ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ СЛЕДЯЩИЙ КООРДИНАТОР Российский патент 1998 года по МПК G02B26/10 G01S3/78 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для измерения координат и автосопровождения (а.с.), в частности в составе бортовой аппаратуры, источников оптического излучения в условиях воздействия оптических помех как естественного, так и искусственного происхождений.

Характерной чертой оптико-электронных следящих координаторов (ОЭСК) является использование с целью защиты от фоновых помех, малых, порядка (0,5-1,5)^o, полей зрения, что требует их стабилизации, поскольку даже небольшие возмущения, типа вибраций корпуса, могут привести к срыву слежения.

Известен ряд ОЭСК, предназначенных для работы в составе бортовой аппаратуры управляемых ракет [1] [2] [3] В этих системах для стабилизации поля зрения и в качестве исполнительного элемента (и.э.) следящей системы используются гироскопические устройства, в которых разгон и поддержание оборотов ротора осуществляется посредством газовой струи, а в качестве опоры используется карданов подвес. Такие устройства работают обычно в условиях больших перегрузок и требуют наличия газопроводов и газорезервуаров, что для ряда носителей, особенно индивидуального пользования, неприемлемо по габаритам и весам.

В [4] описан ОЭСК, выбранный за прототип, в котором используется трехстепенной астатический гироскоп с внутренним кардановым подвесом. В таком гироскопе ротор выполнен в виде вращающегося постоянного магнита эллиптической формы с центральным отверстием, устанавливаемого в кардановом подвесе, а статор представляет собой соленоид, внутри витков которого устанавливается магнит.

Функциональное назначение ОЭСК заключается в измерении координат источника излучения для передачи их на носитель и в а.с. объекта слежения, что выражается в совмещении оптической оси (о.о.) с линией визирования (л.в.) источника. Для этого необходимо иметь возможность управлять положением О.О. В устройстве [4] эта задача решается следующим образом.

На постоянном магните жестко закрепляются и вращаются вместе с ним элементы оптической системы (о. с. ), т. е. главное сферическое зеркало, контрзеркало, и корректирующая линза. Отраженное от главного зеркала излучение попадает на контрзеркало и, отразившись от него, проходит через корректирующую линзу. В фокальной плоскости о.с. установлен растр анализатора изображения (а.и.) источника излучения. Для уменьшения габаритов ОЭСК главное зеркало совмещено с магнитом посредством склеивания стекла зеркала с передней по ходу лучей поверхностью последнего. Другой характерной особенностью прототипа, также обусловленной стремлением максимально сократить длину ОЭСК, является вынос вперед по ходу лучей (так называемое консольное размещение) контрзеркала. Фотоприемник (ФП) размещен на кардановом подвесе и может прокачиваться в определенном угле относительно центра прокачки. Соединение оптических и других функциональных элементов в единую конструкцию осуществляется посредством карданова подвеса, закрепляемого на корпусе ОЭСК, жестко соединенной с карданом втулки и спицы, при этом узел "главное зеркало-магнит" надевается на втулку, линза надевается на передний по ходу лучей торец втулки, а осевая спица соединяет линзу и контрзеркало.

При подаче на вход соленоида гармонического сигнала на частоте вращения магнита, амплитуда и фаза которого несут информацию о величине и направлении рассогласования между о.о. и л.в. в соленоиде возникает магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем, создаваемым вращающимся магнитом, образует коррекционный момент М_к, который разворачивает ось вращения магнита, а следовательно, в силу жесткого соединения магнита и о.с. и ось последней в сторону согласования с л.в. что в принципе решает задачу управления и.э. ОЭСК.

Эффективность работы ОЭСК определяется точностью измерения координат объекта слежения, зоной устойчивого а.с. и способность осуществлять а.с. при наличии в поле зрения ОЭСК помеховых источников оптического излучения. По всем этим показателям возможности прототипа представляются ограниченными. Так например, размещение на магните элементов, формирующих поле зрения ОЭСК (о.с. и растр а.и.), имеет следствием не только стабилизацию поля зрения, но и смещение центра тяжести относительно точки подвеса ротора, представляющего собой не просто вращающийся магнит, а сложную протяженную систему. Это обстоятельство приводит к уменьшению угла прокачки и, следовательно, к ограничению зоны а.с. по пеленгу. Кроме того, консольное размешение контрзеркала вызывает существенное увеличение экваториального момента инерции ротора (I_э) и ведет к затягиванию переходного процесса (п.п.) в роторе при подаче на вход соленоида управляющего воздействия, что ухудшает качество слежения и точность выдачи координат на носитель. Далее размещение фотоприемника (ФП) на нестабилизированном основании приводит к появлению на выходе ФП виброшумов, что ведет к снижению чувствительности и, следовательно, к ограничению зоны а.с. по дальности, а расположение растра а.и. в фокальной плоскости о. с. означает, что на ФП излучение поступает в известной мере расфокусированным. Это обстоятельство требует увеличения площади ФП и также ухудшает чувствительность. Наиболее устойчивым признаком, характеризующим различие в источниках, является разница в длине волны, на которую приходится максимум излучения [5] Для идентификации источников по этому признаку с целью последующей отстройки от помеховых необходим по крайней мере еще один ФП, максимум спектральной чувствительности которого сдвинут по отношению к основному ФП.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей ОЭСК в отношении точности, чувствительности и помехозащищенности.

Для решения данной задачи предлагается оптико-электронный следящий координатор, содержащий статор, установленный в кардановом подвесе ротор, включающий закрепленную на постоянном магните оптическую систему, состоящую из главного зеркала, корректирующей линзы и контрзеркала, имеющих центральные отверстия, а также первый фотоприемник. В отличие от известного в предлагаемом устройстве введен второй фотоприемник и спектроделитель, расположенный по ходу лучей за контрзеркалом. Фотоприемники размещены соответственно первый в центральном отверстии корректирующей линзы, а второй в центральном отверстии контрзеркала. При этом их светочувствительные площадки совмещены с фокальными плоскостями оптической системы. Главное зеркало представляет собой отражающий слой, нанесенный на поверхность постоянного магнита ротора, выполненную в виде сферы, а корректирующая линза установлена по ходу лучей между главным зеркалом и контрзеркалом.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Предлагается ОЭСК, в котором вся оптическая система, включая фотоприемники, размещена на роторе гироскопа. Расположение фотоприемников в фокальных плоскостях, формируемых за счет установки в сходящемся пучке объектива спектроделителя, позволяет представить оптическую систему в виде стабилизированного моноблока, что делает ее виброустойчивой и дает возможность осуществить модуляцию излучения непосредственно на чувствительном слое. Таким образом повышается чувствительность ОЭСК.

Использование малого поля зрения защищает ОЭСК от протяженных фоновых источников излучения. Однако при попадании в его поле зрения более мощных по силе излучения источников происходит перенацеливание ОЭСК с объекта слежения на этот источник. Суть обеспечения помехозащищенности заключается в идентификации источников излучения по различию в длинах волн, на которые приходится максимум их излучения, что выражается введением дополнительного фотоприемника, чувствительного в другом спектральном диапазоне. Однако реализация двухспектрального фотоприемного устройства только одно необходимое условие для осуществления спектральной селекции источников излучения. Вторым непременным условием является возможность раздельного приема и обработки сигналов от каждого из источников, попадающих в поле зрения ОЭСК. Поэтому в предлагаемом устройстве фотоприемники выполнены в виде полосок, расположенных радиально по отношению к оптической оси в своих фокальных плоскостях. Длина этих полосок определяет величину мгновенного поля зрения, а ширина согласуется с диаметром аберрационного пятна, определяемого качеством о.с. Информация о величине рассогласования ρ между о.о. и л.в. содержится в длительности импульса, снимаемого с фотоприемника.

Выполнение главного зеркала в виде отражающего слоя на поверхности магнита улучшает показатели качества переходного процесса, выражающегося в характере перемещения оптической оси при подаче в соленоид управляющего воздействия. Коррекционный момент для управления ротором вводится подачей в соленоид сигнала переменного тока, следующего на частоте вращения магнита.

В течение переходного процесса ось ротора совершает два движения.

