СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗ СИГНАЛА ФОТОПРИЕМНИКА СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ Российский патент 2001 года по МПК G01S3/78 

Изобретение относится к оптико-электронным следящим системам (ОЭСС) и может быть использовано в следящих координаторах (СК) с модуляцией принимаемого излучения.

Такой следящий координатор описан, например, в [1]. Он содержит гироскопический привод, основным элементом которого является трехстепенной астатический гироскоп, который содержит карданный подвес с установленным в нем ротором-магнитом, несущим на себе оптическую систему, оптическая система формирует изображение излучающего объекта в фокальной плоскости, где устанавливается модулирующий диск - анализатор изображения (АИ), на который нанесен рисунок, определяющий функцию пропускания АИ, содержащую код угла рассогласования между визирной осью СК и направлением на объект. Непосредственно за АИ расположен фотоприемник (ФП), установленный в подвесе. Выходной сигнал ФП поступает в электронный блок, который преобразует его в синусоидальный сигнал управления прецессией ротора гироскопа, поступающий в обмотку прецессии, образующую вместе с гироскопом исполнительный элемент (ИЭ) следящей системы. Управление ИЭ заключается в непрерывном совмещении визирной оси СК (оси вращения ротора) с направлением на объект как в дальней по отношению к объекту зоне, когда ОЭСС воспринимает объект как "точечный" излучатель, так и в ближней зоне. Таким образом, актуальной задачей, решаемой при конструировании ОЭСС, является совершенствование способов преобразования сигнала с ФП в электронном блоке СК в синусоидальный сигнал на частоте вращения ротора гироскопа при известном коде углового рассогласования.

Известен способ [2] формирования сигнала управления ИЭ ОЭСС, эффективно работающий в ближней по отношению к объекту зоне. В качестве АИ в ОЭСС используют полудисковый модулятор. При этом непосредственно величина первой гармоники сигнала с ФП, действующего на частоте вращения модулятора, пропорциональна величине углового отклонения Δ вблизи центра поля зрения. Вместе с тем ее величина также пропорциональна принимаемой мощности излучения. В то же время и постоянная составляющая (среднее значение сигнала), которая не зависит от величины Δ, пропорциональна принимаемой мощности излучения. Стабилизация коэффициента усиления ОЭСС достигается, если в качестве сигнала управления ИЭ используется отношение 1-й гармоники к постоянной составляющей сигнала с ФП. Однако такая ОЭСС практически неработоспособна в дальней к объекту зоне, так как не защищена от помех фона и электромагнитных наводок на частоте вращения магнитного ротора гироскопа.

В описании работы известного устройства [3] последовательность действий, производимых над сигналом с ФП, образует способ формирования сигнала управления ИЭ ОЭСС, который является наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому способу.

Основными блоками устройства являются последовательно соединенные импульсный усилитель с системой автоматической регулировки усиления, полосовой фильтр, амплитудный детектор и избирательный усилитель. Как следует из описания [3] , устройство предназначено для преобразования сигнала с ФП, перед которым установлен вращающийся АИ в виде профилированной щели (например, прямоугольной формы). На фиг. 1 изображена фокальная плоскость оптической системы ОЭСС, описанной в [3].

На фиг. 1 обозначены:
ω_o - круговая частота вращения AИ,
l - длина АИ,
а - ширина АИ,
d - диаметр изображения точечного излучателя,
Δ,Φ - величина и фаза углового отклонения точечного излучателя от центра О поля зрения ОЭСС.

В соответствии с фиг. 1 длительность τ_ФП импульса на нулевом уровне сигнала на выходе ФП определяется как

и, следовательно, обратно пропорциональна величине углового отклонения Δ. Таким образом, измеряя значение τ_ФП, принципиально возможно сформировать требуемую пропорциональную зависимость величины сигнала управления А_СУ от Δ. В [3] использован косвенный метод построения данной зависимости.

На фиг. 2 изображена приведенная в [4] относительная характеристика спектральной плотности одиночного импульса косинус-квадратной формы, хорошо аппроксимирующего сигнал на выходе ФП, когда диаметр "d" изображения объекта равен ширине "а" АИ (см. фиг. 1).

