ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА Советский патент 2015 года по МПК G01S17/00 

Предлагаемое изобретение относится к областям пеленгационных средств и приборов управления и может быть использовано в системах, работающих в инфракрасной области спектра в активном режиме работы.

Любая оптико-электронная система, работающая в активном режиме, содержит в себе приемный и передающий каналы. Приемный канал содержит, как правило, объектив, оптический узел, приемник лучистой энергии и систему обработки информации, передающий канал-источник излучения, оптический узел и телескопическую систему.

В аналогах и прототипе не будем рассматривать приемные каналы, поскольку они не касаются предмета изобретения. Рассмотрим только один аналог приемного устройства, с которым будет стыковаться предлагаемый передающий канал.

В оптической системе сопровождения /см. Великобритания, акц. заявка №1343351/ луч лазера преобразуется в ″веерный″ луч с помощью цилиндрического рефлектора. С цилиндрического рефлектора веерный луч отражается на первый барабан, который вращается вокруг оси, лежащей в плоскости веерного луча. Каждая грань барабана состоит из прозрачной и непрозрачной частей. Непрозрачная часть грани покрыта серебром и представляет собой зеркало для излучения лазера. Непрозрачной частью грани веерный луч сканируется в одном направлении, причем плоскость луча перпендикулярна направлению сканирования. Когда веерный луч попадает на прозрачную часть грани, то он проходит внутрь барабана и там отражается зеркалом вдоль его оси. Луч, отраженный зеркалом в первом барабане, попадает на идентичный второй барабан, который вращается вокруг оси, перпендикулярной оси первого барабана. Таким образом, площадь объектов сканируется веерными лучами поочередно в ортогональных направлениях.

Недостатками данного устройства являются довольно сложная оптическая система, сложная система синхронизации между вращающимися барабанами, для создания телевизионного растра требуются большие частоты вращения барабанов, синусоидальность развертки по строкам и кадрам.

В приемный канал /см. фиг. 1/, с которым стыкуется предлагаемое передающее устройство, входят объектив 1, сканирующее устройство 2, содержащее сканирующую рамку 3, толкатель 4 и кулачок 5, редуктор 6, исполнительный электродвигатель 7, цилиндрическая линза 8, линейный многоэлементный приемник лучистой энергии 9 с блоками питания 10, две группы линий задержек 11 и 12, электронные ключи 13, усилитель 14, синхронизатор 15, видеоконтрольное устройство 16, счетно-решающее устройство 17, датчик угла поворота 18 и пружина 19.

Сканирующая рамка 3 /см. фиг. 2/ представляет собой прямоугольную непрозрачную тонкую пластину 20, в которой имеются узкие вертикальные щели 21. Высота щелей 21 и расстояние между ними равны соответственно размерам анализируемого кадра 22. Пластина 20 расположена в фокальной плоскости объектива 1. На минимально возможном расстоянии от пластины 20 расположена цилиндрическая линза 8, оптически связанная с приемником 9.

Сигнальные выходы элементов приемника /см. Фиг. 1/ /кроме первого, который соединен непосредственно/ через первую группу линий задержек 11 и электронные ключи 13 связаны со входом усилителя 14, выход которого соединен с первыми входами видеоконтрольного устройства 16 и счетно-решающего устройства 17. Второй и третий входы видеоконтрольного устройства 16 соответственно соединены с первым и вторым выходами синхронизатора 15, третий выход которого соединен с питающими входами блоков питания 10 элементов приемника 9, через вторую группу линий задержек 12 с управляющими входами электронных ключей 13, со вторым входом счетно-решающего устройства 17. Датчик угла поворота 18 соединен с редуктором 6, а его выход подключен к третьему входу счетно-решающего устройства 17 и четвертому входу видеоконтрольного устройства 16.

Кулачок /см. фиг. 3/ представляет собой дисковый кулачок, т.е. он внешний, плоский. Он с двух сторон относительно оси Х на 135° очерчен по архимедовой спирали /участки С₁А и С₂Б/, а между точками А и Б - прямой АБ. Заостренный толкатель 4 жестко соединен со сканирующей рамкой 3, которая соединена с пружиной 19.

Работает устройство следующим образом /см. фиг. 2/. Объектив 1 в своей фокальной плоскости формирует тепловую картину исследуемого участка пространства, которая определена размерами анализируемого кадра 22. Исполнительный электродвигатель 7 при помощи редуктора 6 вращает кулачок 5, который при помощи толкателя 4 перемещает прямолинейно сканирующую рамку 3. Пружина 19 поджимает сканирующую рамку 3 к кулачку 5. При вращении кулачка 5 сканирующая рамка 3 будет перемещаться по оси Х декартовой системы координат. Ее щели 21 будут последовательно проходить анализируемый кадр 22. Одна щель выходит из кадра, другая входит в него. Количество щелей 21 в сканирующей рамке 3 определяется рабочим ходом кулачка 5 и шириной анализируемого кадра 22. Поскольку кулачок 5 очерчен по архимедовой спирали, то щели 21 имеют постоянную скорость при прохождении анализируемого кадра 22.

Строки теплового изображения /см. фиг. 1/ при помощи цилиндрической линзы 8 поступают на приемник 9, элементы которого вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные величине поступающего потока излучения. Электрические сигналы с элементов приемника 9, проходя первую группу линий задержек 11 и электронные ключи 13, через усилитель 14 поступают на первые входы видеоконтрольного устройства 16 и счетно-решающего устройства 17. С третьего выхода синхронизатора 15 поступают импульсы включения блоков питания 10, формирующие строки изображения анализируемого кадра 22. Эти же импульсы через вторую группу линий задержек 12 поступают на управляющие входы электронных ключей 13, а также на второй вход счетно-решающего устройства 17. Вторая группа линий задержек 12 и электронные ключи 13 служат для того, чтобы в каждый данный момент времени к усилителю 14 подключался только один элемент приемника 9. С первого и второго выходов синхронизатора 15 на второй и третий входы видеоконтрольного устройства 16 поступают импульсы синхронизации по строкам и кадрам. С датчика угла поворота 18 на третий вход счетно-решающего устройства и на первый вход синхронизатора поступают импульсы с преобразователя типа вал-код.

На экране видеоконтрольного устройства 16 формируется визуальная тепловая картина анализируемого кадра 22 с более яркими точечными источниками излучения. Счетно-решающее устройство 17 выдает декартовые координаты этих источников излучения.

Недостатком данного устройства является то, что оно не обнаруживает в инфракрасном диапазоне волн излучения не излучающих или слабо излучающих объектов.

В устройстве, которое принято за прототип, оптический узел выполнен из сканирующей призмы строчной развертки и сканирующего зеркала кадровой развертки. На валу сканирующего зеркала размещен потенциометрический датчик, выдающий пилообразное напряжение на отклоняющую систему передающей трубки. В устройстве имеются датчики начала и конца строк и кадров, выполненные на лампочках накаливания и фотодиодах.

Недостатки прототипа аналогичны недостаткам первого аналога, поскольку их передающие каналы почти идентичны, а именно:

- синусоидальность развертки по строкам и кадрам дает неравномерность подсвета в пространстве объектов, что сказывается на чувствительности, разрешении и качестве изображения приемного канала;

- при больших углах поля зрения устройства призма строчной развертки имеет большие габариты;

- довольно сложная синхронизация между сканирующими элементами по строкам и кадрам;

- для создания телевизионного растра требуется большая скорость вращения призмы строчной развертки.

Цель предлагаемого изобретения - повышение чувствительности устройства с одновременным улучшением разрешения и качества изображения.

Поставленная цель достигается за счет того, что в системе, состоящей из приемного и передающего каналов, содержащей в приемном канале последовательно установленные на одной оптической оси объектив, сканирующее устройство с редуктором и исполнительным электродвигателем, расположенное в фокальной плоскости объектива, однокоординатный конденсатор, линейный многоэлементный приемник лучистой энергии /ЛМПЛЭ/, видеоконтрольное устройство /ВКУ/, счетно-решающее устройство /СРУ/, датчик угла поворота /ДУП/, синхронизатор и систему обработки информации /СОИ/, выход которой соединен с первыми входами ВКУ и СРУ, а второй и третий выходы ВКУ соединены с первым и вторым выходами синхронизатора, третий выход которого подключен ко входу СОИ и второму входу СРУ, причем сканирующее устройство выполнено в виде прямоугольной непрозрачной пластины, в которой имеются вертикальные щели, высота которых и расстояние между ними равны соответственно высоте и ширине анализируемого кадра, при этом пластина с одной стороны соединена с пружиной, а с другой - через толкатель соединена с кулачком, который с двух сторон относительно оси Х декартовой системы координат с 45° до 180° выполнен по архимедовой спирали, а промежуток между 45° и -45° в виде прямой, причем однокоординатный конденсатор, оптически соединенный с ЛМПЛЭ, расположен на минимально возможном расстоянии от пластины и перекрывает анализируемый кадр, причем размер его по высоте равен длине ЛМПЛЭ, по ширине - ширине анализируемого кадра, а ДУП входом соединен с редуктором, а выходом подключен к третьему входу СРУ и первому входу синхронизатора, а в передающем канале - последовательно установленные на одной оптической оси источник излучения, например лазер, оптический узел, состоящий из цилиндрической линзы, сканирующего устройства и переотражающего зеркала, и телескопическая система, при этом оптические оси приемного и передающего каналов параллельны, сканирующее устройство передающего канала выполнено из двух полудисков, расположенных симметрично относительно оси декартовой системы координат, причем на одном полудиске выполнены N внешних дисковых кулачков, а на другом - N внутренних дисковых кулачков, при этом контуры внешних и внутренних кулачков выполнены по участку спирали Архимеда, причем внешние и внутренние кулачки механически соединены с рычагом, на другом конце которого расположено сканирующее зеркало, при этом к рычагу подсоединены две пружины, расположенные по радиусу вращения полудисков и направленные навстречу друг другу, причем другие концы пружин подсоединены к штокам двух электромагнитов, сигнальные входы которых подсоединены к узлу последовательного включения электромагнитов, который, в свою очередь, подключен к датчику угловых положений, причем сканирующее устройство механически подсоединено к редуктору приемного канала.

Предлагаемая оптико-электронная система существенно отличается по своим функциональным возможностям по сравнению с известными устройствами подобного типа. По сравнению с ними она дает подсветку по линейному закону в пространстве объектов, что повышает чувствительность устройства в целом с одновременным повышением разрешения и качества изображения.

За счет такого построения системы довольно просто создается телевизионный растр. Система синхронизации упрощает устройство.

Данное техническое решение отличается от всех существующих новой совокупностью признаков, которые взаимосвязаны между собой, необходимы и достаточны для обеспечения поставленной задачи. На основании изложенного, заявляемое техническое решение соответствует критерию ″существенные отличия″.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - оптическая схема, на фиг. 3 - сканирующий кулачок приемного канала, на фиг. 4 - сканирующее устройство передающего канала, на фиг. 5 - его разрез, на фиг. 6 и 7 - электронные схемы.

В состав приемного канала предлагаемого устройства /см. фиг. 1/ входит приемный объектив 1, сканирующее устройство 2, содержащее сканирующую рамку 3, толкатель 4 и кулачок 5, редуктор 6, исполнительный электродвигатель 7, цилиндрическая линза 8, ЛМПЛЭ 9 с блоками питания 10, две группы линий задержек 11 и 12 электронные ключи 13, усилитель 14, синхронизатор 15, ВКУ 16, СРУ 17, ДУП 18 и пружина 19.

Сканирующая рамка 3 /см. фиг. 2/ представляет собой прямоугольную непрозрачную тонкую пластину 20, в которой имеются узкие вертикальные щели 21. Высота щелей 21 и расстояние между ними равны соответственно размерам анализируемого кадра 22. Пластина расположена в фокальной плоскости объектива 1. На минимально возможном расстоянии от пластины 20 расположена цилиндрическая линза 8, оптически связанная с приемником 9. Сигнальные выходы элементов /см. Фиг. 1/ приемника 9 /кроме первого, который соединен непосредственно/ через первую группу линий задержек 11 и электронные ключи 13 связаны со входом усилителя 14, выход которого соединен с первыми входами ВКУ и СРУ 17. Второй и третий входы ВКУ соответственно соединены с первым и вторым выходами синхронизатора 15, третий выход которого соединен с питающими входами блоков питания 10 элементов приемника 9, через вторую группу линий задержек 12 с управляющими входами электронных ключей 13, со вторым входом СРУ 17. ДУП 18 соединен с редуктором 6, а его выход подключен к третьему входу СРУ 17 и четвертому входу ВКУ 16.

Кулачок 15 /см. фиг. 3/ представляет собой дисковый кулачок, т.е. он внешний, плоский. Он с двух сторон относительно оси Х на 135° очерчен по архимедовой спирали /участки С₁А и С₂Б/, а между точками А и Б - прямой АБ. Заостренный толкатель 4 жестко соединен со сканирующей рамкой 3, которая соединена с пружиной 19.

В состав передающего канала предлагаемого устройства /см. фиг. 1/ входят последовательно установленные на одной оптической оси источник излучения 23, цилиндрическая линза 24, зеркало 25 сканирующего устройства 26, переотражающее зеркало 27 и телескопическая система 28. Сканирующее устройство 26 /см. фиг. 4/ состоит из двух полудисков 29 и 30, расположенных симметрично относительно оси декартовой системы координат. На полудиске 29 выполнены N внешних дисковых кулачков 31, а на полудиске 30 - N внутренних дисковых кулачков 32. Контуры кулачков 31 и 32 выполнены по участку спирали Архимеда кулачка 5 приемного канала. Кулачки 31 и 32 механически соединены с рычагом 33, на другом конце которого расположено зеркало 25. К рычагу 33 подсоединены две пружины 34 и 35, расположенные по радиусу вращения полудисков 29 и 30. Другие концы пружины 34 и 35 направлены навстречу друг другу и подсоединены к штокам двух электромагнитов 36 и 37. Сигнальные концы электромагнитов 36 и 37 подсоединены к узлу последовательного включения электромагнитов 38, который, в свою очередь, подключен к датчику угловых положений 18 приемного канала. Оптическая ось передающего канала параллельна оптической оси приемного канала. Сканирующие устройства 26 и 5 находятся на одной оси вращения.

Работает устройство следующим образом /см. фиг. 2/. Объектив 1 в своей фокальной плоскости формирует картину исследуемого участка пространства, которая определена размерами анализируемого кадра 22. Исполнительный электродвигатель 7 при помощи редуктора 6 вращает кулачок 5, который при помощи толкателя 4 перемещает прямолинейно сканирующую рамку 3. Пружина 19 поджимает сканирующую рамку 3 к кулачку 5. При вращении кулачка 5 сканирующая рамка 3 будет перемещаться по оси Х декартовой системы координат. Ее щели 21 будут последовательно проходить анализируемый кадр 22. Одна щель выходит из кадра, другая входит в него. Количество щелей 21 в сканирующей рамке 3 определяется рабочим ходом кулачка 5 /отрезок С₃Д/ и шириной анализируемого кадра 22.

Поскольку кулачок 5 очерчен по архимедовой спирали, то щели 21 имеют постоянную скорость при прохождении анализируемого кадра 22.

Строки изображения /см. фиг. 1/ при помощи цилиндрической линзы 8 поступают на ЛМПЛЭ 9, элементы которого вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные величине поступающего потока излучения. Электрические сигналы с элементов ЛМПЛЭ 9, проходя первую группу линий задержек 11 и электронные ключи 13, через усилитель 14 поступают на первые входы ВКУ 16 и счетно-решающего устройства 17. С третьего выхода синхронизатора 15 поступают импульсы включения блоков питания 10, формирующие строки изображения анализируемого кадра 22. Эти же импульсы через вторую группу линий задержек 12 поступают на управляющие входы электронных ключей 13, а также на второй вход счетно-решающего устройства 17. Вторая группа линий задержек 12 и электронные ключи 13 служат для того, чтобы в каждый данный момент времени к усилителю 14 подключался только один элемент ЛМПЛЭ 9. С первого и второго выходов синхронизатора 15 на второй и третий входы ВКУ 16 поступают импульсы синхронизации по строкам и кадрам. С датчика угла поворота 18 на третий вход счетно-решающего устройства и на первый вход синхронизатора поступают импульсы.

На экране ВКУ 16 формируется визуальная картина анализируемого кадра 22 с наблюдаемыми объектами, подсвеченными излучением передающего канала.

Передающий канал работает следующим образом /см. фиг. 1 и 2/. Излучение от источника излучения 23 поступает через цилиндрическую линзу 24 на сканирующее зеркало 25 сканирующего устройства 26, а с него через переотражающее зеркало 27 на телескопическую систему 28, с которой излучение поступает в пространство подсвета объектов. Сканирующее устройство 26 /см. фиг. 4/ выполнено из двух полудисков 29 и 30, расположенным симметрично относительно оси декартовой системы координат. На полудиске 29 выполнены N внешних дисковых кулачков, а на полудиске 30 - N внутренних дисковых кулачков. Контуры полудисков выполнены по участку спирали Архимеда /см. фиг. 3, например, участок между точками 3-его и 4-го кадров/. Можно контуры кулачков выполнить и по любому другому участку спирали Архимеда кулачка 5. В точке А₁ /см. фиг. 5/ рычаг 33 поджимается к полудиску 29 пружиной 34, которая подсоединена к штоку электромагнита 36. В точке Б₁ рычаг 33 прижимается к полудиску 30 пружиной 35, которая подсоединена к штоку электромагнита 37. Сигнальные входы электромагнитов 36 и 37 подсоединены к узлу последовательного включения электромагнитов, на который поступают коды точек А₁ и Б₁ от датчика угловых положений 18. В узле последовательного включения электромагнитов 38 коды точек А₁ и Б₁ от датчика угловых положений 18 идентифицируются с такими же кодами, заложенными в памяти узла 38, в результате чего подается соответствующая команда на включение того или иного электромагнита.

Таким образом, при вращении сканирующего устройства 26 первый внешний дисковый кулачок 31 перемещает сканирующее зеркало 25 справа налево синхронно с перемещением первой щели 21 сканирующей рамки 3, второй - с перемещением 2-ой щели и т.д. В конце каждого кадра сканирующее зеркало 25 возвращается в исходное положение /правый край кадра 22/. Первый внутренний дисковый кулачок 32 перемещает сканирующее зеркало 25 слева направо синхронно с перемещением последней щели 21 сканирующей рамки 3, второй - с перемещением предпоследней щели и т.д. В конце каждого кадра сканирующее зеркало 25 возвращается в исходное положение /левый край кадра 22/. В результате этого происходит синхронный подсвет и прием сигналов справа налево N раз и слева направо N раз за один оборот сканирующего устройства 26 по линейному закону подсвета пространства и приема отраженных сигналов от целей.

Предлагаемое передающее сканирующее устройство дает подсветку в пространстве объектов по линейному закону, что повышает чувствительность устройства с одновременным улучшением разрешения и качества изображения.

На фиг. 6 и 7 показана электрическая схема прижатия рычага 33 к точке А₁, расположенной на полудиске 29 /см. фиг. 5/. С точки А₁ от датчика угловых положений 18 на Д1, Д2, Д3 поступает код, соответствующий этой точке. Такой же код на Д1, Д2, Д3 постоянно поступает от опорного устройства 39. В момент их совпадения на Д7.2 формируется короткий отрицательный импульс, который запускает схему растяжки этого импульса Д8 до времени равного времени поворота полудиска 29 на 180°. Этот импульс поступает на ключ /2Т312, 2Т630/, который на время импульса подает напряжение ±27 в на реле РЭН 35. При подаче на реле РЭН 35 напряжения ±27 В его контакты 12 и 22 замыкаются соответственно с 13 и 23 и на электромагнит 36 подается напряжение ±27 В. В этот момент шток этого электромагнита через пружину 34 поджимает рычаг 33 к полудиску 29.

Аналогичная схема имеется для поджатия рычага 33 к точке Б₁.

В качестве излучателя может служить лазер типа ″Плунжер″ или ″Каштан″.

Изобретение относится к области пеленгационных средств и приборов управления и может быть использовано в системах, работающих в инфракрасной области спектра. Достигаемый технический результат - повышение чувствительности. Указанный результат достигается за счет того, что оптико-электронная система содержит объектив, анализатор изображения, выполненный в виде непрозрачной пластины, в которой имеются вертикальные щели, первое сканирующее устройство, содержащее редуктор и исполнительный механизм, однокоординатный конденсор, линейный многоэлементный фотоприемник, видеоконтрольное устройство, счетно-решающее устройство, датчик угловых положений, синхронизатор, систему обработки информации, второе сканирующее устройство, выполненное определенным образом, при этом все перечисленные средства соответствующим образом расположены и взаимосвязаны между собой. 7 ил.

Оптико-электронная система, содержащая приемный канал, включающий последовательно установленные и оптически сопряженные объектив, анализатор изображения, расположенный в фокальной плоскости объектива и механически связанный с первым сканирующим устройством, содержащим редуктор и исполнительный двигатель, однокоординатный конденсор, линейный многоэлементный фотоприемник и видеоконтрольное устройство (ВКУ), счетно-решающее устройство, датчик угловых положений, синхронизатор и систему обработки информации, выход которой соединен с первыми входами ВКУ и счетно-решающего устройства, второй и третий выходы ВКУ соединены с первым и вторым выходами синхронизатора, третий выход которого подключен ко входу системы обработки информации и второму входу счетно-решающего устройства, причем анализатор изображения выполнен в виде непрозрачной пластины, в которой имеются вертикальные щели, высота которых и расстояние между ними равны соответственно высоте и ширине анализируемого кадра, при этом пластина установлена в направляющие и с одной стороны подпружинена, а с другой - через толкатель механически связана с кулачком, выполненным в полярной системе координат в пределах углов +45° до 180° и от -45° до -180° симметричным и по спирали Архимеда, а в пределах от +45° до -45° по прямой, причем датчик угловых положений связан с редуктором, а его выход - с третьим входом счетно-решающего устройства и первым входом синхронизатора, а также содержащая передающий канал, включающий оптически сопряженные источник излучения, оптическую систему, состоящую из цилиндрической линзы, первого сканирующего зеркала со вторым сканирующим устройством, второго зеркала и телескопической системы, отличающаяся тем, что, с целью повышения чувствительности, второе сканирующее устройство выполнено из двух полудисков, расположенных соосно и симметрично и жестко соединенных между собой, причем на одном полудиске выполнено N внешних кулачков в виде зубьев, а на другом - N аналогичных внутренних кулачков, при этом кулачки обоих полудисков выполнены по спирали Архимеда, а рычаг, находящийся в механической связи с одной из групп кулачков, выполнен перемещающимся в радиальном по отношению к полудискам направлении и подпружинен с двух сторон в этом направлении, при этом вторые концы пружины соединены каждый со штоками электромагнитов, сигнальные входы которых соединены с узлом последовательного включения электромагнитов, подключенным к датчику угловых положений, причем с рычагом жестко связано сканирующее зеркало, а само второе сканирующее устройство механически связано с редуктором первого сканирующего устройства.