Первое, прецессионное, определяется величиной и направлением М_к, второе, нутационное, определяется параметрами самого ротора. Переходной процесс в роторе, содержащем только магнит, м.б. описан следующей системой уравнений, приводимой в [6]
_э
где α, β углы отклонения оси ротора по двум координатам;
M₁, M₂ составляющие управляющего воздействия по двум осям;
H кинетический момент инерции ротора;
a коэффициент вязкого демпфирования;
I_э экваториальный момент инерции ротора.

Передаточная функция ротора магнита м.б. записана так

где постоянная времени ротора;
относительный коэффициент демпфирования.

Из (2) следует выражение для амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ротора

здесь H = I_п•λ_г,
где I_п полярный момент инерции ротора гироскопа;
λ_г частота вращения ротора.

Из выражения для АЧХ видно, что ротор имеет резонанс на частоте
.

Амплитуда колебаний на этой частоте определяется выражением

Из формулы (4) вытекает, что нутационные колебания проявляются тем слабее, чем больше скорость вращения ротора, коэффициент демпфирования и I_п, и чем меньше I_э. Уменьшение амплитуды нутаций за счет увеличения λ_г и а технически и конструктивно ограничено. Поэтому улучшение качества П.П. м.б. достигнуто выбором соотношения f, при котором частота нутационных колебаний, определяемых соотношением
ω_н.к = fλ_г,
не оказалась слишком близкой к частоте сигнала на входе соленоида, т.е. к частоте модуляции. Чем ближе эти частоты, тем больше амплитуда нутаций и тем больше вероятность срыва слежения. Для магнита в виде очень тонкого диска f 2,0 и, с точки зрения п.п. это соотношение наиболее благоприятно. Однако кинетический момент такого ротора мал и не обеспечивает необходимую стабилизацию поля зрения. Поэтому толщину магнита необходимо увеличивать и выбирать f в пределах (1,25-1,6), т.к. при f 1 наступает резонанс, а дальнейшее увеличение толщины приводит к неустойчивости вращения ротора.

При размещении о.с. в кардановом подвесе важно обеспечить расположение центра тяжести и центра прокачки в точке пересечения о.о. центра главного зеркала (точка 0). Такое совмещение обеспечивает максимально возможный при данных конкретных условиях угол прокачки ротора. Вынесение контрзеркала вперед нарушает это равновесие и приводит к уменьшению угла прокачки и ухудшению переходного процесса. Для устранения этого нежелательного эффекта необходимо сместить центр тяжести вправо. Это достигается устранением из блока "зеркало-магнит" стекла, которое примерно в три раза легче материала магнита. Замещение стекла материалом магнита смещает центр тяжести к центру прокачки, т. е. к точке 0, а также увеличивает магнитную энергию и кинетический момент ротора. Увеличение I_п достигается размещением на другой поверхности магнита кольца на основе вольфрама с удельной плотностью (14-18) г/см₃, выполняемого с максимально возможным удалением материала от оптической оси.

Таким образом, выполнение главного зеркала в виде слоя на постоянном магните влияет на повышение точности слежения.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Оптико-электронный следящий координатор содержит оптическую систему, состоящую из главного сферического зеркала 1, корректирующей линзы 2, контрзеркала 3, имеющих центральные отверстия для крепления для установки в них фотоприемников. Между корректирующей линзой 2 и контрзеркалом 3 расположен спектроделитель 4, представляющий собой оптический фильтр, который пропускает излучение одного спектрального диапазона и отражает излучение другого спектрального диапазона. В центральном отверстии корректирующей линзы 2 размещен первый фотоприемник 5, а в центральном отверстии контрзеркала - второй фотоприемник 6. Фотоприемники 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 InSb и PbS.

Оптическая система жестко закреплена на постоянном магните 7 и является вместе с ним конструктивными частями ротора 8. Ротор 8 установлен в кардановом подвесе 9, который закреплен на корпусе 10 ОЭСК. На корпус 10 намотан соленоид, являющийся статором 11 гироскопа. Постоянный магнит 7 и главное зеркало 1 выполнены в виде единого блока, где главное зеркало представляет собой отражающий слой, нанесенный на переднюю поверхность постоянного магнита 7, которой предварительно придается кривизна, соответствующая кривизне главного зеркала.

