Устройство определения параметров перемещения и размеров объектов

 

Изобретение может быть использовано для селекции и измерения параметров быстродвижущихся 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

С0103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ ВЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (643HAR

ЩЩО- Щррд д

6ЙГзЛИ()Т -щ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4889074/28 (22) 07.12.90 (46) 07,07.93. Бюл. М 25 (72) П.А.Фалеев (56) Патент США М 4314761, кл. G Г1 В 11/26, 1985.

Авторское свидетельство СССР

М 1420363, кл. G 01 В 21/00, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И РАЗМЕРОВ

ОБЬЕКТОВ (57) Изобретение может быть использовано для селекции и измерения параметров быстродвижущихся оптических объектов, в частности для определения координат, скорости, ускорения и угловых размеров пули в данный момент времени по исходяще- . му от нее инфракрасному излучению, параметров летательного аппарата по исходящему от него отраженному излучению.

Цель изобретения — повышение чувствительности устройства, увеличение его поля

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для селекции и измерения параметров быстродвижущихся 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 летательного аппарата по исходящему от него отраженному излучению... Ж, „1825975 А1 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 эа 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.

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.

1825975

На фиг. 1 приведена структурная блоксхема 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 обьектав содержит узкополосный оптический фильтр частот 1, волоконно-оптический преобразователь 2, селектор 3, оптическую маску 4, жгут световолокон 5, матрицу 6 фотоприемников, охлаждающее устройство 7, дешифратор 8, Отличительными признаками являются: узкополосный оптический фильтр частот 1, селектор 3, оптическая маска 4, жгут световолокон 5, охлаждающее устройство 7, изменение конструктивной формы выполнения волоконно-оптического преобразователя 2, Волоконно-оптический преобразователь 2 состоит из нескольких датчиков,, раз. несенных на заданное расстояние друг от друга и обеспечивающих круговой обзор, торец входной поверхности светаволакан каждого датчика волоконно-оптического преобразователя 2 имеет сферическую форму, оптические оси входов любых двух соседних световолокон каждого датчика разделены од ц аковыми угловыми промежутками. е

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

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

S> Л(Vmln< C

Ы =(2k+1) —.

Но так как аппертура световолокна мала, то S1 S, vmtn, dmin тогда

S1 А1

>m n С

Al =(2k+ 1)2 где S> — нормальная составляющая перемещения объекта через поле зрения одного

10 световолокна;

40

45 середине просвета оптической маски 4 охватывая лишь световолокна, соосна распо50

S — перемещение объекта через поле зрения одного световолокна;

vms» — нормальная составляющая минимальной скорости движения обьекта; чп 1п — минимальная скорость движения объекта;

С вЂ” скорость распространения излучения в световолокне;

А — длина монохроматичной волны;

k — любое целое число.

Вход селектора 3 соединен с выходом волоконно-оптического преобразователя

2 так, что каждое световалокно волокнооптического преобразователя 2 соединено с соответствующим волоконным интерферометром селектора 3.

Оптическая маска 4 состоит иэ двух наложенных друг на друга дифракционных решеток са взаимно перпендикулярными штрихами (см. фиг. 5) и расположена одной стороной перед выходными торцами интерферометров селектора 3.

Жгут 5 световолокан плоскостью входФ ного торца соединен с другой стороной onтической маски 4, параллелен ей и отстоит ат нее на заданное расстояние, причем ось входа каждого световолакна жгута 5 должна совпадать с осью соответствующего выхода интерферометра селектора 3 и проходить через центр соответствующего просвета оптической маски 4, удаление плоскости входных торцов жгута световолокон 5 от оптической маски 4 выбрано таким образом, чтобы телесный угол излучения с центром s лаженное с данным просветом, два соседних световалокна, торцы которых лежат на одной горизонтали с торцом данного световолокна и два соседних световолокна, торцы которых лежат в одной вертикали с торцом даннога световолокна, Матрица 6 фотоприемников входом соединена с выходом жгута 5 светаволокан так, чтобы каждый фотаприемник матрицы

6 был соединен с соответствующим световалокном жгута 5. Охлаждающее устройство 7 подключено к матрице 6 фотоприемников.

Дешифратор 8 соединен входом с выходами матрицы фотоприемников.

1825975

x=Rcos а ((2) г = 8 sin p

Устройство работает следующим образом.

На вход узкополосного оптического фильтра частот 1 поступает собственное тепловое или отраженное излучение данного оптического объекта (пули, летательного аппарата), находящегося в любой точке пространства на расстоянии R, не превышающем заранее установленного r и излучение от окружающих предметов, образующее фон, Эта часть пространства, ограниченная сферой данного радиуса r, 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 воспринять 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-оптичевкий преобразователь 2 двумя своими датчиками (см. фиг. 3), расположенными в точках M и К определяет координаты х, у, z объекта, расположенного в точке P в данный момент времени по заданному расстоянию MK между датчиками и трем углам: а= Е KMP, p=. L MKP,@=l PMD (точка 0 — проекция объекта на горизонтальную плоскость), которые рассчитываются по следующим формулам:

MK sin где Я - — расстояние т датчика, sin (a+/) расположенного в точке М до объекта (точки

Р).

Таким образом, торцы входных поверхйостей двух датчиков волоконно-оптическо5

55 го преобразователя 2 образуют матрицу, каждым двум микроэлементам которой соответствует одна элементарная точка пространства с координатами х, у, г, Монохроматическое излучение с выхода волоконно-оптического и реобразователя

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, соединенHblM co световолокнэми датчиков волоконно-оптического преобразователя 2, входные торцы которых приняли излучение обьекта.

При этом если скорость движения какоголибо постороннего объекта меньше минимальной скорости движения данного объекта, в нашем случае пули или летательного аппарата, то есть, если время нахождения неизвестного обьекта в зоне видимости одного световолокнэ больше устэновленного. времени Ь, равного разности фаз двух волн. прошедших одновременно по двум ветвям интерферометра, то эти две мамохроматичные 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 т, 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 световолокнами волоконно-оптического преобразователя 2, которые приняли излучение от этого объекта. Таким образом, на выход селектора 3 поступают сигналы только от обьектов, движущихся со скоростью,. превышающей минимальную скорость движения данного объекта (пули, летательного аппарата), имеющих в своем спектре излучения диапазон волн, пропускаемых узкополосным оптическим фильтром частот 1, образуя на выходных торцах интерферометра селектора 3 светящуюся область.

ОА = OC = — (2к+1) =1

ОВ = — (2п+1) Х (3) 10

20

35

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 80 за оптичеcKoA MBcKoA R8 осМ гп выхода одного Ms 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  — 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 маски 4 относительно оси гп, 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 ОВ из условия минимума, в точке

О расположен центр "области тени" (фиг. 6, в). Случай, представленный на фиг. 6, б соответствует услови1о расположения данного прозрачного участка с центром в точке В оптической маски 4 напротив края 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 фотоприемников 6, причем входные торцы световолокон жгута 5 должны быть расположены на заданном расстоянии от оптической маски

4 так, чтобы сформированная оптической маской 4 картина распределения излучения лежала в плоскости входных торцов жгута световолокон 5, Это расстояние определяется иэ следующих условий минимумов (фиг. 6): или ОА= ОС = —;"- — — -, ОВ (2 +11

2п+1 где 1 — длина волны проходящего излучения, К n — любые целые числа.

Матрица фотоприемников 6 преобразует излучение, переданное жгутом световолокон 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 волоконнооптического 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 ийформацию об угловых размерах оптического объекта с целью его дальнейшей классификации. При этом возможное увеличение обрабатываемой информации, грозящее 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 иэлучение диапазона, соответствующего максимуму кривой лучеиспускательной способности или минимальному значению кривой поглощательной способности, поэволяет производить частичную селекцию сигнала на основе спектрального анализа оптических обьектов и делает возможным работу селектора, создавая монохроматичное когерентное излучение.

1825975

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 селекцию сигнала, определять параметры движущихся оптических объектов, например пули, летательного аппарата, их координаты, скорость, ускорение а данный момент времени, угловые размеры и производные от них величины.

Формула изобретения

1. Устройство определения параметров перемещейия и размеров объектов, содержащее волоконно-оптический преобразователь с жгутом световодоа, матрицу фотоприемников и дешифратор, от л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения области применения и повышения производительности устройства при Селекции и определения параметров быстродвижущихся оптических объектов, оно снабжено узкополосным оптическим фильтром из M элементов и селектором, волоконно-оптический преобразователь выполнен в аиде М датчиков, равномерно располагаемых на объекте с зазором между двумя соседними датчиками, равным базе измерения, выход каждого из М элементов фильтра сопряжен с

5 поверхностью входных торцов саетоволокон соответствующего дат ик. зело::,оннооптического преобразователя, вход селектора соединен с выходом волоконнооптического преобразователя, а выход свя10 зан с жгутом светоаодов, выходной торец которого сопряжен с матрицей фотоприем ников, 2. Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения ин, ор15 мативности, тооец ахздной поверхности световолокон каждого датчика волоконно оптического преобразователя имеет сфери ческую форму, а опт веские оси входов двух соседних световолокон разделены одинако20 выми угловыми прсмежутками.

3. Устройство по п.1, о т л и ч à ю щ е ес я тем, что, с целью увеличения быстродействия, оно снабжено оптической маской, установленной между выходом селектора и

25 входом световолокон,.

4. Устройство no n.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения чувствительности, оно снабжено охлаждающим блоком, соединенным с матрицей фотопри30 емников.

1825975

IJ 1 ! !

Составитель П. Фалеев

Редактор С. Кулакова Техг ед М. Моргентал Корректор С. Патрушева . Заказ 2314 Тираж Подписное

6НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-иэдательский комбинат "Патент", r. ужгород, ул.Гагарина, 101