Анализаторы поля зрения

Анализатор является одним из основных элементов любого теплопеленгационного прибора. Он выполняет три задачи:

— последовательно просматривает поле зрения прибора в фокальной плоскости;

— анализирует попадающие в поле зрения теплоизлучающие предметы и фильтрует их от фонов (земли, облаков);

— модулирует тепловой поток.

Анализатор представляет собой плоский тонкий диск в виде круга или квадрата. Иногда анализатор выполняют в форме цилиндра, части сферы или конуса. Материалом диска может служить металл, пластмасса или стекло. Если материал диска не прозрачен для инфракрасного излучения, то в нем делают вырезы специальной формы (рис. 9.2, а, е) на прозрачном для инфракрасных лучей материале наносят полосы, не пропускаю­щие тепловое излучение (см. рис. 9.2, б, в, г, д). Чередование прозрачных и непрозрачных полос (участков) диска называется растром. Форма растра может быть самой разнообразной. Наи­более часто применяют спиральные, радиальные, концентриче­ские, в виде шахматной доски и смешанные.

Периодически перекрывая изображение предмета, растр мо­дулирует тепловое излучение. Отсюда и произошло название «модулирующий диск». Рассмотрим действие некоторых модули­рующих дисков с наиболее известными и простыми растрами.

Растр в виде спиральной щели (см. рис. 9.2, а). Ширина щели спирали равна половине диаметра изображения источника излучения в плоскости диска. В центре диска имеется вырез, по диаметру равный изображению. Когда изображение источника находится в центре, вся энергия его попадает на при­емник, с выхода которого снимается импульс фототока (напря­жения) постоянной величины. Независимо от угла поворота дис­ка величина этого импульса не меняется (кривая 1). Модуляция потока в этом случае отсутствует. При смещении изображения от центра пропускание падает до нуля, а при повороте диска на некоторый угол α возрастает до 50% в момент пересечения спиральным вырезом изображения (кривая 2). На выходе приемни­ка появляется короткий импульс фототока (напряжения). Фаза (время) следования импульсов будет зависеть от положения изо­бражения в фокальной плоскости. Такой вид модуляции назы­вается время-импульсной модуляцией. Глубину модуляции мож­но увеличить до 100%, увеличив ширину спирали до диаметра изображения.

Секторно-радиальный растр (см. рис. 9.2, б). По мере приближения к центру ширина прозрачных и непрозрач­ных полос уменьшается и становится меньше диаметра изобра­жения. На краях диска ширина прозрачных секторов равна или несколько больше диаметра изображения. В этой области при вращении диска достигается 100%-ная модуляция потока (кри­вая 1), а величина сигнала, снимаемого с приемника, макси­мальна. Если скорость вращения диска n об/мин, а число прозрачных секторов m, то частота модуляции может быть опреде­лена по формуле

(9. 1)

При таком растре осуществляется непрерывная модуляция.

При смещении изображения к центру диска частота следова­ния импульсов не меняется, изменяется только их амплитуда, т. е. глубина модуляции (кривая 2). При совпадении изображе­ния с центром диска модуляции не происходит и сигнал отсут­ствует. Эта часть диска называется мертвой зоной. Таким обра­зом, изменение глубины модуляции в зависимости от положения изображения может использоваться для определения координат объекта при постоянной силе его излучения.

Концентрический растр (см. рис. 9.2, в). Растр обра­зован чередующимися прозрачными и непрозрачными концентри­ческими кольцами. Ширина колец равна половине диаметра изо­бражения. В этом случае при вращении диска облученность при­емника будет постоянной и равной половине максимальной. Этот эффект используется для исключения модуляции потоков излуче­ния от крупных объектов типа облаков, равномерного фона и т. д. Концентрический растр применяется в сочетании с другими ти­пами растров (см. рис. 9,2, г) для исключения влияния фона при определении координат объектов.

Радиально-концентрический растр (см. рис. 9.2, г). Когда изображение пересекается концентрической частью растра, модуляция потока отсутствует. При повороте диска на угол φ_фаз= 90° изображение пересекается радиальной частью ра­стра, происходит модуляция потока и появляется сигнал. По амплитуде этого сигнала можно судить о радиальном смещении изображения. Угловое перемещение относительно одной из осей можно определить по фазе начала модуляции φ_фаз. Отсюда сле­дует, что модулирующий диск наряду с модуляцией излучения служит и для получения информации о направлении и величине отклонения объекта от оси диска.

Если в поле зрения попадает объект с большой площадью (облако, нагретый фон земли, воды и т. д.), то в фокальной плос­кости он будет изображен в виде размытого пятна, диаметр ко­торого в несколько раз превысит ширину прозрачных секторов радиального растра. Тепловое излучение таких объектов растром модулироваться не будет. Объясняется это тем, что верхняя и нижняя половины диска имеют одинаковое соотношение проз­рачных и непрозрачных полос. Изображение объектов большой протяженности, одновременно проектируясь через обе половины диска, создает постоянное (немодулированное) облучение при­емника.

Растр в виде «шахматной доски» (см. рис.9.2,д) состоит из прозрачных и непрозрачных квадратов, расположенных в шахматном порядке.

Размер каждого квадрата соизмерим с величиной кружка рассеяния оптической системы, т. е. с размером изображения точечного предмета.

Если в процессе просмотра поля зрения по растру проходит изображение точечного объекта, приемник вырабатывает серию импульсов частотой f. Фаза серии импульсов частотой f зависит от положения изображения в фокальной плоскости оптической системы. Перемещение изображения в фокальной плоскости из­меняет время его нахождения в пределах растра. Фиксируя из­менения длительности серии импульсов, можно определить ко­ординаты изображения.

Недостатком рассмотренных типов растров является потеря 50% энергии излучения при модуляции вследствие наличия не­прозрачных секторов.

Полукруговой растр. Для увеличения коэффициента использования излучаемой энергии применяют модуляторы, по­добные изображенному на рис. 9.2, е. При вращении такого мо­дулятора в течение полуоборота энергия излучения полностью попадает на приемник; затем изображение перекрывается и сиг­нал исчезает. Фаза сигнала определяет положение изображения.

Координаторы

Чтобы определить назначение координатора и понять его уст­ройство, рассмотрим положение какого-либо теплоизлучающего объекта в пространстве относительно осей х, у, z теплопеленга-ционного прибора (рис. 9.3, а).

Рис. 9.3. Схема координат, определяющая положение объекта П:

а -в пространстве; б—в фокальной плоскости оптической системы; в—относительное по­ложение объекта и его изображения

Положение объекта П относительно оси х может быть опре­делено его координатами у и z или углом φ_рас. Угол между осью x теплопеленгационного прибора или каким-либо заданным направлением и линией прибор — объект называется углом рас­согласования φ_рас; плоскость, образованная этим углом (П,О_1,О₂), называется плоскостью рассогласования. Составляющие углы рассогласования на горизонтальную и вертикальную плоскости дадут угол места φ_{рас у} и угол азимута φ_{рас z} (угол тангажа и курсовой угол соответственно, если прибор расположен на само­лете, вертолете или другом носителе). Определив с помощью какого-либо устройства угол φ_рас или его составляющие, найдем положение предмета в пространстве относительно теплопеленга­ционного прибора.

Устройство, служащее для непрерывного и автоматического определения угла рассогласования или его составляющих, называется координатором.

Из этого определения следует, что координатор может быть либо теплопеленгатором, если его выходные сигналы подаются в индикаторный блок 6 (см. рис. 9.1, а), либо прибором управле­ния, если его сигналы поступают в блок управления автоматиче­ского регулирующего устройства.

В инфракрасных координаторах угол рассогласования φ_рас и его составляющие φ_{раc y} и φ_{рас z} в двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостях определяются по положению изображения объ­екта в фокальной плоскости оптической системы. Действитель­но, из рис. 9.3, б, в, видно, что каждому положению объекта П в пространстве соответствует определенное положение его изо­бражения П1 в фокальной плоскости. Если угол рассогласования равен нулю, то изображение объекта совпадает с точкой О фокальной плоскости (см. рис. 9.3, в), через которую проходит оптическая ось. Эта точка условно называется центром фокаль­ной плоскости. При появлении угла рассогласования изображе­ние объекта смещается относительно центра фокальной плоско­сти на некоторое расстояние r, пропорциональное величине угла рассогласования. Положение радиуса r относительно какой-либо плоскости определяется углом фазирования φ_фаз.

Зная величину г, всегда можно определить φ_рас (см. рис. 9.3, в) из соотношения

, (9.2)

где f — фокусное расстояние оптической системы. Из формулы (9.2) следует, что

(9.3)

Принцип действия координатора заключается в том, что ана­лизатор, последовательно просматривая фокальную плоскость оптической системы, пропускает на приемник тепловую энергию от объектов, попадающих в поле зрения системы. По положению импульса фототока, вызванного излучением обнаруживаемого объекта относительно фиксированного импульса, характеризую­щего начало отсчета, определяют координаты изображения объ­екта в фокальной плоскости, а следовательно, и составляющие угла рассогласования. Этот принцип определения координат по­казан на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Схема время-импульсного координатора:

а—схема координатора; б—анализатор; 1—анализатор (модулирующий диск); 2—оптическая система; 3— приемник; 4—усилитель; 5— разделительное устрой­ство; К—коммутатор; С—-конденсор; Л—лампа реле; Д—мотор привода ана­лизатора и коммутатора К₁, К₂—контакты опорных напряжений; Щ—спираль­ный растр (щель); П₁, П₂, П₃—изображения объекта; φ₁, φ₂, —углы поворота; r—радиус-вектор; в)—временные диаграммы изменения тока в реле

Координатор представляет собой оптико-электронное устрой­ство, состоящее из объектива 2 с конденсором С, анализатора 1, приемника 3, усилителя 4 и разделительного устройства 5.

Анализатор выполнен в виде плоского тонкого непрозрачно­го диска, в котором по определенному закону вырезана щель Щ (спиральный растр), пропускающая собираемое объективом теп­ловое излучение на приемник. Предположим, что щель вырезана в виде спирали Архимеда. Чтобы вся энергия, сосредоточенная в изображении предмета, попала на приемник, ширина щели дела­ется равной диаметру изображения. Одновременно и синхронно с анализатором вращается кулачок М, являющийся коммута­тором.

Блок преобразования сигналов выполнен в виде электронно­го реле. Работа реле основана на том, что при по­ступлении на его последовательно двух положительных (отрицательных) импульсов напряжения, на выходе возникают токи I₁ и I₂, время про­текания которых пропорционально времени поступления импуль­сов напряжения на вход реле.

Координатор работает следующим образом. При вращении диска 1 и кулачка М в момент пересечения оси y рис. 9.4, б) щелью диска радиусом r_тах в электронное реле через контакты К₁

подается опорный импульс напряжения ОИ (см. рис. 9.4, в). При поступлении этого импульса на выходе реле возникает ток равный значению I₀; в этом состоянии реле будет находиться до подачи импульса на­пряжения на второй контакт.

При повороте диска на некоторый угол φ₁ его щель пересе­чет изображение объекта П₁ (см. рис. 9.4, б) и тепловая энер­гия, пройдя через щель, попадет на чувствительный слой прием­ника. Возникший в приемнике импульс фототока (напряжения) после усиления (импульс Ф на рис. 9.4, в) поступит на второй контакт реле, под его действи­ем электронное реле срабатывает и ток I₀ мгновенно падает до нуля (время t΄),сохраняясь на этом уровне до при­хода нового опорного импульса. При равномерном вращении дис­ка и кулачка подача в реле опорных импульсов следует через равные промежутки времени, меняется только время поступле­ния импульса Ф от приемника, которое зависит от положения изображения объекта в фокальной плоскости объектива.

Из рис. 9.4, б и в следует, что время t₁ прошедшее с момента подачи в реле опорного импульса до пересечения щелью изо­бражения объекта, пропорционально углу поворота диска φ₁ а время t₂, прошедшее с момента пересечения щелью изображения до вторичной подачи опорного импульса,— углу φ = 2π— φ_1. Сле­довательно, t₁ = c φ₁, а t₂, = с (2π— φ_1), где с — коэффициент про­порциональности. Очевидно, каждому положению изображения объекта на оси y соответствует определенный угол φ поворота диска от начального положения. Например, положению П₁ соот­ветствует угол φ_1., а положению П₂—угол φ₂. Отсюда следует, что время t₁ пропорционально координате у объекта, т. е. составляю­щей угла рассогласования по оси у. Напряжение, снимаемое с нагрузки реле, может быть или преобразовано в пилообразную форму и подано на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки (индикатора 6 на рис. 9.1, а) или в блок управления БУ (см. рис. 9.1, б) для отсчета угла рассогласования, или включе­ния привода, например, электродвигателя, разворачивающего координатор.

Таким образом, рассмотренный нами координатор может слу­жить и теплопеленгатором и прибором управления. Однако ко­ординатор с анализатором, имеющим спиральный растр, практи­чески не может быть использован, так как положениям изображения объектов П₁ и /7₃ соответствуют одинаковые углы φ(φ₁= φ₃). Такая неоднозначность вносит ошибки в определе­ние координат. Недостаток этот устраняется изменением разме­ров диска анализатора и размещением его в фокальной плоско­сти объектива так, что поле зрения оптической системы просмат­ривается только верхней частью спиральной щели, называемой активной (рис. 9.5, а).

