КООРДИНАТОР ГОЛОВКИ САМОНАВЕДЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F42B15/01 F41G7/36 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в системах и устройствах для поиска, обнаружения и автосопровождения контрастных объектов естественного и искусственного происхождения в составе аппаратуры различных носителей с оптической головкой самонаведения (ГСН).

Известен ряд координаторов, предназначенных для работы в составе ГСН [1]. Во всех этих устройствах в кардановом подвесе располагаются зеркальные или зеркально-линзовые оптические системы вместе с фотоприемными устройствами (ФПУ). Недостатками конструкции такого типа являются сложности компоновки платформы вместе с силовыми элементами привода в ограниченных габаритах ГСН. Размещение на подвижной платформе оптической системы и ФПУ с криогенной системой глубокого охлаждения возможно только в ГСН достаточно больших калибров. При этом необходимо обеспечить систему точной стабилизации изображения в условиях существенных угловых возмущений с частотами в несколько герц, возникающих при движении летательного аппарата в плотных слоях атмосферы.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототипом) является оптико-электронный следящий координатор [2].

Координатор содержит обтекатель, карданов подвес с датчиками угла. На платформе, находящейся на внутренней раме карданова подвеса, установлены зеркальный объектив с контрзеркалом и фотоприемное устройство, работающее в двух спектральных диапазонах. При размещении оптической системы в кардановом подвесе необходимо обеспечить расположение центра тяжести и центра прокачки в точке пересечения осей карданова подвеса. Такое совмещение обеспечивает максимально возможный угол прокачки и уменьшает статическую нагрузку на привод платформы. Однако вынесение контрзеркала вперед приводит к существенному уменьшению величины угла прокачки. Кроме того, такая консольная конструкция имеет переменный дисбаланс при разных углах прокачки.

Техническим результатом изобретения является создание компактного координатора ГСН, обеспечивающего увеличение угла обзора в передней полусфере, повышение точности определения координат объекта, уменьшение нагрузки на приводы подвеса и, как следствие, возможность получения более высоких динамических характеристик системы стабилизации оптической оси. Предполагаемое изобретение позволяет разгрузить подвижную часть координатора и упростить ее конструкцию.

Поставленная задача решена следующим образом. Координатор ГСН содержит сферический обтекатель, карданов подвес, двигатели наведения и стабилизации, датчики угла, датчики угловой скорости.

Особенностью предлагаемого изобретения является то, что на внутренней раме карданова подвеса установлено первое плоское зеркало, при этом ось вращения внутренней рамы карданова подвеса находится на отражающей поверхности этого зеркала, ось вращения внешней рамы карданова подвеса пересекается с осью вращения внутренней рамы карданова подвеса, и эта точка пересечения осей совпадает с центром кривизны поверхностей сферического обтекателя, а на неподвижной части координатора установлено второе плоское зеркало, связанное через оптическую систему с фоточувствительными элементами, при этом ось вращения внешней рамы карданова подвеса полностью совпадает с оптической осью координатора на участке между плоскими зеркалами.

Указанный положительный эффект достигается всей совокупностью существенных признаков. Масса зеркала, установленного в кардановом подвесе, много меньше массы платформы-прототипа, содержащей оптическую систему с фотоприемниками, что позволит повысить динамические параметры системы стабилизации, снизить электропотребление. Небольшой размер зеркала позволяет отклонять его в условиях ограниченного объема в более широком диапазоне углов. Расположение оси вращения внутренней рамы карданова подвеса на плоском зеркале, а также совмещение оси вращения внешней рамы подвеса с частью оптической оси и совмещение точки пересечения осей карданова подвеса с центром кривизны обтекателя позволяют линии визирования проходить через обтекатель без преломления и после отражения от зеркала, установленного в кардановом подвесе, позволяют обеспечить ее полное совпадение с оптической осью, что приводит к более точному определению координат объекта.

На фиг. 1 изображена схема координатора ГСН.

На фиг. 2 изображена схема размещения плоского зеркала в кардановом подвесе.

