Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 34 )

Рис. 6.5. Сигналы в системе с анализатором-полудиском:

а – положение изображения; б – сигналы после анализатора;

в – сигналы после усилителя и генератора опорного напряжения.

Если излучатель находится на оптической оси, то его изображение будет двигаться по периферии растра (рис. 6.6, б). При осесимметричном распределении освещенности в изображении амплитуда сигнала на выходе растра постоянна (рис. 6.6, в, положение I). При смещении излучателя с оптической оси траектория движения становится эксцентричной по отношению к растру-диафрагме (траектории II...IV). Появляется переменная составляющая сигнала (сигналы FII—FIV на рис. 6.6, в). Амплитуда и фаза этой составляющей меняются в зависимости от положения излучателя в угловом поле прибора. В зоне небольших угловых рассогласований, не превышающих размер изображения, характер изменения амплитуды в зависимости от смещения изображения (рис. 6.6, г) часто считают линейным. Выделение фазы сигнала, т. е. угла рассогласования в полярной системе координат, в такой системе возможно осуществить точно так же, как и в предыдущем примере, т. е. с помощью генератора опорного напряжения и фазочувствительного детектора.

Основными источниками погрешностей, свойственных анализаторам описанного типа, являются погрешности, обусловленные нестабильностью амплитуды сигнала, эксцентриситетом оси вращения анализатора или изображения (биения оси вращения), изменением частоты вращения полудиска или изображения.

По ряду причин (нестабильность освещенности в изображении, наличие в угловом поле прибора помимо визирной марки излучателей помех, влияние неоднородности чувствительного слоя приемника и др.) при использовании таких анализаторов амплитуду сигнала в качестве носителя информации, как правило, не выбирают. Вместо нее рассматривают глубину модуляции сигнала, образующегося при двукратной амплитудной модуляции образующейся при Применение оптических компенсаторов в ОЭП с этими анализаторами заметно ослабляет влияние нестабильности амплитуды сигнала на точность измерения или слежения, но приводит к дополнительным и порой значительным потерям потока и усложнению конструкции всего ОЭП.

Рис. 6.6. Оптическая система с переносом изображения по растру:

а – оптическая схема; б – траектория изображения;

в – сигналы после анализатора; г – статическая характеристика

Еще одной конструктивной разновидностью амплитудно-фазовых анализаторов являются виброщелевые анализаторы, основным узлом которых служит щелевая диафрагма, совершающая в плоскости изображений колебания относительно оптической оси объектива. Иногда вместо щели используется колеблющаяся нить. Как и в предыдущем случае, можно также осуществлять колебания изображения относительно неподвижной щели или нити. Принцип действия виброщелевого анализатора иллюстрирует рис. 6.7.

Рис. 6.7. Принцип работы виброщелевого анализатора (t1+t2=T)

Если происходит колебание щели относительно изображения (или наоборот), то при расположении изображения на оси системы (оптической оси, совпадающей с центром колебаний) временной интервал t=t1-t2=0. При появлении рассогласования, т. е. смещении изображения на величину x по оси, вдоль которой совершаются колебания, измерив t=t1-t2¹0, можно определить x, например, заполняя интервал времени t импульсами высокой частоты и подсчитывая их число.

Амплитуда выходного сигнала используется в качестве информативного параметра в тех случаях, когда амплитуда колебаний щели А и ее ширина В сопоставимы с размером изображения, т. е. А ненамного превышает размер изображения по оси x. При оптимальном соотношении и размере изображения, гораздо меньшем В, линейность статической характеристики такого анализатора сохраняется при Dх/В£0,15. Здесь Dx – смещение изображения относительно центра сканирования. Относительная чувствительность при синусоидальном характере изменения скорости колебания щели Ka=2/p. Максимальная крутизна статической характеристики при этих условиях достигается при равенстве ширины изображения размеру щели В.

При равномерной скорости колебания щели или прямоугольного изображения относительно щели часто для получения высокой чувствительности стремятся обеспечить соотношение А=В.

Для виброщелевых анализаторов так же, как и для вращающихся анализаторов, основными являются погрешности, возникающие вследствие изменения амплитуды входного сигнала (потока), в том числе в результате изменения распределения освещенности в изображении, а также из-за нестабильности положения центра и скорости колебаний [1,14].

6.5. Фазовые анализаторы изображения

Несовершенство амплитудных и амплитудно-фазовых анализаторов, что проявляется прежде всего в сильной зависимости их статических характеристик от неконтролируемых изменений амплитуды входного сигнала, повысило интерес к фазовым анализаторам, в значительной степени лишенным этого существенного недостатка. Примером простейшего фазового анализатора является вращающийся растр (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Простейший фазовый растровый анализатор

Если растр эксцентричен по отношению к оптической оси объектива, проходящей через точку О (рис. 6.8, а), то при смещении изображения из положения 1 в положение 2 на расстояние Dх произойдет изменение фазы последовательностей импульсов j1 и j2 на выходе анализатора (рис. 7.6, б), соответствующих этим положениям. Измеряя разность фаз Dj текущего значения сигнала на выходе анализатора и некоторого опорного сигнала, источник которого жестко связан с вращающимся растром (см., например, рис. 6.4), можно получить информацию о значении Dх. Обычно импульсные сигналы j1 и j2 (рис. 6.8, б) подаются на приемник излучения, усиливаются и фильтруются, т. е. в электронном тракте выделяется первая гармоника, и сравнение фаз сигнала и опорного напряжения осуществляется для этой гармоники.

Если смещение Dх соответствует угловому отклонению радиуса-вектора центра изображения Db=arctg (Dx/R), а угловой размер периода растра b0=360°/m, где т – число периодов растра, то, так как действительно соотношение Db/b0=Dj/360°, выражение для статической характеристики такого анализатора будет иметь вид

Вместо плоского анализатора-растра иногда используются анализаторы в виде вращающегося барабана, боковая цилиндрическая поверхность которого выполнена в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных полос.

Помимо растровых фазовых анализаторов известны устройства, в которых развертка поля изображений осуществляется электронным способом, например, осуществляется сканирование электронным изображением по неподвижной диафрагме диссектора. Принципиальная схема такой развертки аналогична представленной на рис. 6.6, но вместо сканирования с помощью наклонного зеркала используется отклонение электронного изображения, построенного на фотокатоде диссектора и переносимого в плоскость диафрагмы с помощью электронной фокусирующе-отклоняющей системы (см. §5.9). Подавая на отклоняющие катушки управляющие напряжения равной частоты и амплитуды, но сдвинутые по фазе на 90°, можно заставить изображение двигаться по окружности. Получаемые после развертки импульсы фототока усиливаются, из их спектра выделяется первая гармоника, смещение фазы которой относительно фазы опорного напряжения несет информацию о координате изображения.

Подобный принцип развертки и анализа может быть осуществлен не только с помощью оптико-механических или фотоэлектронных устройств, но и при использовании других, самых разнообразных сканирующих систем (см. гл. 7).

Основные погрешности растровых фазовых анализаторов возникают вследствие неточного нанесения рисунка растра, эксцентриситета оси растра по отношению к оси его вращения, изменения распределения освещенности в изображении при его смещении и ряда других причин [1,14].

В электронных развертывающих устройствах основным источником погрешности часто является нестабильность питающих напряжений, приводящая к непостоянству траектории сканирования, изменению частоты сигнала и другим вредным последствиям.

Следует также отметить, что для получения высокой точности измерения малых фазовых рассогласований необходимо обеспечить достаточно высокое отношение сигнал-шум.

6.6. Частотные анализаторы

Анализаторы, в которых информативным параметром выходного сигнала является его частота, обычно используют для определения координат малоразмерных излучателей, расположенных в угловом поле ОЭП.

Простейший оптический растр анализатора, используемый для создания частотно-модулированного сигнала, частота которого несет информацию о положении излучателя в угловом поле прибора, показан на рис.6.9. Если поместить такой растр вместо простой круглой диафрагмы в систему, схема которой дана на рис.6.6, то при нулевом рассогласовании излучатель находится на оптической оси системы (траектория 1 на рис. 6.9), и сигнал на выходе растра будет представлять собой последовательность одинаковых импульсов, следующих с частотой f=mn, где т – число периодов растра, а п – частота вращения изображения. При смещении изображения (траектория 2) меняются длительность и фаза импульсов, т. е. и частота их следования. Изменение мгновенных значений частоты пропорционально изменению длительности импульсов, что, в свою очередь, определяется траекторией движения изображения. Из рис. 6.9 ясно, что участки траектории (дуги ab и cd) связаны со временами tab и tcd прохождения их изображением, а следовательно, и с мгновенными значениями частоты: