Устройство определения параметров перемещения и размеров объектов Советский патент 1993 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для селекции и измерения параметров быстро- движущихся оптических объектов, в частности для определения координат, скорости, ускорения и угловых размеров пули в данный момент времени по исходящему от нее инфракрасному излучению, для определения координат, скорости, ускорения и угловых размеров летательнйго аппарата по исходящему от него отраженному излучению.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства, а именно селекция принимаемого сигнала, определение параметров в данный момент времени быстродвижущихся оптических объектов, в частности пули, летательного аппарата, путем повышения чувствительности устройства, увеличения его поля зрения, вплоть до обеспечения кругового обзора, и повышение разрешающей способности устройства.

00

к ел ю VI ел

На фиг. 1 приведена структурная блок- схема предлагаемого устройства; на фиг. 2

-его функциональная блок-схема; на фиг. 3

-схема его работы; на фиг. 4 - принцип действия волоконного кольцевого интерферометра; на фиг. 5 - оптическая маска; на фиг. 6 - схема работы оптической маски.

Устройство определения параметров движущихся оптических объектов содержит узкополосный оптический фильтр частот 1, волоконно-оптический преобразователь 2, селектор 3, оптическую маску 4, жгут свето- волокон 5, матрицу 6 фотоприемников, охлаждающее устройство 7, дешифратор 8.

Отличительными признаками являются: узкополосный оптический фильтр частот 1, селектор 3, оптическая маска 4, жгут све- товолокон 5, охлаждающее устройство 7, изменение конструктивной формы выполнения волоконно-оптического преобразователя 2,

Волоконно-оптический преобразователь 2 состоит из нескольких датчиков, разнесенных на заданное расстояние друг от друга и обеспечивающих круговой обзор, торец входной поверхности световолокон каждого датчика волоконно-оптического преобразователя 2 имеет сферическую форму, оптические оси входов любых двух соседних световолокон каждого датчика разделены одинаковыми угловыми промежутками.

Узкополосный оптический фильтр 1 частот выполнен сферической формы и кон- центрично расположен перед входной поверхностью световолокон каждого датчика волоконно-оптического преобразователя 2.

Селектор 3 состоит из N волоконных кольцевых интерферометров (по числу световолокон волоконно-оптического преобразователя 2), каждый из которых представляет собой разветвление волокна на две ветви (фиг. 4) и снова объединение их в одно световолокно, причем длины этих ветвей отличаются на заранее определенную величину AI, которая определяется из следующего соотношения:

Si Al

Vmln, С

Al(2k + 1)|

Но так как аппертура световолокна мала, ТО Si S, Vmln, Vmin,

тогда

81

Vmin

A С

Al(2k + 1)Ј

где Si - нормальная составляющая перемещения объекта через поле зрения одного

световолокна;

S - перемещение объекта через поле зрения одного световолокна;

Vminl - нормальная составляющая минимальной скорости движения объекта;

Vmin - минимальная скорость движения объекта;

С - скорость распространения излучения в световолокне;

Я-длина монохроматичной волны;

k - любое целое число.

Вход селектора 3 соединен с выходом волоконно-оптического преобразователя 2 так, что каждое световолокно волокно- оптического преобразователя 2 соединено

с соответствующим волоконным интерферометром селектора 3.

Оптическая маска 4 состоит из двух наложенных друг на друга дифракционных решеток со взаимно перпендикулярными

штрихами (см. фиг. 5) и расположена одной стороной перед выходными торцами интерферометров селектора 3.

Жгут 5 световолокон плоскостью входного торца соединен с другой стороной оптической маски 4, параллелен ей и отстоит от нее на заданное расстояние, причем ось входа каждого световолокна жгута 5 должна совпадать с осью соответствующего выхода интерферометра селектора 3 и проходить

через центр соответствующего просвета оптической маски 4, удаление плоскости вход- ных тор„цов жгута световолокон 5 от оптической маски 4 выбрано таким образом, чтобы телесный угол излучения с центром в

середине просвета оптической маски 4 охватывая лишь световолокно, соосно расположенное с данным просветом, два соседних световолокна, торцы которых лежат на одной горизонтали с торцом данного

световолокна и два соседних световолокна, торцы которых лежат в одной вертикали с торцом данного световолокна.

