Повышение быстродействия оптических пеленгаторов за счет использования оптических клиньев

УДК 681.78.01(075.8)

Бессонов П. Е., Рудой Е. М., Сакулин А. Н.,  Семенов И. С., Сирота С. В.,

Янов В. Г., Ященко В. В.

ПОВЫШЕНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПЕЛЕНГАТОРОВ

ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КЛИНЬЕВ

Измерение угловых координат  между удаленными объектами является с древнейших времен актуальной задачей астрономии, геодезии и кар­тографии.

Известен угломерный инструмент, называемый астрономическим посохом [1], представляющий собой трость с визиром и с нанесенной вдоль трости шкалой. На трости укреплена с возможностью перемещения вдоль трости поперечная планка с двумя визирами на ее концах. Передвигая поперечную планку вдоль трости, необходимо совместить визир, находящийся на трости у глаза наблюдателя, и визир на левом конце поперечной планки таким образом, чтобы они совпали с направлением на первую звезду, а визир, находящийся у глаза наблюдателя, и визир на правом конце поперечной планки необходимо совместить таким образом, чтобы они совпали с направлением  на вторую звезду. Отсчет положения поперечной планки по шкале, нанесенной на трость, дает угловое расстояние между звездами. Измерения, проведенные таким посохом, характеризуются низкой точностью.  

Известны также многочисленные варианты оптических угломерных устройств, например, теодолиты [2], гониометры [3], секстанты [4], в которых измерение углов осуществляется с помощью угловой шкалы  или ее  части.  Недо­статком таких устройств является низкая точность измерений.

В большинстве оптических пеленгаторов для определения положения сфокусированного пятна на фокальной плоскости используются различные маски, решетки, растры, которые вращаются или движутся возвратно-поступательно, например, описанный в [5] полудисковый модулятор. Он содержит последовательно расположенные на оптической оси при­ем­ную оптическую систему, приводимую в движение электродвигателем маску, выполненную в форме вращающейся вокруг оптической оси непрозрачной пластины, имеющей форму полукруга, и фотоприемник, а также последовательно соединенные фильтр и измеритель разности фаз, причем выход фотоприемника соединен со входом фильтра, синхронизующий выход электродвигателя соединен со вторым входом измерителя разности фаз, середина прямого края полудиска совмещена с оптической осью, а фильтр настроен на пропускание гармонического сигнала с частотой, равной частоте вращения полудиска. Полудисковый модулятор имеет низкое быстродействие, обусловленное необходимостью механического вращения полудиска.

В оптических пеленгаторах, описанных в [6, 7], используется оптическое сканирование, которое имеет значительно более высокое быстродействие, чем механическое сканирование, однако оптическое сканирование в ряде случаев не позволяет определить угловые координаты источника короткого одиночного оптического импульса.

Далее будет описан оптический пеленгатор [8], свободный от указанного недостатка. Его

1

6

2

 1      2

X

14                15                16

12         13

7        8                  9                 10                11

Y

2

Рис. 2. Функциональная схема оптического пеленгатора с поглощающим клином и ротационным клином.  

1

2

3

4  5

1
функциональная схема приведена на рис. 2, где при­няты следующие обозначения: 1 - фокусиру­ющая прием­ная оптическая си­стема, 2 - первый поляризатор, 3 - первый све­тоделитель, 4 - по­гло­ща­ющий клин, 5 - ротационный клин, 6 - второй светоделитель, 7 – второй по­ля­ризатор, 8 - первый фотоприемник, 9 - первый усилитель, 10 - первый де­­литель, 11 - преобразователь, 12 - второй фотоприемник, 13 - третий фо­то­приемник, 14 -второй усилитель, 15 - второй делитель, 16 – приемная телевизионная трубка.

Поглощающий клин 4 и ротационный клин 5 расположены вблизи фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Поглощающий клин 4 и ротационный клин 5 ориентированы в пространстве таким образом, что градиент пропуска­ния поглощающего клина 4 параллелен оси X, а градиент угла поворота ро­тационного клина параллелен оси Y.

Чем ближе к фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 расположен поглощающий клин 4, то есть чем меньше размер сфокусированного пятна оптического излучения, тем выше крутизна зависимости мощности прошедшего через поглощающий клин 4 оптического излучения от координаты Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Кроме того, чем ближе к фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 расположен ротационный клин 5, тем выше крутизна зависимости мощности прошедшего через ротационный клин 5 оптического излучения от координаты Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Таким образом, оптимальным является положение поглощающего клина 4 перед фокальной плоскостью фокусирующей приемной оптической системы 1 вплотную к фокальной плоскости, а положение ротационного клина 5 является оптимальным при его установке за фокальной плоскостью фокусирующей оптической приемной системы 1 вплотную к фокальной плоскости.    

Данный оптический пеленгатор работает следующим образом.  Опти­ческое излучение от уда­ленного объекта принимается фокусирующей приемной оптической систе­мой 1 и проходит через поляризатор 2, в результате чего оно становится линейно поляризованным. Пусть мощность принятого оптического излучения равна J, тогда после прохождения через первый поляризатор 2 его мощность становится равной К1J,  где К1 - коэффициент пропускания первого поляризатора 2. Мощность прошедшего через первый светоделитель 3 оптического излучения равна К1К2J, где К2 - коэффициент пропускания первого светоделителя 3, а мощность отраженного от первого светоделителя 3 оптического излучения равна К1(1 - К2)J. Электрический сигнал U2фп на выходе второго фотоприемника 12 будет равен a2К1(1 - К2 )J, где a2 - крутизна характеристики второго фотоприемника 12. Оптическое излучение, прошедшее через первый светоделитель 3, проходит через поглощающий клин 4, градиент пропускания которого направлен вдоль координаты Х фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Пусть коэффициент пропускания К3 по­гло­ща­ющего клина 4 можно записать в виде К3 = К'3Х, где К'3 - постоянный коэффициент. Тогда мощность оптического излучения на выходе погло­ща­юще­го клина 4 будет равна К1К2К'3ХJ. Мощность прошедшего через ротационный клин 5 оптического излучения будет равна К1К2К'3К4ХJ, где К4 - коэффициент пропускания ротационного клина 5. Ротационный клин 5 осуществляет поворот плоскости поляризации прошедшего через него оптического излучения на угол j, причем градиент угла поворота j направлен вдоль оси Y фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1. Пусть угол поворота j плоскости поляризации оптического излучения можно записать в виде j = К5Y, где К5 - постоянный коэффициент. Мощность оптического излучения, прошедшего через второй светоделитель 6, будет равна К1К2К'3К4К6ХJ, где К6 - коэффициент пропускания второго светоделителя 6, а мощность отраженного от второго светоделителя 6 оптического излучения будет равна К1К2К'3К4(1 - К6)ХJ. Электрический сиг­нал U3фп на выходе третьего фотоприемника 13 будет равен a3К1К2К'3К4(1 - К6)ХJ, где  a3 - крутизна характеристики третьего фотоприемника 13. После прохождения через второй светоделитель 6 оптическое излучение проходит через второй поляризатор 7. Пусть ось максимального пропускания второго поляризатора 7 параллельна оси максимального пропускания первого поляризатора 2. Тогда в со­от­вет­ствии с законом Малюса [9] мощность прошедшего через второй поляризатор 7 оптического излучения будет равна К1К2К'3К4К6К7ХJcos2(К5Y), где К7 - коэффициент пропускания второго поляризатора 7. Электрический сигнал U1фп на выходе первого фотоприемника 8 будет равен a1К1К2К'3К4К6К7ХJcos2(К5Y), где a1 - крутизна характеристики первого фотоприемника 8.

Электрический сигнал U3фп с выхода третьего фотоприемника 13 поступает на вход второго усилителя 14, коэффициент усиления  К9 которого имеет вид

.

К9 =

a3К2К'3К4(1 - К6)

a2(1 - К2 )

Поэтому сигнал U2ус на выходе второго усилителя 14 будет иметь следующий вид

U2ус = U3фпК9 =a3К1К2К'3К4(1 - К6)ХJ                            =

a3К2К'3К4(1 - К6)

a2(1 - К2 )

a2 К1(1 - К2 )ХJ.

Сигнал U2ус с выхода второго усилителя 14 поступает на первый вход вто­рого делителя 15, а на второй вход второго делителя 15 поступает сиг­нал U2фп с выхода второго фотоприемника 12. В соответствии с этим сиг­­нал U2д на выходе второго делителя 15 будет равен отношению сигнала

a2 К1 (1 - К2 )ХJ

a2 К1 (1 - К2 )J

U2фп

U2д =

U2ус

=

= Х .
на первом его входе к сигналу на втором его входе, а именно:

К8 =

a1К2К'3К4К6К7

a2(1 - К2 )

.
Электрический сигнал U1фп с выхода первого фотоприемника 8 попадает на вход первого  усилителя 9,  коэффициент  усиления  которого К8 имеет следующий вид

Поэтому сигнал U1ус на выходе первого усилителя 9 будет иметь вид

U1ус = К8U1фп = a1К1К2К'3К4К6К7ХJcos2(К5Y)                           = a2К1(1 - К2 )´

a1К2К'3К4К6К7

a2(1 - К2 )

´ХJcos2(К5Y) .

Сигнал U1ус с выхода первого усилителя 9 поступает на первый вход первого делителя 10, а на второй вход первого делителя 10 поступает сигнал U2ус с выхода второго усилителя 14. В соответствии с этим сигнал U1д на выходе первого делителя 10 будет равен отношению сигнала на его входе к сигналу на втором его входе, а именно:

a2 К1 (1 - К2 )ХJ cos2(К5Y)

a2 К1 (1 - К2 )ХJ

U2ус

U1д =

U1ус

=

= cos2(К5Y) .

Сигнал U1д с выхода первого делителя 10 поступает на вход преобразователя 11, который последовательно проводит следующие операции: извлечение квадратного корня, взятие арккосинуса и усиление с коэффициентом усиления, равным (К5)-1. Таким образом, сигнал на выходе преобразователя 11 будет равным Y.

Принимая значения координаты Х сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 на первый вход приемной телевизионной трубки 16 и значения координаты Y сфокусированного пятна на фокальной плоскости фокусирующей приемной оптической системы 1 на второй вход приемной телевизионной трубки 16, приемная телевизионная трубка 16 показывает на своем экране угловое положение сфокусированного сигнала от лоцированного объекта с учетом характеристик фокусирующей приемной оптической системы 1.      

Реализация описанных оптических пеленгаторов не вызывает затруднений, так как все его блоки, узлы и элементы широко применяются в оптике и электронике. Так, поглощающие клинья могут быть выполнены из однородного поглощающего материала, толщина которого линейно изменяется вдоль соответствующей координатной оси либо в виде плоско-параллельной пластины, концентрация поглощающих частиц в которой линейно изменяется вдоль соответствующей координатной оси. Ротационный клин 5 может быть выполнен из однородного материала, обладающего оптической активностью в форме клина, толщина которого линейно изменяется вдоль соответствующей оси либо в виде плоско-па­рал­лельной пластины, концентрация оптически активных частиц в которой линейно изменяется вдоль соответствующей координатной оси. Ротационный клин 5 может быть также выполнен из материала, обладающего электрооптическим эффектом (эффект Керра [10] или эффект Поккельса [11]) либо магнитооптическим эффектом (эффект Фарадея [12]). Следует отметить, что линейность зависимости К3 от Х и j от Y не является обязательным требованием, эти зависимости могут иметь более сложный вид, тогда выражения для коэффициентов усиления соответствующих усилителей будут иметь более сложный вид, чем указано выше.

Таким образом, в описанных технических решениях отсутствует сканирование (как механическое, так и оптическое), поэтому они могут определить угловые координаты моноимпульсного источника оптического излучения (или отраженного объекта при лоцировании его моноимпульсным оптическим сигналом), что принципиально недостижимо оптическими пеленгаторами, использующим сканирование.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Зигель Ф. Ю. Астрономы наблюдают. М.: Наука, 1985. С. 7 - 8 (рис. 2).

2. Соловьев В. А., Яхонтов В. Е. Основы измерительной техники. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980. С.78 - 82.

3. Соловьев В. А., Яхонтов В. Е. Основы измерительной техники. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1980. С. 73 - 77.

4. Советский энциклопедический словарь/ Научно - редакционный совет; А. М. Прохоров (пред.). М.: Сов. энциклопедия, 1981. С. 1201.

5. Фукс-Рабинович Л. И., Епифанцев М. В. Оптико - электронные приборы. Л.: Машиностроение, 1979. С.90 -92.

6. Бурец В. И., Клевчиков Н. А., Мельников Д. Б. и др. Оптический пеленгатор. Заявка на патент РФ на изобретение № 2001100121, приоритет 03.01.2001, публ. 20.12.2002, МПК7 G 01 S 3/78.

7. Бурец В. И., Янов В. Г., Рудой А. Е. и др. Оптический пеленгатор. Заявка на патент РФ на изобретение № 2004112201, приоритет 21.04.2004, публ. 20.10.2005, МПК7 G 01 S 3/78.   

8. Бурлуцкий С. Г., Саккулин А. Н., Рудой Е. М. и др. Оптический пеленгатор. Патент РФ на изобретение № 2231080, приор. 24.03.2003, публ. 20.06.2004 Бюл. № 17, МПК7 G 01 S 3/78.

9.  Яворский В. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. М.: Наука, 1971.  С. 671 - 673.

10. Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. А. М. Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1984. С. 280 - 281.

11. Там же. С. 560.

12. Там же. С. 802 - 803.