Цифровой регистратор углового смещения света в атмосфере Советский патент 1984 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к атмосферной оптике, в частности к фотоэлектрическим измерительным устройствам, и может быть использовано при изучении распространения света в атмосфере (в геофизике, геодезии) при определении координат излучающих объектов.

Известны фотоэлектрические устройства, предназначенные для измерения угловых смещений света в атмосфере содержащие источник светового излучения, клиновый компаратор, приемный объектив, анализатор положения светового пучка, узел компенсации углового отклонения Cl3Известные устройства не обладают достаточной точностью, так как при длительных (например, суточных) измерениях в атмосфере изменение прозрачности среды может привести к перепадам интенсивности зондирующего светового потока на. два порядка и более, при этом составляющая помехи в сигнале значительно превосходит по величине полезный сигнал, несущий информацию об угловом смещении света. Погрешность вносит и нестабильность интенсивности на выходе источника излучения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является цифровой регистратор угловых смещений света в атмосфере, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник света, клиновый компенсатор, приемный объектив и координатный фотоприемник, узел компенсации флуктуации интенсивности, узел компенсации углового отклонения , один выход которого подключен к регистрирующему прибору, а второй выход - к клиновому компенсатору 2 Диапазон линейности авторегулировакия в такого рода усилителях не превосходит величину в один порядок в то время как реальные перепады интенсивности могут составлять три порядка. Это приводит ктому, что значительные перепады интенсивности света воспринимаются устройством как угловые смещения, т.е. как полезный сигнал. Помеха становится неконтролируемой. Низка и помехоустойчивость аналоговых усилителей с автоматической регулировкой усиления (АРУ), что в свою очередь снижает точность измерения угловых смещений света.

Применение аналоговой схемы измерения случайной составляющей рефлекции света и аналогового усилителя с АРУ не только приводит к неконтролируемой погрешности при измерениях но и значительно усложняет конструкцию устройства, что снижает его надежность. Кроме того, в процессе

работы требуется частая и тщательная калибровка уровня отрицательной обратной связи усилителя с АРУ, что также снижает надежность измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерений и повышение надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровом регистраторе углового смещения света в атмосфере, содержащем последовательно расположенные на оптической оси источник света, клиновый компенсатор, приемны объектив и координатный фотоприемник, узел компенсации флуктуации интенсивности, узел компенсации углового отклонения, один выход которого подключен к регистрирующему прибору, а другой - к клиновому компенсатору, узел компенсации флуктуации интенсивности выполнен в виде двух компараторов, двух масштабных усилителей и инвертора, причем опорный выход координатного фотоприемника соединен с входом первого масштабного усилителя и через инвертор с входом второго масштабного усилителя, выходы масштабных усилителей соединены с первыми входами соответствующих компараторов, вторые входы которых соединены с координатным выходом координатного фотоприемника, а выходы компараторов - с соответствующими входами узла комь- нсации углового отклонения.

Угловые смещения света в атмосфере измеряются по смещению фокального изображения источника света по чувствительной площадке координатного фотоприемника.

На чертеже показана блок-схема цифрового регистратора угловых смещений света в атмосфере, поясняющая структуру одного из двух идентичных каналов, например канала измеряющего смещение по координате X .

Устройство содержит последователь.но расположенные на оптической оси источник 1 света, клиновый компенсатор 2 , приемный объектив 3 и координатный фотоприемник 4, узел 5 компенсации флуктуации интенсивности,.узел б компенсации углового отклонения, один выход которого подключен к регистрирующему прибору 7, а второй |выход - к клиновому компенсатору 2, причем узел компенсации флуктуации интенсивности 5 выполнен в виде двух компараторов 8 и 9, двух масштабных усилителей 10 и 11 и инвертора 12. Опорный выход координатного фотоприемника 4 соединен с входом первого масштабного усилителя 10 и через инвертор 12 с входом второго масштабного усилителя 11, выходы масштабных усилителей 10 и 11 соединены с первыми входами соответствующих компараторов 8 и 9, вторые входы которых соединены с координатным выходом координатного фотоприемника 4, а выходы компараторов 8 и 9 соединены с соответствующими входами узла 6 компенсации углового отклонения, который, например, может быть выполнен в виде схемы 13 управления, выход которой соединен с входами шагового двигателя 14, соединенного с клиновым компенсатором 2, и схемы 15 счета числа дискретов, выход которой соединен с регистрирующим прибором 7. Координатный фотоприемник 4 может быть выполнен, например, в виде детектора 16, трех сумматоров 17-19 и дифференциального усилителя 20, выход которого является координатным выходом координатного фотоприемника 4, опорным выходом которого является выход первого сумматора 17, входы которого соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 20 и выходами других сумматоров 18 и 19 входы которых соединены с выходами детектора 16, например четырехквадрантного.

Устройство работает следующим образом.

