МАЛОГАБАРИТНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА САМОНАВЕДЕНИЯ, АДАПТИВНАЯ К УСЛОВИЯМ СБЛИЖЕНИЯ
УДК 623.465.757
МАЛОГАБАРИТНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА САМОНАВЕДЕНИЯ, АДАПТИВНАЯ К УСЛОВИЯМ СБЛИЖЕНИЯ
© 2009 г. М. С. Гуревич ОАО “ЛОМО”, Санкт-Петербург
E-mail: gurevichms@airnet.ru
Показано, что при сближении с целью, когда многократно возрастают принимаемая оптической головкой самонаведения (ОГС) мощность излучения и угловой размер изображения цели, для обеспечения устойчивой работы ОГС с традиционно используемой в таких случаях адаптивной системой автоматической регулировки усиления (АРУ) необходимо соответствующим образом кодировать в выходном сигнале вращающегося фотоприемного устройства (ФПУ) угловую ошибку ОГС и параметр, характеризующий принимаемую ОГС мощность излучения. Кодирование в данном случае означает организацию изменения пропускания в каналы ФПУ излучения и, соответственно, параметров его выходного сигнала в зависимости от угловой ошибки либо путем выбора топологии ФПУ, либо путем изменения прозрачности маски на его входе. Показано, что эти коды при сближении могут измениться и в соответствии с ними должны изменяться и алгоритмы обработки сигналов.
Ключевые слова: оптическая когерентная томография, эндоскопические исследования, медицина, ранняя диагностика рака.
Коды OCIS: 350.4600, 280. 0280, 150.5670, 230.0230.
Поступила в редакцию 23.04.2009.
Головки самонаведения, включая оптические, должны сопровождать цель и формировать сигнал управления носителем на всей траектории его движения вплоть до встречи с целью. Естественно, при сближении увеличивается угловой размер изображения цели в фокальной плоскости и многократно возрастает мощность принимаемого оптической головкой самонаведения (ОГС) излучения по сравнению с их значениями на дальности захвата цели. С возрастанием принимаемого излучения увеличивается коэффициент усиления контура слежения ОГС и для обеспечения ее устойчивой работы требуется его стабилизация в определенных пределах, обычно осуществляемая системой автоматической регулировки усиления (АРУ) или подобной ей по назначению системой. Таким образом ОГС адаптируется к изменяющимся при сближении с целью условиям. Однако это не всегда оказывается возможным.
Выходной сигнал фотоприемника ОГС в принципе является единственным источником информации об угловой ошибке контура слежения для схемы формирования сигнала управления исполнительным механизмом и о принимаемой мощности излучения цели для схемы АРУ.
Вместе с тем в некоторых ОГС (в основном в ОГС с одним приемным каналом) эта информация не разделяется. Для ее разделения и последующего использования в ОГС должны быть приняты определенные меры. Естественным представляется применение различных кодов для угловой ошибки и принимаемой мощности излучения в сигнале с фотоприемного устройства (ФПУ).
Задача состоит в обосновании одного из принципов построения ОГС – выборе кода угловой ошибки в выходном сигнале ФПУ, которое обеспечивает формирование сигнала управления по ошибке и сигнала регулирования коэффициента усиления в системе АРУ для обеспечения устойчивой работы ОГС при сближении. Далее рассмотрены примеры устройств кодирования и декодирования в малогабаритных ОГС.
На рис. 1а приведена функциональная схема ФПУ моноимпульсной ОГС, а на рис. 1б – фокальная плоскость объектива и связанная с ней система координат.
На рис. 1б показано изображение излучателя в виде круга, на площади которого принятое излучение распределено равномерно. В блоке предварительной обработки (БПО) сигналы Uy
58 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
И Об 2
ФП z
(а) БПО
Uy Uz
(б)
1
z
OИИ O
ИИ y
34
y
Рис. 1. Функциональная схема ФПУ (а) и фокальная плоскость объектива моноимпульсной ОГС (б). И – излучатель, Об – объектив, ФП – фотоприемник, БПО – блок предварительной обработки, Uy, Uz – составляющие cигнала управления; Δy, Δz – cоставляющие угловой ошибки; oyz – система координат, ИИ – изображение излучателя, Оии – центр ИИ, 1, 2, 3 и 4 – квадранты.