Рис. 9.5. Схема двухканального координатора: а—развертка диска по оси у; б—развертка диска по оси 2; б—взаимное положение диска и полей зрения оптической системы в фокальных плоскостях; 1, 2, 3—положе­ния изображения в фокальной плоскости

Рассмотренный координатор относится к типу приборов с вре­мя-импульсным методом определения координат. Существует также фазовый метод определения координат.

Схема координатора, основанного на фазовом методе, пока­зана на рис. 9.8. Координатор имеет те же элементы, что и ко­ординатор с время-импульсным методом определения координат: объектив 1, анализатор 2 с двигателем 3, приемник излучения 4, усилитель 7, коммутирующее устройство 5—6. Отличие заключа­ется в анализаторе. Анализатор в фазовом координаторе выполнен в виде плоского непрозрачного для ИК-лучей кругового дис­ка, одна половина которого вырезана. При вращении диска эле­ктродвигателем 3 тепловой поток от объекта периодически через полоборота (180°) прерывается непрозрачной частью диска. При пересечении изображения объекта вырезанной частью диска при­емник облучается энергией и на его выходе появляется импульс напряжения U_с длительностью t₁ = T/2 (рис. 9.8, б). При перекрытии изображения непрозрачной частью диска энергия на при­емник не попадает и напряжение U_с на его выходе падает. Так как прозрачная и непрозрачная части диска равны, то за один оборот длительность импульса t₁ равна его спаду t₂ . Частота следования импульсов

, (9.4)

где n — число оборотов диска.

Усилитель 7, настроенный на частоту f выделяет первую гармонику сигнала с приемника U_с в виде синусоидального на­пряжения U_ус, фаза которого зависит от положения изображе­ния в фокальной плоскости.

Положение объекта в пространстве определяется изменением фазы выходного напряжения координатора. Координата (фаза) выделяется в координаторе коммутатором — механическим фазочувствительным выпрямителем. Два коллекторных кольца 5 выпрямителя 6 синхронно вращаются с диском анализатора. К коллекторным кольцам через щетки Щ₁ и Щ₂ подводится пе­ременное напряжение с усилителя 7.

Выпрямитель 6 представляет собой токопроводящий диск, разделенный на две половины I и II изолирующим слоем. К вы­прямителю* под углом 90° подведены неподвижные щетки Щ_у и Щ_2у с которых снимаются выходные сигналы координатора II_у и И_г, разделенные по двум каналам (осям).

Рис. 9.8. Схема координатора с фазовым методом опреде­ления координат (α) и изменение напряжения в цепи при­емника U_с и на выходе усилителя U_ус (б):

α=0—«180°—изображение открыто; α'=180—360°—изображение закрыто

Рассмотрим принцип определения координат для нескольких характерных положений изображения объекта в фокальной плос­кости. Полагаем, что диск анализатора расположен в фокальной плоскости и положение изображения совпадает с плоскостью диска.

Предположим, что изображение объекта сдвинуто вверх по оси у относительно центра модулирующего диска так, что угол фазирования φ_фаз = π/2 (рис. 9.9). При вращении модулирующего диска в цепи приемника излучения возникнут импульсы фото­тока в соответствии с диаграммой, показанной на рис. 9.9, а. Первый импульс фототока (сигнал появится одновременно с началом вращения диска и закончится после того, как диск повернется на угол α = π, когда изображение перекроется непро­зрачной частью диска; второй импульс появится при повороте диска на угол α = 2π и закончится при α= 3π и т. д. Первая гар­моника Uу_С напряжения сигнала на выходе усилителя имеет вид, показанный на рис. 9.9, б. Со щеток Щ_у и Щ_z будут сни­маться напряжения, изменение которых показано на диаграммах рис. 9.9, в, г. Из диаграмм видно, что постоянная составляющая переменного напряжения, снимаемого со щеток Щ_z) равна нулю, так как + U_z =— U_y . Постоянная составляющая сигнала и фиксирует отклонение изображения объекта вверх по оси у. Легко проследить, что при смещении изображения вниз по оси у сигнал U_z также будет равен нулю, а постоянная составляющая U_у изменит знак на минус, т. е. покажет, что изображение сме­стилось вниз.

При смещении изображения вправо по оси z, когда угол фа­зирования φ_фаз = 0, импульсы фототока будут формироваться в соответствии с диаграммой на рис. 9.9, д. Графики изменения на­пряжения Uу_С на выходе усилителя и напряжений U_у и U_z, сни­маемых со щеток Щ_у и Щ_z коллектора, будут иметь вид, пока­занный на рис. 9.9, е, ж, з соответственно. Как видно из этих графиков, в этом случае суммарный сигнал U_у равен нулю (+U_у =- U_z,), а постоянная составляющая сигнала . При перемещении изображения влево по оси г эта составляющая из­менит знак и зафиксирует смещение изображения влево. Если изображение сдвигается вверх и вправо так, что 0<φ_фаз<π/2 то в этом случае сигналы на выходе приемника и усилителя и на­пряжения U_у и U_z будут изменяться так, как это показано на рис. 9.9, и, к, л, м. Как видно из диаграмм изменения напряже­ний U_у и U_z, постоянные составляющие этих напряжений не рав­ны нулю.

В общем случае при смещении изображения на некоторый угол φ_фаз средние значения напряжений U_у и U_z будут равны

(9.5)

где .

Если угол рассогласования равен нулю (изображение нахо­дится в центре диска анализатора), в цепи приемника протекает постоянный ток, так как при вращении диска все время будет открыта половина изображения. В этом случае средние значе­ния U_у и U_z равны нулю.

Принципиальным недостатком координатора, основанного на таком методе определения координат, является отсутствие зави­симости выходного сигнала от величины угла рассогласования. В результате совместного воздействия напряжений U_у и U_z определяется только направление на объект. При таком методе координатор может работать лишь в режиме приведения изобра­жения в нулевое положение по принципу «да — нет». Недостаток устраняется путем применения диска с перемен-ной прозрачностью, изменяющейся по закону светового клина (рис. 9.10, а).

Рис. 9.10. Схема модулирующего диска с переменной прозрач­ностью.

а—диск с переменной прозрачностью; б—графики изменения напряже­ний после прохождения излучения через диск с переменной прозрачно­стью; в—радиальный растр; г—изменение сигнала при прохождении через диск переменной прозрачности с радиальным растром

Прозрачность материала диска линейно изменя­ется вдоль диаметра АВ, уменьшаясь от максимальной τ_А в точ­ке А до нуля τ_в в точке В.

Для всех остальных точек диска, лежащих на прямых, пер­пендикулярных диаметру АВ, прозрачность постоянна и равна прозрачности соответствующей точки диаметра АВ. Например, прозрачность всех точек диаметра ЕЕ одинакова и равна проз­рачности точки О. Из рисунка легко определить, что прозрач­ность любой точки диска, удаленной от центра О на расстояние R, составляющее с осью ЕЕ угол φ, будет равна

.

