-2,7) мкм, за источниками, имеющими слабый положительный или даже отрицательный контраст по отношению к окружающему фону, а также производить спектральную селекцию и отстройку от малоразмерных искусственных тепловых помех, имеющих в спектре своего излучения УФ-составляющую.

Использование малых мгновенных полей зрения (МПЗ) имеет однако существенный недостаток, выражающийся в необходимости организации поиска источников излучения в заданном поле обзора. В данном приборе просмотр осуществляется вращением двух децентрированных относительно геометрической оси ОЭСК оптических элементов, а именно: объектива и призмы. Объектив вращается вместе с ротором, а призма от независимого двигателя с угловой скоростью, значительно меньшей, чем у объектива. Подобное построение системы просмотра позволяет произвести по розеточной траектории обзор заданного пространства практически без пропусков. Тем не менее, использование двух независимых вращательных систем с применением газопроводов, газорезервуаров, специального двигателя с тахометром, дополнительного оптического элемента (призмы) усложняет конструкцию, снижает ее надежность и удобство эксплуатации, что особенно важно для систем автономного использования, и удорожает стоимость приборов. Кроме того, обеспечение помехозащиты ОЭСК по спектральному признаку посредством Si и PbS практически отсутствует в отношении наиболее распространенных к настоящему времени высокотемпературных пиротехнических помех, не имеющих в своем спектре УФ-составляющей. Несмотря на отмеченные недостатки, система обладает вполне определенными достоинствами и поэтому принимается за прототип.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции, повышение надежности оптикоэлектронного следящего координатора и расширение его функциональных возможностей.

Для решения поставленной задачи предложен оптикоэлектронный следящий координатор, содержащий статор, представляющий собой соленоид, внутри витков которого размещен ротор, установленный в кардановом подвесе и включающий закрепленную на постоянном магните фотооптическую систему, состоящую из главного зеркала, корректирующей линзы, контрзеркала, спектроделительного фильтра, установленного между контрзеркалом и корректирующей линзой так, что отраженное и пропущенное излучения фокусируются одновременно на фотоприемниках, и установленных в центрах этих оптических элементов.

В отличие от прототипа, в предложенный оптикоэлектронный следящий координатор введены система дополнительного перемещения контрзеркала в виде кинематического звена и две оправки в форме усеченных конусов для закрепления всех элементов в единую систему. Кинематическое звено выполнено в виде кулачкового механизма, состоящего из кулачка, закрепленного на кардановом подвесе, щупа, имеющего возможность поворота вокруг оси, тяги, одним концом жестко связанной со щупом, а другим с одной из оправок, и пружины для силового замыкания системы "щуп-кулачок".

Сущность предлагаемого изобретения заключается в формировании сигнала управления положением о.о. позволяющего производить поиск объекта слежения в заданном поле обзора, его захват и а.с. на фоне других источников оптического излучения и на разных ракурсах наблюдения. Это достигается тем, что в оптикоэлектронный следящий координатор введена система дополнительного перемещения контрзеркала в виде кинематического звена, позволившая обеспечить низкочастотное прокачивание контрзеркала относительно оптической оси (примерно 4 гЦ за один оборот ротора), осуществляемое посредством кинематической связи между контрзеркалом и кардановым подвесом, в результате чего была получена быстрая смена информации о наличии в поле осмотра источников излучения.

Выполнение дополнительной системы перемещения контрзеркала в виде кулачкового механизма обеспечивает нужную траекторию просмотра.

Использование карданового подвеса, размещенного внутри широкого торца одной из оправок, позволяет разместить на роторе значительную нагрузку, включающую оптическую систему, фотоприемники, спектроделительный фильтр, благодаря которому каждый фотоприемник установлен в своей фокальной плоскости, где фокусировка осуществляется одновременно за счет осуществления совмещения обоих полей зрения.

Кроме того, наличие оправок в форме усеченных конусов, на которых крепятся все элементы оптической системы, позволило отказаться от использования осевой спицы, и размещать фотоприемники на оптической оси прибора.

Отказ от дополнительной независимой системы вращения и использование карданова подвеса позволили существенно упростить конструкцию ОЭСК и увеличить ее надежность в эксплуатации. Использование ближнего и среднего ИК-диапазонов позволило осуществлять селекцию наиболее распространенных к настоящему времени малоразмерных пиротехнических ложных тепловых целей (ЛТЦ). Селекция слабоизлучающих целей стала возможной за счет значительного дополнительного повышения чувствительности посредством выполнения фотооптической системы в виде стабилизированного вращением моноблока, асферизацией оптических элементов, миниатюризацией размеров ф.п. и охлаждением ф.п. чувствительного к среднему ИК-диапазону излучения, наличие которого является характерным признаком объектов слежения.

