ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ТЕЛЕОРИЕНТАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК H04B10/10 

Изобретение относится к приборостроению, предназначено для формирования информационного поля лазерных систем телеориентации и навигации, оптической связи и может быть использовано при управлении движущихся объектов, например, управляемых ракет, управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов через узкие места или своды мостов и т.п.

Известны лазерные системы телеориентации (ЛСТ), в которых формирование лазерного растра (ЛР) управления - информационного поля (ИП), осуществляется за счет сканирования лазерного пучка акустооптическим дефлектором (патенты RU № 2093849, приоритет 13.12.95 и № 2093848, приоритет 28.11.95, МПК: G 01 S 1/70). Дефлекторы в таких ЛСТ, содержащих две скрещенные акустооптические ячейки, управляются за счет подачи на них перестраиваемых по частоте высокочастотных сигналов. Угол отклонения лазерного пучка на выходе каждой ячейки пропорционален частоте подаваемого на ячейку высокочастотного сигнала. Формирование высокочастотных сигналов управления осуществляется в блоке управления дефлекторами, содержащем последовательно соединенные блок формирования синхросигналов и параметров растра, формирователь кодов растра и двухканальный преобразователь код - частота (двухканальный синтезатор частот). Формирователь кодов растра вырабатывает двоичные коды, которые после преобразования их в высокочастотные сигналы двухканальным синтезатором частот определяют положение лазерного пучка в пространстве. Закон изменения этих кодов определяет траекторию сканирования лазерного луча в пространстве - горизонтальные или вертикальные строки растра и тип растра - командный или информационный. По сигналам управления он также устанавливает число строк и угловые размеры растра в пространстве.

Сигналы управления формирователю кодов растра выдает блок формирования синхросигналов и параметров растра, управляемый внешними командами. Так, например, в ЛСТ управляемых ракет (патент RU №2183808, приоритет 21.12.99, МПК: F 41 G 7/26) после подачи внешней команды "Пуск" включается лазер, а после подачи внешней команды "Сход" включается блок формирования синхросигналов и параметров растра, который вырабатывает через требуемый интервал времени Δt_i коды угловых размеров растра М_к, а также сигнал дальности для переключения “ближней” и “дальней” зон управления для ЛСТ, имеющих два выходных оптических канала и т.п. Интервалы времени Δt_i смены кодов угловых параметров растра рассчитываются таким образом, чтобы для следующего растра его линейные размеры соответствовали требуемым размерам зоны управления ракеты для текущей дальности ракеты.

Поскольку ракета управляется к центру информационного растра, то центр информационного растра должен совпадать с линией визирования цели. В процессе эксплуатации дополнительно к начальной разъюстировке, обусловленной технологическими возможностями сборки ЛСТ, происходит разъюстировка:

- центра информационного поля относительно линии визирования цели из-за механических деформаций;

- центра информационного поля относительно линии визирования цели из-за температурного влияния;

- центров информационных полей каналов "ближней" и "дальней" зон ЛСТ, содержащих два выходных объектива, из-за механических деформаций и температурного влияния.

Так как ЛСТ, как правило, установлена в оптическом прицеле системы наведения управляемого снаряда, а открытого доступа для механической юстировки канала наведения и визирного канала нет, то, очевидно, для проведения поверки оптического прицела необходима установка приводов управления, например, оптическими клиньями, что увеличивает вес и габариты системы управления.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является лазерная система телеориентации (патент RU 2177208, МПК Н 04 В 10/10, приоритет 06.04.2000), которая и выбрана в качестве прототипа. В ней приняты меры по уменьшению влияния температуры на взаимное угловое положение лазерных растров "ближней" и "дальней" зон управления. Для этого в каналах "ближней" и "дальней" зон управления использованы одинаковые акустооптические ячейки, имеющие одинаковую температурную зависимость угла отклонения от температуры окружающей среды.

Однако достаточно большое влияние температуры на параметры акустооптических ячеек (уход угла сканирования в зависимости от конструкции ячейки составляет несколько угловых секунд на градус изменения температуры), а также разное оптическое увеличение в каналах "ближней" и "дальней" зон управления приводит при работе ЛСТ в диапазоне температур к значительным разъюстировкам каналов "ближней" и "дальней" зон и взаимной угловой разъюстировке ЛСТ и визирного канала оптического прицела системы наведения, что ухудшает точность наведения, а при больших изменениях температуры относительно номинального значения может привести к потере работоспособности системы.

Техническим результатом данного изобретения является создание ЛСТ, имеющей возможность внешнего управления юстировкой и обеспечивающей угловую стабильность центра лазерного растра в диапазоне рабочих температур.