Матрица б фотоприемников входом соединена с выходом жгута 5 световолокон

так, чтобы каждый фотоприемник матрицы 6 был соединен с соответствующим светово- локном жгута 5. Охлаждающее устройство 7 подключено к матрице 6 фотоприемников. Дешифратор 8 соединен входом с выходами матрицы фотоприемников.

Устройство работает следующим образом.

На вход узкополосного оптического фильтра частот 1-поступает собственное тепловое или отраженное излучение данно- го оптического объекта (пули, летательного аппарата), находящегося в любой точке пространства на расстоянии R, не превышающем заранее установленного г и излучение от окружающих предметов, образующее фон. Эта часть пространства, ограниченная сферой данного радиуса г, образует зону видимости устройства, то есть пространство, в котором обнаруживаются и принимаются во внимание излучающие или отражающие объекты. Радиус зоны видимости определяется техническими характеристиками конструктивных элементов устройства как максимальное расстояние, на котором устройство способно воспри- нять и различить излучение от данного объекта. Узкополосный оптический фильтр частот 1 отражает частоты фона и пропускает диапазон частот, соответствующий максимуму кривой лучеиспускательной (минимальному значению поглощательной) способности данного оптического объекта.

На вход волоконно-оптического преобразователя 2 с выхода узкополосного оптического фильтра частот 1 поступает монохроматичное излучение, которое распространяется по световолокнам волоконно-оптического преобразователя 2. Волоконно-оптичеекий преобразователь 2 двумя своими датчиками (см. фиг. 3), рзспо- ложенными в точках М и К определяет координаты х, у, z объекта, расположенного в точке Р в данный момент времени по заданному расстоянию МК между датчиками и трем углам:

a L KMP.ft /L MKP,(p /. PMD

(точка D - проекция объекта на горизонтальную плоскость), которые рассчитываются по следующим формулам:

х R cos a | y R- sln2i

sin2 a -sin2/ z R

где R -;-7-гог расстояние от датчика, sin (а +р)

расположенного в точке М до объекта (точки Р).

Р).

Таким образом, торцы входных поверхностей Двух ДаТЧИКОВ ВОЛОКПннп-пптммег.кпобъекта (точки

орцы входных поверх- волоконно-оптическо5 10 1520 25

3035 40

45

50

го преобразователя 2 образуют матрицу, каждым двум микроэлементам которой соответствует одна элементарная точка пространства с координатами х, у, z

Монохроматическое излучение с выхода волоконно-оптического преобразователя 2 подается на вход селектора 3.

Селектор 3 производит селекцию принимаемого сигнала. Монохроматичное излучение, поступившее на вход селектора 3, распространяется дальше по волоконным кольцевым интерферометрам, соединенным со световолскнами датчиков волоконно-оптического преобразователя 2, входные торцы которых приняли излучение объекта. При этом если скорость движения какого- либо постороннего объекта меньше минимальной скорости движения данного объекта, в нашем случае пули или летательного аппарата, то есть, если время нахождения неизвестного объекта в зоне видимости одного свеюволокна больше установленного времени Т, равного разности фаз двух волн, прошедших одновременно по двум ветвям интерферометра, то эти две моно- хроматичные волны имеют один и тот же источник - неизвестный излучающий или отражающий объект. Поэтому, в результате их наложения имеет место явление интерференции, причем оптическая разность хода волн определялась из условия минимума (фиг. 4, ф-а(1)). Значит, волны взаимогасятся и с выхода интерферометра никакого сигнала не поступает. Если скорость движения какого-либо объекта в зоне видимости одного световолокна больше минимальной скорости движения данного объекта (пули, летательного аппарата), т.е. если время нахождения неизвестного объекта в зоне видимости этого волокна меньше г, то волны, прошедшие одновременно по двум ветвям интерферометра, имеют различные источники, следовательно, интерференция не имеет места, волны не гасятся, а значит, на выход этого интерферометра поступит сигнал - прошедшее излучение. Это излучение присутствует и на выходах всех соседних интерферометров, соединенных с теми све- товолокнами во/токонно-оптического преобразователя 2, которые приняли излучение от этого объекта. Таким образом, на выход се- лекторз 3 поступают сигналы только от объ- ектов, движущихся со скоростью, превышающей минимальную скорость движения данного объекта (пули, летательного аппарата), имеющих в своем спектре излучения диапазон волн, пропускаемых узкопо- лосным оптическим фильтром частот 1, образуя «а выходных торцах интерферометра селектора 3 светящуюся область.

Оптическая маска 4 выделяет контур этой области. Излучение из полученной светящейся области выхода селектора 3 подается на оптическую маску 4 (фиг, 5). Рассмотрим действие оптической маски 4 на примере одного из участков (фиг, 6), Оптическую маску 4 расположили так, чтобы центр каждого ее прозрачного участка лежал на оптической оси выхода соответствующего интерферометра. Тогда на определенном расстоянии ВО за оптической маской на оси m выхода одного из интерферометров, в точке О, при наличии излучения на выходе данного интерферометра в результате дифракции волн этого излучения расположен центр области тени (фиг. 6, а), точка В - центр данного прозрачного участка оптической маски 4. При подаче излучения на соседний прозрачный участок с центром в точке С, лежащий на одной вертикали или на одной горизонтали оптической маски 4 с данным участком, в результате дифракции волн, проходящих через этот участок, в участке с центром в точке О расположена область света (фиг. 6, б), то есть участок, в котором присутствует подаваемое излучение. При подаче излучения на соседний прозрачный участок оптической маски 4 с центром в точке А, симметричный участку с центром в точке С оптической ма- ски 4 относительно оси т, в результате дифракции волн излучения, проходящих через прозрачные участки с центром в точках А, В, С и интерференции волн, проходящих через прозрачные участки с центрами в точках А и С, выбрав 0В мз условия минимума, в точке О расположен центр области тени (фиг. 6, в). Случай, представленный на фиг. 6, б со- ответствуетусловию расположения данного прозрачного участка с центром в точке В оптической маски 4 напротив крап светящейся области выхода селектора 3. Случай, представленный на фиг. 6, в соответствует условию расположения данного прозрачного участка с центром в точке В напротив любой внутренней точки светящейся области выхода селектора 3.

Жгут световолокон 5 принимает излучение, пропущенное оптической маской 4 и передает его на матрицу фотоприемни- ков 6, причем входные торцы световолокон жгута 5 должны быть расположены на заданном расстоянии от оптической маски 4 так, чтобы сформирозанная оптической маской 4 картина распределения излуче- ни.я лежала в плоскости входных торцов жгута световолокон 5, Это расстояние определяется из следующих условий минимумов (фиг. 6);

ОА ОС

)

0В- 2п+1)

илиОА ОС

0В ( 2 k + 1 ) 2 п + 1

(3)

где А - длина волны проходящего излучения:

k. n - любые целые числа.

Матрица фотоприемников б преобразует излучение, переданное жгутом светово- яокон 5 в электрические сигналы, которые подаются на дешифратор 8.

Охлаждающее устройство 7 охлаждает фотоприемники матрицы 6.

Дешифратор 8 преобразует электрические сигналы, полученные от фотоприемников матрицы 5 в цифровые двоичные коды, соответствующие данным фотоприемникам.

Изменение конструктивной формы выполнения входной поверхности волоконно- оптического преобразователя обеспечивает круговой обзор, повышает разрешающую способность устройства.

Исключение из схемы дискриминаторов, в результате чего выделяются не только сигналы с максимальными порядковыми номерами, а все сигналы вообще позволяет получить информацию об угловых размерах оптического объекта с целью его дальнейшей классификации. При этом возможное увеличение обрабатываемой информации, грозяа ее снижением быстродействия устройства, исключается введением оптической маски, которая увеличивает быстродействие устройства. Оптическая маска выделяет контур засвечиваемого участка, что позволяет определять угловые размеры объекта и сводит к минимуму объем обрабатываемой информации.