Действительно, для точки С, например, прозрачность соглас­но определению будет равна прозрачности точки D (точки ле­жат на одной прямой), т. е. .

Отрезок ОД определяющий на графике прозрачность точки О, равен , но R= ОА, что соответствует τ_А. Следовательно, т_с. Для точек, удаленных от цент­ра диска на расстояние , прозрачность определяется как

(9. 6)

где k₁ — удаление точки от центра диска, выраженное в до­лях R.

При вращении диска поток излучения, проходя через диск будет модулироваться по закону синуса, т. е.

(9. 7)

Если анализатор (модулирующий диск) 2 (см. рис. 9.8) сде­лать с переменной прозрачностью, изменяющейся по закону (9.6), то значение U_mах не будет постоянным для всех положений изо­бражения. Оно будет изменяться пропорционально изменению радиуса r и будет равным U_mах = сr. Подставляя эту величину в формулу (9.5), получим

(9.8)

Из этих формул следует, что напряжения U_у и U_z однознач­но определяют координаты объекта в пространстве.

Однако и этот метод определения координат обладает неко­торыми недостатками. Одним из них является зависимость вы­ходных сигналов от плотности потока. Эта зависимость прояв­ляется в том, что если даже угловое положение объекта в про­странстве не меняется, но увеличивается (уменьшается) мощ­ность его излучения (например, при приближении к координа­тору), то выходной сигнал координатора изменяется, выдавая ложную координату. Увеличение или уменьшение потока излуче­ния как бы искусственно изменяет прозрачность диска и тем са­мым создает ошибку в определении координат. Для исключе­ния этой ошибки вводится непрерывная модуляция потока частотой f. Поток модулируется радиальным растром, нанесен­ным на диск с переменной прозрачностью (рис. 9.10, в).

Растр и глубина модуляции выбираются так, чтобы выходной сигнал, промодулированный частотой f, зависел только от мощ­ности излучения объекта независимо от его положения относи­тельно оси координатора. Для этого необходимо ширину секто­ров растра диска сделать большей диаметра изображения при любом его положении в фокальной плоскости. При вращении такого диска и наличия угла рассогласования сигнал на выходе приемника представляет собой напряжение, промодулированное двумя частотами — несущей f растра и огибающей сигнала f΄, обусловленного переменной прозрачностью. Сигнал несущей ча­стоты и огибающей выделяется в усилителе специальными элект­рическими фильтрами, настроенными соответственно на частоты f и f΄. После выделения сигнала несущей частоты он подается в виде обратной связи на вход усилителя. В этом случае при уве­личении плотности потока и неизменном положении объекта мак­симальное значение сигнала частоты f увеличится по сравнению с предыдущим.

Рис. 9.11. Схема системы фазово-импульсного координатора:

а—схема устройства координатора; б—формирование управляющих сигналов: " 1— приемник; 2—зеркало; 3—коммутатор; I, II, III, IV—^чувствительные элементы приемника

Поданный на вход усилителя с обратным знаком, он автоматически уменьшит силу сигнала, в результате чего выходное значение амплитуды огибающей частоты f ' останется постоянным. Ошибка в определении координаты будет устранена.

Для удобства понимания метода определения координат с помощью такого диска мы рассмотрели работу механического ■фазочувствительного выпрямителя. В практике для этих целей используются электронные устройства, называемые фазовыми дискриминаторами. Существуют координаторы и без применения модулирующих дисков, так называемые безрастровые системы. К таким координаторам можно отнести систему с импульсно-фа-зовой модуляцией теплового потока. Принцип действия такого координатора показан на рис. 9.11. Координатор состоит из двух- или четырехплощадочного кре­стообразного уголкового приемника излучения 1, вращающегося зеркала 2 и коммутатора 3. Оптическая ось зеркала составляете продольной осью координатора угол а. При вращении зеркала его оптическая ось описывает окружность. Если угол рассогласо­вания между оптической осью зеркала и направлением на объ­ект равен нулю, то изображение объекта в фокальной плоскости зеркала (в плоскости приемника) при его вращении перемеща­ется по окружности, симметричной относительно всех элементов приемника. В этом случае (рис. 9.11, б) изображение 4 пересе­кает все элементы приемника /—IV через равные промежутки времени; выходной сигнал, поступающий с приемника Ц_с, пред­ставляет собой последовательность импульсов, отстоящих друг от друга на одинаковом расстоянии. При появлении рассогласова­ния изображение объекта 5 в фокальной плоскости зеркала сме­щается относительно центра креста (уголка) приемника. Теперь уже при вращении зеркала временные интервалы между пересе­чениями изображением 2 соседних элементов приемника I—IV становятся не одинаковыми, так как центр окружности враще­ния сместился относительно центра приемника. Путем сравнения интервалов времени Δt с опорными импульсами ОИ, снимаемыми с коммутатора 3, определяют угловые координаты объекта φ_рас.

Изучив методы определения координат и принципы построе­ния координаторов, рассмотрим устройство отдельных типов теплопеленгаторных приборов.

§ 9.2. ОБЗОРНЫЕ (СКАНИРУЮЩИЕ) ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОРЫ

Теплопеленгационные устройства подразделяются на два класса приборов: обзорные и обзорно-следящие, или следящие. Последняя группа приборов значительно отличается по конструк­ции и характеристикам от обзорных устройств и широко приме­няется в системах автоматического регулирования. Устройство этих приборов будет рассмотрено в следующем разделе.

Обзорные теплопеленгаторы предназначены для решения бо­лее простой задачи: поиска и обнаружения теплоизлучающих объектов и определения направления на них. Положение обна­руженных объектов может или визуально наблюдаться на экра­не электроннолучевого индикатора, или фиксироваться в виде электрических сигналов, пропорциональных угловым координа­там.

Обзорные теплопеленгаторы могут применяться в астрофизи­ческих и космических исследованиях, в аппаратуре тепловой раз­ведки местности, обнаружения воздушных и наземных целей.

Для обнаружения теплоизлучающего объекта необходимо получить тепловое изображение местности (пространства). Теп­ловое изображение местности, называемое тепловой картой, пред­ставляет собой последовательную или одновременную запись сигналов, получаемых от фона (местности) и теплоизлучающих объектов (предметов). Тепловые излучения от фона и объектов после преобразования их в электрические сигналы могут быть зафиксированы на фотопленке (см. § 8.2), записаны на магнит­ную ленту или самопишущее устройство. Сравнением этих запи­сей с сигналами, проэталонированными по температуре, получа­ют тепловые карты местности или отдельных объектов.

