ДВУХКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА НАВЕДЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F41G7/26 G01B11/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении в качестве датчиков углового рассогласования между оптическими осями, в частности активного и пассивного каналов системы наведения. Известны многоканальные активно-пассивные оптические системы, которые выполняют не только обзор пространства с выделением объектов, определением их координат с последующим отслеживанием, наведением, измерением дальности и др. , но и осуществляют операцию автоматического контроля угла рассогласования между оптическими осями активного и пассивного каналов ( см. , например, патент США 4324491 НКИ 356-152, кл. G 01 В 11/26, F 41 G 7/00, G 01 I 1/20, 13.04.82 г., патенты России 2081383 С1, 10.06.97г. и 2138003 С1, 28.04.98г. , кл. F 41 G 7/26. G 01 В 11/26). Наиболее близким к заявляемому изобретению является последний из упомянутых выше патент России 2138003 "Двухканальная система наведения".

Она содержит активный канал, предназначенный для измерения дальности, и пассивный канал, измеряющий координаты наблюдаемого объекта. При этом оптическая система активного канала содержит осветитель (например, лазер), объектив, два плоских зеркала, установленные под углом к оптической оси и с приводом вращения каждое, и фотоприемник отраженного лазерного излучения. В состав оптической системы пассивного канала входит объектив, установленный со смещением относительно объектива активного канала таким образом, что их оптические оси взаимно параллельны, и многоэлементный приемник излучения. Следует отметить, что объектив пассивного канала принимает как собственное излучение объекта, так и отраженное им лазерное излучение. Разделение потоков излучения по каналам при этом осуществляется с помощью спектроделительной пластины.

Для компенсации возможной разъюстировки оптических осей активного и пассивного каналов используется часть лазерного излучения, отводимая триппель-призмой и направляемая с помощью объектива пассивного канала и спектроделительной пластины на квадрантный приемник. Конструктивно последний вместе с фотоприемником активного канала расположен в одной фокальной плоскости второго объектива. В те промежутки времени, когда активный канал отключен, выходные сигналы квадрантного приемника и многоэлементного приемника пассивного канала, пройдя соответствующие электронные блоки, поступают на входы приводов плоских зеркал активного канала. Поворачивая эти зеркала с помощью приводов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях на углы, соответствующие сигналам координат объекта, добиваются ликвидации угла рассогласования между оптическими осями каналов.

Кроме этого, в прототип входят электронные блоки усиления и определения координат наблюдаемого объекта, а также усилитель-формирователь, управляющий работой счетного устройства дальномера.

Несмотря на отмеченные достоинства, прототип не лишен и недостатков. Один из них заключается в том, что при расположении квадрантного приемника и фотоприемника активного канала в одной фокальной плоскости введение спектроделительной пластины приведет к уменьшению излучения на входе приемника активного канала. Действительно, спектроделительная пластина отражает в пассивный канал около 90% собственного излучения объекта, а пропускает в канал дальномера в лучшем случае 60% отраженного объектом излучения. С помощью, например, дихроического покрытия можно добиться увеличения коэффициента пропускания спектроделительной пластины до 80%, но при этом уменьшится коэффициент отражения с 90% до 60%. Таким образом, спектроделительная пластина как с дихроическим покрытием, так и без него не позволяет добиться такого светоделения, чтобы в каждом канале коэффициент пропускания был бы не менее 90%.

Другой недостаток прототипа состоит в том, что в пассивном канале формируется тепловое излучение объекта только в одном спектральном диапазоне 3-5 мкм. Обнаружение же объекта и наведение на нее оптической оси системы наведения происходит при наличии контраста с окружающим его фоном. А величина контраста зависит, с одной стороны, от собственного излучения объекта, зависящего от его скорости движения, от наличия в нем внутренних источников тепла таких, как работающий двигатель, от особенностей установки его на летательном аппарате и др. С другой стороны, контраст зависит от окружающего объект фона (аэродинамический нагрев, отражение солнечного излучения и т.п. ). Следовательно, прототип, работая пассивным каналом только в одном спектральном диапазоне, ограничен в применении.

Таким образом, целью предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента пропускания и, как следствие этого, повышение чувствительности активного канала, уменьшение зависимости пассивного канала от состояния окружающей среды, погодных в первую очередь, и расширение диапазона исследуемых объектов в сторону менее скоростных.

