Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 33 )

Изображение прямоугольной визирной марки (на рис. 6.1, б оно заштриховано) строится объективом 1 в его фокальной плоскости, где размещается ребро светоделительного блока – призмы 3. Весь поток F делится анализатором на две части: Fа и Fб, попадающие на идентичные фотоприемники 2, 6. Сигналы с приемников поступают на блок сравнения 4, на выходе которого образуется их разность. Пропорциональный этой разности Fа-б=Fа - Fб сигнал с выхода блока сравнения поступает на индикатор 5.

Очевидно, что при смещении визирной марки с оптической оси системы ее изображение будет смещаться относительно ребра анализатора (рис. 6.1, б). Разность потоков Fа-б будет меняться пропорционально этому смещению, т. е. пропорционально угловому рассогласованию между оптической осью и направлением на энергетический центр марки, до тех пор, пока изображение целиком не перейдет на одну из граней светоделительного блока.

При равномерной освещенности изображения статическая характеристика имеет вид ломаной, представленной на рис. 6.1, в. Важно отметить, что ширина линейной зоны статической характеристики определяется размером изображения и законом распределения освещенности в нем.

Принцип работы анализатора на базе двухэлементного разрезного приемника (рис. 6.2) аналогичен изложенному выше. Здесь роль граней призмы играют две чувствительные площадки приемника, включенные по дифференциальной схеме, а роль ребра призмы выполняет разделяющий эти площадки промежуток.

Рис. 6.2. Двухэлементный приемник излучения – простейший амплитудный анализатор изображения

Площадки обычно включаются по дифференциальной (разностной) схеме. Хотя обе площадки такого приемника изготовляются обычно в совершенно одинаковых условиях или вырезаются из одной заготовки, полностью устранить разброс их чувствительностей не удается, т. е. и здесь отмечается дрейф нуля при изменении окружающих условий или при длительной эксплуатации приемника.

Область координатной характеристики двухплощадочного приемника, в которой выходной сигнал изменяется от минимума, соответствующего уровню шума, до максимума, когда изображение излучателя полностью переходит на одну из площадок, определяется размером изображения, а также шириной разделительного промежутка. Очевидно, что линейность и крутизна характеристики также зависят от параметров изображения – формы и закона распределения освещенности.

Достоинствами таких приемников являются большая крутизна, малый дрейф нуля, высокое быстродействие. К их недостаткам следует отнести сравнительно небольшой линейный участок координатной характеристики, а главное, зависимость крутизны этой характеристики от многих параметров (формы, размера, ориентации изображения излучателя, закона распределения освещенности и др.).

Помимо двухканальных (двухэлементных) светоделительных анализаторов, осуществляющих определение положения энергетического центра тяжести изображения вдоль одной оси, в ОЭП применяют и двумерные амплитудные анализаторы такого типа. Размеры отдельных площадок таких координатных приемников излучения (КПИ) достигают нескольких миллиметров, а крутизна координатной характеристики – 0,1...0,5 В/(мм×мВт). К каждой из частей подведены токосъемные контакты.

В ряде случаев отдельные элементы чувствительного слоя используются не для образования полезного сигнала, а для компенсации влияния переменных внешних условий (температуры, давления, влажности, уровня фоновой освещенности и т. п.).

При использовании двух - и четырехплощадочных КПИ в ОЭП, предназначенных для точного наведения на излучающий объект, часто возникает задача: компенсировать влияние изменяющейся освещенности чувствительных площадок на крутизну координатной характеристики ОЭП, а следовательно, и на точность наведения. Известно несколько способов уменьшения этого влияния.

Одним из таких способов для КПИ, состоящего из двух элементов – фотодиодов, является последовательное включение фотодиодов в фотогальваническом режиме. При этом крутизна координатной характеристики КПИ в области малых смещений изображения с линии раздела чувствительных площадок не зависит от освещенности изображения, однако чувствительность такого КПИ низка.

Распространенным способом стабилизации координатной характеристики является использование дифференциальных (суммарно-разностных) схем включения, когда смещение изображения, пропорциональное разности сигналов, снимаемых с площадок КПИ, берется в относительной мере как отношение этой разности к их сумме, которая пропорциональна всему потоку, образующему изображение [1].

Известны и успешно используются на практике анализаторы в виде зеркальных четырехгранных пирамид, а также четырехплощадочные квадрантные приемники.