Для достижения технического результата в известную лазерную систему телеориентации, включающую последовательно установленные лазер, двухкоординатный акустооптический дефлектор, содержащий две скрещенные анизотропные акустооптические ячейки, а также поляризационную призму, третью акустооптическую ячейку, установленную аналогично второй акустооптической ячейке, первый телескоп, второй телескоп, оптический отражатель, установленный между вторым выходом поляризационной призмы и вторым телескопом, последовательно соединенные блок формирования синхросигналов и параметров растра и формирователь кодов растра, а также двухканальный коммутатор высокочастотного сигнала и двухканальный синтезатор частот, первый выход которого соединен с первой акустооптической ячейкой, второй выход соединен с высокочастотным входом двухканального коммутатора высокочастотного сигнала, выходы которого соединены со второй и третьей акустооптическими ячейками, а вход управления соединен с выходом коммутации дальности блока формирования синхросигналов, введены блок выверок, мультиплексор, блок термокомпенсации и два сумматора, причем входы разрешения выверок и установки данных блока выверок соединены с внешними устройствами выбора режима и установки данных, два выхода данных блока выверок соединены с входами мультиплексора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход данных блока термокомпенсации соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, первый вход второго сумматора соединен с выходами формирователя кодов растра, а выходы второго сумматора соединены со входами синтезатора частот, при этом выход коммутации дальности блока формирования синхросигналов и параметров растра соединен со входом управления мультиплексора.

Введение блока выверок, мультиплексора, блока термокомпенсации и двух сумматоров с вышеуказанными связями позволило за счет формирования дополнительных сигналов термокомпенсации и выверок расширить температурный диапазон работы системы, обеспечить внешнее управление юстировкой и, как следствие, уменьшить ошибки наведения.

Заявителю не известны лазерные системы телеориентации, в которых бы технический результат достигался подобным образом.

На фиг.1 представлена блок-схема лазерной системы телеориентации.

Лазерная система телеориентации содержит лазер 1, включающий лазерный излучатель 2 и коллиматор 3, двухкоординатный акустооптический дефлектор (АОД) 4, включающий две скрещенные анизотропные акустооптические ячейки (АОЯ) 5 и 6, третью анизотрпную акустооптическую ячейку 7, поляризационную призму 8, оптический отражатель 9, первый телескоп 10 канала "ближней" зоны управления, второй телескоп 11 канала "дальней" зоны управления, блок формирования синхросигналов и параметров растра 12, формирователь кодов растра 13, второй сумматор 14, двухканальный синтезатор частот 15, двухканальный коммутатор высокочастотного сигнала 16, блок выверок 17, мультиплексор 18, первый сумматор 19, блок термокомпенсации 20.

Две анизотропные акустооптические ячейки 5 и 6 развернуты друг относительно друга на 90° и размещены между лазером 1 и поляризационной призмой 8. Вход управления АОЯ 5 соединен с первым выходом двухканального синтезатора частот 15. Третья анизотропная акустооптическая ячейка 7 установлена аналогично второй АОЯ 6 и расположена между первым выходом поляризационной призмы 8 и первым телескопом 10 канала "ближней" зоны управления. Оптический отражатель 9 размещен между вторым выходом поляризационной призмы 8 и вторым телескопом 11 канала "дальней" зоны управления. Выходы двухканального коммутатора высокочастотного сигнала (ДКВЧС) 16 соединены с входами АОЯ 6 и АОЯ 7. Высокочастотный вход ДКВЧС 16 соединен со вторым выходом двухканального синтезатора частот 15, а вход управления соединен с выходом коммутации дальности блока формирования синхросигналов и параметров растра 12 и входом управления мультиплексора 18. Входы разрешения выверок и установки данных блока выверок 17 соединены с внешними устройствами. Выходы блока выверок 17 через мультиплексор 18 соединены с первыми входами первого сумматора 19, выходы которого соединены со вторыми входами второго сумматора 14, а вторые входы первого сумматора соединены с выходом блока термокомпенсации 20. Первые входы второго сумматора 14 соединены с выходами формирователя кодов растра 13, а выходы второго сумматора 14 соединены со входами двухканального синтезатора частот 15.

Термокомпенсированная лазерная система телеориентации работает следующим образом. Лазерный пучок излучателя 2 проходит коллиматор 3, двухкоординатный акустооптический дефлектор 4 и направляется поляризационной призмой 8 либо на АОЯ 7 и первый телескоп 10 канала "ближней" зоны управления, либо на оптический отражатель 9 и второй телескоп 11 канала "дальней" зоны управления.