Пучок света, проходя от источника 1 излучения через клиновый компенсатор 2 и приемный объектив 3, поступает в координатный фотоприемник 4, находящийся в фокальной плоскости приемного объектива 3. При наличии некоторого углового смещеНИН центра тяжести светового пятна относительно геометрического центра детектора 16 на выходах сумматоров 1 и 19 будут действовать разные по величине сигналы Uj,(,2,a на выходе дифференциального усилителя 20 (координатный выход - - сигнал разности этих напряжений 11 4U|, где dU - напряжение, линейно зависящее от углового смещения пятна ft - коэффициент, 5 вязанный с . флуктуацией интенсивности пятна. Зна ди зависит от положения центра тяжести светового пятна относительно нулевой координаты.

Сумматор 17 предназначен для получения опорного сигнала U gf,U(. + /iU , где U - величина опорного сигнала при отсутствии флуктуации интенсивности. Опорный сигнал зависит только от флуктуации интенсивности и не зависит от углового смещения пятна.

Сигналы с обоих выходов координатного фотоприемника 4 поступают в узел 5 компенсации флуктуации интенсивности. Опорный сигнал преобразуется инвертором 12 и масштабными усилителями 10 и 11 в два симметричных относительно нуля пороговых напряжения

/i 5: п2

-m-iJ-Uj;-, где m - коэффициент переда масштабных усилителей 10 и 11.

Компараторы 8 и 9 осуществляют сравнение разностного напряжения лис /зл и , действующего на координаном выходе с пороговыми напряжениям Uni и Uf,2. В связи с тем, что в каждой паре сравниваемых сигналов на входах компараторов 8 и 9 содержитс синфазная составляющая, обусловленная флуктуацией коэффициента интенсивности /3 , то компараторы 8 и 9 оказываются к ней не чувствительными, реагируя лишь на дифференциальный сигнал

U m./j -Uj- - .Д U. /3(m-U5-- uU)

Из формулы (1) видно, что компаратор изменяет свое состояние в

момент, когда макс jДля повышения точности удержания светового пятна в рабочей зоне дететора 16 значения пороговых напряжений должны быть не менее величины напряжения ди, образующегося на выходе дифференциального усилителя 20 при повороте клинового компенсатора 2 на один дискрет, т,е, ли , д В этом случае при наличии регулярной составляющей углового отклонения центр тяжести пятна после каждого дискрета клинового компенсатора 2 будет возвращаться в область рабочей зоны детектора 16 .

Необходимое пороговое напряжение устанавливается соответствующим выбором коэффициента передачи m масштабных усилителей 10 и 11 m AU,o,Kc/UonТак как значения ли . и постоянны, то коэффициент передачки устанавливается один раз и в процессе работы дополнительной калибровки не требуется.

Таким образом, при появлении регулярной составляющей углового отклонения светового пучка и выходе центра пучка за пределы рабочей зоны, один из компараторов 8 и 9 (в зависимости от направления отклонения светового пятна) изменит свое состояние. В этом случае схема 13 управления начнет выдавать на шаговый двигатель 14 управляюпше сигналы. При этом шаговый двигатель 14 с помощБЮ клинового компенсатора 2 осуществляет компенсацию углового отклонения пучка, заставляя последни вернуться в область рабочей зоны фотодетектора.

Количество тактов, выработанных схемой 13 управления и посчитанных схемой 15 вчета числа дискретов характеризует в цифровом виде величину смещения центра тяжести изображения источника излучения по площадке детектора .16. Цифровая информация поступает на регистрирующий прибор 7. В регистрирующем приборе осуществляется вычисление углового смещения светового пучка в атмосфер по формуле :у 2 -Ic-otCS - 1) -sinNV, где у- угол смещения; It- число шагов; ot - угол при вершине клинового компенсатора,- п - показатель прелом ления N - коэффициент передачи редуктора (не показан) между шаговы двигателем и клиновым компенсатором Я - угловая величина шага газового двигателя. Например, при oL 5 ; 1/ 3°) 1,5; N 0,01 угловое смещение составляет 0,18 , а диапазон до 300 , причем точность измерения 0,18 сохраняется постоянной во всем диапазоне измерений. Реальные угловые смещения в атмосфере не превышают величину 300.. Изобретение позволяет полностью компенсировать погрешность измерений, возникающую за счет флуктуации интенсивности света, и увеличить надежность измерений за счет совмещения измёрительнь5х каналов случайной и регулярной составляющих рефракции в одном канале, выполненном в основном на элементах, работающих в релейном режиме.

ЦИФРОВОЙ РЕГИСТРАТОР УГЛОВОГО СМЕЩЕНИЯ СВЕТА В АТМОСФЕРЕ, содерЖс1щий последователвно расположенные на оптической оси источник света, клиновый компенсатор, приемный объектив и координатный фотоприемник, узел компенсации флуктуации интенсивности, узел компенсации углового отклонения. один выход которого подключен к per Еистрирующему прибору, а другой - к клиновому компенсатору, о т /Г и ч аю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений и повышения надежности устройства, узел компенсации флуктуации интенсивности выполнен в виде двух компараторов, двух масштабных усилителей и инвертора, причем опорный выход координатного фотоприемника соединен с входом первого масштабного усилителя и через инвертор с входом второго масштабного усилителя, выходы масштабных усилителей соединены с первыми входами компараторов, вторые входы „ Ш которых соединены с координатным выходом координатного фотоприемника, а выходы компараторов - с соответствующими входами узда компенсации углового отклонения. ч Об ND СХ) Ф