ОПТИЧЕСКИЙ ПЕЛЕНГАТОР Российский патент 2004 года по МПК G01S3/78 

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано для определения угловых координат различных объектов, например, в составе оптических информационно-измерительных систем.

Известен угломерный инструмент, называемый астрономическим посохом [1], представляющий собой трость с визиром и с нанесенной вдоль трости шкалой. На трости укреплена с возможностью перемещения вдоль трости поперечная планка с двумя визирами на ее концах. Передвигая поперечную планку вдоль трости, необходимо совместить визир, находящийся на трости у глаза наблюдателя, и визир на левом конце поперечной планки таким образом, чтобы они совпали с направлением на первую звезду, а визир, находящийся у глаза наблюдателя, и визир на правом конце поперечной планки необходимо совместить таким образом, чтобы они совпали с направлением на вторую звезду. Отсчет положения поперечной планки по шкале, нанесенной на трость, дает угловое расстояние между звездами. Недостаток известного технического решения заключается в низкой точности измерений.

Известны также многочисленные варианты угломерных устройств, например, теодолиты [2], гониометры [3], секстанты [4], в которых измерение углов осуществляется с помощью угловой шкалы или ее части. Недостатком таких устройств является низкая точность измерений.

Известны различные варианты оптических пеленгаторов, например, описанное в [5] техническое решение, в котором малое зеркало телескопа, приводимое в движение электродвигателем, осуществляет круговое движение сфокусированного пятна по матрице фотоприемников. Подсветка объекта осуществляется импульсным лазером. Система обработки осуществляет подсчет числа импульсов на выходе каждого элемента матрицы фотоприемников и рассчитывает угловые координаты объекта. Недостатки описанного пеленгатора заключаются в низком быстродействии, обусловленном необходимостью механического движения малого зеркала телескопа и в сложности обработки сигналов с матрицы фотоприемников.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому оптическому пеленгатору является техническое решение, описанное в [6] и содержащее последовательно расположенные на оптической оси приемную оптическую систему, приводимый в движение электродвигателем полудисковый модулятор, выполненный в форме вращающейся вокруг оптической оси непрозрачной пластины, имеющей форму полукруга, и фотоприемник, а также последовательно соединенные фильтр и измеритель разности фаз, причем выход фотоприемника соединен со входом фильтра, синхронизующий выход электродвигателя соединен со вторым входом измерителя разности фаз, середина прямого края полудиска совмещена с оптической осью, а фильтр настроен на пропускание гармонического сигнала с частотой, равной частоте вращения полу диска. На фиг.1 приведены эпюры сигнала U_ф на выходе фотоприемника, получающиеся при трех различных положениях сфокусированного пятна в фокальной плоскости, то есть при трех различных направлениях прихода оптического излучения. На фиг.1 приняты следующие обозначения: ω - угловая скорость вращения полу диска, t - время, Ф - угол отклонения сфокусированного пятна от вертикального направления по направлению вращения полу диска. Из фиг.1 видно, что в зависимости от направления отклонения изменяется фаза переменной составляющей сигнала U_ф. За начальную фазу можно принять ту, которая получается при отклонении сфокусированного пятна вверх. Тогда фаза переменной составляющей сигнала U_ф при отклонении сфокусированного пятна от вертикали под углом по направлению вращения полу диска тоже равна Ф. Фаза переменного сигнала на выходе фотоприемника U_ф соответствует направлению отклонения сфокусированного пятна на фокальной плоскости от оптической оси, следовательно, направлению отклонения волнового вектора принимаемого оптического излучения от оптической оси и, следовательно, направлению отклонения волнового вектора принимаемого оптического излучения от оптической оси. Фаза Ф определяется измерителем разности фаз путем сравнения сигнала с выхода фильтра с сигналом, формируемым синхронизирующим выходом электродвигателя. Полученное значение фазы может быть далее использовано для получения данных о направлении прихода оптического излучения, а в автоматических системах - для выработки управляющих сигналов, с помощью которых производится поворот оси оптической системы до совпадения с направлением на удаленный объект.