Поставленная цель достигается тем, что в известную двухканальную систему наведения, содержащую последовательно расположенные и оптически сопряженные осветитель, первое и второе плоские зеркала с приводом поворота каждое и первый объектив, второй объектив, установленный со смещением относительно оптической оси первого объектива и в ходе собственного излучения объекта, основной N-элементный фотоприемник пассивного канала. световозвращатель, спектроделительную пластину, квадрантный фотоприемник. фотоприемник активного канала, световозвращатель, первый блок выделения координат, последовательно соединенные пороговое устройство и второй блок выделения координат, ключ, последовательно соединенное первое запоминающее устройство (ЗУ) и первый сумматор, последовательно соединенные второе запоминающее устройство и второй сумматор, при этом отражающие поверхности первого и второго плоских зеркал обращены друг к другу и расположены под углом к оси первого объектива, световозвращатель, выполненный в виде триппель-призмы, установлен с частичным перекрытием полей зрения первого и второго объективов, основной N-элементный фотоприемник пассивного канала выполнен в виде линейки, расположен в фокальной плоскости второго объектива и по одну сторону от спектроделительной пластины, а квадрантнный фотоприемник и фотоприемник активного канала - по другую, выход фотоприемника активного канала соединен со входом электронного блока, выход квадрантного фотоприемника соединен со входом первого блока выделения координат, первый и второй выход которого соединен с первый и вторым входом ключа соответственно, управляющий вход которого соединен с дополнительный выходом порогового устройства, выходы ключа соединены со входами первого и второго запоминающих устройств, первый и второй выходы второго блока выделения координат соединены со вторыми входами первого и второго сумматора соответственно, выход первого и второго сумматора соединен со входом привода вращения первого и второго плоского зеркала соответственно, дополнительно введены (см.п.1 формулы изобретения) третье плоское зеркало с приводом сканирования, дополнительный спектроделительный элемент, датчик угла поворота и дополнительный N-элементный фотоприемник пассивного канала, установленный в фокальной плоскости второго объектива, при этом третье плоское зеркало установлено между спектроделительной пластиной и квадрантным фотоприемником и фотоприемником активного канала, дополнительный спектроделительный элемент расположен между спектроделительной пластиной и основным и дополнительным N-элементным фотоприемником пассивного канала, N-элементов дополнительного фотоприемника пассивного канала выполнены в виде линейки, (1...N)-ный выход основного и дополнительного фотоприемников соединен с соответствующим входом порогового устройства, спектроделительная пластина и дополнительный спектроделительный элемент изготовлены из германия, а выход датчика угла поворота соединен со вторым входом второго блока выделения координат.

В частном случае (см.п.2 формулы изобретения) дополнительный спектроделительный элемент выполнен виде линзы объектива или спектроделительной пластины.

На чертеже представлен один из возможных вариантов блок-схемы предлагаемой двухканальной системы наведения. На ней приняты следующие обозначения:
ОМ - ось симметрии;
1 - осветитель, в качестве которого может быть использован лазер типа ЛТИПЧ-7 или ЛТИПЧ-8;
2 и 3 - первое и второе плоское зеркало соответственно с приводом поворота каждое, в качестве которого может быть использован двигатель типа ДБМ - 40;
4 - первый объектив, предназначенный для коллимирования лазерного пучка, может быть выполнен в виде телескопической системы с увеличением порядка 7.. .10;
5 - триппель-призма, предназначенная для отвода части коллимированного лазерного излучения на вход второго объектива;
6 - второй объектив, главное зеркало которого имеет вогнутую форму, предназначен для фокусирования принимаемого излучения всех спектральных диапазонов: 1,06, 3-5 и 8-12 мкм - и является общим оптическим элементом уже упомянутых выше спектральных диапазонов. Фокус главного зеркала порядка 360 мм, относительное отверстие 1:1,4, а выполнено оно может быть, например, из стекла марки К8, Ж5 или кварца;
7 - плоскопараллельная пластина, предназначенная для разделения длинноволновых: 3-5, 8-12 мкм - и коротковолнового: 1,08 мкм-излучений, и выполнена, например, из германия, пропускающего длинноволновое излучение на третье плоское и сканирующее (качающееся) зеркало 9 и отражающее коротковолновое излучение на дополнительный спектроделительный элемент 8;
8 - дополнительный спектроделительный элемент, предназначенный для направления коротковолнового излучения на фотоприемник лазерного канала 10 и на квадрантный фотоприемник 11, а длинноволнового - на фотоприемник пассивного канала 12, и может быть выполнен из германия в виде линзы, исправляющей аберрации второго объектива, или в виде плоскопараллельной пластины;
9 - третье плоское зеркало, предназначенное для сканирования в пределах поля зрения (примерно 2 градуса), второго объектива 6, установлено на половине фокусного расстояния главного зеркала и имеет размер, равный половине диаметра главного зеркала. Оно может быть выполнено из того же материала, что и главное зеркало. Сканирующее зеркало снабжено приводом сканирования, например, кулачковым или на базе двигателя типа ДБМ;
10 - фотоприемник активного канала, предназначен для приема отраженного наблюдаемым объектом излучения осветителя 1 и может быть выполнен на базе фотодиода типа ФУО-113;
11 - квадрантный фотоприемник, предназначен для приема отводимого триппель-призмой 5 излучения осветителя 1 и может быть на базе фотодиода типа СИ-2;
12 - основной и дополнительный фотоприемник пассивного канала предназначен для приема собственного излучения наблюдаемого объекта в двух спектральных диапазонах (3-5 и 8-12 мкм) и может быть выполнен на базе двухцветного фотоприемника, описанного в журнале SPIE Vol.2552, с. 853, июль 1995 г.;
13 - первый блок выделения координат, предназначен для формирования на выходе своих балансных схем сигналов Ux1 и Uy1, пропорциональных угловому рассогласованию между оптическими осями активного и пассивного каналов, и может быть выполнен на микросхемах серии 140УД6;
14 - электронный ключ, в открытом состоянии предназначен для пропуска сигналов квадрантного приемника 11 на блоки 15 и 16, а в закрытом - для отключения от работы квадрантного приемника 11, в качестве него может быть использован ключ типа 590КН2;
15 и 16 - первое и второе ЗУ соответственно, предназначено для запоминания координат Ux1 и Uy1 положения оптической оси активного канала и может быть выполнено на базе устройства выборки и хранения серии 1100СК2;
17 и 18 - первый и второй сумматор, предназначненный для сложения сигналов: Ux1+Ux2= Ux и Uy1+Uy2=Uy - соответственно и может быть выполнен на микросхеме серии 155ИМ1;
19 - пороговое устройство предназначено для выбора максимального сигнала и может быть выполнено на базе микросхем серии 140УД6;
20 - второй блок выделения координат предназначен для выработки по информации с выходов блоков 12 и 21 сигналов Ux2 и Uy2, соответствующих координатам наблюдаемого объекта в пассивном канале, и может быть выполнен на микросхемах серии 521 САЗ и счетчиках серии 155;
21 - датчик угла поворота предназначен для определения положения оптической оси второго объектива 6 в азимутальной плоскости и может быть выполнен в виде оптического или индукционного датчика перемещений.

22 - электронный блок, предназначенный для усиления сигнала, обусловленного отраженным лазерным излучением, формирования сигнала, управляющего работой счетного устройства, и фиксации результатов измерения (см. справочник под ред. Л. З. Криксунова. Авиационные системы информации оптического диапазона.- М.: Машиностроение, 1985 г., с.5 - 17).

Предлагаемая двухканальная система работает следующим образом.

Если в ее поле зрения объект наблюдения отсутствует, то ключ 14 находится в открытом состоянии. Тогда часть излучения осветителя 1 с помощью зеркал 2 и 3 объектива 4 и триппель-призмы 5 направляется на главное зеркало второго объектива 6. Отразившись от этого зеркала, спектроделительной пластины 7 и дополнительного спектроделительного элемента 8, излучение попадает на чувствительные элементы квадрантного фотоприемника 11. В том случае, когда изображения осветителя совпадает с центром последнего, поток излучения распределен равномерно между квадрантами фотоприемника, и выходной сигнал блока выделения координат 13, пропорциональный разности потоков, воспринимаемых противоположно расположенными квадрантами, равен нулю. При смешении изображения осветителя 1 относительно нулевого положения происходит перераспределение потоков излучения между отдельными квадрантами, и на выходе его балансных схем возникают сигналы Ux1 и Uy2, пропорциональные разности потоков, попадающих на противоположные квадранты:
Ux1=К•((U1+U4)-(U2+U3))/(U1+U2+U3+U4),
Uy1=К•((U1+U2)-(U3+U4))/(U1+U2+U3+U4).

Сигналы Ux1 и Uy1, пройдя открытый ключ 14, попадают на входы первого 15 и второго 16 запоминающих устройств, где хранятся до момента размыкания ключа 14.

Когда же в поле зрения объектива 6 попадает наблюдаемый объект, то его собственное и отраженное излучение после отражения главным зеркалом попадает на спектроделительную пластину 7. Эта пластина коротковолновое излучение отражает в направлении второго спектроделительного элемента 8, а длинноволновое пропускает на сканирующее плоское зеркало 9, которое колеблется относительно оси ОМ (см. чертеж). Отраженное сканирующим зеркалом излучение проходит спектроделительную пластину 7 в обратном направлении и падает на поверхность дополнительного спектроделительного элемента 8, который пропускает его в направлении основного и дополнительного фотоприемников пассивного канала 12. Фотоприемник 12 в нашей системе двухцветный, его чувствительные элементы изготовлены на одной подложке и расположены в виде 2 линеек с равными полями зрения и перпендикулярно оси ОМ. Если при этом излучение объекта чувствует какой-то, например i-тый, элемент одного из двух или сразу обоих приемников, то их выходные сигналы поступают на соответствующие входы порогового устройства 19. Последнее производит выборку максимального сигнала. Выходной сигнал порогового устройства 19 размыкает ключ 14 и поступает на первый вход второго блока выделения координат 20. на второй вход которого приходит сигнал с выхода дачика угла поворота 21. С первого и второго выходов второго блока выделения координат сигналы, несущие информацию о координатах Ux2 и Uy2 объекта, поступают на вторые входы первого 17 и второго 18 сумматоров. После суммирования в них сигналы Ux=Ux1+Uy1 и Uy=Ux2+Uy2 подаются на входы приводов первого 2 и второго 3 плоских зеркал. Приводами эти зеркала поворачивают таким образом, чтобы оптическая ось активного канала будет направлена на исследуемый объект.

