СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2009 года по МПК G01S3/78 G05D3/12 

Предлагаемое изобретение относится к области электронного приборостроения и может быть использовано для формирования сигнала управления исполнительным элементом оптико-электронных следящих систем (ОЭСС), в частности инфракрасных следящих систем с гиростабилизированным полем зрения, предназначенных для обнаружения, распознавания и автосопровождения инфракрасных источников излучения, находящихся на небесном фоне или на фоне подстилающей поверхности земли в условиях применения ложных тепловых целей (ЛТЦ).

Известны способы формирования сигнала управления исполнительным элементом оптико-электронной следящей системы, представленные в литературе: Лазарев Л.П. «Оптико-электронные приборы наведения». М.: Машиностроение, 1989; Справочник по приборам инфракрасной техники. / Под ред. Л.З.Криксунова. Киев: Техника, 1980.

Недостатком известных способов и реализующих их устройств является то, что в них отсутствуют способы обнаружения ЦЕЛИ в условиях различной фоно-целевой обстановки для обеспечения формирования сигналов управления на исполнительный элемент (ИЭ) ОЭСС. Также отсутствует способ формирования сигнала управления ОЭСС для наведения на ЦЕЛЬ в условиях сброса ЛТЦ; отсутствует способ формирования монотонной пеленгационной характеристики в импульсной ОЭСС при малых углах рассогласования в направлении на ЦЕЛЬ.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является изобретение - патент РФ №2093850 (публ. 20.10.1997, бюл. №29), где реализуется способ, в котором последовательно осуществляются следующие операции: фокусировка изображений теплоизлучающих объектов, находящихся в поле зрения оптической головки самонаведения (ОГС), в фокальной плоскости объектива ОГС; преобразование рельефа облученности сфокусированных изображений теплоизлучающих объектов в импульсные электрические сигналы, являющиеся функцией времени, вращающимся приемником излучения, имеющим форму профилированного импульсного модулятора радиально расположенного относительно центра поля зрения ОГС и конструктивно закрепленного на роторе гироскопа; усиление импульсных сигналов вращающимися предусилителями, расположенными на роторе гироскопа, и передача их через вращающееся контактное устройство; усиление и нормирование импульсных сигналов по амплитуде с помощью параметрической отрицательной обратной связи (системы автоматической регулировки усиления (АРУ)); ограничение импульсных электрических сигналов сверху, уменьшающее влияние скачкообразного изменения амплитуды импульсного электрического сигнала на изменение величины сигнала коррекции (СК); частотно-зависимая фильтрация импульсных электрических сигналов, формирующая требуемую зависимость изменения амплитуды импульсных электрических сигналов от углового рассогласования изображения цели, для формирования пеленгационной характеристики ОГС; амплитудное детектирование импульсных электрических сигналов; подавление гармоник высоких частот продетектированных импульсных электрических сигналов; нелинейное преобразование амплитуды сигнала; фазирование контура слежения за ЦЕЛЬЮ; фильтрацию гармоники сигнала управления на частоте вращения ротора гироскопа - формирование сигнала коррекции (СК); выдачу СК на ИЭ ОЭСС.

Недостаток способа формирования сигнала управления ИЭ ОЭСС состоит в том, что при сбросе с атакуемого самолета ЛТЦ, излучение которых может многократно превышать уровень излучения ЦЕЛИ, нормирование системой АРУ сигналов от ЛТЦ пропорционально уменьшает сигналы от ЦЕЛИ, за счет чего происходит потеря ОГС ЦЕЛИ и перехват ЛТЦ.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей инфракрасных следящих систем в условиях применения ЛТЦ.