Недостатком известного технического решения является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью механического вращения полудиска. Кроме того, известный оптический пеленгатор в том виде, как это описано в [6], позволяет определить только угловую полярную координату положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости приемной оптической системы, то есть направление отклонения волнового вектора принимаемого оптического излучения от оптической оси приемной оптической системы, а для однозначного определения направления прихода оптического излучения необходимо определять также и радиальную полярную координату положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости, то есть величину отклонения волнового вектора принимаемого оптического излучения от оптической оси приемной оптической системы.

Задачей изобретения является повышение потребительских свойств путем повышения быстродействия и путем обеспечения возможности приема моноимпульсных сигналов и за счет одновременного определения двух координат сфокусированного пятна принимаемого оптического излучения на фокальной плоскости приемной оптической системы.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный оптический пеленгатор, содержащий последовательно расположенные фокусирующую приемную оптическую систему и первый фотоприемник, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор, первый усилитель, первый делитель, преобразователь, второй фотоприемник, третий фотоприемник, второй усилитель, второй делитель и вычислительный блок, при этом поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель и второй поляризатор последовательно расположены между фокусирующей приемной оптической системой и первым фотоприемником, второй фотоприемник расположен на пути отраженного от первого светоделителя оптического излучения, третий фотоприемник расположен на пути отраженного от второго светоделителя оптического излучения, выход первого фотоприемника соединен со входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом первого делителя, выход первого делителя соединен со входом преобразователя, выход третьего фотоприемника соединен со входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с первым входом второго делителя и вторым входом первого делителя, выход второго фотоприемника соединен со вторым входом второго делителя, градиент пропускания поглощающего клина параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, градиент угла поворота ротационного клина параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, выход второго делителя соединен с первым входом регистрирующего блока, а выход преобразователя соединен со вторым входом регистрирующего блока.

Такое построение заявляемого оптического пеленгатора обеспечивает значительно более высокое быстродействие за счет отсутствия механически вращающихся деталей (которые есть в прототипе). Быстродействие прототипа ограничивается скоростью механического вращения полудиска, а в заявляемом оптическом пеленгаторе отсутствуют движущиеся детали. Заявляемый оптический пеленгатор может определять угловые координаты даже моноимпульсного источника оптического излучения (или отражающего объекта при лоцировании его моноимпульсным оптическим сигналом), что принципиально недостижимо оптическим пеленгатором - прототипом. Кроме того, заявляемый оптический пеленгатор позволяет определять не одну, как в прототипе, а две координаты положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости приемной оптической системы. Эти свойства заявляемого технического решения повышают потребительские свойства описываемого оптического пеленгатора по сравнению с прототипом.

В частном случае (п.2 формулы изобретения) в качестве регистрирующего блока применена приемная телевизионная трубка. Применение приемной телевизионной трубки в качестве регистрирующего блока позволяет визуально определять угловые координаты лоцируемого объекта: положение по горизонтали сфокусированного пятна на экране приемной телевизионной трубки соответствует X-координате лоцируемого объекта, а положение по вертикали сфокусированного пятна на экране приемной телевизионной трубки соответствует Y-координате лоцируемого объекта.

В частном случае (п.3 формулы изобретения) в качестве регистрирующего блока применена совокупность последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя и компьютера. Такое построение оптического пеленгатора позволяет перевести полученные аналоговые сигналы в цифровую форму и передать их в компьютер, который осуществляет вычисление угловых координат лоцируемого объекта.

Сущность заявляемого оптического пеленгатора поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего заявляемое техническое решение варианта конструктивного выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

- фиг.1 поясняет принцип действия прототипа;

- на фиг.2 приведена функциональная схема заявляемого оптического пеленгатора.

На фиг.2 приняты следующие обозначения: 1 - фокусирующая приемная оптическая система, 2 - первый поляризатор, 3 - первый светоделитель, 4 - поглощающий клин, 5 - ротационный клин, 6 - второй светоделитель, 7 - второй поляризатор, 8 - первый фотоприемник, 9 - первый усилитель, 10 - первый делитель, 11 - преобразователь, 12 - второй фотоприемник, 13 - третий фотоприемник, 14 - второй усилитель, 15 - второй делитель, 16 - приемная телевизионная трубка.

Фокусирующая приемная оптическая система 1, первый поляризатор 2, первый светоделитель 3, поглощающий клин 4, ротационный клин 5, второй светоделитель 6, второй поляризатор 7, первый фотоприемник 8 расположены последовательно друг за другом на пути принятого оптического излучения, поглощающий клин 4 и ротационный клин 5 расположены вблизи фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Поглощающий клин 4 и ротационный клин 5 ориентированы в пространстве таким образом, что градиент пропускания поглощающего клина 4 параллелен оси X, а градиент угла поворота ротационного клина параллелен оси Y. Второй фотоприемник 12 расположен на пути отраженного от первого светоделителя 3 оптического излучения. Третий фотоприемник 13 расположен на пути отраженного от второго светоделителя 6 оптического излучения. Выход первого фотоприемника 8 соединен со входом первого усилителя 9, выход первого усилителя 9 соединен с первым входом первого делителя 10, выход первого делителя 10 соединен со входом преобразователя 11. Выход третьего фотоприемника 13 соединен со входом второго усилителя 14. Выход второго усилителя 14 соединен с первым входом второго делителя 15, а выход второго фотоприемника 12 соединен со вторым входом первого делителя 10 и вторым входом второго делителя 15. Выход второго делителя 15 соединен с первым входом приемной телевизионной трубки 16, а выход преобразователя 11 соединен со вторым входом приемной телевизионной трубки 16.

Чем ближе к фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 расположен поглощающий клин 4, то есть чем меньше размер сфокусированного пятна оптического излучения, тем выше крутизна зависимости мощности прошедшего через поглощающий клин 4 оптического излучения от координаты Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Кроме того, чем ближе к фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 расположен ротационный клин 5, тем выше крутизна зависимости мощности прошедшего через ротационный клин 5 оптического излучения от координаты Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Таким образом, оптимальным является положение поглощающего клина 4 перед фокальной плоскостью фокусирующей приемной оптической системы 1 вплотную к фокальной плоскости, а положение ротационного клина 5 является оптимальным при его установке за фокальной плоскостью фокусирующей оптической приемной системы 1 вплотную к фокальной плоскости.

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от удаленного объекта принимается фокусирующей приемной оптической системой 1 и проходит через поляризатор 2, в результате чего оно становится линейно поляризованным. Пусть мощность принятого оптического излучения равна J, тогда после прохождения через первый поляризатор 2 его мощность становится равной K₁J, где K₁ - коэффициент пропускания первого поляризатора 2. Мощность прошедшего через первый светоделитель 3 оптического излучения равна K₁K₂J, где K₂ - коэффициент пропускания первого светоделителя 3, а мощность отраженного от первого светоделителя 3 оптического излучения равна K₁(1-K₂)J. Электрический сигнал U_2фп на выходе второго фотоприемника 12 будет равен α₂K₁(1-К₂ )J, где α₂ - крутизна характеристики второго фотоприемника 12. Оптическое излучение, прошедшее через первый светоделитель 3, проходит через поглощающий клин 4, градиент пропускания которого направлен вдоль координаты Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Пусть коэффициент пропускания К₃ поглощающего клина 4 можно записать в виде К₃=К13

X, где К13 - постоянный коэффициент. Тогда мощность оптического излучения на выходе поглощающего клина 4 будет равна K₁K₂K13XJ. Мощность прошедшего через ротационный клин 5 оптического излучения будет равна K₁K₂K13K₄XJ, где К₄ - коэффициент пропускания ротационного клина 5. Ротационный клин 5 осуществляет поворот плоскости поляризации прошедшего через него оптического излучения на угол ϕ, причем градиент угла поворота ϕ направлен вдоль оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Пусть угол поворота ϕ плоскости поляризации оптического излучения можно записать в виде ϕ=K₅Y, где K₅ - постоянный коэффициент. Мощность оптического излучения, прошедшего через второй светоделитель 6, будет равна K₁К₂К13К₄K₆ХJ где K₆ - коэффициент пропускания второго светоделителя 6, а мощность отраженного от второго светоделителя 6 оптического излучения будет равна К₁К₂К13K₄(1-K₆)XJ. Электрический сигнал U_3фп на выходе третьего фотоприемника 13 будет равен α₃К₁К₂К13K₄(1-K₆)XJ, где α₃ - крутизна характеристики третьего фотоприемника 13. После прохождения через второй светоделитель 6 оптическое излучение проходит через второй поляризатор 7. Пусть ось максимального пропускания второго поляризатора 7 параллельна оси максимального пропускания первого поляризатора 2. Тогда в соответствии с законом Малюса [7] мощность прошедшего через второй поляризатор 7 оптического излучения будет равна K₁K₂K13K₄K₆K₇XJcos²(K₅Y), где К₇ - коэффициент пропускания второго поляризатора 7. Электрический сигнал U_1фп на выходе первого фотоприемника 8 будет равен α₁K₁К₂К13К₄K₆К₇ХJcos²(К₅Y), где α₁ - крутизна характеристики первого фотоприемника 8.

Электрический сигнал U_3фп с выхода третьего фотоприемника 13 поступает на вход второго усилителя 14, коэффициент усиления K₉ которого имеет вид

Поэтому сигнал U_2yc на выходе второго усилителя 14 будет иметь вид

Сигнал U_2yc с выхода второго усилителя 14 поступает на первый вход второго U_2фп с делителя 15, а на второй вход второго делителя 15 поступает сигнал с выхода второго фотоприемника 12. В соответствии с этим сигнал U_2д на выходе второго делителя 15 будет равен отношению сигнала на первом его входе к сигналу на втором его входе, а именно:

Электрический сигнал U_1фп с выхода первого фотоприемника 8 попадает на вход первого усилителя 9, коэффициент усиления которого K₈ имеет вид

Поэтому сигнал U_1yc на выходе первого усилителя 9 будет иметь вид

Сигнал U_1yc с выхода первого усилителя 9 поступает на первый вход первого делителя 10, а на второй вход первого делителя 10 поступает сигнал U_2yc с выхода второго усилителя 14. В соответствии с этим сигнал U_1д на выходе первого делителя 10 будет равен отношению сигнала на его входе к сигналу на втором его входе, а именно

Сигнал U_1д с выхода первого делителя 10 поступает на вход преобразователя 11, который последовательно проводит следующие операции: извлечение квадратного корня, взятие арккосинуса и усиление с коэффициентом усиления, равным (К₅)^-1. Таким образом, сигнал на выходе преобразователя 11 будет равным Y.

Принимая значения координаты Х сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 на первый вход приемной телевизионной трубки 16 и значения координаты Y сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 на второй вход приемной телевизионной трубки 16, приемная телевизионная трубка 16 показывает на своем экране угловое положение сфокусированного сигнала от лоцированного объекта с учетом характеристик фокусирующей приемной оптической системы 1.

Реализация заявляемого оптического пеленгатора не вызывает затруднений, так как все его блоки, узлы и элементы широко применяются в оптике и электронике. Так, поглощающий клин 4 может быть выполнен из однородного поглощающего материала, толщина которого линейно изменяется вдоль оси Х либо в виде плоскопараллельной пластины, концентрация поглощающих частиц в которой линейно изменяется вдоль оси X. Ротационный клин 5 может быть выполнен из однородного материала, обладающего оптической активностью [7] в форме клина, толщина которого линейно изменяется вдоль оси Y либо в виде плоскопараллельной пластины, концентрация оптически активных частиц в которой линейно изменяется вдоль оси Y. Ротационный клин 5 может быть также выполнен из материала, обладающего электрооптическим эффектом (эффект Керра [8] или эффект Поккельса [9]) либо магнитооптическим эффектом (эффект Фарадея [10] или эффект Коттона-Мутона [11]). Следует отметить, что линейность зависимости К₃ от Х и ϕ от Y не является обязательным требованием, эти зависимости могут иметь более сложный вид, тогда выражения для коэффициентов усиления К₈ первого усилителя 9 и К₉ второго усилителя 14 будут иметь более сложный вид, чем указано выше.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый оптический пеленгатор обладает более высоким быстродействием. Быстродействие прототипа ограничивается необходимостью механического вращения полудиска, а в описанном техническом решении отсутствуют движущиеся детали. Заявляемый оптический пеленгатор может определить угловые координаты даже моноимпульсного источника оптического излучения (или отраженного объекта при лоцировании его моноимпульсным оптическим сигналом), что принципиально недостижимо оптическим пеленгатором - прототипом. Кроме того, заявляемым оптическим пеленгатором определяют две координаты положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей оптической приемной системы 1, в то время как прототип определяет только одну координату положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1, то есть заявляемый оптический пеленгатор формирует информацию, достаточную для однозначного определения угловых координат исследуемого объекта. Таким образом, заявляемый оптический пеленгатор обладает повышенными потребительскими свойствами по сравнению с оптическим пеленгатором - прототипом.

