Цифровой регистратор углового смещения света в атмосфере

 

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

COlO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (191 (11) G 0 1 N 2 1 /4 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3538080/18-25 (22) 13.01.83 (46) 07.03.84. Бюл. Р 9 (72) А.T.Êîðîâèí и И.Я.Шапиро (71) Специальное конструкторское бюро научного приборостроения "Оптика"

Сибирского отделения AH СССР (53) 535.241(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 830849, кл. 0 01 N 21/41, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР

М 739384, кл. G 01 N 21/41, 1980 (прототип). (54)(57) ЦИФРОВОЙ РЕГИСТРАТОР УГЛОВОГО СМЕЩЕНИЯ СВЕТА В АТМОСФЕРЕ, содержащий последователвно расположенные на оптической оси источник света, клиновый компенсатор, приемный объектив и координатный фотоприемник, узел компенсации флуктуаций интенсивности, узел компенсации углового отклонения, один выход которого подключен к ре". гистрирующему прибору, а другой — к клиновому компенсатору, о т fi è ч аю шийся тем, .что, с целью повышения точности измерений и повышения надежности устройства, узел компенсации флуктуаций 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 которых соединены с координатным выходом координатного фотоприемника, а выходы компараторов — с соответствующими входами узла компенсации углового отклонения.

1078289

Изобретение относится к атмосферной оптике, в частности к фотоэлектрическим измерительным устройствам, и может быть использовано при изучении распространения авета в атмосфере (в геофизике, геодезии) при

5 определении координат излучающих объектов.

Известны фотоэлектрические устройства, предназначенные для измерения угловых смещений света в атмосфере и содержащие источник светового излучения, клиновый компаратор, приемный объектив, анализатор положения светового пучка, узел компенсации углового отклонения (13 ° 15

Известные устройства не обладают достаточной точностью, так как при длительных (например, суточных) измерениях в атмосфере изменение прозрачности среды может привести к 7р перепадам интенсивности зондирующего светового потока на. два порядка и более, при этом составляющая помехи в сигнале значительно превосходит

1 по величине полезный сигнал, несу- 25 щий информацию об угловом смещении света. Погрешность вносит и нестабильность интенсивности на выходе источника излучения °

Наиболее близким по технической gp 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 ком енсации флуктуаций интенсивности, узел компенсации углового отклонения, один выход которого подключен к регистрирующему прибору, а второй выход — к клиновому компенсатору (2).

Диапазон линейности авторегулиронания в такого рода усилителях не превосходит величину в один порядок,, то время как реальные переп ды 45 интенсивности могут составлять три порядка. Это приводит к тому, что значительные перепацы интенсивности света воспринимаются устройством как угловые смещения, т.е. как по- 50 лезный сигнал. Помеха становится неконтролируемой. Низка и помехоустойчивость аналоговых усилителей с автоматической регулировкой усиления (АРУ), что в свою очередь 55 снижает точность измерения угловых смещений света.

Применение аналоговой схемы измерения случайной составляющей рефлекции света и аналогового усилителя с 6Р

АРУ не только приводит к неконтролируемой погрешности при измерениях, но и значительно усложняет конструкцию устройства, что снижает его надежность. Кроме того, в процессе 65 работы требуется частая и тщательйая 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, приемный объектив и координатный фотоприемник, узел компенсации флуктуаций интенсивности, узел компенсации углового отклонения, один выход которого подключен к регистрирующему прибору, а другой — к клиновому компенсатору, узел компенсации флуктуаций 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 комп нсации углового отклонения.

Угловые смещения света в атмосфере измеряются по смещению фокального иэображения 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 Х.

Устройстно содержит последовательно расположенные на оптической оси источник 1 света, клиновый компенсатор 2, приемный объектив 3 и координатный фотоприемник 4, узел 5 компенсации флуктуаций интенсивности,.узел б компенсации углового отклонения, один выход которого подключен к регистрирующему прибору 7, а второй выход — к клиновому компенсатору 2, причем узел компенсации флуктуаций 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 компа1078289 раторов 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 15

17-19 и дифференциального усилителя

20, выход которого является координатным выходом координатного фотоприемника 4, опорным выходом которого является выход первого сумматора 2{)

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 смеще- 35 ния центра тяжести светового пятна относительно геометрического центра детектора 16 на выходах сумматоров 18 и 19 будут действовать разные по величине сигналы U „ NU сг,,а на выхо- 4О де дифференциального усилителя 20 (координатный выход,- — сигнал разности этих напряжений д0 =U с= с сг рЬБ, где Д0 — напряжение, линейно завйсящее от углового смещения пятна,45 коэффициент, связанный с флуктуацией интенсивности пятна. 3нак зависит от положения центра тяжес сти светового пятна относительно нулевой координаты.

Сумматор 17 предназначен для полу-5О чения опорного сигнала U О„=Uo +U

Оп с сг где U — величина ойорйого сигнала при отсутствии флуктуаций интенсивности. Опорный сигнал зависит только от флуктуаций интенсивности и 55 не зависит от углового смещения пятна.

Сигналы с обоих выходов координатного фотоприемника 4 поступают в узел

5 компенсации флуктуаций интенсив- 60 ности. Опорный сигнал преобразуется инвертором 12 и масштабными усилителями 10 и 11 в два симметричных относительно нуля пороговых напряжения

Ug„™ U =m Р U+ и П = -m U

on пг on

-m p U, где m — коэффициент передачи масштабных усилителей 10 и 11.

Компараторы 8 и 9 осуществляют сравнение разностного напряжения

dVo= ph U, действующего на координатном выходе с пороговыми напряжениями и Un2. В связи с тем, что в каждой паре сравниваемых сигналов на входах компараторов 8 и 9 содержится синфазная составляющая, обусловленная флуктуацией коэффициента интенсивности р, то компараторы 8 и 9 оказываются к ней не чувствительными, реагируя лишь на дифференциальный сигнал

"д= " p " — p.b "к=Р(m U>- a" к) (1)

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

Для повышения точйостй удержания светового пятна в рабочей зоне детектора 16 значения пороговых напряжений должны быть не менее величины напряжения pU образующегося на выходе дифференциального усилителя

20 при повороте клинового компенсатора 2 на один дискрет, т,е, й" к макс ъ, Ь UK=V оп 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 ш = ЬПкмикс/"оп °

Так как значения DUK h, „с и Uorl постоянны, то коэффициент передачи ж устанавливается один раз и в процес-. се 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 управляющие сигналы. При этом шаговый двигатель 14 с помощью клинового компенсатора 2 осуществляет компенсацию углового отклонения пучка, заставляя последний вернуться в область рабочей зоны фотодетектора.

Количество тактов, выработанных схемой 13 управления и посчитанных схемой 15 ечета числа дискретов характеризует в цифровом виде величину смещения центра тяжести изображения источника излучейия по площадке детектора 16. Цифровая инфор. 1078289

Составитель A. Чурбаков

Редактор Н. Лазаренко Техред Ж.Кастелевич Корректор Г. Решетник

Тираж 823

Заказ 936/36

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР .по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 мация поступает на регистрирующий прибор 7. В регистрирующем приборе осуществляется вычисление углового смещения светового пучка в атмосфере по формуле . у = 2 1с -а (ц — 1) sink/, где э — угол смещения, Ф вЂ” число шагов, о - угол при вершине клинового компенсатора; n - показатель преломления, 0 — коэффициент передачи 10 редуктора (не показан) между шаговым двигателем H. клиновым компенсатором; — угловая величина шага газового двигателя.

Например, при Ы= 5 ;.Ч= 3 >

15 д = 1,5; N = 0,01 и k =1 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 флуктуаций интенсивности света, и увеличить надежность измерений эа счет совмещения измерительных каналов случайной и регулярной составляющих рефракции в одном канале, выполненном в основном на элементах, работающих в релейном режиме.