К другой поверхности постоянного магнита 7 крепится кольцо 12 из тяжелого сплава для компенсации полярного момента при смещении центра тяжести ротора посредством выполнения главного зеркала в виде слоя на поверхности магнита. В специальных пазах, выполненных в магните 7 и кольце 12 симметрично относительно оптической оси, размещаются предварительные усилители 13 и 14, подключенные к выходам фотоприемников 5 и 6. 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 фотоприемнмков. Элементы оптической системы собираются в единый узел посредством оправок 15-17.

Устройство работает следующим образом.

Отраженное от главного зеркала 1 излучение проходит через корректирующую линзу 2 и попадает на контрзеркало 3. Отражаясь от него, излучение попадает на спектроделитель 4. Прошедшее через спектроделитель излучение фокусируется на фоточувствительной площадке первого фотоприемника 5, а отраженное излучение на фоточувствительной площадке второго фотоприемника 6, максимум спектральной чувствительности которого сдвинут по отношению к первому. С фотоприемников сигнал поступает на предварительные усилители 13 и 14, которые выделяют из шумов сигнал для дальнейшей обработки в электронном тракте.

Постоянный магнит 7 ротора 8 приводится в движение магнитным полем, создаваемым специальной системой разгона и поддержания оборотов ротора, функционально не входящей в состав ОЭСК. Коррекционный момент для управления ротором вводится подачей в статор 11 сигнала переменного тока, следующего на частоте вращения ротора.

Представленная конструкция ОЭСК показывает, что выполнение оптической системы в виде стабилизированного моноблока делает ее виброустойчивой и позволяет повысить чувствительность ОЭСК. Выполнение главного зеркала в виде слоя на поверхности постоянного магнита ротора улучшает показатели переходного процесса, влияя тем самым на повышение точности. Помехозащищенность обеспечивается реализацией спектральной селекции источников излучения, которая становится возможной за счет введения двухспектрального фотоприемного устройства. Таким образом решается задача изобретения.

Литература
1. Патент США N 4339097.

2. Патент Германии N1406578.

3. Патент Франции N1501166.

4. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения. М. Машиностроение, 1989, с. 347-348.

5. Сафронов Ю.П. Эльман Р.П. ИК-распознающие устройства. М. 1976, с.18, 111-136.

6. Казамаров А.А. Палатник А.М. Роднянский Л.О. Динамика двумерных систем автоматического регулирования. М. Наука, 1977, с.27.

Использование: для измерения координат и автосопровождения. Сущность изобретения: оптико-электронный следящий координатор содержит статор, установленный на кардановом подвесе ротор, включающий закрепленную на постоянном магните ротора оптическую систему, состоящую из главного зеркала, представляющего собой отражающий слой, нанесенный на поверхность постоянного магнита ротора, выполненную с кривизной, соответствующей кривизне главного зеркала, корректирующей линзы, установленной по ходу лучей между главным зеркалом и контрзеркалом, за которым расположен спектроделитель, а первый и второй фотоприемники размещены в центральных отверстиях корректирующей линзы и контрзеркала таким образом, что их светочувствительные площадки совмещены с фокальными плоскостями оптической системы. 1 ил.

Оптико-электронный следящий координатор, содержащий статор, установленный на кардановом подвесе ротор, включающий закрепленную на постоянном магните ротора оптическую систему, состоящую из главного зеркала, корректирующей линзы и контрзеркала, имеющих центральные отверстия, и первый фотоприемник, отличающийся тем, что главное зеркало представляет собой отражающий слой, нанесенный на поверхность постоянного магнита ротора, выполненную с кривизной, соответствующей кривизне главного зеркала, корректирующая линза установлена по ходу лучей между главным зеркалом и контрзеркалом, за которым расположен введенный спектроделитель, а первый фотоприемник и дополнительно введенный второй фотоприемник размещены в центральных отверстиях корректирующей линзы и контрзеркала таким образом, что их светочувствительные площадки совмещены с фокальными плоскостями оптической системы.