Для периодической последовательности импульсов, формируемой при вращении АИ с круговой частотой ω_o, зависимость на фиг. 2 будет представлять собой линейчатый спектр с основной частотой f₀ (f₀ = ω_o/2π). При этом соответственно f = nf₀, где n= 0, 1, 2 ...

Для преобразования относительной зависимости спектральной плотности в абсолютную ее ординаты умножаются на величину А_ФП • К, где А_ФП - амплитуда импульсного сигнала, a K=f₀• τ_ФП.
На фиг. 3 представлены приведенные к величине А_ФП примеры характеристик 1, 2, 3 импульсов различной длительности, соответствующих коэффициентам K₁ = 0,05, K₂ = 0,1, K₃ = 0,2.

Из фиг. 3 следует, что для построения пропорциональной зависимости А_СУ (Δ) необходимо использовать диапазон частот (на фиг. 3 справа от 10f₀), в котором энергия импульсного сигнала возрастает с уменьшением его длительности τ_ФП. Это условие хорошо согласуется с необходимостью подавления в ОЭСС помех фона (в том числе постоянной засветки), электромагнитных наводок от исполнительного элемента, дрейфа, нуля в схеме предварительной обработки сигнала с фотоприемника. Диапазон частот может быть ограничен и справа с целью оптимизации отношения сигнал/шум и подавления высокочастотных электромагнитных наводок, с учетом того, что известна минимальная длительность τ_ФП полезного сигнала, определяемая величиной Δ_max (заданным угловым размером поля зрения ОЭСС, определяемым длиной l АИ). Вместе с тем крутизна пропорциональной зависимости A_СУ (Δ) не должна зависеть от величины воспринимаемой ОЭСС мощности излучения, которая при сближении с излучателем может возрастать на (4-5) порядков (обычно допускается увеличение крутизны не более чем в 2-3 раза). Очевидно, что используемый для стабилизации крутизны сигнал (А₀) не должен зависеть от величины рассогласования Δ или по меньшей мере не должен быть ей пропорционален. Как следует из фиг. 3, сигнал А₀ может быть сформирован из сигнала с фотоприемника с учетом и левой (левее 10f₀) части его спектра. При этом сигнал A₀ практически будет равен амплитуде сигнала с фотоприемника, которая не зависит от величины Δ в пределах поля зрения, за исключением окрестностей внутренней и внешней границ АИ (см. фиг. 1).

Таким образом, определяется образующая способ формирования сигнала управления исполнительным элементом ОЭСС следующая последовательность действий над сигналом с фотоприемника, реализованная в устройстве, описанном в [3]:
1. Оптимизация отношений сигнал/шум и сигнал/помеха, то есть предварительная обработка сигнала (импульсный усилитель).

2. Стабилизация крутизны зависимости сигнала управления ИЭ при возрастании принимаемой мощности излучения, то есть стабилизация коэффициента усиления ОЭСС (система АРУ импульсного усилителя.

3. В соответствии с известным кодом величины углового отклонения Δ направления на объект от центра поля зрения ОЭСС преобразование сигнала в сигнал, у которого первая гармоника его огибающей пропорциональна величине Δ (полосовой фильтр).

4. Выделение огибающей сигнала (амплитудный детектор).

5. Выделение первой гармоники огибающей сигнала, действующей в требуемой полосе частот (избирательный усилитель).

Способ эффективен в дальней по отношению к объекту зоне, когда ОЭСС воспринимает объект как "точечный" излучатель. По мере сближения с объектом возрастает не только воспринимаемая ОЭСС мощность излучения, но и угловой размер изображения объекта. При реализации данного способа формирования сигнала управления в ближней зоне, когда объект воспринимается ОЭСС как размерный излучатель, ОЭСС практически оказывается неработоспособной в связи с тем, что код углового отклонениями Δ центра "размерного" излучателя от визирной оси ОЭСС в сигнале с ФП изменился.

Ниже рассматриваются примеры, подтверждающие этот эффект.

На фиг. 4 приведено изображение "размерного" излучателя в виде круга с равномерно распределенной яркостью и изображение АИ.

На фиг. 4 приняты те же обозначения, что и на фиг. 1. Кроме того, введено обозначение "L" длины "засвеченной" объектом части АИ при его вращении с частотой ω_o, при этом r= d/2. На основе фиг. 4 может быть приближенно определено текущее значение А_ФП сигнала с ФП на периоде вращения АИ (А_ФП = К_я•a•L, где K_я - масштабный коэффициент, учитывающий значение плотности яркости).