Таким образом, чтобы получить тепловое изображение мест­ности, необходимо последовательно ее просмотреть, т. е. осуще­ствить обзор. Имеется несколько методов обзора (сканирования) местности, из которых наибольшее применение получили механи­ческий и оптический способы. Механический способ сканирова­ния состоит в том, что оптическая система с приемником осу­ществляет обзор (сканирование) за счет движения в двух плос­костях. В движение система приводится с помощью электрических двигателей или гироскопа. Механические систе­мы имеют ограниченные угловые скорости сканирования (обзо­ра), достигающие 250 град/с. Эти скорости позволяют просмот­реть за секунду поле зрения примеро 16Х 16 градусов. В современных авиационных и космических системах необходимо просматри­вать в 1 секунду поле зрения не менее 120x20 градусов, т. е. иметь угловые скорости в десять раз большие, чем у механиче­ских систем. Для этих целей применяют оптические методы сканирования, осуществляемые путем перемещения оптической системы вокруг собственных осей.

Оптическая система совершает колебательные, вращательные или вращательно-колебательные движения. В результате таких движений поле зрения оптической системы просматривает мест­ность в определенном угле обзора наподобие антенны радиолока­тора. В момент пересечения осью системы теплового излучения от объекта на выходе приемника появляется сигнал, определяю­щий положение объекта относительно начала отсчета. Время, в течение которого система просматривает заданный угол поля зрения, называется периодом обзора. Оптическая система может просматривать местность по принципу построчной или телевизи­онной развертки, по спирали или любому заданному закону. Закон движения оптической системы определяется кинематиче­ской схемой системы поиска.

В авиационных и космических теплопеленгаторах, предназна­ченных для снятия тепловых карт Земли и обнаружения назем­ных и воздушных объектов, наибольшее применение нашел ме­тод построчной развертки местности.

Построчный метод обзора местности состоит в том, что просмотр (сканирование) местности осуществляется только в одном направлении, в виде строки. Кадр получается путем последовательного сложения строк. Осуществить это можно с помощью теплопеленгатора, оптическая система которого показа­на на рис. 9.12, а. Оптическая система состоит из вращающегося зеркала 1 и объектива 2, направляющего отраженное от зерка­ла 1 излучение на приемник 3.

Теплопеленгатор устанавливается на авиационном или кос­мическом носителе так, что ось вращения зеркала 1 параллель­на направлению движения носителя, а линия визирования на­правлена вниз, на Землю. Вращением зеркала просматривается узкий, в виде строки, участок местности на Земле под прямым углом к направлению движения носителя. При движении носи­теля вперед осуществляется суммирование (кадрирование) просмотренных зеркалом строк (см. рис. 9.12, б). Кадр может быть получен и с помощью зеркала, если после просмотра строки его мгновенно разворачивать на некоторый угол вокруг второй оси. перпендикулярной движению носителя. В этом случае будет телевизионная развертка местности.

Рис. 9.12. Оптическая схема теплопеленгатора для снятия карты местности (а) и схема обзора местности с самолета

(б):

1—обзорное (сканирующее) зеркало; 2—объектив; 3—приемник

Чтобы последовательные линии развертки (участки местности) точно приле­гали друг к другу, необходимо соблюдать ряд условий. Важнейшими из этих условий являются выбор скорости сканирования и мгновенного угла поля зрения оптической системы в зависи­мости от высоты и скорости полета носителя. Указанные пара­метры выбираются следующим образом (см. рис. 9.12,6). Если мгновенное поле зрения системы в направлении полета состав­ляет Δβ_y радиан, то при сканировании зеркала на Земле обра­зуется строка, ширина которой

(9.9)

где Н — высота полета.

Эта ширина строки является расстоянием, которое может пройти носитель между двумя последовательными строками, чтобы не было пропусков или перекрытий изображений. Следова­тельно, скорость носителя при образовании п строк в секунду должна быть меньше . Скорость носителя может быть увеличена, если вдоль оси х разместить линейку из М-приемни-ков. В этом случае

. (9. 10)

Угловая скорость развертки для одной строки , где Т - время просмотра строки. Для n строк . При Т=1 с ω= 2πn. Подставив значение n в формулу (9.10), получим

. (9. 11)

Отношение v/Н в формуле (9.11) характеризует угловую ско­рость (рад/с), с которой точка на Земле следует под носителем. Важно выбирать это отношение таким, чтобы просматриваемая местность находилась перед носителем.

При просмотре зеркалом строки со скоростью ω мгновенный угол Δβ_z = βΔt. Если Δβ_z соответствует угловому размеру прием­ника излучения, то величина Δt будет временем, в течение кото­рого изображение находится на приемнике, или временем, в течение которого излучение попадает на приемник Δt = Δβ_z./ω. Подставив значение со из (9.11), получим

. (9.12)

Если в системе Δβ_z = Δβ_y= Δβ, то длительность импульса на приемнике

. (9.13)

Соотношение (9.13) является важной величиной при расчете уси­лителя (см. гл. XI).

Чтобы приемник успевал реагировать на излучение, длитель­ность импульса должна быть не менее постоянной времени егот, т. е. .

Следовательно,

, ( 9. 14)

откуда

(9.15), (9.16)

Из формул (9.15) и (9.16) следует, что мгновенное поле зре­ния теплопеленгатора, предназначенного для снятия тепловой карты местности, определяется отношением скорости полета носи­теля к высоте и постоянной времени приемника. Применение мозаичных приемников существенно улучшает характеристики теплопеленгатора. Покажем это на примере.

Предположим, что теплопеленгатор установлен на спутнике Земли, летящем на высоте H=1000 км со скоростью 8 км/с, и использует в качестве приемника сернистосвинцовый фоторезис­тор (τ = 2-10^-4 с) с числом элементов N= 1.

В этом случае

(9.17)

При высоте в 1000 км это позволит различать теплоизлучающие объекты размерами 3x3 км. Такими объектами могут быть об­лака, города и т. д.

Если использовать приемник в виде линейки из 100 элемен­тов, то Δβ составит 3-10^-4 рад, что позволит различать объекты размерами 300x300 м. Применив при этом приемник из сурьмя­нистого индия с τ = 2 10^-6 с, можно с помощью теплопеленгато­ра выделять на местности объекты размерами 30x30 м, т. е. иметь довольно подробную тепловую, карту местности. Поэтому используются мозаичные системы с очень большим количеством приемников. Однако применение мозаичных приемников вызыва­ет конструктивные трудности — необходимо несколько усили­телей фототока (по числу чувствительных элементов) или же коммутирующее устройство, поочередно подключающее элемен­ты мозаики к общему усилителю.

Известны три типа теплопеленгационных систем с мозаичны­ми приемниками:

— каждый элемент мозаики имеет отдельный усилитель;

— каждый элемент мозаики поочередно подключается к общему усилителю;

— мозаичный инфракрасный видикон.