Для решения поставленной задачи предложен способ формирования сигнала управления исполнительным элементом ОЭСС, который, как и прототип, включает фокусировку изображения теплоизлучающих объектов, находящихся в поле зрения оптической головки самонаведения (ОГС), преобразование рельефа облученности сфокусированного изображения теплоизлучающих объектов в импульсные электрические сигналы вращающимся приемником излучения, имеющим форму профилированного импульсного модулятора, усиление импульсных электрических сигналов с приемника излучения, передачу усиленных импульсных электрических сигналов через вращающееся контактное устройство (ВКУ); а также усиление и нормирование импульсных электрических сигналов по амплитуде за счет параметрической отрицательной обратной связи; ограничение сверху импульсных электрических сигналов; частотно-зависимую фильтрацию пронормированных по амплитуде импульсных электрических сигналов, которая формирует требуемую зависимость амплитуды сигнала от углового рассогласования изображения ЦЕЛИ для формирования пеленгационной характеристики ОГС; амплитудное детектирование импульсных электрических сигналов; а также фильтрацию гармоник верхних частот продетектированных сигналов; нелинейное преобразование амплитуды сигнала; фазирование контура слежения за ЦЕЛЬЮ; фильтрацию гармоники сигнала управления на частоте вращения ротора гироскопа; выдачу СК на ИЭ ОЭСС.

В отличие от прототипа дополнительно проводят классификацию импульсных электрических сигналов в оптико-электронном канале формирования СК - основном канале (ОК) на импульсные электрические сигналы от ЦЕЛИ (U_ц) и импульсные электрические сигналы от ЛТЦ (U_лтц) путем сравнения амплитуд импульсных электрических сигналов от одного и того же источника излучения, одновременно формируемых в ОК, и в оптико-электронном вспомогательном канале (ВК), имеющем окно оптической прозрачности в другом оптическом диапазоне ИК-спектра, по сравнению с оптическим диапазоном ОК. Проводят обнаружение в ОК импульсных электрических сигналов, превышающих заданное отношение сигнал/шум, и формирование от обнаруженных сигналов, которые классифицируются как сигналы от ЦЕЛИ при сравнении амплитуд сигналов от данного источника излучения в каналах ОК и ВК, двух стробирующих импульсных электрических сигналов τ₁ и τ₂, которые на часть периода оборота ротора гироскопа запрещают прохождение сигналов от ЛТЦ в тракт формирования СК. Также проводят формирование из синусоидального СК, нормированного по амплитуде стробирующего импульсного электрического сигнала φ_к, который разрешает прохождение сигналов от ЛТЦ в контур формирования СК при совпадении по времени сигналов от ЛТЦ и сигнала φ_к, и запрещает прохождение сигналов от ЛТЦ, не совпадающих по времени с сигналом

φ_к, вводят запрет на пропускание сигналов от ЛТЦ в контур параметрической отрицательной обратной связи. При этом, условия ПРОХОЖДЕНИЯ импульсных электрических сигналов от ЦЕЛИ или ЛТЦ на формирование СК записывают в виде логического уравнения:

где

U_ц - импульсный электрический сигнал от ЦЕЛИ;

U_лтц - импульсный электрический сигнал от ЛТЦ;

τ₁ - стробирующий импульсный электрический сигнал 1;

τ₂ - стробирующий импульсный электрический сигнал 2;

φ_к - стробирующий импульсный электрический сигнал, сформированный из СК.

Проводят ограничение импульсных электрических сигналов снизу после амплитудного детектирования для обеспечения линейной зависимости пеленгационных характеристик от углового рассогласования изображения ЦЕЛИ.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно проводят классификацию импульсных электрических сигналов в оптико-электронном канале формирования СК на сигналы от ЦЕЛЕЙ и ЛТЦ. Данный способ позволяет обеспечивать селекцию не только одиночных, но и серийно отстреливаемых ЛТЦ. Тем самым, достигается технический результат - обеспечение точности и помехозащищенности инфракрасных ОЭСС от отстреливаемых ЛТЦ с атакуемого летательного аппарата.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на Фиг.1 представлена функциональная схема устройства формирования сигнала управления ИЭ ОЭСС.

Фиг.2 поясняет взаимное расположение профилированных импульсных модуляторов с фотоприемными устройствами ОК и ВК в фокальной плоскости объектива.

Фиг.3 иллюстрирует сфокусированное изображение ЦЕЛИ и ЛТЦ на фотоприемных устройствах ОК и ВК.

Фиг.4 иллюстрирует запретные и разрешающую области поля зрения ОГС для формирования сигнала коррекции при наличии стробирующего импульсного электрического сигнала τ₂.