Таким образом, использование предлагаемого ОЭСК позволяет достичь технический результат, заключающийся в упрощении конструкции, повышении надежности и расширении функциональных возможностей.

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого оптикоэлектронного следящего координатора; на фиг. 2 траектория поискового движения о.о. ОЭСК; на фиг. 3 схема кулачкового механизма, обеспечивающего нужную траекторию просмотра.

Оптикоэлектронный следящий координатор содержит статор, представляющий собой соленоид, внутри витков которого размещен ротор 1, установленный на кардановом подвесе 2 и включающий закрепленную на постоянном магните 3 оптическую систему. Оптическая система состоит из главного сферического зеркала 4, корректирующей линзы 5, контрзеркала 6, имеющих центральные отверстия для крепления и установки в них фотоприемников 7 и 8. Между корректирующей линзой 5 и контрзеркалом 6 расположен спектроделительный фильтр 9, представляющий собой оптический фильтр, который пропускает излучение одного спектрального диапазона и отражает излучение другого спектрального диапазона. Фотоприемники 7 и 8 установлены таким образом, что их светочувствительные площадки совмещены с фокальными плоскостями оптической системы и ось симметрии этих площадок совпадает с оптической осью. В качестве фотоприемников могут быть использованы, например, фоторезисторы In, Sb и PbS.

Постоянный магнит 3 и главное зеркало 4 выполнены в виде единого блока, где главное зеркало представляет собой отражающий слой, нанесенный на переднюю поверхность постоянного магнита 3, которой предварительно придается кривизна, соответствующая кривизне главного зеркала.

К другой поверхности постоянного магнита 3 крепятся уравновешивающее кольцо 10 и балансировочное кольцо 11 из тяжелого сплава для компенсации полярного момента при смещении центра тяжести ротора посредством выполнения главного зеркала 4 в виде слоя на поверхности магнита.

В специальных пазах, выполненных в постоянном магните 3 и балансировочном кольце 11 симметрично относительно оптической оси, размещаются предварительные усилители 12 и 13, подключенные к выходам фотоприемников 7 и 8. Они могут быть выполнены на микросхемах 851УН1 и 851УН2 и предназначены для выделения сигнала из шумов при снятии их в дальнейшем посредством вращающегося контактного устройства с выходов фотоприемников 7 и 8. Элементы оптической системы собираются в единый узел посредством оправок 14 и 15, выполненных в виде усеченных конусов.

Главное зеркало 4 и постоянный магнит 3 своим центральным отверстием насажаны на передний широкий торец оправки 14, на узкий торец которой насажана корректирующая линза 5, выполняющая также функции опорного элемента конструкции.

В широком торце оправки 14 размещен кардановый подвес 2, используемый для подвеса постоянного магнита 3, с закрепленной на нем оптической системой, что в совокупности составляет ротор гироскопа.

Кардановый подвес 2 состоит из трех колец, определяющих степень свободы гироскопа, т.е. внешнего кольца 16, промежуточного 17 и внутреннего 18. Прецессионное движение от гироскопа осуществляется посредством подшипников скольжения 19, а вращение ротора реализуется посредством подшипников вращения 20. Для снятия сигналов с вращающихся предусилителей 12 и 13 предусмотрены коллектор 21 и токосъемник 22, а также трубка для подвода азота 23 к охлаждаемому фотоприемнику 8.

Неохлаждаемый фотоприемник 7 установлен в центре контрзеркала 6, а охлаждаемый фотоприемник 8 установлен в центре корректирующей линзы 5. На наружный диаметр корректирующей линзы 5 надета широким торцом оправка 15, выполняющая, кроме того, функции бленды. На оправке 15 (бленде) посредством переходных колец 24 и 25 закреплены демпфер нутационных колебаний о.о. 26 и две шариковые опоры 27 для качания контрзеркала 6 в одной плоскости. Качание контрзеркала 6 обеспечивается кинематическим звеном, состоящим из кулачка 28, закрепленного на кардановом подвесе 2, щупа 29, выполненного с возможностью поворота вокруг оси 30, тяги 31, одним концом жестко закрепленной в щупе 29, а другим в оправке 14 в плоскости, перпендикулярной оси качания контрзеркала 6 и проходящей через его центр. Силовое замыкание кулачкового механизма (щуп-кулачок) обеспечивается за счет пружины 32.

Оба зеркала 4 и 6 оптической системы выполнены по схеме М.Манжена с целью компенсации аберраций и получения малого пятна рассеяния размером 0,05 мм (с концентрацией в пятне > 80% энергии) и могут быть заменены зеркалами с асферическими поверхностями.

Устройство работает следующим образом.

Излучение, отраженное от зеркального слоя главного зеркала 4 оптической системы оптикоэлектронного следящего координатора, нанесенного непосредственно на поверхность постоянного магнита 3, вогнутую предварительно в соответствии с расчетной кривизной, проходит через корректирующую линзу 5 и поступает на контрзеркало 6. Отраженное от контрзеркала 6 излучение поступает на спектроделительный фильтр 9. Отраженное от спектроделительного фильтра 9 излучение фокусируется в центре контрзеркала 4 на фоточувствительной площадке неохлаждаемого фотоприемника 7. Прошедшее средневолновое ИК-излучение фокусируется в центре корректирующей линзы 5 на фоточувствительной площадке охлаждаемого фотоприемника 8.

С фотоприемников 7 и 8 сигнал поступает на предварительные усилители 12 и 13, которые выделяют из шумов сигнал для дальнейшей обработки в электронном тракте.

При вращении ротора 1 щуп 29, обегая неподвижный кулачок 28, совершает четыре колебания за каждый оборот ротора, передавая четыре полных колебания на контрзеркало 6. При такой частоте МПЗ осматривают все поле обзора по траектории восьмилепестковой розетки (фиг. 2 и 3). Управление движением оптической оси производится подачей гармонического сигнала на частоте вращения ротора 1 в соленоид. Характерной чертой системы поиска является высокая скорость обновления информации, поскольку частоты сигналов, формирующих розеточную траекторию, разнесены, в отличие от прототипа (200 гц и 10 гц) менее значительно (f_г и 4f_г), где f_г частота вращения ротора.

Таким образом, введение в предлагаемый ОЭСК кинематического звена для дополнительной прокачки контрзеркала по восьмилепестковой розеточной траектории и использование в конструкции двух оправок в форме усеченных конусов позволяет упростить конструкцию и сделать ее более надежной и удобной в эксплуатации.

В настоящее время изготовлен макетный образец предлагаемого ОЭСК, успешно прошедший лабораторные испытания.

Источники информации:
1. Л.П.Лазарев. "Оптикоэлектронные приборы наведения". "Машиностроение", Москва, 1989 г. с. 347-348, рис. 9.21.

2. Ю.П.Сафронов, Р.И.Эльман. "ИК-распознающие устройства". Москва, 1976, с. 18, 101-136.

3. Патент США N 4009393, кл. G 01 J 1/00; кл. F 41 G 7/00, 250/339; 244-3,16; 250-203; 250-236; 250-342; 250-372 прототип.

Использование: в качестве поиска естественных и искусственных источников оптического излучения, выбора из них объекта слежения и автосопровождения его как в автономном режиме работы, так и в составе бортовой аппаратуры. Задача: упрощение конструкции и повышение надежности и расширение функциональных возможностей. Сущность: оптикоэлектронный следящий координатор содержит статор, представляющий собой соленоид, внутри витков которого размещен ротор, установленный в кардановом подвесе и включающий закрепленную на постоянном магните оптическую систему, состоящую из главного зеркала, корректирующей линзы, контрзеркала, спектроделительного фильтра, установленного между контрзеркалом и корректирующей линзой, и фотоприемников, установленных в фокальных плоскостях оптической системы и образованных соответствующей установкой спектроделительного фильтра. В него введены система дополнительного перемещения контрзеркала в виде кинематического звена и две оправки в форме усеченных конусов для закрепления всех элементов в единую систему. Кинематическое звено выполнено в виде кулачкового механизма, состоящего из кулачка, закрепленного на кардановом подвесе, щупа, имеющего возможность поворота вокруг оси, тяги, одним концом жестко связанной со щупом, а другим - с одной из оправок, и пружины для силового замыкания системы "щуп-кулачок". 3 ил.

Оптико-электронный следящий координатор, содержащий статор, представляющий собой соленоид, внутри витков которого размещен ротор, установленный в кардановом подвесе и включающий закрепленную на постоянном магните оптическую систему, состоящую из главного зеркала, корректирующей линзы, контрзеркала, спектроделительного фильтра, установленного между контрзеркалом и корректирующей линзой, и фотоприемников, установленных в фокальных плоскостях оптической системы и образованных соответствующей установкой спектроделительного фильтра, отличающийся тем, что в него введена система дополнительного перемещения контрзеркала в виде кинематического звена и две оправки в форме усеченных конусов для закрепления всех элементов в единую систему, причем кинематическое звено выполнено в виде кулачкового механизма, состоящего из кулачка, закрепленного на кардановом подвесе, щупа, имеющего возможность поворота вокруг оси, тяги, одним концом жестко связанной со щупом, а другим с одной из оправок, и пружины для силового замыкания системы щуп кулачок.