Последовательно соединенные блок формирования синхросигналов и параметров растра 12 и формирователь кодов растра 13 вырабатывают двоичные коды z_г и у_т, которые, если не учитывать влияния вновь введенных блоков, преобразуются двухканальным синтезатором частот 15 в перестраиваемые во времени высокочастотные сигналы fz и fy, подаваемые на соответствующие АОЯ. Лазерный пучок, проходя АОЯ, отклоняется по двум координатам, образуя в пространстве растр, линейные размеры которого в плоскости управляемого снаряда соответствуют расчетным значениям.

В начале управления, например, на дальностях 0...L₁, на выходе коммутации дальности блока формирования синхросигналов и параметров растра 12 вырабатывается сигнал Uл=1, при этом высокочастотные сигналы fz и fy¹¹ подаются на АОЯ 5 и 7. Формируется лазерный растр "ближней" зоны. При превышении управляемым снарядом дальности L₁ блок формирования синхросигналов и параметров растра 12 вырабатывает сигнал Uл=0, при этом высокочастотные сигналы fz и fy¹ подаются на АОЯ 5 и 6. Формируется лазерный растр "дальней" зоны.

Вследствие технологических допусков при сборке оптической части ЛСТ и установки его в прицел наведения центры лазерных растров "ближней" (линия OO БЗ) и "дальней" зон (линия ОО ДЗ) будут иметь двумерные угловые разъюстировки друг относительно друга, а также по отношению к оптической оси прицела наведения - линии визирования. На фиг.4 условно показаны возможные угловые разъюстировки ϕ_бз и ϕ_дз этих осей в одной плоскости. Величины угловых разъюстировок ϕ_бз и ϕ_дз зависят также и от температуры окружающей среды. Вновь введенные блок выверок 17, мультиплексор 18, блок термокомпенсации 20 и сумматор 19 вырабатывают дополнительные коды компенсации угловых ошибок z_к и у_к, которые, складываясь в сумматоре 14 с текущими кодами растра z_т и у_т, вызывают совмещение центров лазерных растров "ближней" и "дальней" зон с оптической осью прицела наведения, или, что то же самое, с линией визирования цели.

Структурная схема блока выверок 17 приведена на фиг.2. Она содержит энергонезависимые блоки памяти 17.1, 17.4 и 17.6, сумматоры 17.2, 17.3 и 17.8, преобразователи кодов 17.5 и 17.7. Блок выверок 17 под управлением внешних сигналов может работать в двух режимах - электронной выверки и выверки прицела.

В режиме электронной выверки осуществляется устранение технологических механических ошибок юстировки, связанных с допусками на изготовление оптических и корпусных элементов ЛСТ. Для этого при фиксированной температуре окружающей среды осуществляется вначале угловое совмещение центров лазерных растров "ближней" и "дальней" зон, т.е. выполняется условие ϕ_бз=ϕ_дз, а затем осуществляется совмещение центров лазерных растров с линией визирования цели, т.е. выполняется условие ϕ_бз=ϕ_дз=0.

В режиме выверки прицела осуществляется юстировка центров лазерных растров "ближней" и "дальней" зон относительно оптической оси прицела - линии визирования цели, обусловленной механическими деформациями крепления ЛСТ относительно корпуса прицела в процессе эксплуатации. Это режим поверок.

Рассмотрим работу блока выверок 17 в режиме электронной выверки с учетом того, что первый телескоп 10 канала "ближней" зоны управления и второй телескоп 11 канала "дальней" зоны управления имеют кратность, равную соответственно Г_БЗ и Г_ДЗ, а преобразователи кодов 17.5 и 17.7 имеют передаточную функцию, равную Г_ДЗ/Г_БЗ.

При подаче от внешней шины управления команды "Выверка технологическая" энергонезависимые блоки памяти 17.1 и 17.4 блока выверок 17 готовы к записи кодов компенсации ошибок. Подавая коды z_БЗ и у_БЗ от внешней шины управления на входы энергонезависимого блока памяти 17.1 и выбирая их величину, добиваются совмещения центров лазерных растров "ближней" и "дальней" зон. Подавая коды z_ДЗ и у_ДЗ от внешней шины управления на входы энергонезависимого блока памяти 17.4 и выбирая их величину, добиваются совмещения центров лазерных растров "ближней" и "дальней" зон с линией визирования цели. При снятии команды "Выверка технологическая" в энергонезависимых блоках памяти 17.1 и 17.4 блока выверок 17 сохраняются установленные коды компенсации ошибок z_ДЗ, у_ДЗ, z_БЗ и у_БЗ.