Угол обзора в мозаичной системе определяется величиной мозаики и объективом. Обзор местности осуществляется непод­вижным лучом, образованным каждым элементом мозаики. В этом одно из достоинств мозаичных систем. Тепловое излуче­ние от объекта, промодулированное диском, фокусируется опти­ческой системой на один из элементов мозаики. С помощью ком­мутатора, ротор которого поочередно обегает все элементы мо­заики, сигнал подается на вход усилителя. Усиленный сигнал по­ступает на электроннолучевой индикаторный прибор, развертка луча которого синхронизирована с движением ротора коммута­тора и качанием зеркала. Поэтому положение светящейся точки на экране индикатора соответствует положению изображения предмета относительно центра мозаики.

На таком принципе основана работа американского теплопе­ленгатора СОDES, принципиальная схема которого приведена на рис. 9.13, а оптическая — на рис. 9.14.

Пеленгатор состоит из сканирующего (принимающего поток излучения Ф) зеркала 6 с датчиком координат 7, осуществляю­щего поиск (обзор), объектива 2, модулятора 3, апертурнойди­афрагмы 5, мозаики из элементов 4 с накопительными электри­ческими фильтрами 8, коммутатора 11 с приводом 9, усилите­ля 12, генератора пилообразных напряжений 10 и электронно­лучевого индикатора 1.

Апертурная диафрагма служит одновременно и фильтром, ко­торый в нее вмонтирован. Фильтр пропускает излучение в поло­се 1,8—2,7 мкм. Модулятор представляет собой сетку из 60 вер­тикальных нитей с интервалом между ними 0,0432 мм. Поверх­ность сетки изогнута по форме фокальной плоскости корриги­рующей линзы и имеет размеры 31,75x3,81 мм.

Мозаика состоит из 30 элементов размером 1x2 мм, располо­женных вертикально. Элементами служат сернистосвинцовые фо­торезисторы. Мгновенное поле зрения оптической системы и од­ного элемента в горизонтальной плоскости (по азимуту) 2,7°, в вертикальной (по углу места) 1,3°.

При сканировании в горизонтальной плоскости просматрива­ется пространство под углом в 90°; в вертикальной плоскости просмотр осуществляется при последовательном подключении чувствительных элементов ко входу усилителя. Сигналы, снимае­мые с чувствительных элементов, накапливаются в специаль­ных колебательных контурах, настроенных на частоту 8 Гц. Сиг­нал в контуре сохраняется на время «опроса» коммутатором всех элементов.

Конденсатор С не пропускает на контакты коммутатора по­стоянную составляющую сигнала. Коммутатор чмеет 60 ламелей, что позволяет за один оборот ротора дважды подключить к уси­лителю каждый из 30 контуров.

Усилитель собран на пяти транзисторах и имеет узкополос­ный фильтр. Для получения большого соотношения сигнал/шум полоса пропускания усилителя Δf=40 Гц и согласована с дли­тельностью импульса с одного элемента мозаики τ = 0,023 с.

г

Рис. 9.13. Блок-схема теплопеленгатора с мозаичным при­емником:

/—электроннолучевой индикатор; 2—-объектив; 3—модулирующая сетка; 4—приемники мозаики; 5—диафрагма; 6—сканирующее зеркало; 7—датчик координат; 8—электрические фильтры; 9— привод; 70—генератор пилообразных напряжений; //—комму­татор; 12—усилитель

Полное время просмотра поля обзора 1,5 с. В табл. 9.1 при. ведены основные параметры теплопеленгатора с сернистосвинцо-вым приемником.

Для снятия тепловой карты местности могут использоваться теплопеленгаторы, сконструированные по типу радиометра «Оп-титерм», рассмотренного в гл. VIII. Такой теплопеленгатор об­ладает большой разрешающей способностью и, просматривая местность с помощью сканирующего зеркала, обеспечивает на экране электроннолучевого индикатора изображение обнаружен­ных предметов в виде контуров, по которым можно распознать предметы на местности (тепловидение).

Таблица 9.1

Характеристика теплопеленгатора

Из других способов получения построчной развертки следует отметить применение системы вращающихся объективов (рис.9.15). Система состоит из

Рис. 9.14. Схема оптической системы тепло- Рис. 9.15. Схема теплопелен-пеленгатора (позиции те же, что на рис. гатора с вращающимися 9.13) объективами:

1—объективы; 2—экран; при­емник

вает поле зрения приемника и обеспечивает прием излучения одновременно только от одного объектива. Для просмотра пространства в другой плоскости оси объективов смещены по вер­тикали так, что каждый объектив дает свою строку (п строк при мозаичном приемнике). Если, например, поле зрения каждого объектива составляет 30°, то с помощью четырех объективов в этой плоскости можно просмотреть местность в поле зрения 4x30° =120°, а в двух плоскостях — 30 X 120°.

СПИРАЛЬНАЯ РАЗВЕРТКА

Изображение местности (пространства) может быть получе­но также при сканировании (обзоре) оптической системы по спи­рали. Наиболее просто спиральная развертка местности получается вращением с разными скоростями двух соосно расположен­ных оптических клиньев (рис. 9.16). Один вращающийся клин позволяет производить сканирование по кругу постоянного диа­метра. Эффективность сканирования повышается при использова­нии мозаичных приемников. При применении приемников в виде линейки одно сканирование сразу даст число строк, равное чис­лу чувствительных элементов в линейке.

Рис. 9.16. Схема получения спиральной разверт­ки:

1, 2—оптические клинья; 3—объехтив; 4—развертка

Рис. 9.17. Схема оптико-механического устройства для получения спиральной развертки:

1—сканирующее зеркало; 2—ролик; 3—кула­чок; 4—зубчатая передача; 5—электродвига­тель; 6—электромагнитные датчики; 7—пру­жина

Спиральная развертка может быть получена также при ис­пользовании оптико-механического устройства, показанного на рис. 9.17. В этом устройстве плоское зеркало 1 укреплено на ва­лу электродвигателя 5 так, что может наряду с вращением со­вершать некоторые отклонения в плоскости вала. Двигатель 5 приводит также во вращение кулачок 3. Скорость вращения кулачка значительно меньше скорости вращения зеркала. На зеркале установлен ролик 2, который пружиной прижимается к кулачку 3. При вращении вала двигателя 5 зеркало, совершая вращательно-колебательное движение, осуществляет сканирова­ние по спиральной траектории.

Для отсчета координат служат магнитные датчики 6, распо­ложенные в плоскости зеркала под углом 90°. При вращении металлического зеркала в обмотках магнитных датчиков возни­кают напряжения, которые используются для отсчета координат.