Для получения наибольшей крутизны статической характеристики целесообразно отдельные площадки или грани четырехплощадочных анализаторов располагать так, как это показано на рис. 6.3, а. В зависимости от взаимной ориентации осей системы координат, в которой измеряется смещение изображения от центра анализатора, и границ между площадками анализатора 1... 4 образуются различные комбинации сигналов, снимаемых с этих площадок. Для устранения зависимости крутизны статической характеристики от изменения освещенности изображения эти комбинации сигналов обычно нормируют путем деления на величину, пропорциональную сумме сигналов, снимаемых со всех четырех площадок анализатора. Например, для анализатора, представленного на рис. 6.3, б, целесообразно определять смещения изображения по осям x и y как

где F1, ..., F4 – потоки, попадающие на соответствующие квадранты анализатора.

Достоинствами анализаторов этого типа являются простота конструкции, отсутствие подвижных деталей, возможность получения очень высокой чувствительности.

Рис. 6.3. Двухкоординатный амплитудный анализатор

Основные их недостатки: плохая помехозащищенность, так как появление какой-либо помехи в одном из каналов анализатора вызывает его «разбаланс», т. е. смещение нуля и изменение вида статической характеристики; трудность обеспечения идентичности параметров отдельных каналов (плеч) анализатора, особенно при использовании двух - и четырехплощадочных приемников излучения в качестве анализатора, поскольку в процессе работы ОЭП коэффициенты пропускания этих каналов, как и чувствительности отдельных элементов приемника, могут случайным образом измениться; наличие промежутков между отдельными элементами приемника-анализатора и ряд других. Для устранения отмеченных недостатков приходится использовать схемы автоматической компенсации разброса параметров анализатора и их нестабильности во времени.

По указанным причинам такие анализаторы наиболее эффективны при пассивном методе работы ОЭП по высококонтрастным излучателям в пределах небольших угловых полей, где рядом с наблюдаемым объектом нет излучающих помех и неоднородных фонов.

6.4. Амплитудно-фазовые анализаторы

Очень распространены на практике амплитудно-фазовые анализаторы, которые в результате сканирования изображения создают сигнал с амплитудой и фазой, меняющимися в зависимости от параметров изображения, чаще всего в зависимости от координат изображения в плоскости анализа.

Примером простейшего анализатора такого типа является вращающийся полудиск (рис. 6.4). При вращении полудиска 2 вокруг оптической оси объектива 1 происходит периодическое изменение амплитуды сигнала, поступающего на приемник излучения 3.

Рис. 6.4. Схема ОЭП с амплитудно-фазовым анализатором – полудиском

При смещении изображения, например, как это показано на рис. 6.5, в виде круга с центрально-симметричным распределением освещенности, с центра полудиска будут меняться форма сигнала и амплитуда первой гармонической составляющей (положения I... IV на рис. 6.5). При изменении фазового угла изображения j (угла между начальным положением j=0 ребра полудиска и положением ребра при пересечении центра изображения) меняется фаза сигнала. На рис. 6.5 фаза сигнала изменилась от j=p/2 (положения II... IV) до j=3p/4 (положение V). Если с валом двигателя 8, вращающего полудиск 2, жестко связать генератор опорного напряжения 7 (см. рис. 6.4), вырабатывающий сигнал U0, фаза которого постоянна, то, сравнивая фазы электрических сигналов Uc (на выходе усилителя 4, помещенного после приемника и настроенного на частоту первой гармонической составляющей) и U0 в специальном электронном блоке 5 (фазочувствительном детекторе), на выходе (индикатор 6) можно получить информацию о фазовом угле изображения визирной марки. С помощью фазочувствительных детекторов (см. §8.2) легко разложить полученный сигнал рассогласования на составляющие, пропорциональные смещению изображения по осям x и y.

Если смещение Dr изображения – круга радиуса r – невелико (Dr/r£0,25), то с погрешностью в доли процента статическая характеристика DF =f(Dr) описывается выражением

где F – полный поток, образующий изображение, т. е. относительная чувствительность такого анализатора Kа=2/p.

Если изображение представляет собой дифракционный кружок Эри (см. § 4.2), то линейность статической характеристики сохраняется при Dr/rд£0,3, где rд=1,22 lf¢/D [см. формулу (4.1)], а относительная чувствительность Kа»1,1.

Другим примером является оптическая система, схематично изображенная на рис. 6.6, a. При вращении вокруг оптической оси системы Кассегрена наклонного контррефлектора 1 изображение излучателя совершает круговое движение в плоскости анализа, где размещен простейший растр – круглая диафрагма 2. За диафрагмой установлен приемник излучения 3. Таким образом, здесь осуществляется последовательный просмотр поля – сканирование в пространстве объектов.