Фиг.5 иллюстрирует запретные и разрешающую области поля зрения ОГС для формирования сигнала коррекции при наличии стробирующего импульсного электрического сигнала τ₁.

Фиг.6 иллюстрирует запретные и разрешающую области поля зрения ОГС для формирования сигнала коррекции при наличии совмещенных ЦЕЛИ и ЛТЦ.

Фиг.7 иллюстрирует вид пеленгационной характеристики при наличии ЦЕЛИ в поле зрения ОГС.

Фиг.8 иллюстрирует вид пеленгационной характеристики при наличии совмещенных ЦЕЛИ и ЛТЦ в поле зрения ОГС.

Фиг.9 иллюстрирует запрещающие и разрешающую области поля зрения ОГС, после пространственного разрешения ЦЕЛИ и ЛТЦ.

Представленный способ поясняется с помощью устройства формирования сигнала управления исполнительным элементом ОЭСС, которое содержит:

1 - объектив основного ОК и вспомогательного ВК каналов;

2 - фотоприемное устройство с импульсным модулятором ОК;

3 - фотоприемное устройство с импульсным модулятором ВК;

4 - усилитель импульсных электрических сигналов ОК;

5 - усилитель импульсных электрических сигналов ВК;

6 - вращающееся контактное устройство ОК;

7 - вращающееся контактное устройство ВК;

8 - импульсный усилитель;

9 - ограничитель импульсных электрических сигналов сверху;

10 - полосовой фильтр;

11 - амплитудный детектор;

12 - ограничитель импульсных электрических сигналов снизу;

13 - фильтр низких частот;

14 - нелинейный элемент;

15 - классификатор импульсных электрических сигналов;

16 - первый коммутирующий элемент;

17 - обнаружитель импульсных электрических сигналов ОК;

18 - устройство совпадения;

19 - устройство формирования стробирующих импульсных электрических сигналов

τ₂ и τ₁;

20 - устройство формирования стробирующего импульсного электрического сигнала φ_к;

21 - второй коммутирующий элемент;

22 - логическое устройство управления вторым коммутирующим элементом;

23 - устройство формирования СК;

ИЭ - исполнительный элемент.

Способ формирования сигнала управления исполнительным элементом ОЭСС осуществляется следующим образом.

Производится фокусировка изображений теплоизлучающих объектов, находящихся в поле зрения ОГС в двух фокальных плоскостях объектива 1, имеющих «окна прозрачности» в двух разнесенных областях (каналах) ИК-спектра - основном канале ОК, например Δλ=3,5-5 мкм и во вспомогательном канале ВК, например Δλ=1,8-2,4 мкм.

Преобразование рельефа облученности E_i (х; у) сфокусированного изображения объекта излучения осуществляется одновременно в двух фокальных плоскостях в импульсные электрические сигналы (в функции времени F(t)_ок и F(t)_вк) фотоприемными устройствами 2 и 3, имеющими форму профилированных щелей (Фиг.2), чувствительных соответственно в ОК и ВК спектральных диапазонах и установленных на вращающемся роторе трехстепенного гироскопа.

Осуществляется усиление импульсных электрических сигналов с фотоприемных устройств 2 и 3 на соответствующих усилителях импульсных электрических сигналов 4 и 5, установленных на роторе гироскопа.

Передача импульсных электрических сигналов происходит через вращающиеся контактные устройства 6 и 7, при этом, последовательно осуществляются следующие операции.

Через импульсный усилитель 8 и первый коммутирующий элемент 16 происходит усиление и нормирование импульсных электрических сигналов по амплитуде за счет параметрической отрицательной обратной связи. Затем производится ограничение импульсных электрических сигналов сверху 9, при их возможной флюктуации при малых углах рассогласования или при наличии сигнала от ЛТЦ. В полосовом фильтре 10 выполняется частотно-зависимая фильтрация пронормированных по амплитуде импульсных электрических сигналов, которая формирует требуемую зависимость амплитуды импульсного электрического сигнала от углового рассогласования ρ изображения на ЦЕЛЬ, относительно центра поля зрения ОГС. Затем осуществляют амплитудное детектирование 11 импульсных электрических сигналов и ограничение их снизу 12. В фильтре низких частот 13 происходит фильтрация гармоники на частоте вращения ротора гироскопа и нелинейное преобразование 14 отфильтрованного импульсного электрического сигнала и далее ее усиление в устройстве 23 формирования СК для обеспечения прецессии (слежения) ротора гироскопа за ЦЕЛЬЮ.