В состав координатора входит сферический обтекатель (1), двухосный карданов подвес (2). На осях Y и Z карданова подвеса установлены два моментных двигателя (3) и (4) и два электронных датчика (5) и (6) углов поворота зеркала. Два высокоточных микромеханических трехосных датчика (7) и (8) угловой скорости (ДУС) размещены на оси Z вращения внутренней рамы (9) с зеркалом (10) и на неподвижной поверхности корпуса координатора (на Фиг. 1 не показано) (см. Фиг. 2). Данная схема размещения датчиков позволяет отказаться от механического узла редукции между зеркалом (10) и датчиком (6) угла в плоскости качания внутренней рамы (9) карданова подвеса (2) и разделить данные о пространственных возмущениях зеркала (10) относительно неподвижной поверхности корпуса координатора и данные о качках, обусловленных движением и возмущениями носителя.

Оптическая ось координатора проходит от вершины сферического обтекателя (1) до центра его кривизны, находящегося на рабочей поверхности зеркала (10), далее по оси вращения внешней рамы (11) карданова подвеса (2) до неподвижного зеркала (12), затем по оси оптической системы (13), через объектив (14), систему (15) плоских зеркал, коррекционный элемент (16), оптические фильтры (17) и (18) до матричных ФПУ (19) и (20). Плоское зеркало (10) расположено на внутренней раме (9) карданова подвеса (2). В нулевом положении зеркало (10) наклонено относительно оптической оси координатора на угол 45°. Объектив (14) предназначен для фокусировки входного излучения на матрицы ФПУ (19) и (20), установленные в эквивалентных фокальных плоскостях. Система (15) плоских зеркал смещает ось оптической системы (16) параллельно первоначальному направлению, что приводит к уменьшению габаритной длины координатора. В оптическую систему (13) входит дихроичное зеркало (21), разделяющее входное излучение по спектральному составу. Коррекционный оптический элемент (16) изменяет фокусное расстояние в одном из спектральных диапазонов в зависимости размера матрицы ФПУ (19) и (20) и угла поля зрения оптической системы. Дополнительно он используется для коррекции аберраций. Оптические фильтры (17) и (18) выделяют рабочие спектральные диапазоны. Один спектральный диапазон является основным, второй - вспомогательным. Выход с матриц ФПУ (19) и (20) соединен с блоком (22) обработки видеосигнала. Блок (22) обработки видеосигнала обеспечивает предварительную обработку изображений в каждом канале (усиление сигнала, коррекцию неоднородностей пикселов, коррекцию дефектных пикселов). Обработанные изображения передаются в вычислительный блок (23), в котором определяются размеры контуров и координаты центров обнаруженных объектов. Изображения, полученные в обоих каналах, сравниваются между собой. Координаты объекта, выбранного в основном канале, передаются в блок (24) управления приводами. Блок (24) управления приводами передает команды на моментные двигатели (3) и (4), что обеспечивает поворот карданова подвеса (2) с зеркалом (10) в направлении на объект.

При отклонении зеркала (10) от нулевого положения и увеличения угла между линией визирования и нормалью к зеркалу (10) размер входного пучка будет уменьшаться. Это приводит к уменьшению входного потока излучения и, как следствие, к уменьшению дальности обнаружения объекта. Для двукратного уменьшения размера входного пучка величина угла отклонения зеркала (10) от нулевого положения составляет примерно 25°. При уменьшении угла между линией визирования и нормалью к зеркалу (10) уменьшение входного потока будет определяться экранированием пучка элементами конструкции зеркала (12). Вращение одной внешней рамы (11) подвеса не влияет на размер входного пучка. Угол обзора координатора в этой плоскости составляет 360° и ограничивается только размером сферического обтекателя.

Работа координатора заключается в следующем. Оптическое излучение от источников, находящихся в поле зрения координатора, проходит через обтекатель (1), отражается от зеркал (10) и (12) и попадает в оптическую систему (13). Пройдя входной объектив (14) и систему (15) плоских зеркал, излучение спектрально делится на дихроичном зеркале (21), после чего попадает на матричные ФПУ (19) и (20). В фотоприемных устройствах (19) и (20) оптические сигналы преобразуются в электрические и после обработки в блоке (22) передаются в вычислительный блок (23). В блоке (23) в соответствии с алгоритмом определяется, является ли объект, обнаруженный в основном канале, истинным или ложным, выбирается один объект (если объектов несколько) и определяются его координаты на матрице.

Одновременно в вычислительный блок (23) поступают данные от датчиков (5) и (6) об углах поворота зеркала (10) относительно нулевого положения и от датчиков (7) и (8), определяющих величину угловой скорости линии визирования. В результате решается задача пространственного замыкания контура наведения и стабилизации по объекту, и формируются команды для блока (24) управления приводами, обеспечивающие получение изображения объекта в центре матрицы ФПУ (19). При этом спектральные диапазоны каналов подобраны таким образом, чтобы на матрице ФПУ (20) истинный объект не наблюдался.

По величине углового смещения линии визирования относительно нулевого положения оптической оси координатора блок (23) вычислений формирует сигнал поворота носителя в пространстве и выдает его на исполнительные устройства автопилота для реализации наведения на объект.

Предлагаемое изобретение позволяет создать компактный оптический координатор с увеличенным углом обзора, повышенной точностью определения координат объекта и более высокими динамическими характеристиками системы стабилизации.

Все элементы, используемые при создании предполагаемого изобретения, известны из уровня техники и не являются неизвестными для специалистов в данной области техники.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использования заявленного изобретения (устройства) следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение (устройство) при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в системах и устройствах для поиска, обнаружения и автосопровождения контрастных объектов естественного и искусственного происхождения в составе аппаратуры различных носителей с оптической головкой самонаведения (ГСН);

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно создание компактного координатора головки самонаведения, обеспечивающего увеличение угла обзора в передней полусфере, повышение точности определения координат объекта, уменьшение нагрузки на приводы подвеса и, как следствие, возможность получения более высоких динамических характеристик системы стабилизации оптической оси.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Источники информации

1. Патент RU 2160453 С2, МПК G01S 3/78, F42B 15/01, опубликован 10.12.2000 г, патент RU 2476826 С1, МПК G01C 23/00, F42B 15/01, опубликован 27.02.2013 г.;

2. Патент RU 2395108 С2, МПК G02B 26/10, опубликован 20.07.2010 г.

Координатор головки самонаведения содержит сферический обтекатель, карданов подвес, двигатели наведения и стабилизации, датчики угла, датчики угловой скорости. На внутренней раме подвеса установлено первое плоское зеркало. Точка пересечения оси вращения внутренней рамы и оси вращения внешней рамы подвеса совпадает с центром кривизны поверхностей сферического обтекателя. На неподвижной части координатора установлено второе плоское зеркало, связанное с фоточувствительными элементами. Технический результат заключается в увеличении угла обзора в передней полусфере ГСН, повышении точности определения координат объекта, уменьшении нагрузки на приводы подвеса и, как следствие, возможности получения более высоких динамических характеристик системы стабилизации оптической оси. 2 ил.

Координатор головки самонаведения, содержащий сферический обтекатель, карданов подвес, двигатели наведения и стабилизации, датчики угла, датчики угловой скорости, отличающийся тем, что на внутренней раме карданова подвеса установлено первое плоское зеркало, при этом ось вращения внутренней рамы карданова подвеса находится на отражающей поверхности этого зеркала, ось вращения внешней рамы карданова подвеса пересекается с осью вращения внутренней рамы карданова подвеса, и эта точка пересечения осей совпадает с центром кривизны поверхностей сферического обтекателя, а на неподвижной части координатора установлено второе плоское зеркало, связанное через оптическую систему с фоточувствительными элементами, при этом ось вращения внешней рамы карданова подвеса полностью совпадает с оптической осью координатора на участке между плоскими зеркалами.