§ 9.3. ИК-ПРИБОРЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

В практике очень часто требуется не только обнаружить ка­кой-либо объект, определить его координаты, но также и наве­сти на него прибор наблюдения. Так, при астрофизических ис­следованиях очень часто встречается потребность в автоматиче­ском наведении телескопа на какую-либо звезду; при космиче­ских полетах спутник Земли или космический корабль автома­тически ориентируется с помощью прибора управления, называе­мого ориентатором. Наконец, в военной технике для увеличения точности попадания снаряда в цель необходимо корректировать траекторию его полета по мере движения цели. В большинстве этих случаев для управления объектом назовем его объектом регулирования, может быть использован один из описанных вы­ше координаторов.

Однако процесс управления снарядом при существующих скоростях полета ракет настолько сложен, что для его управле­ния требуются весьма сложные приборы. Управляемые снаряды, как известно, снабжаются устройствами, позволяющими изме­нять траекторию снаряда в процессе его полета.

Отсюда следует, что применение простого координатора, хотя и возможно в принципе для управления снарядом, но недоста­точно. Для этих целей используют систему управления, т. е. со­вокупность устройств, определяющих относительное положение снаряда и цели и вводящих поправки в траекторию полета сна­ряда.

Если информация о положении цели поступает непосредствен­но от нее, отличаясь по каким-либо физическим принципам от окружающих предметов и фона, то система называется самона­водящейся. Системы, использующие для управления снарядом

тепловое излучение целей или тепловой контраст их по отноше­нию к окружающему фону, называются инфракрасными (тепло­выми) системами самонаведения. В практике тепловые системы самонаведения очень часто называют просто тепловыми голов­ками самонаведения или сокращенно ТГС .

1. Структурная схема объекта управления

Системой автоматического регулирования называется дина­мическая замкнутая система, которая может сохранять с доста­точной точностью заданные соотношения между некоторыми ве­личинами, определяющими ее поведение, при помощи их срав­нения, и использовать получающиеся при этом сигналы для уп­равления объектом. На рис. 9.18 показана блок-схема системы автоматического регулирования.

Рис. 9.18. Блок-схема системы автоматического регули­рования:

1—программное устройство; 2—чувствительный элемент регуля­тора; 3—усилитель; 4—регулирующий орган; 5—объект регули­рования; 6—возмущающие силы; С—связь; АР—автоматический регулятор

Основными элементами системы являются регулируемый объ­ект 5 и автоматический регулятор АР. Кроме того, к системе можно отнести программное устройство 1. Регулятор состоит из чувствительного элемента 2, усилительно-суммирующего устрой­ства 3 и регулирующего органа 4.

При отсутствии возмущающих сил регулируемый объект ра­ботает по закону, заданному программным устройством 1, вы­полняя, например, операцию х₀. Под воздействием силы 6 объ­ект отклоняется от заданной программы, это отклонение (возму­щение) через связь С передается на чувствительный элемент 2 регулятора. Разностный сигнал между заданной программой и возмущающим воздействием поступает в усилитель, а затем че­рез регулятор 4 управляет объектом, устраняя возмущающее воздействие.

Система самонаведения должна соответствовать по структу­ре системе автоматического регулирования и обладать ее свой­ствами. Поэтому при разработке инфракрасных (тепловых) систем самонаведения все расчеты ведут на основании общих за­конов и методов теории автоматического регулирования.

Рис. 9.19. Принципиальная схема системы управления снарядом:

1—снаряд; 2—чувствительный элемент; 3—гироскоп; 4— потенциометр; 5—руль; 6—редук­тор. 7—обратная связь; 8—усилитель; 9— рулевая машина; 10—пневмореле; 11, 12—отвер­стия рулевой машинки; АП—автопилот; С—сопло пневмореле; П—поршень рулевой ма­шинки

Рассмотрим некоторые общие принципы работы системы ав­томатического регулирования применительно к управляемому снаряду.

Предположим, что надо попасть реактивным снарядом 7, снабженным аппаратурой управления (рис. 9.19), в некоторую неподвижную цель. Снаряд 1 является регулируемым объектом, а регулятором служит автопилот АП; регулируемой величиной будет угол упреждения (рассогласования) ψ, отсчитываемый от заданного направления, например от вертикали.

Чувствительным элементом регулятора является свободный гироскоп 3, установленный на снаряде так, что ось его ротора на­правлена вдоль продольной оси снаряда х. С осью внешней

рамки гироскопа жестко связан движок потенциометра 4. По­тенциометр неподвижно укреплен в корпусе снаряда.

При повороте снаряда вокруг оси z на какой-то угол Δψ на этот же угол развернется и корпус потенциометра. Движок по­тенциометра останется в прежнем положении, так как ротор гироскопа будет стремиться сохранить свое положение в простран­стве неизменным. Следовательно, потенциометр развернется от­носительно движка на угол Δψ. Этот поворот нарушит равнове­сие моста, вследствие чего на вход усилителя 8 поступит напря­жение U1 пропорциональное углу Δψ. В зависимости от знака напряжения U1 сигнал с усилителя поступает на одну из обмо­ток ω₁. или ω₂ пневматического реле 10. Под воздействием тока, протекающего в обмотках, реле срабатывает и подводит сопло С к отверстию 11. Под воздействием сжатого воздуха поршень П рулевой машинки 9 придет в движение и через редуктор 6 от­клонит рули 5. Отклонение рулей 5 вызовет изменение угла ата­ки снаряда и соответственно изменит аэродинамические силы. Под воздействием этих сил снаряд возвратится в первоначальное положение. При этом установится равновесие электрического мо­ста в потенциометре, напряжение U1 станет равным нулю, реле обесточится и сопло С займет нейтральное положение. Таким образом, воздействием рулей на снаряд замыкается цепь авто­матического регулирования. Для уменьшения ошибок в систему вводится обратная отрицательная связь 7 между рулями и уси­лителем.

Недостатком рассмотренной системы управления является отсутствие связи системы с целью. Достаточно цели изменить свое положение и снаряд пролетит мимо. Для связи снаряда с целью вводится дополнительный чувствительный элемент 2, ав­томатически реагирующий на отклонение снаряда от направле­ния на цель. С введением этого элемента схема управления становится самонаводящей. Элементом, чувствительным к переме­щению цели относительно снаряда, служит головка самонаведе­ния, в нашем случае тепловая. Тепловое излучение цели прини­мается головкой и преобразуется в сигнал, пропорциональный углу между осью головки (снаряда) и направлением на цель. Этот сигнал в виде напряжения U₀ подается в усилитель авто­пилота, где он суммируется с сигналами датчика 3 (гироскопа).