и Uz формируются схемой отношений путем суммарно-разностной обработки сигналов с площадок фотоприемника (ФП) и определяются уравнениями
Uy = ⎡⎣⎢(U1+ U4 )−(U2 + U3 )⎤⎦⎥ /(U1+ U2 + U3 + U4 ), (1)
Uz = ⎣⎡⎢(U1+ U2 )−(U3 + U4 )⎤⎥⎦ /(U1+ U2 + U3 + U4 ), (2)
где U1, U2, U3, U4 – сигналы с соответствующих площадок ФПУ (квадрантов).
Каждый из сигналов пропорционален площади, занимаемой изображением излучателя (ИИ) на соответствующей площадке. При сближении радиус круга ИИ увеличивается. Пропорционально масштабному коэффициенту kм, характеризующему соответствие сигналов на выходе ФПУ принимаемой мощности излучения, вырастают и сигналы, снимаемые с каждой площадки ФП. Поэтому величины Uy и Uz инвариантны к изменению размеров ИИ и принимаемой ФП
мощности излучения. Гипотеза о представлении
ИИ в форме круга и равномерном распределении
в нем принимаемого излучения является основа-
нием для кодирования угловых величин Δy и Δz, соответствующих в системе отсчета oyz коорди-
натам совпадающих друг с другом в данном слу-
чае геометрического и энергетического центров
ИИ. Получаемые при декодировании величины
Uy и Uz связаны с величинами Δy и Δz масштабными коэффициентами. Масштабный коэффициент
связывает также kм и величину U, равную сумме сигналов со всех четырех площадок ФПУ,
U = ∑4 Ui. i=1
(3)
В данном примере код угловой ошибки, в том
числе и ее составляющих Δy и Δz, определяется топологией ФП, а сигнал, пропорциональный
принимаемой мощности излучения, от угловой
ошибки не зависит.
Такая ситуация может считаться правилом.
Рассмотрим пример, относящийся к исклю-
чениям из данного правила, иллюстрирующий
необходимость использования более сложных
кодов угловой ошибки ОГС в зависимости от
условий сближения с целью. На рис. 2а показана
фокальная плоскость объектива пассивной ОГС
с установленной на магнитном роторе гироскопа
фотооптической системой; на рис. 2б – выходные
сигналы ФП от соответствующих излучателей,
на рис. 2в – схема формирования сигнала управ-
ления прецессией ротора – магнита.
Из рис. 2 видно, что информация об угловом
отклонении Δ центра изображения точечного из-
лучателя от центра О поля обзора, формируемого
вращающимся ФП с круговой частотой ωã (или с периодом Тг), содержится в длительности τ или
скважности (Тг/τ ) импульса на выходе ФП.
В [1] показано, что при представлении изобра-
жения точечного излучателя в виде круга диаме-
тром, равным ширине радиально расположенной
вращающейся площадки ФП, форма импульса
на выходе ФП близка к косинус-квадратной
(термин взят из [2]). Таким образом, во всех
точках поля обзора (за исключением граничных
условий вблизи центра и края) величина τ обратно пропорциональна величине Δ. Следователь-
но, угловая ошибка ОГС закодирована в длитель-
ности импульса на выходе ФП. Для каждого значения Δ = const выходной
сигнал ФП представляет собой во времени по-
следовательность импульсов, следующих на
частоте ωã. С увеличением Δ значение амплитуды импульса Аи остается неизменным, а сред-
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
59
(а) z
г
U1 1
(б)
A1 A1/2
ИИ1
U2 2
A2 A2/2
ИИ2
U3
A3
ИИ3
О
И Об
y
V1 ФП РУ
U03
(в) V2
Tг ИПУ
АД
t Uy ПФ
Up АРУ
Рис. 2. Фокальная плоскость объектива (а), сигналы с фотоприемника (б) и функциональная схема блока формирования сигнала управления ОГС (в). ИИ1, ИИ2, ИИ3 – изображения излучателя; ФП – фотоприемник, ωг – круговая частота вращения ФП, oyz – система отсчета координат; U1, U2, U3 – сигналы с ФП; U03 – среднее значение сигнала U3, Тг – период вращения ФП; И – излучатель, Об – объектив, РУ – регулируемый усилитель, V1, V2 – входной и выходной сигналы РУ; Up – сигнал регулирования усиления, АРУ – цепь автоматической регулировки усиления, ИПУ – избирательный предварительный усилитель, АД – амплитудный детектор, ПФ – полосовой фильтр.