Обеспечение селекции цели осуществляется с помощью классификатора импульсных электрических сигналов 15, в котором происходит дополнительная операция классификации импульсных электрических сигналов в оптико-электронном канале формирования сигнала коррекции - основном канале (ОК) на ЦЕЛИ (U_ц) и ЛТЦ (U_лтц) на основании результата сравнения амплитуд сигналов в ОК и ВК, относительно некоторой заданной «температурной границы» Т₀, путем установки коэффициента передачи k₀ в ВК.

Операция сравнения осуществляется путем вычитания амплитуды импульсного электрического сигнала, сформированного в ВК из амплитуды импульсного электрического сигнала, сформированного в ОК от того же источника излучения, при этом для источника с заданной температурой излучения Т₀ разность амплитуд Δ устанавливается равной нулю, а классификация импульсных сигналов в ОК на ЦЕЛИ и ЛТЦ относительно источника излучения Т₀ (Δ~0) осуществляется путем оценки знака результата вычитания. Например, если Δ>0, то импульсный электрический сигнал в ОК относится к ЦЕЛИ, если Δ≤0, то импульсный электрический сигнал относится к ЛТЦ, а на время следования импульсных электрических сигналов в каналах ОК и ВК (от одного и того же источника излучения - ЦЕЛИ или ЛТЦ) формируется нормированный по амплитуде сигнал - признак ЦЕЛИ при Δ>0 (например, «1») или признак ЛТЦ при Δ≤0 (например, «0»)

Если T_i≥Т₀, то Δ≤0.

Если T_i>Т₀, то Δ>0, где

T_i - температура излучения классифицируемого источника излучения;

Т₀ - заданная температура излучения;

А^Т _ок - амплитуды сигналов ОК;

А^Т _вк - амплитуды сигналов ВК.

С помощью оценки знака, полученного при вычитании амплитуд сигналов А^Т _ок и

А^Т _вк возможно разделение сигналов на ЦЕЛИ (Δ>0) и ЛТЦ (Δ≤0).

Для сигналов ЛТЦ в первом коммутирующем элементе 16 осуществляется блокировка на операцию нормирования импульсных электрических сигналов.

При вращающихся, радиально расположенных фотоприемных устройствах 2 и 3 классификация на ЦЕЛИ и ЛТЦ практически невозможна, если они расположены на одном радиусе (Фиг.3), так как изображение от ЛТЦ будет «экранировать» изображение ЦЕЛИ при их одновременном пересечении приемником излучения. Так как сигнал от ЛТЦ значительно больше сигнала от ЦЕЛИ, то информация о положении изображения ЦЕЛИ не обнаруживается.

Для обеспечения помехозащищенности ОГС проводят операции, смысл которых сводится к следующему.

Если импульсный электрический сигнал в обнаружителе сигналов 17 превышает заданное отношение сигнал/шум N₀, и одновременно, в классификаторе сигналов 15 классифицируется как ЦЕЛЬ, то относительно положения ЦЕЛИ устройством 19 формируются два стробирующих импульсных электрических сигнала τ₂ и τ₁ (Фиг.4, 5), а в устройстве 20 из полуволны синусоидальной коррекции, противофазной положению сигнала ЦЕЛИ сформировавшей СК формируется стробирующий импульсный электрический сигнал φ_к (Фиг.4, 5).

При этом сигналы, которые могут пройти на формирование СК через операцию блокирования их прохождения во втором коммутирующем элементе 21, определяются логическим уравнением:

где

U_ц - импульсный электрический сигнал от ЦЕЛИ;

U_лтц - импульсный электрический сигнал от ЛТЦ;

τ₁ - стробирующий импульсный электрический сигнал 1;

τ₂ - стробирующий импульсный электрический сигнал 2;

φ_к - стробирующий импульсный электрический сигнал, сформированный из СК.

Пусть в поле зрения находится одна ЦЕЛЬ. Тогда относительно ее положения формируются стробирующие импульсные электрические сигналы τ₁, τ₂ и φ_к (Фиг.4, 5). В соответствии с формулой (4) сигналы от ЦЕЛИ всегда проходят на формирование СК.

Пусть сброшена ЛТЦ - изображение ЦЕЛИ экранируется изображением ЛТЦ (Фиг.6) и поэтому не формируется признак ЦЕЛИ, а также не формируются стробирующие импульсные электрические сигналы τ₁ и τ₂, но сохраняется стробирующий импульсный электрический сигнал φ_к и признак ЛТЦ, при этом импульсные электрические сигналы, которые могут пройти на формирование СК, определяются логическим уравнением:

где

U_лтц - импульсный электрический сигнал от ЛТЦ;

φ_к - стробирующий импульсный электрический сигнал, сформированный из СК.

Сигналы от ЛТЦ не нормируются первым коммутирующим элементом 16, пеленгационная характеристика ОГС из линейной (Фиг.7) становится релейной (Фиг.8), изображения ЦЕЛИ и ЛТЦ перемещаются в центр поля зрения ОГС, где начинается автоколебательный характер слежения за ЦЕЛЬЮ и ЛТЦ.

Как только изображения ЦЕЛИ и ЛТЦ разойдутся на угловое расстояние (Фиг.9), при котором от ЦЕЛИ и ЛТЦ будут формироваться разрешенные во времени импульсы - импульсные электрические сигналы от ЦЕЛИ и импульсные электрические сигналы от ЛТЦ, сигналы от ЛТЦ не будут проходить через второй коммутирующий элемент 21 в контур устройства формирования сигнала коррекции 23, сигналы от ЦЕЛИ на выходе импульсного усилителя 8 нормируются по амплитуде и пеленгационная характеристика ОГС примет вид, изображенный на Фиг.6.

Таким образом, проведение классификации импульсных электрических сигналов в оптико-электронном канале формирования СК на сигналы от ЦЕЛЕЙ и ЛТЦ позволяет управлять коммутирующими элементами, а ограничение импульсных электрических сигналов снизу позволяет снизить динамические колебания, принимаемых импульсных электрических сигналов при малых угловых рассогласованиях источника излучения относительно оптической оси ОГС, тем самым, расширяются функциональные возможности инфракрасных ОЭСС в условиях применения ЛТЦ.

Изобретение относится к области электронного приборостроения и может быть использовано в оптико-электронных следящих системах (ОЭСС)-инфракрасных следящих систем с гиростабилизированным полем зрения, обнаруживающих, распознающих и автосопровождающих инфракрасные источники излучения, находящиеся на небесном фоне или на фоне подстилающей поверхности земли при наличии ложных тепловых целей (ЛТЦ). Техническим результатом является расширение функциональных возможностей инфракрасных следящих систем в условиях применения ЛТЦ. В способе формирования сигнала управления исполнительным элементом дополнительно классифицируют импульсные электрические сигналы в оптико-электронном основном канале (ОК) формирования сигнала коррекции (СК) на импульсные электрические сигналы от цели и импульсные электрические сигналы от ЛТЦ путем сравнения амплитуд импульсных электрических сигналов от одного и того же источника излучения, формируемых в ОК, и в оптико-электронном вспомогательном канале (ВК), имеющем окно оптической прозрачности в другом оптическом диапазоне ИК-спектра, по сравнению с оптическим диапазоном ОК. Обнаруживают в ОК импульсные электрические сигналы, превышающие заданное отношение сигнал/шум, и формируют от обнаруженных импульсных электрических сигналов, которые классифицируются как сигналы от цели, два стробирующих импульсных электрических сигнала, которые на часть периода оборота ротора гироскопа запрещают прохождение сигналов от ЛТЦ в тракт формирования СК. Проводят формирование из синусоидального СК, нормированного по амплитуде стробирующего импульсного электрического сигнала φ_k, который разрешает прохождение сигналов от ЛТЦ в контур формирования СК при совпадении по времени сигналов от ЛТЦ и сигнала φ_k и запрещает прохождение сигналов от ЛТЦ, не совпадающих по времени с сигналом φ_k. Вводят запрет на пропускание сигналов от ЛТЦ в контур параметрической отрицательной обратной связи. Условия прохождения импульсных электрических сигналов от ЦЕЛИ или ЛТЦ на формирование СК записывают в виде логического уравнения, указанного в формуле изобретения. Проводят ограничение импульсных электрических сигналов снизу после амплитудного детектирования для обеспечения линейной зависимости пеленгационных характеристик от углового рассогласования изображения цели. 9 ил.

