Лазерная полуактивная головка самонаведения

Изобретение относится к головкам самонаведения управляемых снарядов и ракет. Лазерная полуактивная головка самонаведения содержит гирокоординатор, включающий многоплощадочное фотоприемное устройство, обмотки управления магнитоэлектрического датчика момента, последовательно соединенные многоканальный усилитель, первый сумматор, первый компаратор, селектор импульсов, второй компаратор, устройство выборки-хранения, схему суммо-разностной обработки и блок усилителей мощности, а также дифференцирующее устройство и источник опорного напряжения. Выходы чувствительных площадок фотоприемного устройства соединены со входами многоканального усилителя, выход которого соединен со входом устройства выборки-хранения. Первый и второй выходы блока усилителей мощности, являющиеся выходами головки самонаведения, соединены с входами обмоток управления магнитоэлектрического датчика момента. Выход селектора соединен со вторым входом первого компаратора. Выход дифференцирующего устройства соединен со вторым входом второго компаратора. Вход дифференцирующего устройства соединен с выходом первого сумматора. Головка снабжена последовательно соединенными генератором импульсов, первым и вторым счетчиками импульсов, регистром, преобразователем кодов, цифроаналоговым преобразователем и вторым сумматором, а также третьим компаратором. Увеличивается дальность захвата цели лазерной полуактивной головкой самонаведения. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к лазерным полуактивным головкам самонаведения (ГСН), используемым для формирования сигналов управления артиллерийскими управляемыми снарядами и ракетами.

Известна полуактивная головка самонаведения, патент №2208210 от 28.09.2001 г., содержащая гирокоординатор, включающий многоплощадочное фотоприемное устройство (ФПУ), обмотки управления магнитоэлектрического датчика момента, последовательно соединенные блок усилителей, сумматор, первый компаратор и селектор, схему суммо-разностной обработки, последовательно соединенные дифференцирующее устройство, второй компаратор и устройство выборки и хранения, блок усилителей мощности, подключенный выходами, являющимися выходами головки самонаведения, к обмоткам управления магнитоэлектрического датчика момента, выходы площадок ФПУ соединены со входами блока усилителей, выход схемы суммо-разностной обработки соединен со входом усилителя мощности, выход селектора соединен со вторым входом первого компаратора, второй вход устройства выборки и хранения соединен с выходом блока усилителей, выход устройства выборки и хранения соединен со входом схемы суммо-разностной обработки, вход дифференцирующего устройства соединен с выходом сумматора, а второй вход второго компаратора соединен с выходом селектора.

При попадании отраженного от объекта импульса подсвета в поле зрения ГСН, на выходах приемника излучения, выполненного, например, в виде квадрантного фотоприемного устройства, формируются импульсы напряжения, пропорциональные энергии излучения, попавшей на каждую из четырех чувствительных площадок. Импульсы с выхода ФПУ поступают на вход блока усилителей. Усиленные импульсы с выходов блока усилителей поступают на вход четырехканального устройства выборки и хранения и на вход сумматора, где суммируются по амплитуде и поступают на вход первого компаратора, формирующего нормированный по амплитуде импульс, поступающий на вход селектора. При попадании на вход селектора подряд 3-5 импульсов на заранее выбранной частоте подсвета на выходе селектора формируется стробирующий импульс, разрешающий формирование сигналов первым и вторым компараторами, а следовательно, формирование на выходе устройства выборки-хранения напряжений, пропорциональных входным импульсам. Схема суммо-разностной обработки формирует сигнал рассогласования, поступающий через усилители мощности на обмотки управления магнитоэлектрического датчика момента гирокоординатора, удерживающего пятно рассеяния от цели в центре ФПУ.

Недостатком описываемой ГСН является низкая чувствительность, так как она настраивается исходя из условия обеспечения помехоустойчивости при воздействии шума, соответствующего максимальной спектральной плотности энергетической яркости фона и собственным шумам ФПУ. В большинстве случаев применения ГСН максимальный фон отсутствует и это ведет к уменьшению дальности захвата входного оптического сигнала и, следовательно, к уменьшению времени управления снарядом и ограничению величины выбираемого промаха.

Задача предлагаемого изобретения - увеличение дальности захвата цели лазерной полуактивной головкой самонаведения. Указанная задача достигается тем, что лазерная полуактивная головка самонаведения, содержащая гирокоординатор, включающий многоплощадочное фотоприемное устройство, обмотки управления магнитоэлектрического датчика момента, последовательно соединенные многоканальный усилитель, первый сумматор, первый компаратор, селектор импульсов, второй компаратор, устройство выборки-хранения, схему суммо-разностной обработки и блок усилителей мощности, а также дифференцирующее устройство и источник опорного напряжения, при этом выходы чувствительных площадок фотоприемного устройства соединены со входами многоканального усилителя, выход которого соединен со входом устройства выборки-хранения, первый и второй выходы блока усилителей мощности, являющиеся выходами головки самонаведения, соединены с одноименными входами обмоток управления магнитоэлектрического датчика момента, выход селектора соединен со вторым входом первого компаратора, выход дифференцирующего устройства соединен со вторым входом второго компаратора, а вход дифференцирующего устройства - с выходом первого сумматора, снабжена последовательно соединенными генератором импульсов, первым и вторым счетчиками импульсов, регистром, преобразователем кодов, цифроаналоговым преобразователем и вторым сумматором, а также третьим компаратором, причем выход генератора дополнительно соединен со вторым входом второго счетчика, выход первого счетчика дополнительно соединен со вторым входом регистра, выход второго сумматора соединен с третьими входами первого и второго компараторов, второй вход второго сумматора соединен с выходом источника опорного напряжения и первым входом третьего компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход третьего компаратора - с третьим входом второго счетчика.

Увеличение дальности захвата обеспечивается за счет формирования порога чувствительности, адаптивного к величинам энергетической яркости фона и собственных шумов приемника излучения. Определение величины текущего порога чувствительности в предлагаемом устройстве основано на свойстве нормального распределения случайной величины, заключающемся в том, что вероятность превышения случайной величиной определенного порога однозначно связана с величиной среднеквадратического отклонения этой случайной величины. Величина порогового напряжения, определяющая уровень чувствительности в предлагаемом устройстве, равна:

где U_о - начальный уровень порога чувствительности, задаваемый источником опорного напряжения;

U_изм=3·σ_ш - изменяемая часть порогового напряжения, определяемая собственными шумами ФПУ и фоном в соответствии с выражением:

где σ_ш - среднеквадратическая величина шума;

t - суммарное значение времени нахождения третьего компаратора в единичном состоянии в течение измерительного интервала T;

T_о - тактовая частота генератора, выбираемая в пределах (1÷100) мкс;

N - содержимое второго счетчика к концу измерительного интервала T.

Начальное значение уровня чувствительности U_пор.о определяется из соотношения:

где σ_{ш о} - паспортное значение уровня собственных шумов приемника излучения, определяемое в нормальных климатических условиях и в отсутствии фона.

Предлагаемое изобретение пояснено графическим материалом. На чертеже приведена структурная схема, где:

- 1 - многоплощадочное фотоприемное устройство, выполненное, например, в виде квадрантного приемника излучения (ФПУ);

- 2 - источник опорного напряжения (ИОН);

- 3 - многоканальный усилитель, например четырехканальный усилитель (БУ);

- 4 - первый сумматор (СУММ 1);

- 5 - третий компаратор (К 3);

- 6 - устройства выборки-хранения (УВХ);

- 7 - второй компаратор (К 2);

- 8 - дифференцирующее устройство (ДИФФ);

- 9 - второй сумматор (СУММ 2);

- 10 - устройство суммо-разностной обработки (СРО);

- 11 - селектор (СЕЛ);

- 12 - первый компаратор (К 1);

- 13 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

- 14 - блок усилителей мощности (УМ);

- 15 - генератор (Г);

- 16 - второй счетчик (СТ 2);

- 17 - преобразователь кодов (ПК);

- 18 - первый счетчик (СТ 1);

- 19 - регистр (РЕГ);

- 20 - обмотки управления магнитоэлектрического датчика момента (ОУ).

Работает головка самонаведения следующим образом. Подача питания на ГСН осуществляется в процессе полета до начала подсвета цели. При этом на выходе генератора 15 формируются импульсы, поступающие на вход первого счетчика 18 и первый вход второго счетчика 16. Первый счетчик 18 при этом формирует импульсы с периодом Т, осуществляющие перезапись содержимого второго счетчика 16 в регистр 19, а также обнуление счетчика 16. На выходе первого сумматора 4 формируется сигнал, обусловленный собственными шумами ФПУ 1 воздействием фона, поскольку включение источника подсвета осуществляется с задержкой относительно подачи питания. Этот сигнал совместно с уровнем напряжения источника опорного напряжения 2 определяет состояние выходного сигнала третьего компаратора 5. Считая что распределение уровней сигнала на входе третьего компаратора 5 является нормальным, время нахождения его в состоянии логической 1 подчиняется соотношению [2]. Сигнал с выхода третьего компаратора разрешает второму счетчику счет импульсов генератора 15. Таким образом, к концу интервала Т во втором счетчике накапливается число, пропорциональное интегралу вероятности. С выхода регистра 19 накопленное значение интеграла вероятности поступает на вход преобразователя кодов, где преобразуется в величину, пропорциональную σ_ш, и далее через цифроаналоговый преобразователь в виде напряжения поступает на вход второго сумматора. Таким образам, уровень напряжения, определяющий порог срабатывания первого и второго компараторов, зависит от уровня шумов ФПУ 1, исключая тем самым формирование ими ложных импульсов, обусловленных воздействием шума. Так как длительность импульсов подсвета, формируемая фотоприемным устройством 1, равная 0,2÷1 мкс, весьма мала по сравнению с измерительным интервалом T=(50÷100) мс, влиянием импульсов подсвета на величину порога чувствительности можно пренебречь, что позволяет производить корректировку чувствительности ГСН и в процессе слежения за целью. При попадании отраженного от цели импульса подсвета в поле зрения ГСН на выходах ФПУ 1 формируются импульсы напряжения, пропорциональные энергии излучения, попавшей на каждую из четырех чувствительных площадок. Импульсы с выхода ФПУ 1 поступают на вход блока усилителей 3. Усиленные импульсы с выходов блока усилителей 3 поступают на вход четырехканального устройства выборки и хранения 6 и на вход сумматора 4, где суммируются по амплитуде и поступают на вход первого компаратора 12, формирующего нормированный по амплитуде импульс, поступающий на вход селектора. Таким образом, при попадании энергии излучения импульса подсвета на любую из площадок фотоприемного устройства 1 формируется импульс, поступающий на вход селектора 11. Для обеспечения помехозащищенности ГСН период импульсов подсвета поддерживается с высокой точностью. При приеме первого импульса подсвета селектор 11 формирует последовательность стробирующих импульсов с периодом повторения, равным периоду повторения импульсов подсвета. Эти импульсы стробируют первый компаратор 12, разрешая поступление на вход селектора 11 импульсов с периодом повторения, равным периоду повторения импульсов подсвета. При попадании на вход селектора подряд 3-5 импульсов принимается решение о слежении за принятой ГСН последовательностью импульсов и на выходе селектора 11 формируется стробирующий импульс, разрешающий формирование сигналов первым (12) и вторым (7) компараторами.

В начале процесса слежения за целью световое пятно находится, как правило, вне центральной зоны приемника излучения 1. При этом на выходе четырехканального усилителя 3 появляются импульсы, поступающие на входы первого сумматора 4 и устройства выборки и хранения (УВХ) 6. При наличии этого управляющего импульса УВХ 6 формирует на своем выходе напряжение, пропорциональное входному в момент спада управляющего импульса. Для правильной работы устройства выборки и хранения необходимо, чтобы спад управляющего импульса совпадал с вершиной входного импульса. В описываемой ГСН это достигается включением между сумматором 3 и вторым компаратором 7 дифференцирующего устройства 6. При этом на выходе второго компаратора 7 во время стробирующего интервала формируется импульс, фронт которого совпадает с началом фронта входного импульса и спадом, совпадающим с вершиной импульса. Запомненные с помощью УВХ 6 значения амплитуд импульсов поступают в первый блок суммо-разностной обработки 10, где формируются выходные сигналы по соотношениям:

X=(а+в-c-d)/(а+в+c+d)

Y=(а-в-c+d)/(а+в+c+d),

где X, Y - сигнал, определяющий величину смещения пятна рассеяния относительно центра ФПУ по соответствующей оси;

а, в, c, d - уровни напряжения с площадок фотоприемного устройства.

Эти сигналы поступают через блок усилителей мощности 14 в соответствующие обмотки управления магнитоэлектрического датчика момента гирокоординатора 20, обеспечивая прецессию гироскопа в сторону уменьшения смещения. Сигналы на выходах блока усилителей мощности 14, являющиеся выходами ГСН, используются для управления автопилотом.

ГСН выполнена с применением стандартных микросхем. Цифровая часть может быть выполнена на микросхемах серии 533. В качестве устройства выборки и хранения (УВХ) используются микросхемы 1486СК1 - четырехканальное УВХ. В качестве преобразователя кодов используется постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), причем адрес ячейки определяется содержимым регистра 19, а содержимое ячеек памяти рассчитывается заранее по соотношению [2].

Лазерная полуактивная головка самонаведения, содержащая гирокоординатор, включающий многоплощадочное фотоприемное устройство, обмотки управления магнитоэлектрического датчика момента, последовательно соединенные многоканальный усилитель, первый сумматор, первый компаратор, селектор импульсов, второй компаратор, устройство выборки-хранения, схему суммо-разностной обработки и блок усилителей мощности, а также дифференцирующее устройство и источник опорного напряжения, при этом выходы чувствительных площадок фотоприемного устройства соединены со входами многоканального усилителя, выход которого соединен со входом устройства выборки-хранения, первый и второй выходы блока усилителей мощности, являющиеся выходами головки самонаведения, соединены с одноименными входами обмоток управления магнитоэлектрического датчика момента, выход селектора соединен со вторым входом первого компаратора, выход дифференцирующего устройства соединен со вторым входом второго компаратора, а вход дифференцирующего устройства - с выходом первого сумматора, отличающаяся тем, что она снабжена последовательно соединенными генератором импульсов, первым и вторым счетчиками импульсов, регистром, преобразователем кодов, цифроаналоговым преобразователем и вторым сумматором, а также третьим компаратором, причем выход генератора дополнительно соединен со вторым входом второго счетчика, выход первого счетчика дополнительно соединен со вторым входом регистра, выход второго сумматора соединен с третьими входами первого и второго компараторов, второй вход второго сумматора соединен с выходом источника опорного напряжения и первым входом третьего компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход третьего компаратора - с третьим входом второго счетчика.