нее значение их последовательности Аср уменьшается. Следовательно, угловая величина Δ
закодирована и в параметре Аср. На рис. 2б амплитуды импульсов указаны под номерами
соответствующих изображений излучателей (см.
рис. 2а). С увеличением принимаемой мощности
излучения (коэффициента kм) пропорционально увеличиваются Аи и Аср.
При формировании сигнала управления Uy необходимо реализовать зависимость
Uy = k Δ, где
(4)
k = kмkр,
(5)
а kр – коэффициент усиления регулируемого усилителя (РУ).
При этом необходимо, чтобы при многократ-
ном увеличении kм относительно начального значения k0м величина k не превышала допустимого значения. На рис. 2в приведена схема
одного из вариантов реализации зависимостей
(4) и (5). Выходной сигнал регулируемого усили-
теля поступает на избирательный предваритель-
ный усилитель (ИПУ). Огибающая сигнала ИПУ меняется в зависимости от Δ. Далее огибающая выделяется амплитудным детектором и поступа-
ет на вход полосового фильтра, настроенного на частоту ωã. Определяющими вид зависимости амплитуды первой гармоники сигнала Uy от Δ при k = const являются параметры ИПУ – резонансная частота и полоса пропускания. Они
выбираются таким образом, чтобы при известном коде величины Δ (зависимости τ = f(Δ)) и
60 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
номинальном значении периода Тг была реализована операция декодирования. Выделение оги-
бающей и затем ее первой гармоники, очевидно,
являются вспомогательными операциями.
Далее рассмотрим (4) и (5) при условиях, что сигнал Uð формируется либо при Аи = const, либо с учетом того, что Аср = α/Δ (при α = const). Здесь важно оценить эффект убывания зависи-
мости. Поэтому в первом приближении зависи-
мость Аср можно представить в виде Аср = А0ср – – αΔ. Эти условия реализуются при установке
в цепь АРУ либо пикового детектора, либо де-
тектора среднего значения. Обозначим как А1 и А2 соответственно информативные для системы АРУ составляющие сигналов V1 и V2 на входе и выходе РУ. При этом возможно, что
А1 = kмАи
(6а)
или
А1 = kм(А0ср – αΔ ). Далее имеем
(6б)
А2 = kрА1,
(7)
Uð = kос А2 – Ез (при kосА2 > Е3),
(8)
где kос и Ез – коэффициент усиления обратной связи и зона нечувствительности цепи АРУ.
Очевидно, что так как kм возрастает при сближении, то функция kр = f(Uð) должна быть убывающей. В первом приближении примем
kр = k0 −βUð (при k0 = const, β = const), (9) где k0 – начальное значение коэффициента усиления РУ.
При условии (6а) после подстановки последо-
вательно (6а) в (7), (7) в (8) и (8) в (9) получаем
kр = k0 – β(kосkрkмАи – Ез). После преобразований имеем
(10)
kр = (k0 + βЕз)/(1+ βkосkмАи).
(11)
Наконец, после подстановки (11) в (5) получаем выражение для стабилизированного с помо-
щью системы АРУ коэффициента усиления ОГС при условии, что амплитуда выходного сигнала
фотоприемника не зависит от угловой ошибки, что очевидно,
k = kм(k0 + βЕз)/(1 + βkосkмАи).
(12)
При выполнении аналогичных преобразований с (6б) получим
k = kм(k0 + βЕз)/(1+ βkосkм(А0ср – αΔ). (13)
Величина Δ, как показано в [3], считается эквивалентной ошибкой, соответствующей сумме векторов амплитуд составляющих спектра ошибки Δ, под действием которых формируется сигнал управления, обеспечивающий установившийся режим слежения с постоянной угловой скоростью. При этом
Δýêâ = Ωóñò /D,
(14)
где Ωóñò – угловая скорость, отслеживаемая ОГС в установившемся режиме; D – добротность, или ко-
эффициент усиления разомкнутого контура ОГС.
Вместе с тем при высокой частоте ωã в первом приближении Δэкв можно представить в виде
Δ = Ωóñò /D,
(15)
a D – в виде
D = kÂ0,
где Â0 = const. После подстановки (15) в (13) имеем
(16)
k = Dkм(k0 + βЕз)/[(1 + βkосkмА0ср)D –
– βkосkмα Ωóñò].
(17)
Учитывая (16), из (12) и (17) получим выражения для добротности
D = C0 kм/(1 + d0kм),
(18)
где
C0 = B0(kо + βЕз), d0 = βkос Аи,
D = ⎣⎡C0 + C1Ωóñò ⎦⎤ kм/(1 + d1 kм),
(19)
a
C1 = β kосα, d1 = β kос А0ср.