Способ формирования сигнала управления исполнительным элементом оптико-электронной следящей системы (ОЭСС), включающий фокусировку изображения теплоизлучающих объектов находящихся в поле зрения оптической головки самонаведения (ОГС), преобразование рельефа облученности сфокусированного изображения теплоизлучающих объектов в импульсные электрические сигналы вращающимся приемником излучения, имеющим форму профилированного импульсного модулятора, усиление импульсных электрических сигналов с приемника излучения, передачу усиленных сигналов через вращающееся контактное устройство (ВКУ), а также усиление и нормирование импульсных электрических сигналов по амплитуде за счет параметрической отрицательной обратной связи, ограничение сверху импульсных электрических сигналов, частотно-зависимую фильтрацию пронормированных по амплитуде импульсных электрических сигналов, которая формирует требуемую зависимость амплитуды сигнала от углового рассогласования изображения цели для формирования пеленгационной характеристики ОГС, амплитудное детектирование импульсных электрических сигналов, а также подавление гармоник высоких частот продетектированных сигналов, нелинейное преобразование амплитуды сигнала, фазирование контура слежения за целью, фильтрацию гармоники сигнала управления на частоте вращения ротора гироскопа, выдачу сигнала коррекции (СК) на исполнительный элемент ОЭСС, отличающийся тем, что дополнительно проводят классификацию импульсных электрических сигналов в оптико-электронном канале формирования СК - основном канале (ОК) на импульсные электрические сигналы от цели (U_ц) и импульсные электрические сигналы от ЛТЦ (U_лтц) путем сравнения амплитуд импульсных электрических сигналов от одного и того же источника излучения, одновременно формируемых в ОК и в оптико-электронном вспомогательном канале (ВК), имеющем окно оптической прозрачности в другом оптическом диапазоне ИК-спектра по сравнению с оптическим диапазоном ОК, проводят обнаружение в ОК импульсных электрических сигналов, превышающих заданное отношение сигнал/шум, и формирование от обнаруженных импульсных электрических сигналов, которые классифицируются как сигналы от цели при сравнении амплитуд сигналов от данного источника излучения в каналах ОК и ВК, двух стробирующих импульсных электрических сигналов τ₁ и τ₂, которые на часть периода оборота ротора гироскопа запрещают прохождение сигналов от ЛТЦ в тракт формирования СК, а также формирование из синусоидального СК, нормированного по амплитуде, стробирующего импульсного электрического сигнала φ_k, который разрешает прохождение сигналов от ЛТЦ в контур формирования СК при совпадении по времени сигналов от ЛТЦ и сигнала φ_k и запрещает прохождение сигналов от ЛТЦ, не совпадающих по времени с сигналом φ_k, вводят запрет на пропускание сигналов от ЛТЦ в контур параметрической отрицательной обратной связи, при этом условия прохождения импульсных электрических сигналов от цели или ЛТЦ на формирование СК записывают в виде логического уравнения
ПPOXOЖДEHИE=U_ц+U_лтц×(360°-τ2)×φ_k+U_лтц×(360°-τ₁)×φ_k,
где U_ц - импульсный электрический сигнал от цели,
U_лтц - импульсный электрический сигнал от ЛТЦ,
τ₁ - стробирующий импульсный электрический сигнал 1,
τ₂ - стробирующий импульсный электрический сигнал 2,
φ_k - стробирующий импульсный электрический сигнал, сформированный из СК,
а также проводят ограничение импульсных электрических сигналов снизу после амплитудного детектирования для обеспечения линейной зависимости пеленгационных характеристик от углового рассогласования изображения цели.