Как показано ранее, в частном случае (п.2 формулы изобретения) приемная телевизионная трубка позволяет определить угловые координаты лоцируемого объекта за счет того, что положение сфокусированного пятна на экране приемной телевизионной трубки несет информацию в реальном масштабе времени о координатах Х и Y положения сфокусированного пятна от лоцируемого объекта на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1.

В частном случае (п. 3 формулы изобретения) поступающие на первый вход регистрирующего блока 16 сигналы с выхода второго делителя 15 и поступающие на второй вход регистрирующего блока 16 сигналы с выхода преобразователя 11, несущие информацию о координатах Х- и Y-сфокусированного пятна лоцируемого объекта превращаются в аналогово-цифровом преобразователе в цифровые сигналы, обрабатываемые компьютером, в результате чего на экране компьютера формируются сигналы, соответствующие угловым координатам лоцируемого объекта.

Источники информации

1. Зигель Ф.Ю. Астрономы наблюдают, М.: Наука, 1985, с. 7-8 (рис.2).

2. Соловьев В.А., Яхонтов В.Е. Основы измерительной техники. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980, с. 78-82.

3. Соловьев В.А., Яхонтов В.Е. Основы измерительной техники. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980, с. 73-77.

4. Советский энциклопедический словарь/ Научно-редакционный совет; А.М.Прохоров (пред.). М.: Сов. энциклопедия, 1981, с. 1201.

5. Патент Великобритании №1426745, МПК G 01 S 3/78.

6. Фукс-Рабинович Л.И., Епифанцев М.В. Оптико-электронные приборы, Л.: Машиностроение, 1979, с.90-92.

7. Яворский В.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1971, с. 671-673.

8. Физический энциклопедический словарь./Гл. ред. А.М.Прохоров, М.: Сов. энциклопедия, 1984, с. 280-281.

9. Там же, с. 560.

10. Там же, с. 802-803.

11. Там же, с. 317.

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано для определения угловых координат различных объектов, например, в составе оптических информационно-измерительных систем. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение потребительских свойств путем повышения быстродействия, путем обеспечения возможности приема моноимпульсных сигналов и путем одновременного определения двух координат сфокусированного пятна принимаемого оптического излучения на фокальной плоскости приемной оптической системы. Сущность изобретения заключается в использовании последовательно расположенных на оптической оси поглощающего клина и ротационного клина, при этом градиент пропускания поглощающего клина параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, а градиент угла поворота плоскости поляризации ротационного клина параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Оптический пеленгатор, содержащий последовательно расположенные фокусирующую приемную оптическую систему и первый фотоприемник, отличающийся тем, что он дополнительно содержит первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель, второй поляризатор, первый усилитель, первый делитель, преобразователь, второй фотоприемник, третий фотоприемник, второй усилитель, второй делитель и регистрирующий блок, при этом первый поляризатор, первый светоделитель, поглощающий клин, ротационный клин, второй светоделитель и второй поляризатор последовательно расположены между фокусирующей приемной оптической системой и первым фотоприемником, второй фотоприемник расположен на пути отраженного от первого светоделителя оптического излучения, третий фотоприемник расположен на пути отраженного от второго светоделителя оптического излучения, выход первого фотоприемника соединен со входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым входом первого делителя, выход первого делителя соединен со входом преобразователя, выход третьего фотоприемника соединен со входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с первым входом второго делителя и вторым входом первого делителя, выход второго фотоприемника соединен со вторым входом второго делителя, градиент пропускания поглощающего клина параллелен оси Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, градиент угла поворота ротационного клина параллелен оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы, выход второго делителя соединен с первым входом регистрирующего блока, а выход преобразователя соединен со вторым входом регистрирующего блока.2. Оптический пеленгатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве регистрирующего блока применена приемная телевизионная трубка.3. Оптический пеленгатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве регистрирующего блока применена совокупность последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя и компьютера.