Таким образом, если сигнал, используемый для регулирования коэффициента усиления ОГС с АРУ, при возрастании угловой ошибки ОГС не возрастает, то добротность ОГС с увеличением принимаемой мощности излучения стабилизируется; если этот сигнал убывает, то добротность ОГС с увеличением принимаемой мощности излучения также стабилизируется, но возрастает с увеличением отслеживаемой угловой скорости.
Последнее полезно, так как при малых добротностях улучшается качество отслеживания малых угловых скоростей, а при больших добротностях увеличивается запас по углу по отношению к краю поля зрения ОГС при отслеживании больших угловых скоростей.
Обратимся вновь к рис. 2. В ближней к цели зоне в ОГС формируются сигналы от размерного
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
61
излучателя, изображение ИИ3 которого, расположенное в центральной части поля обзора, приведено на рис. 2а, а сам сигнал U3 – на рис. 2б. Очевидно, что сигнал U3 в отличие от сигналов от точечного излучателя не импульсный, а бли-
зок к смещенному синусоидальному. Амплитуда первой гармоники сигнала U3 пропорциональна величине Δ. При этом в функциональной схеме на рис. 2в последовательно соединенные блоки
ИПУ и АД оказываются лишними, если ПУ цен-
трирует поступающий сигнал.
Изображения любой (например воздушной)
цели в зависимости от угла визирования будут
отличаться по форме и распределению энергии
друг от друга и изображения в виде круга. Вместе
с тем общим для них является то, что, начиная
с некоторой дальности до цели, в центральной
части поля обзора ОГС в выходном сигнале ФП
в первом приближении амплитуда первой гармо-
ники на частоте ωã пропорциональна ошибке, а среднее значение от нее не зависит. При этом с
уменьшением дальности эта часть поля обзора
увеличивается.
Следовательно, в ближней к цели зоне из-
меняется код величины Δ в выходном сигнале ФП. Изменяется при этом и код сигнала на вхо-
де системы АРУ. Здесь в цепи АРУ необходимо использовать детектор среднего значения U03 сигнала U3 .
Отметим, что в центральной зоне поля обзора,
когда угловая ошибка меньше радиуса изображения ИИ3, величина U03 не зависит от Δ , а затем с возрастанием Δ убывает. Таким образом, добротность ОГС в центральной зоне характери-
зуется зависимостью (18), а вне ее – зависимо-
стью (19). При этом в (18) вместо Аи необходимо подставить А0ср.
Отметим также, что в ряде используемых в
ОГС фотоприемных устройств в среднем значе-
нии выходного сигнала ФП недопустимо велика
паразитная составляющая. Поэтому и в ближней
к цели зоне выходной сигнал ФП центрирует-
ся (например путем дифференцирования). Из центрированного сигнала U3 сигнал А на входе
системы АРУ для регулирования коэффициента kр можно сформировать только при условии
А = αΔ.
(20)
При выполнении с (20) преобразований, аналогичных выполненным с (6б), получим
D = kм(С0 – C1 Ωóñò ).
(21)
Таким образом, добротность системы с АРУ оказывается пропорциональной мощности принимаемого излучения, что при сближении приводит к автоколебаниям и срыву слежения.
Следовательно, при построении систем с АРУ необходимо учитывать характер зависимости используемого в АРУ сигнала от ошибки системы.
Заключение
Зависимость сигнала управления от угловой ошибки нелинейная и может быть аппроксимирована некоторой ломаной. Крутизна каждого из участков этой ломаной, в свою очередь, зависит от конкретных размера и формы излучателя и распределения его излучения, топологии ФП, а также алгоритма обработки и формирования из сигнала ФП сигнала управления и характеризуется одним из выражений (18), (19) или (21), позволяющих предварительно оценить приемлемость принятых технических решений с позиций качества работы ОГС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуревич М.С., Еськин В.Н., Чупраков А.М., Шустов Н.Ю. Трехспектральный координатор для оптической головки самонаведения // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 9. С. 54–57.
2. Мирошников М.М. Теоретические основы оптикоэлектронных приборов. Л.: Машиностроение, 1977. С. 350.
3. Гуревич М.С. Влияние частоты модуляции принимаемого излучения на динамические характеристики оптической головки самонаведения // Оптический журнал.2002. Т. 69. № 9. С. 92–96.
62 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
МАЛОГАБАРИТНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА САМОНАВЕДЕНИЯ, АДАПТИВНАЯ К УСЛОВИЯМ СБЛИЖЕНИЯ
© 2009 г. М. С. Гуревич ОАО “ЛОМО”, Санкт-Петербург
E-mail: gurevichms@airnet.ru
Показано, что при сближении с целью, когда многократно возрастают принимаемая оптической головкой самонаведения (ОГС) мощность излучения и угловой размер изображения цели, для обеспечения устойчивой работы ОГС с традиционно используемой в таких случаях адаптивной системой автоматической регулировки усиления (АРУ) необходимо соответствующим образом кодировать в выходном сигнале вращающегося фотоприемного устройства (ФПУ) угловую ошибку ОГС и параметр, характеризующий принимаемую ОГС мощность излучения. Кодирование в данном случае означает организацию изменения пропускания в каналы ФПУ излучения и, соответственно, параметров его выходного сигнала в зависимости от угловой ошибки либо путем выбора топологии ФПУ, либо путем изменения прозрачности маски на его входе. Показано, что эти коды при сближении могут измениться и в соответствии с ними должны изменяться и алгоритмы обработки сигналов.
Ключевые слова: оптическая когерентная томография, эндоскопические исследования, медицина, ранняя диагностика рака.
Коды OCIS: 350.4600, 280. 0280, 150.5670, 230.0230.
Поступила в редакцию 23.04.2009.
Головки самонаведения, включая оптические, должны сопровождать цель и формировать сигнал управления носителем на всей траектории его движения вплоть до встречи с целью. Естественно, при сближении увеличивается угловой размер изображения цели в фокальной плоскости и многократно возрастает мощность принимаемого оптической головкой самонаведения (ОГС) излучения по сравнению с их значениями на дальности захвата цели. С возрастанием принимаемого излучения увеличивается коэффициент усиления контура слежения ОГС и для обеспечения ее устойчивой работы требуется его стабилизация в определенных пределах, обычно осуществляемая системой автоматической регулировки усиления (АРУ) или подобной ей по назначению системой. Таким образом ОГС адаптируется к изменяющимся при сближении с целью условиям. Однако это не всегда оказывается возможным.
Выходной сигнал фотоприемника ОГС в принципе является единственным источником информации об угловой ошибке контура слежения для схемы формирования сигнала управления исполнительным механизмом и о принимаемой мощности излучения цели для схемы АРУ.
Вместе с тем в некоторых ОГС (в основном в ОГС с одним приемным каналом) эта информация не разделяется. Для ее разделения и последующего использования в ОГС должны быть приняты определенные меры. Естественным представляется применение различных кодов для угловой ошибки и принимаемой мощности излучения в сигнале с фотоприемного устройства (ФПУ).
Задача состоит в обосновании одного из принципов построения ОГС – выборе кода угловой ошибки в выходном сигнале ФПУ, которое обеспечивает формирование сигнала управления по ошибке и сигнала регулирования коэффициента усиления в системе АРУ для обеспечения устойчивой работы ОГС при сближении. Далее рассмотрены примеры устройств кодирования и декодирования в малогабаритных ОГС.
На рис. 1а приведена функциональная схема ФПУ моноимпульсной ОГС, а на рис. 1б – фокальная плоскость объектива и связанная с ней система координат.
На рис. 1б показано изображение излучателя в виде круга, на площади которого принятое излучение распределено равномерно. В блоке предварительной обработки (БПО) сигналы Uy
58 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
И Об 2
ФП z
(а) БПО
Uy Uz
(б)
1
z
OИИ O
ИИ y
34
y
Рис. 1. Функциональная схема ФПУ (а) и фокальная плоскость объектива моноимпульсной ОГС (б). И – излучатель, Об – объектив, ФП – фотоприемник, БПО – блок предварительной обработки, Uy, Uz – составляющие cигнала управления; Δy, Δz – cоставляющие угловой ошибки; oyz – система координат, ИИ – изображение излучателя, Оии – центр ИИ, 1, 2, 3 и 4 – квадранты.
и Uz формируются схемой отношений путем суммарно-разностной обработки сигналов с площадок фотоприемника (ФП) и определяются уравнениями
Uy = ⎡⎣⎢(U1+ U4 )−(U2 + U3 )⎤⎦⎥ /(U1+ U2 + U3 + U4 ), (1)
Uz = ⎣⎡⎢(U1+ U2 )−(U3 + U4 )⎤⎥⎦ /(U1+ U2 + U3 + U4 ), (2)
где U1, U2, U3, U4 – сигналы с соответствующих площадок ФПУ (квадрантов).
Каждый из сигналов пропорционален площади, занимаемой изображением излучателя (ИИ) на соответствующей площадке. При сближении радиус круга ИИ увеличивается. Пропорционально масштабному коэффициенту kм, характеризующему соответствие сигналов на выходе ФПУ принимаемой мощности излучения, вырастают и сигналы, снимаемые с каждой площадки ФП. Поэтому величины Uy и Uz инвариантны к изменению размеров ИИ и принимаемой ФП
мощности излучения. Гипотеза о представлении
ИИ в форме круга и равномерном распределении
в нем принимаемого излучения является основа-
нием для кодирования угловых величин Δy и Δz, соответствующих в системе отсчета oyz коорди-
натам совпадающих друг с другом в данном слу-
чае геометрического и энергетического центров
ИИ. Получаемые при декодировании величины
Uy и Uz связаны с величинами Δy и Δz масштабными коэффициентами. Масштабный коэффициент
связывает также kм и величину U, равную сумме сигналов со всех четырех площадок ФПУ,
U = ∑4 Ui. i=1
(3)
В данном примере код угловой ошибки, в том
числе и ее составляющих Δy и Δz, определяется топологией ФП, а сигнал, пропорциональный
принимаемой мощности излучения, от угловой
ошибки не зависит.
Такая ситуация может считаться правилом.
Рассмотрим пример, относящийся к исклю-
чениям из данного правила, иллюстрирующий
необходимость использования более сложных
кодов угловой ошибки ОГС в зависимости от
условий сближения с целью. На рис. 2а показана
фокальная плоскость объектива пассивной ОГС
с установленной на магнитном роторе гироскопа
фотооптической системой; на рис. 2б – выходные
сигналы ФП от соответствующих излучателей,
на рис. 2в – схема формирования сигнала управ-
ления прецессией ротора – магнита.
Из рис. 2 видно, что информация об угловом
отклонении Δ центра изображения точечного из-
лучателя от центра О поля обзора, формируемого
вращающимся ФП с круговой частотой ωã (или с периодом Тг), содержится в длительности τ или
скважности (Тг/τ ) импульса на выходе ФП.
В [1] показано, что при представлении изобра-
жения точечного излучателя в виде круга диаме-
тром, равным ширине радиально расположенной
вращающейся площадки ФП, форма импульса
на выходе ФП близка к косинус-квадратной
(термин взят из [2]). Таким образом, во всех
точках поля обзора (за исключением граничных
условий вблизи центра и края) величина τ обратно пропорциональна величине Δ. Следователь-
но, угловая ошибка ОГС закодирована в длитель-
ности импульса на выходе ФП. Для каждого значения Δ = const выходной
сигнал ФП представляет собой во времени по-
следовательность импульсов, следующих на
частоте ωã. С увеличением Δ значение амплитуды импульса Аи остается неизменным, а сред-
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
59
(а) z
г
U1 1
(б)
A1 A1/2
ИИ1
U2 2
A2 A2/2
ИИ2
U3
A3
ИИ3
О
И Об
y
V1 ФП РУ
U03
(в) V2
Tг ИПУ
АД
t Uy ПФ
Up АРУ
Рис. 2. Фокальная плоскость объектива (а), сигналы с фотоприемника (б) и функциональная схема блока формирования сигнала управления ОГС (в). ИИ1, ИИ2, ИИ3 – изображения излучателя; ФП – фотоприемник, ωг – круговая частота вращения ФП, oyz – система отсчета координат; U1, U2, U3 – сигналы с ФП; U03 – среднее значение сигнала U3, Тг – период вращения ФП; И – излучатель, Об – объектив, РУ – регулируемый усилитель, V1, V2 – входной и выходной сигналы РУ; Up – сигнал регулирования усиления, АРУ – цепь автоматической регулировки усиления, ИПУ – избирательный предварительный усилитель, АД – амплитудный детектор, ПФ – полосовой фильтр.
нее значение их последовательности Аср уменьшается. Следовательно, угловая величина Δ
закодирована и в параметре Аср. На рис. 2б амплитуды импульсов указаны под номерами
соответствующих изображений излучателей (см.
рис. 2а). С увеличением принимаемой мощности
излучения (коэффициента kм) пропорционально увеличиваются Аи и Аср.
При формировании сигнала управления Uy необходимо реализовать зависимость
Uy = k Δ, где
(4)
k = kмkр,
(5)
а kр – коэффициент усиления регулируемого усилителя (РУ).
При этом необходимо, чтобы при многократ-
ном увеличении kм относительно начального значения k0м величина k не превышала допустимого значения. На рис. 2в приведена схема
одного из вариантов реализации зависимостей
(4) и (5). Выходной сигнал регулируемого усили-
теля поступает на избирательный предваритель-
ный усилитель (ИПУ). Огибающая сигнала ИПУ меняется в зависимости от Δ. Далее огибающая выделяется амплитудным детектором и поступа-
ет на вход полосового фильтра, настроенного на частоту ωã. Определяющими вид зависимости амплитуды первой гармоники сигнала Uy от Δ при k = const являются параметры ИПУ – резонансная частота и полоса пропускания. Они
выбираются таким образом, чтобы при известном коде величины Δ (зависимости τ = f(Δ)) и
60 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009
номинальном значении периода Тг была реализована операция декодирования. Выделение оги-
бающей и затем ее первой гармоники, очевидно,
являются вспомогательными операциями.
Далее рассмотрим (4) и (5) при условиях, что сигнал Uð формируется либо при Аи = const, либо с учетом того, что Аср = α/Δ (при α = const). Здесь важно оценить эффект убывания зависи-
мости. Поэтому в первом приближении зависи-
мость Аср можно представить в виде Аср = А0ср – – αΔ. Эти условия реализуются при установке
в цепь АРУ либо пикового детектора, либо де-
тектора среднего значения. Обозначим как А1 и А2 соответственно информативные для системы АРУ составляющие сигналов V1 и V2 на входе и выходе РУ. При этом возможно, что
А1 = kмАи
(6а)
или
А1 = kм(А0ср – αΔ ). Далее имеем
(6б)
А2 = kрА1,
(7)
Uð = kос А2 – Ез (при kосА2 > Е3),
(8)
где kос и Ез – коэффициент усиления обратной связи и зона нечувствительности цепи АРУ.
Очевидно, что так как kм возрастает при сближении, то функция kр = f(Uð) должна быть убывающей. В первом приближении примем
kр = k0 −βUð (при k0 = const, β = const), (9) где k0 – начальное значение коэффициента усиления РУ.
При условии (6а) после подстановки последо-
вательно (6а) в (7), (7) в (8) и (8) в (9) получаем
kр = k0 – β(kосkрkмАи – Ез). После преобразований имеем
(10)
kр = (k0 + βЕз)/(1+ βkосkмАи).
(11)
Наконец, после подстановки (11) в (5) получаем выражение для стабилизированного с помо-
щью системы АРУ коэффициента усиления ОГС при условии, что амплитуда выходного сигнала
фотоприемника не зависит от угловой ошибки, что очевидно,
k = kм(k0 + βЕз)/(1 + βkосkмАи).
(12)
При выполнении аналогичных преобразований с (6б) получим
k = kм(k0 + βЕз)/(1+ βkосkм(А0ср – αΔ). (13)
Величина Δ, как показано в [3], считается эквивалентной ошибкой, соответствующей сумме векторов амплитуд составляющих спектра ошибки Δ, под действием которых формируется сигнал управления, обеспечивающий установившийся режим слежения с постоянной угловой скоростью. При этом
Δýêâ = Ωóñò /D,
(14)
где Ωóñò – угловая скорость, отслеживаемая ОГС в установившемся режиме; D – добротность, или ко-
эффициент усиления разомкнутого контура ОГС.
Вместе с тем при высокой частоте ωã в первом приближении Δэкв можно представить в виде
Δ = Ωóñò /D,
(15)
a D – в виде
D = kÂ0,
где Â0 = const. После подстановки (15) в (13) имеем
(16)
k = Dkм(k0 + βЕз)/[(1 + βkосkмА0ср)D –
– βkосkмα Ωóñò].
(17)
Учитывая (16), из (12) и (17) получим выражения для добротности
D = C0 kм/(1 + d0kм),
(18)
где
C0 = B0(kо + βЕз), d0 = βkос Аи,
D = ⎣⎡C0 + C1Ωóñò ⎦⎤ kм/(1 + d1 kм),
(19)
a
C1 = β kосα, d1 = β kос А0ср.