Теперь движение снаряда будет происходить следующим об­разом (рис. 9.20). В первоначальном положении снаряд летит к цели под заданным углом ψ₀ (см. рис. 9.20, а). Угол между осью головки (снаряда) и направлением на цель, который мы ранее назвали углом рассогласования φ, будет равен нулю. Предполо­жим, что цель Ц за время t переместилась из точки А в точку Б на расстоянии АБ =v t, где V — скорость движения цели. В ре­зультате этого перемещения появится угол рассогласования φ(см. рис. 9.20, б), не равный нулю. Если не изменить траекторию полета снаряда, он пролетит мимо цели, так как угол ψ₀ остался неизменным. В этот момент вступает в действие тепловая головка самонаведения. Сигнал с ТГС воздействует на рули, за­ставляя их повернуться в соответствующую сторону на угол

. (9. 18)

Под воздействием аэродинамических сил снаряд изменит траекторию и полетит в направлении на цель. Однако за время процесса регулирования снаряд пройдет какой-то путь, который

Рис. 9.20. К процессу движения снаряда к цели:

а—положение снаряда в момент пуска; б—положение снаряда и цели по проше­ствии времени б—схема регулирования

снова вызовет появление добавочного угла рассогласования и потребуется дополнительный доворот снаряда к цели, которая также за это время изменит свое положение. Таким образом, поворот снаряда к направлению на цель как бы запаздывает в результате недорегулирования (см. рис. 9.20, в). Если же рули заставить отклониться на несколько большую величину, чем требуется, то снаряд пройдет необходимое положение и опять появится угол (возникает перерегулирование, или заброс).

Как в первом, так и во втором случае снаряд пройдет мимо цели. Кроме того, при перерегулировании возникают большие колебания снаряда на траектории, которые могут привести к разрушению отдельных элементов системы управления и вывести снаряд из строя. Оба явления можно устранить, если заставить регулятор вступать в действие с полной эффективностью при по­явлении даже незначительного рассогласования и автоматиче­ски снизить его эффективность при уменьшении угла φ, т. е. при

подходе снаряда к направлению на цель. Такая работа системы достигается введением дополнительного сигнала, пропорциональ­ного производной от угла рассогласования йрД#=ф или угловой скорости движения линии «снаряд — цель».

При этом угол отклонения рулей зависит не только от φ, но и от скорости его изменения ω и равен

Рис..9.21. К изменению угла его производной

Физический смысл влияния величины можно пояснить сле­дующим образом. Предположим, что угол рассогласования изме­няется по синусоидальному закону (рис. 9.21, а). Тогда производная от угла будет ме­няться по закону косинуса (рис. 9.21,6).

Если отклонение рулей происходит только в зависимо­сти от , то в точках 1 и 2 (см. рис. 9.21, а) действие рулей на снаряд будет одина­ковым, так как угол рассогла­сования в этих точках один и тот же, ибо . Но в точ­ке 1 угол φ возрастает, а в точ­ке 2— уменьшается. В первом случае полезно увеличить от­клонение рулей для более эф­фективного противодействия возрастанию φ, а во втором — за­медлить разворот снаряда для предотвращения перерегулирова­ния. Обе эти цели достигаются добавлением сигнала, пропор­ционального .

Теперь при возрастании φ (участок кривой ОА) к положи­тельному сигналу добавится еще величина того же знака. Суммарное отклонение рулей будет несколько большим, чем тре­буется в данный момент. Это превышение как бы предусматри­вает дальнейшее возрастание φ. При уменьшении угла φ. (уча­сток кривой АБ) к сигналу прибавится величина , но уже с обратным знаком, что замедлит разворот снаряда. Таким об­разом, реагируя на скорость изменения φ, регулятор как бы чув­ствует тенденцию дальнейшего его изменения. Отсюда возникает одно из основных требований к головке самонаведения — выда­вать сигналы, пропорциональные скорости изменения угла, т. е. учитывать изменение угловых координат цели во времени. В этом заключается принципиальное отличие головки самонаведения от простого координатора и обзорного теплопеленгатора. Указанное требование выполняют следящие головки самона­ведения.

2. Следящие тепловые головки

Тепловые следящие головки представляют собой наиболее со­вершенный тип теплопеленгационных приборов. Они отличаются большой динамичностью, малой инерционностью и высокой точ­ностью выдачи угловых координат и их производных. В этих приборах оптическая ось делается подвижной, а сама оптиче­ская система может перемещаться в двух плоскостях и сопро­вождать объект при его движении. Возможность слежения за объектом отличает следящую головку от обзорных теплопеленгаторов. Принципиальная схема следящей головки приведена на рис. 9.22.

Рис. 9.22. Принципиальная схема следящей головки:

1—1—оптическая система; 2— «модулирующий диск; 3—приемник; 4— привод; 5—разделитель координат; 6—усилитель

Оптическая система 1 с модулирующим диском 2 и приемни­ком 3 помещается в специальный карданов подвес. Сигнал от теплоизлучающего объекта после усиления его усилителем 6 че­рез разделитель координат 5 поступает на вход привода 4. При­вод через тягу карданова подвеса стремится развернуть опти­ческую систему с приемником так, чтобы сигнал с приемника исчез, что будет соответствовать направлению оптической оси на объект. Движение объекта (цели) вызывает непрерывный уход ее изображения от оптической оси, вследствие чего возникает новый угол рассогласования . При стремлении «догнать» изо­бражение цели за время привод должен разворачивать опти­ческую систему с угловой скоростью , т. е. с угловой скоростью линии «визирования».

В качестве привода могут быть использованы электродвига­тели, а в качестве датчиков угловых скоростей — тахогенераторы, вырабатывающие сигнал если их поместить на оси поворота оптической системы.

В следящих головках электродвигатели мало

Рис. 9.23. Схема трехстепенно­го гироскопа:

Р-ротор; Н—кинетический момент; М—возмущающий момент

применяют из-за их инерционности. Кроме того головки с моторным приводом выдают сигнал, содержащий производную колебаний снаряда относительно его центра тяжести. Эта составляющая вносит ошибку в наведении. Для устранения ошибки необходимо или вычесть составляющую колебаний снаряда, или же стабилизировать всю систему самонаведения, что практически трудно осуществить. Поэтому в современных следящих головках в качестве привода исполь­зуют гиромоторы. Гиромоторы прак­тически безынерционны, имеют ма­лый вес и большую мощность. Точ­ность управления (привода) у них наиболее высокая из всех извест­ных систем.

Действие гироскопической следящей системы основано на свойстве трехстепенного гироскопа. При воздействии на гироскоп (рис. 9.23) внешнего возмущающего момента М_у не совпадаю­щего по направлению с осью вращения ротора Р, возникает ги­роскопический момент, стремящийся совместить по кратчайшему пути вектор H кинетического момента гироскопа с векто­ром М внешнего момента. Если угловая скорость вращения ро­тора Ω, то кинетический момент гироскопа равен

, (9.20)

где J — момент и

Поиск по сайту: