Пространственный магнитооптический ориентатор

 

Изобретение относится к технике автономной ориентации и может быть использовано при определении ориентации стационарных и подвижных объектов относительно Земли. Магнитооптический ориентатор содержит канал измерения, который состоит из идентично выполненных первого и второго каналов ориентирования, и оптическую систему. Оптическая система включает идентично выполненные первый и второй блок оптической системы, которые расположены взаимно перпендикулярно. Блок оптической системы содержит управляемый оптический фазовый модулятор, фокусирующую линзу и сканистор. Канал ориентирования содержит дифференциатор, два компаратора, элемент ИЛИ-НЕ, генератор тактовых импульсов, элемент задержки и счетчик. Выходы каналов ориентирования являются выходами устройства, обеспечивающими определение направления горизонтальной и вертикальной составляющих магнитного поля Земли. Первый выход оптической системы подключен к соответствующему входу первого канала ориентирования. Второй выход оптической системы подключен к соответствующему входу второго канала ориентирования. Технический результат состоит в упрощении устройства и повышении точности ориентирования стационарных и подвижных объектов относительно направления вектора напряженности геомагнитного поля Земли. 4 ил.

Изобретение относится к технике автономной ориентации и может быть использовано при определении ориентации стационарных и подвижных объектов относительно Земли.

Наиболее известным магнитным ориентатором является магнитный компас [В. Ф. Кузнецов. Навигация. - М.: Морской транспорт, 1956. - cтp. 69], недостаток которого - низкая точность определения магнитного меридиана. Известен также самоориентирующийся гиростабилизатор гирокомпасного типа [Г.А.Хлебников. Начальная выставка инерциальных навигационных систем. - М.: Военная академия им. Ф.Э.Дзержинского, 1994. - рис. 7.7, стр. 308], предназначенный для ориентирования неподвижных объектов, так как колебания основания гиростабилизатора существенно снижают точность ориентирования.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является азимутальный магнитооптический ориентатор [пат. 2156439 РФ /С.А.Оленев, С.В.Соколов, М.Р.Ганеев// Бюл. изобрет. - 2000. - 26], содержащий вращающееся основание, установленное в кардановом подвесе, двигатели, два канала горизонтирования основания, блок оптической системы и канал ориентирования, обеспечивающий определение направления горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

Недостатками данного ориентатора являются: наличие карданового подвеса, критичного к перегрузкам, порождаемым возмущениями основания; сложность обеспечения устойчивого положения осей прибора при решении задачи ориентирования подвижных объектов; и, как следствие, низкая точность измерений. Заявленное изобретение направлено на решение задачи упрощения устройства и повышения точности ориентирования стационарных и подвижных объектов относительно направления вектора напряженности геомагнитного поля Земли.

Подобная задача возникает при проведении топогеодезических работ, в морской навигации, при определении ориентации космических объектов и т.д.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены второй блок оптической системы, идентичный первому, причем первый и второй блоки оптической системы расположены взаимно перпендикулярно, второй канал ориентирования, выполненный идентично первому, выход которого является выходом устройства, обеспечивающим определение направления вертикальной составляющей магнитного поля Земли, первый выход оптической системы подключен к соответствующему входу первого канала ориентирования, второй выход оптической системы подключен к соответствующему входу второго канала ориентирования.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-4, где представлены функциональная схема пространственного магнитооптического ориентатора (ПМО), схема канала ориентирования, схема конструктивного исполнения оптической системы и схема конструктивного исполнения блока оптической системы.

На фиг.1 приведена функциональная схема ПМО. ПМО содержит оптическую систему (ОС) 1, каналы ориентирования (КО) 2₁, 2₂.

Выход ОС l₁ подключен ко входу КО 2₁, выход ОС l₂ подключен ко входу КО 2₂. Вход запуска подключен ко входам ОС 1₃, 1₄ и к КО 2₁, 2₂. Выходами ПМО являются выходы КО 2₁, 2₂. КО 2₁ и 2₂ выполнены идентично.

На фиг.2 приведена схема конструктивного исполнения ОС. Оптическая система содержит источник когерентного излучения 3 и два блока оптической системы (БОС) 4₁, 4₂, имеющих идентичное исполнение и расположенных в виде двух взаимно перпендикулярных оптических контуров.

На фиг. 3 приведена схема конструктивного исполнения блока оптической системы. Блок оптической системы содержит управляемый оптический фазовый модуля тор(ОФМ) 5₁, неуправляемый ОФМ 5₁, фокусирующей линзы (ФЛ) 6, сканистора 7 [Ю.Г.Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов. - М.: Машиностроение, 1989. - стр. 135]. В качестве управляемого ОФМ 5₁ могут быть использованы различные магниточувствительные оптические элементы, например невзаимные элементы [Бычков С.И. и др. Лазерный гироскоп. - М.: Советское радио, 1975, - стр. 207] , чувствительные к магнитному полю; оптические элементы, построенные на основе использования магнитооптических эффектов Керра, Фарадея [Гонда С., Сэко Д. Оптоэлектроника в вопросах и ответах. Пер. с япон. - Л. : Энергоатомиздат, 1989, - cтp. 28] (показатель преломления которых изменяется в зависимости от проекции вектора магнитного поля на оси чувствительности этих элементов) и т.д. ОФМ 5₂ может быть выполнен в виде оптически прозрачной пластины постоянной толщины, осуществляющий сдвиг фазы оптического потока на π.

На фиг. 4 приведена функциональная схема канала ориентирования 2₁ и БОС 4₁, содержащих ОФМ 5₂, 5₁, ФЛ 6, сканистор 7, дифференциатор 8, компараторы 9₁ и 9₂, логический элемент ИЛИ-НЕ 10, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 11, элемент задержки 12, счетчик 13.

Выход источника когерентного излучения 3 оптически связан со входом управляемого ОФМ 5₁ и входом неуправляемого ОФМ 5₂, выходы ОФМ 5₁, 5₂ оптически связаны со входом ФЛ 6, выход которой оптически связан с информационным входом сканистора 7. Выход сканистора 7 подключен ко входу дифференциатора 8 и входу компаратора 9₁. Выход дифференциатора 8 подключен ко входу компаратора 9₁, инверсный выход которого подключен к первому входу логического элемента ИЛИ-НЕ 10, второй вход которого соединен с выходом компаратора 9₁. Выход логического элемента ИЛИ-НЕ 10 подключен к управляющему входу счетчика 13, счетный вход которого соединен с выходом элемента задержки 12, вход которого соединен с выходом ГТИ 11. Вход ГТИ 11 и управляющий вход сканистора 7 соединены со входом запуска. Выход счетчика 13 является выходом КО 2₁.

Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени с выхода источника когерентного излучения 3 оптический поток единичной интенсивности поступает одновременно на БОС 4₁ и 4₂. Работа БОС 4₁ и 4₂ идентична, поэтому далее рассмотрен БОС 4₁. В БОС 4₁ оптический поток поступает одновременно на вход управляемого ОФМ 5₁ и вход неуправляемого ОФМ 5₂. В управляемом ОФМ 5₁ по всему кольцеобразному периметру происходит сдвиг фазы ϕ_N оптического потока, пропорциональный проекции вектора напряженности магнитного поля Земли на направление распространения оптического потока, в неуправляемом ОФМ 5₂ - сдвиг фазы на π во всех направлениях распространения оптического потока. В ФЛ 6 оптические потоки с выходов обоих ОФМ 5₁ и ОФМ 5₂ фокусируются на поверхность сканистора 7 (которая является его информационным входом), формируя при этом интерференционную картину с интенсивностью светового потока I_Σ = 2+2•cosΔϕ, где Δϕ = ϕ_N-π, или I_Σ = 2•(1-cosϕ_N), (1).

Так как выражение (1) справедливо для всех направлений распространения оптического потока на поверхности сканистора 7 формируется пространственно распределенная (по его периметру) интерференционная картина, имеющая максимум интенсивности в точке пересечения плоскости магнитного меридиана и периметра сканистора 7, так как сигнал, формируемый в каждой точке сканистора 7, пропорционален интенсивности оптического потока. По сигналу со входа запуска, подаваемому на управляющий вход сканистора 7 и вход ГТИ 11, происходит опрос сканистора 7 за время Т. На его выходе формируется сигнал I_ск(t) длительностью Т, временное распределение амплитуды которого соответствует пространственному распределению интенсивности интерференционной картины по периметру сканистора 7.

Значение сигнала I_cк будет изменяться в зависимости от направления магнитного меридиана в пределах от 2•(l-cos(0))=0 до 2•(1-cos(ϕ_Nmax)). (Необходимо отметить, что в этом случае минимальное значение I_CKmin равно нулю за счет использования неуправляемого ОФМ5₂, сдвигающего фазу оптического потока на π, что облегчает техническую реализацию процедуры сравнения и выбор опорного сигнала для анализа положения магнитного меридиана. При этом уровень максимального значения сигнала _СKmax зависит от магнитооптических свойств ОФМ 5₁).

Направление магнитного меридиана определяется по интервалу времени от 0 до момента t_N (0 соответствует исходному направлению, связанному с корпусом устройства, t_N - направлению плоскости магнитного меридиана) путем подсчета тактовых импульсов счетчиком 13. В момент времени _N сигнал I_ск принимает максимальное значение для определения данного момента в устройстве используется известное условие экстремума функции: Однако в этом случае возникает неопределенность, так как при I_CK = 0 (что соответствует распространению оптического потока от источника когерентного излучения 3 в направлении "запад-восток") условие существования экстремума (здесь - минимума) также выполняется. Во избежание этой неопределенности в устройстве производится проверка двух условий: I_ck≠0, Для этого из БОС 4₁ со сканистора 7 сигнал I_CK поступает на компаратор 9₁ канала ориентирования 2₁, где сравнивается с нулевым (опорным) значением сигнала, и дифференциатор 8, с выхода которого сигнал, пропорциональный сигналу поступает на компаратор 9₂, где также сравнивается с нулевым сигналом.

При этом возможны следующие сочетания входных и выходных сигналов для компараторов 9₁,9₂:
1) на входе компаратора 9₁ нулевой сигнал, на его выходе - "1";
на входе компаратора 9₂ - "0", на его инверсном выходе - "0";
2) на входе компаратора 9₁ ненулевой сигнал, на его выходе - "0";
на входе компаратора 9₂ ненулевой сигнал, на его инверсном - выходе "1";
3) на входе компаратора 9₁ ненулевой сигнал, на его выходе - "0";
на входе компаратора 9₂ нулевой сигнал, на его инверсном выходе - "0".

В момент времени t_N, когда I_CK = I_CKmax (случай 3), с выходов компараторов 9₁, 9₂ на входы элемента ИЛИ-НЕ 10 поступают сигналы, формирующие на его выходе единичный сигнал, запирающий счетный вход счетчика 13.

До выполнения условия (2) ГТИ 11 выдает тактовые импульсы на счетный вход счетчика 13 через элемент задержки 12, обеспечивающий синхронную работу сканистора 7 и счетчика 13. При выполнении условия (2) на выходе счетчика формируется сигнал, соответствующий точке пересечения магнитного меридиана с БОС 4₁. Аналогично работают БОС 4₂ и КО 2₂, обеспечивающие определение точки пересечения магнитного меридиана с БОС 4₂ ПМО. БОС 4₁, 4₂ являются взаимно перпендикулярными элементами сферы и позволяют по координатам двух точек на ее поверхности определить направление магнитного меридиана, проходящего через центр сферы, относительно подвижного объекта, на котором установлен ПМО. В случае, когда плоскость магнитного меридиана проходит через БОС 4₂ используется информация только от КО 2₂, так как БОС 4₁ имеет диаметрально противоположные зоны перекрытия светового потока БОС 4₂, и следовательно, формируемый сканистором 7 БОС 4₁ сигнал I_ск не имеет максимума. Счетчик 13 КО 2₁ при этом формирует сигнал переполнения. В свою очередь, в БОС 4₂ на поверхности сканистора формируется два максимума I_ск: один в направлении действия горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Н_г, другой в направлении действия вертикальной составляющей вектора магнитного поля Земли Н_В [К. А. Куликов, Н.С.Сидоренков. Планета Земля. - М.: Наука, 1977]. Таким образом, на выходе счетчика 13 КО 2₂ формируется сигнал, соответствующий направлению магнитного меридиана.

Формула изобретения

Пространственный магнитооптический ориентатор, содержащий канал измерения, состоящий из канала ориентирования, выход которого является выходом устройства, обеспечивающим определение направления горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, и оптической системы, включающей блок оптической системы, содержащий управляемый оптический фазовый модулятор, неуправляемый оптический фазовый модулятор, фокусирующую линзу, сканистор, при этом канал ориентирования содержит дифференциатор, два компаратора, элемент ИЛИ-НЕ, генератор тактовых импульсов, элемент задержки, счетчик, выходы управляемого оптического фазового модулятора и неуправляемого оптического фазового модулятора оптически связаны со входом фокусирующей линзы, выход которой оптически связан с информационным входом сканистора, выход которого подключен ко входу первого компаратора и входу дифференциатора, выход которого подключен ко входу второго компаратора, выход первого компаратора подключен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго компаратора, выход логического элемента ИЛИ-НЕ подключен к управляющему входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента задержки, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, вход генератора тактовых импульсов и управляющий вход сканистора объединены со входом запуска, выход счетчика является выходом канала ориентирования, отличающийся тем, что введены второй блок оптической системы, идентичный первому, причем первый и второй блоки оптической системы расположены взаимно перпендикулярно, второй канал ориентирования, выполненный идентично первому, выход которого является выходом устройства, обеспечивающим определение направления вертикальной составляющей магнитного поля Земли, первый выход оптической системы подключен к соответствующему входу первого канала ориентирования, второй выход оптической системы подключен к соответствующему входу второго канала ориентирования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4