Введение селектора позволяет выделять данный оптический объект из общего фона излучения.

Введение узкополосного оптического фильтра частот, пропускающего только излучение диапазона, соответствующего максимуму кривой лучеиспускательной спос9бности или минимальному значению кривой поглощательной способности, позволяет производить частичную селекцию сигнала на основе спектрального анализа оптических объектов и делает возможным работу селектора, создавая монохроматич- ное когерентное излучение.

Таким образом, устройство получило новую функцию - избирательное обнаружение объектов на основе селекции и спектрального анализа принимаемого излучения.

Введение охлаждающего устройства повышает чувствительность фотоприемников.

В результате введения всех в совокупности отличительных признаков устройство получило возможность производить селек- цию сигнала, определять параметры движущихся оптических объектов, например пули, летательного аппарата, их координаты, скорость, ускорение в данный момент времени, угловые размеры и производные от них ве- личины.

Формула изобретения

1. Устройство определения параметров перемещения и размеров объектов, содержащее волоконно-оптический преобразова- тель с жгутом световодов, матрицу фотоприемников и дешифратор, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения и повышения производительности устройства при селекции и ол- ределения параметров быстродвижущихся оптических объектов, оно снабжено узкополосным оптическим фильтром из М элементов и селектором, волоконно-оптический преобразователь выполнен в виде М датчи-

ков, равномерно располагаемых на объекте с зазором между двумя соседними датчиками, равным базе измерения, выход каж дого из М элементов фильтра сопряжен г поверхностью входных торцов световоло кон соответствующего датчик, . оптического преобразователя, вход селектора соединен с выходом вол.жоьно оптического преобразователя, а выход связан с жгутом световодов, выходной юрец которого сопряжен с матрицей фотоприем

НИКОВ,

2.Устройство по п, 1, о т л м ч а ю щ 8 е с я тем., что, с целью повышения мативности. тооец входной поверхности световолокон каждого датчика волоконно оптического преобразователи имеет сфери ческую форму, а оптические оси входов двух соседних световолокон разделены идинако выми угловыми прс межутками.

3.Устройство по п.1,отличающее с я тем, что, с цепью увеличения быстродей ствия, оно снабжено оптической маской, ус тановленной между выходом селектора и входом световолокон.,

4.Устройство по п. 1, отличаю щ е е- с я тем, что, с целью повышения чувствительности, оно снабжено охлаждающие блоком, соединенным с матрицей фстопри емников.

Изобретение может быть использовано для селекции и измерения параметров быс- тродвижущихся оптических объектов, в частности для определения координат, скорости, ускорения и угловых размеров пули в данный момент времени по исходящему от нее инфракрасному излучению, параметров летательного аппарата по исходящему от него отраженному излучению. Цель изобретения - повышение чувствительности устройства, увеличение его поля зрения, вплоть до обеспечения кругового обзора, повышение его разрешающей способности за счет выполнения входной поверхности волоконно-оптического преобразователя сферической формы, причем входные апертуры любых двух соседних световолокон волоконно-оптического преобразователя не пересекаются, а также за счет введения узкополосного оптического фильтра частот, селектора, оптической маски, жгута световолокон, охлаждающего блока. Выход оптического фильтра частот соединен с входом волоконно-оптического преобразователя, а выход последнего - с входом селектора, выход которого соединен с входом оптической маски. Вход жгута световолокон соединен с выходом оптической маски, а его выход - с входом матрицы фотоприемников, выход которой соединен с дешифратором, Охлаждающее устройство подключено к матрице фотоприемников. 3 з.п. ф-лы, 6 ил. (Л С

Фиг.1

6

J5,x

tbtSL

Y

T i/Z.J

Щ

vl

к

ш, .

о)

т

-J liJ

/

Фиг 4

с, г /j

S)

«)

т

/

/ 1

„ L „ / - --А „.