При подаче от внешней шины управления команды "Выверка прицела" энергонезависимый блок памяти 17.6 блока выверок 17 готов к записи кодов компенсации эксплуатационных ошибок, возникающих из-за старения материалов, механических и тепловых деформаций корпуса и т.д. Подавая коды z_В и у_В от внешней шины управления на входы энергонезависимого блока памяти 17.6 и выбирая их величину, добиваются совмещения центров лазерных растров "ближней" и "дальней" зон с линией визирования цели в режиме поверок.

На выходах блока выверок 17 с учетом структурной схемы, приведенной на фиг.2, формируются две группы сигналов:

Z11БЗ

Z11ДЗ

Эти группы кодов поступают на входы мультиплексора 18 и выбираются на его выход в зависимости от уровня сигнала управления Uл, подаваемого на вход управления мультиплексора 18 с выхода коммутации дальности блока формирования синхросигналов и параметров растра 12, и, как следует из фиг.2 и 1, суммируются напрямую с текущими кодами растра z_т и у_т формирователя кодов растра 13.

Структурная схема блока термокомпенсации 20 приведена на фиг.3. Она содержит датчик температуры 20.1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 20.2, вычислитель разности кодов 20.3, преобразователь кодов 20.4. Датчик температуры 20.1, предпочтительно установленный на корпусе АОЯ 5, вырабатывает напряжение U_г, пропорциональное температуре окружающей среды (температуры корпуса АОЯ 5) Т_К. Аналого-цифровой преобразователь 20.2 преобразует это напряжение в цифровой код Т_КЦ. В вычислителе разности кодов 20.3 из цифрового кода Т_КЦ вычитается установленный извне код Т_р, определяющий температуру, при которой производилась описанная выше электронная выверка. Образованный на выходе вычислителя 20.3 код разности температур ΔТ_р=Т_КЦ-Т_Р преобразуется преобразователем кодов 20.4 в величину Д_ТК=М (Т_КЦ-Т_Р) и, проходя первый и второй сумматоры 19 и 14 (фиг.1), суммируется с текущими кодами растра z_т и у_т формирователя кодов растра 13, обеспечивая устранение влияния температуры на АОЯ. Величина коэффициента М определяется типом используемых АОЯ и рассмотрена ниже.

Таким образом, при совместной работе блока выверок 17 и блока термокомпенсации 20 на второй вход сумматора 14 подается группа сигналов Z111БЗ

Рассмотрим потенциальную точность юстировки предложенной ЛСТ. При отклонении лазерного пучка на угол В [град] относительно центрального положения на вход управления АОЯ необходимо подать высокочастотный сигнал с частотой f_р=f_о+K_fВ+K_t ΔT, где f_о [МГц] - центральная частота АОЯ, K_f [МГц/град] - константа преобразования АОЯ, K_t [МГц/°С] - температурный коэффициент, ΔT [°C] - разность температуры окружающей среды и нормальной температуры, равной, например, 20°С.

В качестве АОЯ дефлектора предложенного устройства может быть использован, например, АОЯ со светозвукопроводом из оптически активного анизотропного кристалла - парателлурита (TeO₂), обеспечивающего сканирование лазерных пучков видимого и ближнего инфракрасного спектров и имеющего световую апертуру до 10...15 мм. Такие дефлекторы могут иметь следующие параметры: K_f=614,7 [МГц/град], K_t=9,774·10^-3 [МГц/°С] и полный угол сканирования, равный 3 градусам, при полосе частот управления, равной 32 МГц. Если синтезатор частот имеет 13 - разрядный код управления в каждом канале, т.е. 8192 дискрета управления, то очевидно, вес отсчета частоты на один дискрет управления равен Δf=32000/8192=3,90 кГц.

Из вышеприведенной зависимости следует, что для компенсации влияния одного градуса разности температур необходимо изменить частоту управляющего сигнала АОЯ на величину Δf_t=K_f 1°C=9,774 кГц. Таким образом, для компенсации одного градуса перепада температур необходимо изменить код управления синтезатором на 2,5 дискрета. Следовательно, коэффициент М блока преобразования кодов 20.4 равен 2,5.

Блок формирования синхросигналов и параметров растра 12, блок выверок 17, мультиплексор 18, второй и первый сумматоры 14 и 19 и блок термокомпенсации 20 могут быть реализованы на основе ряда микроконтроллеров, например, Т89С51АС2 фирмы ATMEL, содержащих помимо энергонезависимой памяти, портов управления и временных таймеров десятиразрядный аналого-цифровой преобразователь, необходимый для преобразования аналогового сигнала датчика температуры в цифровой код.

