ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КООРДИНАТОР Российский патент 2000 года по МПК G01S3/78 F42B15/01 

Предлагаемое изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для определения положения и идентификации источников оптического излучения, находящихся в поле зрения координатора, как в автономном режиме работы, так и в составе бортовой аппаратуры.

Оптико-электронный координатор (ОЭК), измеряющий рассогласование между своей визирной осью и направлением на источник, представляет собой сочетание оптической системы, анализатора изображения (растра), фотоприемника, формирующих поле зрение прибора, устройства для его стабилизации и управления перемещением визирной оси в пространстве.

К оптической системе ОЭК с целью достижения необходимой чувствительности и разрешающей способности предъявляются следующие требования:
- минимальные размеры изображения точечного источника излучения в фокальной плоскости;
- минимальные искажения изображения при перемещении его от центра к краю поля зрения;
- максимально возможное в заданных габаритах входное отверстие оптической системы;
- минимальное виньетирование;
- минимальное количество преломляющих и отражающих поверхностей;
- наименьшая толщина оптических деталей, сильно поглощающих излучение рабочего диапазона длин волн.

Всем этим требованиям более всего удовлетворяет зеркально-линзовый объектив. В книге Л.П.Лазарева [1] приводится ряд схем построения таких систем. На рис. 7.1. упомянутой книги представлена оптическая схема, наиболее приемлемая для использования в ОЭК. Характерным для нее является вынесение вперед по ходу лучей контрзеркала. Оптическая система формирует изображение источника в фокальной плоскости, где устанавливается растр. Вращающийся растр производит преобразование (модуляцию) непрерывного потока излучения в прерывистый и одновременно закладывает в параметры модулированного потока информацию о величине и направлении рассогласования между визирной осью и направлением на источник. Фотоприемник установлен в непосредственной технологической близости от растра и преобразует модулированный поток излучения в электрические импульсы, несущие в каком-либо из своих параметров ту же информацию. Для уменьшения влияния фонов поле зрения ОЭК выбирается достаточно малым, - что требует его стабилизации, так как даже небольшие внешние возмущения, типа вибраций корпуса, могут привести к выходу источника из поля зрения. В ряде ОЭК [1], [2], [3], [4] для стабилизации поля зрения используется ротор трехстепенного астатического гироскопа с внутренним кардановым подвесом. В таком гироскопе ротор представляет собой вращающийся постоянный магнит с жестко закрепленными на нем оптической системой и растром. Ротор находится внутри витков соленоида, являющегося статором гироскопа, а фотоприемник устанавливается на кардане. Статор подключается к аппаратуре, вырабатывающей сигнал управления положением визирной оси. Сборка элементов ОЭК в единую конструкцию осуществляется посредством карданова подвеса, втулки, бленды и осевой спицы. Карданов подвес представляет собой сферический шарнир, на котором подвешивается ротор, прокачивающийся по двум осям. Кардан размещается во втулке, на которую одевается блок "главное зеркало - магнит", представляющий собой наклеенное на переднюю по ходу лучей поверхность магнита, сферическое зеркало на стеклянной подложке. В переднем торце втулки закреплена корректирующая линза, которая посредством осевой спицы жестко соединяется с контрзеркалом. Бленда располагается между контрзеркалом и линзой, предохраняя фотоприемник от засветок.

Описанные выше оптико-электронные координаторы имеют ряд существенных ограничений по функциональным возможностям. Так, размещение фотоприемников на нестабилизированном основании (кардане) ведет к увеличению риброшумов, что имеет следствием ухудшение чувствительности. К тем же последствиям ведет размещение фотоприемников вне фокальной плоскости. На минимально достижимый размер пятна рассеяния и, следовательно, разрешающую способность прибора накладывает ограничение конструктивное выполнение ОЭК. Дело в том, что контрзеркало устанавливается на оси, закрепленной, в свою очередь, в последующей по ходу лучей корректирующей линзе, что приводит к необходимости сверления оптических элементов, имеющей следствием их деформацию, и является дополнительным источником аберраций. Консольное вынесение вперед по ходу лучей контрзеркала делает неоптимальным соотношение моментов инерции системы, состоящей из магнита и размещенной на нем оптической системы. Кроме того, описанный ОЭК работает в одном спектральном диапазоне, в связи с чем при использовании таких координаторов в системах автосопровождения их защищенность от организованного оптического противодействия может строиться только на основе энергетического и кинематического признаков различия источников, что является явно недостаточным. Все эти обстоятельства не позволяют использовать данный ОЭК в высокоточных системах автосопровождения.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому техническому решению является оптико-электронный координатор [5], выбранный в качестве прототипа, обладающий более широкими функциональными возможностями и предназначенный для работы в составе двухрежимной головки самонаведения. Известный ОЭК [5] имеет возможность обнаружения и идентификации более широкого круга источников оптического излучения, так как информация о величине и знаке контраста над фоном излучателя, находящегося в поле зрения ОЭК, поступает в ОЭК в двух спектральных диапазонах. Это достигается наличием в ОЭК [5] двух фотоприемников, чувствительных к ультрафиолетовому (УФ) и инфракрасному (ИК) диапазонам спектра излучения. ОЭК представляет собой цилиндрический корпус, закрепленный в наружной обшивке. В корпусе находится цилиндрический стержень, внутри которого размещен полый вал, приводимый во вращательное движение (порядка 10 Гц) двигателем с тахометром. В переднем торце вала закреплена децентрированная относительно геометрической оси ОЭК призма, вращающаяся вместе с валом. В передней части корпуса находится трехстепенной гироскоп с установленным в кардановом подвесе вращающимся ротором-магнитом, расположенным внутри витков соленоида, являющегося статором гироскопа. На роторе жестко закреплена оптическая система, также децентрированная относительно геометрической оси координатора и содержащая главное зеркало и контрзеркало. В фокусе оптической системы находится фотоприемное устройство (ФПУ), установленное в переднем торце полого вала. ФПУ не вращается, но может прокачиваться вместе с ротором в определенном пространственном угле и представляет собой наложенные последовательно друг на друга по ходу лучей фотослои из Si и PbS. Вращение с разной скоростью друг относительно друга децентрированных оптических элементов обеспечивает просмотр заданного пространства, например, по спирали, а малая величина мгновенных полей зрения - высокое разрешение. Защита процесса автосопровождения объекта слежения с таким ОЭК может быть обеспечена не только на основе энергетического и кинематического признаков различия между излучателями, но и на информации о них, принимаемой в ультрафиолетовом диапазоне. Однако, несмотря на несомненные преимущества по сравнению с описанными выше аналогами, координатор [5] обладает рядом недостатков.

Основным недостатком координатора [5] является отсутствие во многих случаях работы на фонах необходимых условий для обнаружения малоразмерных, высокотемпературных, пиротехнических излучателей, являющихся к настоящему времени основным видом организованных оптических помех, что не позволяет построить эффективную защиту от них процесса автосопровождения. Другим недостатком прототипа является сложность конструкции, включающей две независимые системы вращения с достаточно слезными приводами. Кроме того, устройство обладает недостатками в отношении размещения фотоприемников и неоптимальности соотношения моментов инерции ротора.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение функциональных возможностей оптико-электронного координатора за счет повышения чувствительности и помехозащищенности, а также упрощение конструкции.

Для достижения этого технического результата предложен оптико-электронный координатор, содержащий трехстепенной астатический гироскоп с системой электромагнитной коррекции, размещенным в кардановом подвесе ротором и оптической системой, состоящей из главного зеркала и контрзеркала. Оптическая система жестко закреплена на роторе, ось вращения которого смещена относительно оптической оси. Координатор снабжен также фотоприемным устройством, содержащим два фотоприемника с фильтрами, первый из которых чувствителен к ультрафиолетовому, а второй - к инфракрасному диапазону излучения.

Особенностью предлагаемого оптико-электронного координатора, отличающей его от известного, принятого за прототип координатора [5], является то, что в оптическую систему координатора по ходу лучей между главным зеркалом и контрзеркалом введена корректирующая линза. Фотоприемное устройство жестко закреплено на роторе, причем первый фотоприемник размещен в центральном отверстии контрзеркала, а второй - в центральном отверстии корректирующей линзы. Первый фильтр установлен между контрзеркалом и корректирующей линзой и выполнен в виде спектроделителя, передняя торцевая поверхность второго фотоприемника наполовину закрыта вторым фильтром, отрезающим ближний диапазон ИК-излучения. Продольные оси принимающих излучение чувствительных площадок фотоприемников расположены на радиусах, проведенных через центр вращения соответствующей фокальной плоскости.

Технический результат, достигнутый в предлагаемом изобретении, обеспечивается за счет введения в оптическую систему корректирующей линзы и выполнения первого фильтра в виде спектроделителя, а также его размещения между контрзеркалом и корректирующей линзой. Эти признаки позволяют отраженное ультрафиолетовое и пропущенное инфракрасное излучение направлять на фотоприемники одновременно (как в прототипе), но практически не снижая чувствительности фотоприемника, работающего в ИК-области спектра. Предлагаемая конструкция обеспечивает крепление на роторе координатора не только оптической системы, как это было в прототипе, но и жесткое закрепление фотоприемного устройства на постоянном магните ротора координатора. Такое конструктивное решение позволило производить модуляцию излучения непосредственно фотоприемником, что обеспечило устранение расфокусировки и повышение чувствительности. Размещение второго фотоприемника, чувствительного к инфракрасному излучению, в центральном отверстии корректирующей линзы, а также установка перед его передней торцевой поверхностью фильтра, половина которого отрезает ближний диапазон ИК-излучения, позволяет производить прием информации от большего количества известных разнообразных источников излучения в трех спектральных диапазонах, так как открытая половина фотодиода принимает ближнее и среднее инфракрасное излучение в диапазоне (1,5...5) мкм, а закрытая половина - только среднее. Кроме того, введение в формулу изобретения признаков, касающихся расположения чувствительных площадок на фотоприемниках, а именно, их размещение на радиусах, проведенных через центр вращения соответствующей фокальной плоскости, позволило повысить чувствительность всей системы и уменьшить шумы. Это стало возможным благодаря устранению разрывов в зависимости параметров, например длительности импульса сигнала с выхода фотоприемника от величины рассогласования. Отсутствие разрывов устраняет локальные "мертвые" зоны, а также уменьшает влияние площадок друг на друга.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.

Предлагаемый координатор иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-2.

На фиг. 1 изображен общий вид в разрезе одного из конкретных примеров выполнения предлагаемого оптико-электронного координатора. На фиг. 2 представлено расположение чувствительных площадок фотоприемников в фокальных плоскостях оптической системы (верхняя фигура относится к фотоприемнику, чувствительному к УФ-диапазону, а нижняя - к фотоприемнику, работающему в ИК-диапазоне). При этом основной канал (ОК) принимает излучение в среднем ИК-диапазоне, а вспомогательный (ВК) - в ближнем и среднем диапазонах.

Оптико-электронный координатор содержит трехстепенной астатический гироскоп с системой коррекции в виде соленоида 1, внутри витков которого в кардановом подвесе 2 размещен ротор. На постоянном магните 3 ротора жестко закреплена оптическая система, содержащая главное зеркало 4 и контрзеркало 5, а также фотоприемное устройство, состоящее из двух приемников. Ось вращения ротора смещена относительно оси оптической системы. Первый фотоприемник 6 чувствителен к УФ-излучению, а второй фотоприемник 7 чувствителен к ИК-излучению. Между главным зеркалом 4 и контрзеркалом 5 расположена корректирующая линза 8. Первый фильтр 9 установлен между контрзеркалом 5 и корректирующей линзой 8 и выполнен в виде спектроделителя. Первый фотоприемник 6, чувствительный к УФ-диапазону излучения, установлен в центральном отверстии контрзеркала 5. Второй фотоприемник 7, чувствительный к ИК-диапазону, расположен в центральном отверстии корректирующей линзы 8 и представляет собой монокристаллический фотодиод на основе InSb, чувствительный в полосе (1,5... 5) мкм, с наклеенным на одну из половин его переднего по ходу лучей торца отрезающим интерференционным фильтром. В результате открытая половина фотоприемника пропускает все ИК-излучение, закрытая - только среднее. На фиг. 2 представлено в качестве конкретного примера расположение трех чувствительных площадок на поверхности фотоприемников 6 и 7. Продольные оси чувствительных площадок располагаются на радиусах, проведенных через центр вращения фокальной плоскости. Площадки изолированы друг от друга, радиусы, на которых они расположены, проведены под уменьшающимися углами относительно условной линии раздела фотоприемника для дальних площадок, в результате чего продольные оси соседних площадок находятся на разных радиусах. Жесткое крепление элементов оптической системы и фотоприемного устройства к ротору выполнено в предлагаемой конструкции следующим образом. В качестве опорных элементов конструкции выбраны оправки 10 и 11 в виде усеченных конусов. Карданов подвес 2 размещается внутри оправки 10, на широкий торец которой одевается главное зеркало 4, нанесенное на магнит 3, а на узкий торец - корректирующая линза 8. Оправка 11, выполняющая также функцию бленды, широким основанием одета на корректирующую линзу 8, а в основании узкого торца оправки 11 запрессовано контрзеркало 5. Постоянный магнит 3 ротора снабжен компенсатором положения центра тяжести ротора 12, выполненным в виде соосного с ним кольца из тяжелого сплава и прикрепленного к задней поверхности магнита.

Устройство работает следующим образом.