Таким образом, если сигнал, используемый для регулирования коэффициента усиления ОГС с АРУ, при возрастании угловой ошибки ОГС не возрастает, то добротность ОГС с увеличением принимаемой мощности излучения стабилизируется; если этот сигнал убывает, то добротность ОГС с увеличением принимаемой мощности излучения также стабилизируется, но возрастает с увеличением отслеживаемой угловой скорости.
Последнее полезно, так как при малых добротностях улучшается качество отслеживания малых угловых скоростей, а при больших добротностях увеличивается запас по углу по отношению к краю поля зрения ОГС при отслеживании больших угловых скоростей.
Обратимся вновь к рис. 2. В ближней к цели зоне в ОГС формируются сигналы от размерного
“Оптический журнал”, 76, 10, 2009
61
излучателя, изображение ИИ3 которого, расположенное в центральной части поля обзора, приведено на рис. 2а, а сам сигнал U3 – на рис. 2б. Очевидно, что сигнал U3 в отличие от сигналов от точечного излучателя не импульсный, а бли-
зок к смещенному синусоидальному. Амплитуда первой гармоники сигнала U3 пропорциональна величине Δ. При этом в функциональной схеме на рис. 2в последовательно соединенные блоки
ИПУ и АД оказываются лишними, если ПУ цен-
трирует поступающий сигнал.
Изображения любой (например воздушной)
цели в зависимости от угла визирования будут
отличаться по форме и распределению энергии
друг от друга и изображения в виде круга. Вместе
с тем общим для них является то, что, начиная
с некоторой дальности до цели, в центральной
части поля обзора ОГС в выходном сигнале ФП
в первом приближении амплитуда первой гармо-
ники на частоте ωã пропорциональна ошибке, а среднее значение от нее не зависит. При этом с
уменьшением дальности эта часть поля обзора
увеличивается.
Следовательно, в ближней к цели зоне из-
меняется код величины Δ в выходном сигнале ФП. Изменяется при этом и код сигнала на вхо-
де системы АРУ. Здесь в цепи АРУ необходимо использовать детектор среднего значения U03 сигнала U3 .
Отметим, что в центральной зоне поля обзора,
когда угловая ошибка меньше радиуса изображения ИИ3, величина U03 не зависит от Δ , а затем с возрастанием Δ убывает. Таким образом, добротность ОГС в центральной зоне характери-
зуется зависимостью (18), а вне ее – зависимо-
стью (19). При этом в (18) вместо Аи необходимо подставить А0ср.
Отметим также, что в ряде используемых в
ОГС фотоприемных устройств в среднем значе-
нии выходного сигнала ФП недопустимо велика
паразитная составляющая. Поэтому и в ближней
к цели зоне выходной сигнал ФП центрирует-
ся (например путем дифференцирования). Из центрированного сигнала U3 сигнал А на входе
системы АРУ для регулирования коэффициента kр можно сформировать только при условии
А = αΔ.
(20)
При выполнении с (20) преобразований, аналогичных выполненным с (6б), получим
D = kм(С0 – C1 Ωóñò ).
(21)
Таким образом, добротность системы с АРУ оказывается пропорциональной мощности принимаемого излучения, что при сближении приводит к автоколебаниям и срыву слежения.
Следовательно, при построении систем с АРУ необходимо учитывать характер зависимости используемого в АРУ сигнала от ошибки системы.
Заключение
Зависимость сигнала управления от угловой ошибки нелинейная и может быть аппроксимирована некоторой ломаной. Крутизна каждого из участков этой ломаной, в свою очередь, зависит от конкретных размера и формы излучателя и распределения его излучения, топологии ФП, а также алгоритма обработки и формирования из сигнала ФП сигнала управления и характеризуется одним из выражений (18), (19) или (21), позволяющих предварительно оценить приемлемость принятых технических решений с позиций качества работы ОГС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуревич М.С., Еськин В.Н., Чупраков А.М., Шустов Н.Ю. Трехспектральный координатор для оптической головки самонаведения // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 9. С. 54–57.
2. Мирошников М.М. Теоретические основы оптикоэлектронных приборов. Л.: Машиностроение, 1977. С. 350.
3. Гуревич М.С. Влияние частоты модуляции принимаемого излучения на динамические характеристики оптической головки самонаведения // Оптический журнал.2002. Т. 69. № 9. С. 92–96.
62 “Оптический журнал”, 76, 10, 2009