В треугольнике ОО₁А:
r²= Δ²+L²-2Δ•L•cos(π/2-Φ).
После преобразований получаем:

где α = Δ/r.
На фиг. 5, 6 и 7 при различных значениях параметра α представлены сигналы с ФП, а также их спектры на периоде вращения АИ. Из чертежей следует, что по меньшей мере при значениях α ≅ 0,7 в спектрах сигналов присутствует либо только нулевая (при α = 0), либо нулевая, первая и вторая гармоники.

На фиг. 8 приведено изображение "размерного" объекта прямоугольной формы с отношением сторон с/в=3 и показана возможность вычисления величины L.

Для различных отношений β = Δ/c на фиг. 9, 10, 11 представлены спектры сигналов с ФП на периоде вращения АИ. Спектры сигналов от объекта прямоугольной формы богаче, чем спектры сигналов от объекта круглой формы, но, тем не менее, эти сигналы практически полностью подавляются при оптимизации отношения сигнал-помеха (например, в импульсном усилителе устройства, описанного в [3]. Таким образом, в ближней зоне в зависимости А_су (Δ) формируется зона нечувствительности. Вне этой зоны крутизна зависимости А_су (Δ) уменьшается по сравнению с крутизной в дальней к объекту зоне. Очевидно, что, начиная с некоторого расстояния до объекта, величина зоны нечувствительности становится недопустимо большой, а крутизна - недопустимо малой. При этом точностные и динамические характеристики ОЭСС оказываются несоответствующими требуемым, что может привести к срыву процесса сопровождения объекта.

Таким образом, недостатком известного способа, выбранного в качестве прототипа, является ограниченность области его использования.

Задачей изобретения является создание способа формирования из сигнала фотоприемника сигнала управления исполнительным элементом оптико-электронной следящей системы, эффективно работающего как в ближней, так и в дальней к объекту зоне.

Для достижения этого технического результата предлагается способ формирования из сигнала фотоприемника сигнала управления исполнительным элементом ОЭСС, в соответствии с которым оптимизируют отношения сигнал/помеха и сигнал/шум в дальней от объекта слежения зоне, стабилизируют величину сигнала с фотоприемника, преобразуют стабилизированный сигнал в сигнал, величина первой гармоники огибающей которого пропорциональна величине углового отклонения Δ объекта слежения от визирной оси ОЭСС в соответствии с кодом величины Δ в сигнале с фотоприемника, выделяют огибающую преобразованного сигнала и затем ее первую гармонику, действующую в требуемой полосе частот и поступающую на исполнительный элемент ОЭСС. Особенностью способа, отличающей его от известного, принятого за прототип, является то, что сигнал с фотоприемника преобразуют в дополнительный сигнал управления для ближней к объекту слежения зоны, стабилизируя величину сигнала. В соответствии с изменившимся кодом величины Δ выделяют первую гармонику сигнала, измеряют среднее значение U_ср сигнала с фотоприемника, сравнивают величину U_ср с величиной порога U₀, установленного в начале сближения, и при условии U_ср>U₀ подают на исполнительный элемент ОЭСС сформированный сигнал управления.

В предложенном способе формирования из сигнала фотоприемника сигнала управления ИЭ ОЭСС новым является определение величины порога U₀, с помощью которого становится возможным в нужный момент времени перевести ОЭСС на режим работы в ближней зоне (БЗ). Как следует из рассмотрения фиг. 4, при сближении с объектом в ОЭСС с вращающимся АИ вблизи центра поля зрения автоматически формируется зона, в которой угловое отклонение Δ кодируется, как и в ОЭСС с полудисковым модулятором, причем эта зона по мере сближения расширяется в связи с ростом углового размера изображения объекта. Вместе с увеличением углового размера растет и воспринимаемая ОЭСС мощность излучения объекта. Очевидно, что условием работоспособности ОЭСС является обеспечение требований к характеристике А_су (Δ) (ее крутизне и максимальному значению). Очевидно также, что возможность формирования такой характеристики появляется, начиная с определенного расстояния до объекта, когда размер его изображения достигнет определенной величины. При заданных линейных размерах объекта и его температуре о величине его изображения можно судить по величине среднего значения U_ср сигнала с ФП, пропорционального воспринимаемой ОЭСС мощности излучения. В соответствии с предложенным способом формирование дополнительного сигнала управления А_су осуществляется аналогично способу, выбранному в качестве прототипа, но уже на основании изменившегося в БЗ кода углового отклонения Δ центра излучателя от визирной оси ОЭСС, исключая операцию выделения огибающей сигнала, в которой нет необходимости. При этом стабилизацию крутизны характеристики А_су (Δ) осуществляют, формируя сигнал, пропорциональный отношению сигнала с ФП к величине U_ср. Затем при выполнении условия U_ср ≥ U₀, что также является вновь введенным признаком, характеризующим время работы в БЗ, на ИЭ ОЭСС подается дополнительный сигнал управления. Очевидно, что стабилизация крутизны характеристики А_су (Δ) путем формирования сигнала, пропорционального величине отношения сигнала с ФП к его среднему значению возможна, если U_ср определяется главным образом величиной принимаемой мощности излучения объекта, а не уровнем питания ФП или величиной фоновой засветки. Поэтому стабилизация крутизны подобным образом реализуется в ОЭСС при использовании в качестве ФП фотодиода и только в ближней к объекту зоне.

Практическое использование предлагаемого способа основывается на следующем.

1. Объект, с которым происходит сближение, относится к определенному классу (например, средние и легкие летательные аппараты (ЛА) с реактивными двигателями). При этом оказываются известными диапазоны линейных размеров и температур излучателя (основную долю излучения объекта составляют излучения сопла авиадвигателя, а при его экранировании элементами конструкции - излучение газового факела). Для одного из класса объектов (например, среднего по величине излучения) рассчитывается и экспериментально уточняется значение порога U₀. Очевидно, что если излучение объекта больше или меньше среднего, то переход на работу в ближней зоне произойдет соответственно на большем или меньшем расстоянии до объекта.

2. В процессе сближения угловая скорость линии визирования (ЛВ) сводится к нулю, и угловое рассогласование ЛВ с визирной осью и ОЭСС также близко к нулю. Поэтому относительно малая величина линейной зоны характеристики А_су (Δ) не столь критична. Следовательно, не столь критично расстояние до объекта, на котором необходимо осуществить переход на режим работы в ближней зоне. В дальнейшем при сближении зона линейности увеличивается.

3. Способ применим и при работе по объектам, не относящимся к оцениваемому классу, практически за исключением высокотемпературных, для которых значение порога U₀ должно быть повышено. Но при этом ОЭСС, реализующая способ, должна быть снабжена устройством, классифицирующим по сигналам объекты излучения на "точечные" и "размерные" или/и на "высокотемпературные" и с другой температурой излучения. По командам классификатора могут быть выполнены в ОЭСС необходимые переключения.

Предложенный способ может быть реализован в устройстве, функциональная схема которого изображена на фиг. 12.

На схеме введены следующие обозначения:
1 - масштабный усилитель,
2 - канал дальней зоны (ДЗ),
3 - измеритель среднего значения сигнала,
4 - переключатель,
5 - схема сравнения,
6 - фазовращатель,
7 - регулируемый усилитель,
8 - избирательный усилитель.

В качестве фотоприемника в фотоприемном устройстве (ФПУ) в ОЭСС должен быть использован фотодиод в фотовольтаическом режиме с тем, чтобы среднее значение выходного сигнала ФПУ определялось уровнем "засветки" ФП.

Сигнал с ФПУ поступает на две параллельно работающие цепи - каналы дальней и ближней зоны (ДЗ и БЗ), выходы которых связаны с переключателем 4, управляемым сигналом, формируемым в канале ближней зоны. Канал дальней зоны, как и в устройстве-прототипе, описанном в [3], состоит из последовательно соединенных блоков между выходом ФПУ и входом избирательного усилителя 8. На фиг. 12 это соединение блоков представлено в виде блока 2 преобразования сигнала в ДЗ. Его работа подробно описана в [3]. Канал БЗ состоит из последовательно соединенных масштабного усилителя 1, регулируемого усилителя (РУ) 7 и фазовращателя 6. Управляющий вход РУ 7 связан с измерителем 3 среднего значения сигнала, поступающего на его вход с масштабного усилителя 1. Выходной сигнал U_ср измерителя среднего поступает также на схему сравнения 5, где сравнивается с величиной порога U₀. При U_ср < U₀ на вход избирательного усилителя 8, пропускающего в требуемой полосе частот на исполнительный элемент сигнал на частоте вращения модулятора ОЭСС, подается выходной сигнал канала ДЗ. При U_ср ≥ U₀ к входу избирательного усилителя 8 вместо канала 2 ДЗ подключается канал БЗ. Масштабный усилитель 1 обеспечивает работу канала БЗ именно в ближней зоне, где сигнал на несколько порядков выше порогового значения сигнала в ДЗ. В измерителе 3 среднего значения сигнала реализуется зависимость