Оценим влияние точности измерения разности температур на угловые ошибки юстировки, полагая кратность второго телескопа 11 канала "дальней" зоны управления равной Г_ДЗ=1, т.е. при отсутствии второго телескопа 11. Ошибка в измерении температуры, равная одному градусу, вызывает отклонение лазерного пучка от истинного положения на величину Δf_t/K_f=9,774·10³/614,7·10⁶ [град]=0,029 млрад, т.е. на дальности управления 10 км смещение центров лазерных растров составит 29 см.

Позиционирование лазерного растра при выполнении выверок на дальности 10 км составит линейную величину, равную 11,6 см.

Таким образом, введение в известную ЛСТ блока выверок, мультиплексора, блока термокомпенсации и двух сумматоров с вышеуказанными связями позволяет за счет формирования компенсационных сигналов расширить температурный диапазон работы системы, обеспечить внешнее управление юстировкой и, как следствие, уменьшить ошибки наведения.

Лазерная система телеориентации (ЛСТ) относится к приборостроению, предназначена для формирования информационного поля лазерных систем телеориентации и навигации, оптической связи и может быть использована при управлении движущихся объектов, например, управляемых ракет, управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов через узкие места или своды мостов и т.п. ЛСТ включает последовательно установленные лазер 1, включающий лазерный излучатель 2 и коллиматор 3, двухкоординатный акустооптический дефлектор 4, содержащий две скрещенные анизотропные акустооптические ячейки 5 и 6, а также поляризационную призму 8, третью акустооптическую ячейку 7, установленную аналогично второй акустооптической ячейке, первый телескоп 10, второй телескоп 11, оптический отражатель 9, установленный между вторым выходом поляризационной призмы и вторым телескопом, последовательно соединенные блок формирования синхросигналов и параметров растра 12 и формирователь кодов растра 13, а также двухканальный коммутатор высокочастотного сигнала 16 и двухканальный синтезатор частот 15, первый выход которого соединен с первой акустооптической ячейкой, второй выход соединен с высокочастотным входом двухканального коммутатора высокочастотного сигнала, выходы которого соединены со второй и третьей акустооптическими ячейками, а вход управления соединен с выходом коммутации дальности блока формирования синхросигналов и параметров растра, введены блок выверок 17, мультиплексор 18, блок термокомпенсации 20 и два сумматора 14 и 19, причем входы разрешения выверок и установки данных блока выверок соединены с внешними устройствами выбора режима и установки данных, два выхода данных блока выверок соединены с входами мультиплексора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход данных блока термокомпенсации соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, первый вход второго сумматора соединен с выходами формирователя кодов растра, а выходы соединены со входами синтезатора частот, при этом выход коммутации дальности блока формирования синхросигналов и параметров растра соединен со входом управления мультиплексора. Технический результат - расширение температурного диапазона работы системы, обеспечение внешнего управления юстировкой при технологической настройке и при устранении эксплуатационных разъюстировок системы и, как следствие, уменьшение ошибок наведения. 4 ил.

Термокомпенсированная лазерная система телеориентации, включающая последовательно установленные лазер, двухкоординатный акустооптический дефлектор, содержащий две скрещенные анизотропные акустооптические ячейки, а также поляризационную призму, третью анизотропную акустооптическую ячейку, установленную аналогично второй анизотропной акустооптической ячейке, первый телескоп, второй телескоп, оптический отражатель, установленный между вторым выходом поляризационной призмы и вторым телескопом, а также последовательно соединенные блок формирования синхросигналов и параметров растра и формирователь кодов растра, а также двухканальный коммутатор высокочастотного сигнала и двухканальный синтезатор частот, первый выход которого соединен с первой акустооптической ячейкой, второй выход соединен с высокочастотным входом двухканального коммутатора высокочастотного сигнала, выходы которого соединены со второй и третьей акустооптическими ячейками, а вход управления соединен с выходом коммутации дальности блока формирования синхросигналов и параметров растра, отличающаяся тем, что в нее введены блок выверок, мультиплексор, блок термокомпенсации и два сумматора, причем входы разрешения выверок и установки данных блока выверок соединены с внешними устройствами выбора режима и установки данных, два выхода данных блока выверок соединены с входами мультиплексора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход данных блока термокомпенсации соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, первый вход второго сумматора соединен с выходами формирователя кодов растра, а выходы соединены со входами двухканального синтезатора частот, при этом выход коммутации дальности блока формирования синхросигналов и параметров растра соединен со входом управления мультиплексора.