В то же самое время коротковолновое, т.е. отраженное объектом излучение после отражения от спектроделительной пластины 7 и дополнительного спектроделительного элемента 8 падает на чувствительный элемент фотоприемника 10, выходной сигнал которого поступает на вход электронного блока 22. Последний осуществляет усиление сигнала, формирование сигнала управления работой счетного устройства и фиксации результата измерения измерения дальности.

Техническая эффективность предлагаемого изобретения достаточно очевидна. Так, введение дополнительного (длинноволнового) фотоприемника в пассивном канале расширяет диапазон исследования наблюдаемых объектов в сторону слабонагретых, т.е. менее скоростных. Кроме этого, дополнительный спектроделительный элемент позволяет повысить коэффициент пропускания оптической системы активного канала, как минимум, на 25-30%, не уменьшая при этой коэффициент пропускания пассивного канала.

Двухканальная система наведения, использующая активно-пассивный принцип работы, предназначена для обзора пространства, слежения и измерения координат наблюдаемого объекта, а также для измерения дальности до него. Технический результат - расширение диапазона исследуемых объектов. Отличительной особенностью предлагаемой системы наведения является введение в пассивный канал дополнительного N-элементного фотоприемника, установленного, как и основной N-элементный фотоприемник, в фокальной плоскости объектива пассивного канала. Кроме этого, в систему введен дополнительный спектроделительный элемент и плоское сканирующее зеркало. Все это в совокупности позволяет повысить коэффициент пропускания оптической системы в активном канале примерно на 25-30%, не снижая при этом коэффициент пропускания в пассивном канале, и расширить диапазон исследуемых объектов в сторону менее нагретых 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухканальная система наведения, содержащая последовательно расположенные и оптически сопряженные осветитель, первое и второе плоские зеркала с приводом вращения каждое и первый объектив, второй объектив, установленный со смещением относительно оптической оси первого объектива и в ходе собственного излучения объекта, основной N -элементный фотоприемник пассивного канала, квадрантный фотоприемник, фотоприемник активного канала, световозвращатель, спектроделительную пластину, первый блок выделения координат, последовательно соединенные пороговое устройство и второй блок выделения координат, ключ, последовательно соединенные первое запоминающее устройство и первый сумматор, последовательно соединенные второе запоминающее устройство и второй сумматор, при этом отражающие поверхности первого и второго плоских зеркал обращены друг к другу и расположены под углом к оси первого объектива, световозвращатель, выполненный в виде триппель-призмы, установлен с частичным перекрытием полей зрения первого и второго объективов, основной N-элементный фотоприемник пассивного канала выполнен в виде линейки и расположен по одну сторону от спектроделительной пластины, а квадрантный фотоприемник и фотоприемник активного канала - по другую, выход квадрантного фотоприемника соединен со входом первого блока выделения координат, выход фотоприемника активного канала соединен со входом электронного блока, первый и второй выходы первого блока выделения координат соединены с первым и вторым входом ключа, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом порогового устройства, выходы ключа соединены со входами первого и второго запоминающих устройств, первый и второй выходы второго блока выделения координат соединены со вторыми входами первого и второго сумматора соответственно, выход первого и второго сумматора соединен со входом привода вращения первого и второго плоского зеркала соответственно, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены третье плоское зеркало с приводом сканирования, дополнительный спектроделительный элемент, датчик угла поворота и дополнительный N-элементный фотоприемник пассивного канала, установленный в фокальной плоскости второго объектива, при этом третье плоское зеркало установлено между спектроделительной пластиной и квадрантным фотоприемником и фотоприемником активного канала, дополнительный спектроделительный элемент расположен между спектроделительной пластиной и основным и дополнительным N-элементным фотоприемником пассивного канала, N-элементов дополнительного фотоприемника пассивного канала выполнены в виде линейки, (l. . . N)-ный выход основного и дополнительного фотоприемников соединен с соответствующим входом порогового устройства, выход датчика угла поворота соединен со вторым входом второго блока выделения координат. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительный спектроделительный элемент выполнен в виде линзы объектива или спектроделительной пластины.