Отраженное от главного зеркала 4 излучение проходит через корректирующую линзу 8, а затем отражается от контрзеркала 5. Отраженное от контрзеркала 5 излучение попадает на спектроделительный фильтр 9. Отраженное от спектроделителя 9 излучение фокусируется на первый фотоприемник 6. Расположение чувствительных площадок в соответствии с топологией, представленной на фиг. 2, позволяет при их вращении устранить разрывы в зависимости длительности импульса сигнала с выхода фотоприемника от величины рассогласования. Прошедшее через спектроделитель 9 излучение фокусируется на второй фотоприемник 7, передняя торцевая поверхность которого наполовину закрыта вторым фильтром. В результате открытая половина фотоприемника 7 принимает все ИК-излучение, а закрытая половина - только среднее.

В настоящее время на ОАО "ЛОМО" выпущены опытные образцы описанного выше ОЭК, успешно прошедшие лабораторные испытания. Испытания показали, что в ходе работы над устройством получены следующие результаты:
- использование фотоприемника с различными максимумами спектральной чувствительности позволило идентифицировать широкий круг различного рода источников оптического излучения и тем самым обеспечить надежную помехозащиту процесса автосопровождения объекта при использовании данного ОЭК;
- размещение фотооптической системы на роторе гироскопа позволило увеличить чувствительность и, следовательно, зону действия ОЭК;
- выполнение фотоприемника в виде линейки фоточувствительных элементов позволяет увеличить поле обзора и тем самым отказаться от сложной системы сканирования, что существенно упрощает конструкцию.

Таким образом, использование предлагаемого ОЭК позволяет достичь технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей ОЭК для обеспечения процесса автосопровождения за счет повышения чувствительности и помехозащиты.

Источники информации
1. Л. П.Лазарев. Оптико-электронные приборы наведения. -М.: Машиностроение, 1989, с. 347 - 348.

2. Патент США N 4339097, МКИ G 01 S 9/62.

3. Патент Германии N 1406578, МКИ G 01 S 9/62.

4. Патент Франции N 1501166, МКИ G 01 S 9/62.

5. Патент США N 4009393, МКИ G 01 S 1/00; F 41 G 7/00, НКИ 250/393; 244-3.16; 250-203; 250-236; 250-342; 250-372 - прототип.

Оптико-электронный координатор относится к оптическому приборостроению и может быть использован для определения положения источников оптического излучения, находящихся в поле зрения координатора, как в автономном режиме работы, так и в составе бортовой аппаратуры. Оптико-электронный координатор содержит трехстепенной астатический гироскоп с системой электромагнитной коррекции в виде соленоида, внутри витков которого в подвесе размещен ротор, на постоянном магните которого жестко закреплена оптическая система, содержащая асферическое главное зеркало и контрзеркало, а также устройство, содержащее фотоприемники, чувствительные к УФ- и ближнему ИК-излучениям. Технический результат - повышение чувствительности и помехозащищенности, а также упрощение конструкции достигается за счет наличия оправок для закрепления функциональных элементов в единую систему, а также введения в оптическую систему корректирующей линзы и светоделительного фильтра, установленного между контрзеркалом и корректирующей линзой, что позволяет одновременно направлять на фотоприемники отраженное УФ-излучение и пропущенное ИК-излучение. Кроме того, фотоприемники и оптическая система жестко закреплены на постоянном магните ротора. Такое конструктивное решение позволяет производить модуляцию излучения, непосредственно падающего на фотоприемник, что обеспечивает устранение расфокусирования и повышение чувствительности. 2 ил.

Оптико-электронный координатор, содержащий трехстепенной астатический гироскоп с системой электромагнитной коррекции, размещенным в кардановом подвесе ротором и оптической системой, состоящей из главного зеркала и контрзеркала, жестко закрепленной на роторе, ось вращения которого смещена относительно оптической оси, а также фотоприемное устройство, содержащее два фотоприемника с фильтрами, первый из которых чувствителен к ультрафиолетовому, а второй - к инфракрасному диапазонам излучения, отличающийся тем, что в оптическую систему по ходу лучей между главным зеркалом и контрзеркалом введена корректирующая линза, фотоприемное устройство жестко закреплено на роторе, причем первый фотоприемник размещен в центральном отверстии контрзеркала, а второй - в центральном отверстии корректирующей линзы, первый фильтр установлен между контрзеркалом и корректирующей линзой и выполнен в виде спектроделителя, передняя торцевая поверхность второго фотоприемника наполовину закрыта вторым фильтром, отрезающим ближний диапазон ИК-излучения, а продольные оси принимающих излучение чувствительных площадок фотоприемников расположены на радиусах, проведенных через центр вращения соответствующей фокальной плоскости.