где T - интервал осреднения либо ее приближение в виде фильтра нижних частот (ФНЧ). В регулируемом усилителе 7 реализуется зависимость

где γ- масштабный коэффициент либо другая обеспечивающая уменьшение его коэффициента усиления с увеличением управляющего сигнала U_ср. Фазовращатель 6 в канале 2 БЗ играет ту же роль, что и фазовращатель в канале ДЗ.

Таким образом, предложенный способ формирования сигнала управления ИЭ ОЭСС с модуляцией принимаемого излучения по сравнению с прототипом позволяет, стабилизируя коэффициент усиления, сформировать сигнал, обеспечивающий управление ИЭ в процессе слежения за объектами, находящимися как в дальней, так и в ближней зоне в соответствии с изменением кода угла рассогласования Δ в сигнале с ФП.

Источники информации
1. Справочник по приборам инфракрасной техники/Под редакцией Л.З. Криксунова. -К.: Техника, 1980, с. 140-142.

2. Справочник по приборам инфракрасной техники/Под редакцией Л.З. Криксунова. -К.: Техника, 1980, с. 96-98.

3. Патент РФ N 2093850, кл. G 01 S 3/78, опубл. 20.10.97 - прототип.

4. Мирошников M.M. Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1977, с. 420.

Использование: в следящих координаторах с модуляцией принимаемого излучения. Сущность: способ основан на оптимизации отношений сигнал/помеха и сигнал/шум в дальней от объекта слежения зоне, стабилизации величины сигнала с фотоприемника, преобразовании стабилизированного сигнала в сигнал, величина первой гармоники огибающей которого пропорциональна величине углового отклонения Δ объекта слежения от визирной оси ОЭСС в соответствии с кодом величины Δ в сигнале с фотоприемника, выделении огибающей преобразованного сигнала и затем ее первой гармоники, действующей в требуемой полосе частот и поступающей на исполнительный элемент ОЭСС. Новым является преобразование сигнала с фотоприемника в дополнительный сигнал управления для ближней к объекту слежения зоны, стабилизируя величину сигнала, выделение первой гармоники сигнала в соответствии с изменившимся кодом величины Δ, измерение среднего значения U_ср сигнала с фотоприемника, сравнение величины U_ср с величиной порога U_о, установленного в начале сближения, и подача на исполнительный элемент ОЭСС сформированного сигнала управления при условии U_ср>U_о. Достигаемым техническим результатом является обеспечение работоспособности следящей системы как в ближней, так и в дальней зоне. 12 ил.

Способ формирования из сигнала фотоприемника сигнала управления исполнительным элементом оптико-электронных следящих систем (ОЭСС), основанный на оптимизации отношений сигнал/помеха и сигнал/шум в дальней от объекта слежения зоне, стабилизации величины сигнала с фотоприемника, преобразовании стабилизированного сигнала в сигнал, величина первой гармоники огибающей которого пропорциональна величине углового отклонения Δ объекта слежения от визирной оси ОЭСС в соответствии с кодом величины Δ в сигнале с фотоприемника, выделении огибающей преобразованного сигнала и затем ее первой гармоники, действующей в требуемой полосе частот и поступающей на исполнительный элемент ОЭСС, отличающийся тем, что сигнал с фотоприемника преобразуют в дополнительный сигнал управления для ближней к объекту слежения зоны, стабилизируя величину сигнала, в соответствии с изменившимся кодом величины Δ выделяют первую гармонику сигнала, измеряют среднее значение U_cp сигнала с фотоприемника, сравнивают величину U_ср c величиной порога U_o, установленного в начале сближения, и при условии U_cp > U_o, подают на исполнительный элемент ОЭСС сформированный сигнал управления.