Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

выделяется в координаторе коммутатором — механическим фа­

разделенный на две половины / и II изолирующим слоем. К вы­ прямителю под углом 90° подведены неподвижные щетки Щу и

Рис. 9.8. Схема координатора с фазовым методом опреде­ ления координат (а) и изменение напряжения в цепи при­ емника Uс и на выходе усилителя U?c (б):

а=0—>180°—изображение открыто; а'=180—360°—изображение закрыто

характерных положений изображения объекта в фокальной плос­ кости. Полагаем, что диск анализатора распочожен в фокальной плоскости и положение изображения совпадает с плоскостью диска.

Предположим, что изображение объекта сдвинуто вверх по осп у относительно центра модулирующего диска так, что угол фазирования срфаз = я/2 (рис. 9.9) . При вращении модулирующего диска в цепи приемника излучения возникнут импульсы фото­ тока в соответствии с диаграммой, показанной на рис. 9.9, а. Первый импульс фототока (сигнал Uc) появится одновременно с началом вращения диска и закончится после того, как диск

241

5)

Cl

д)

p

ж)

t)

* )

х)

л)

«)

Рис. 9.9. Графики формирования координатных сигналов

242

В результате совместного воздействия напряжений Uy и U2 определяется только направление на объект. При таком методе координатор может работать лишь в режиме приведения изобра­ жения в пулевое положение по принципу «да —• нет».

Недостаток устраняется путем применения диска с перемен­ ной прозрачностью, изменяющейся по закону светового клина

Рис. 9.10. Схема модулирующего диска с переменной прозрач­ ностью.

а—диск с переменной прозрачностью; о—-графики изменения напряже­ ний после прохождения излучения через диск с переменной прозрачно­ стью: в—радиальный растр; г—изменение сигнала при прохождении через диск переменной прозрачности с радиальным растром

(рис. 9.10, а). Прозрачность материала диска линейно изменя­ ется вдоль диаметра АВ, уменьшаясь от максимальной %А в точ­ ке А до нуля тв в точке В.

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

х = хл cos (90 — о )= т л sin ср.

Действительно, для точки С, например, прозрачность соглас­ но определению будет равна прозрачности точки D (точки ле­ жат на одной прямой), т. е. Тс = тс-

244

Отрезок OD, определяющий на графике прозрачность точки D, равен R cos (90—ср) =R sinqj, но R = OA, что соответствует т.д. Следовательно, тд = тл sin ср=тс- Для точек, удаленных от цент­ ра диска на расстояние гФЯ, прозрачность определяется как

Если анализатор (модулирующий диск) 2 (см. рис. 9.8) сде­ лать с переменной прозрачностью, изменяющейся по закону (9.6),

Из этих формул следует, что напряжения Uv и Uz однознач­ но определяют координаты объекта в пространстве.

Однако и этот метод определения координат обладает неко­ торыми недостатками. Одним из них является зависимость вы­ ходных сигналов от плотности потока. Эта зависимость прояв­ ляется в том, что если даже угловое положение объекта в про­ странстве не меняется, но увеличивается (уменьшается) мощ­ ность его излучения (например, при приближении к координа­ тору), то выходной сигнал координатора изменяется, выдавая ложную координату. Увеличение или уменьшение потока излуче­ ния как бы искусственно изменяет прозрачность диска и тем са­ мым создает ошибку в определении координат. Для исключе­ ния этой ошибки вводится непрерывная модуляция потока частотой /. Поток модулируется радиальным растром, нанесен­ ным на диск с переменной прозрачностью (рис. 9.10, в).

Растр и глубина модуляции выбираются так, чтобы выходной сигнал, промодулнрованный частотой /, зависел только от мощ­ ности излучения объекта независимо от его положения относи­ тельно оси координатора. Для этого необходимо ширину секто­ ров растра диска сделать большей диаметра изображения при любом его положении в фокальной плоскости. При вращении такого диска н наличия угла рассогласования сигнал на выходе приемника представляет собой напряжение, промодулированное

245

двумя частотами — несущей / растра и огибающей сигнала обусловленного переменной прозрачностью. Сигнал несущей ча­ стоты и огибающей выделяется в усилителе специальными элект­ рическими 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 уве­ личении плотности потока и неизменном положении объекта мак­ симальное значение сигнала частоты f увеличится по сравнению с

Рис. 9.11. Схема системы фазово-импульсного координатора:

предыдущим. Поданный на вход усилителя с обратным знаком, ои 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 нз двухили четырехплощадочного кре­ стообразного уголкового приемника излучения 1, вращающегося

2 4 6

зеркала 2 и коммутатора 3. Оптическая ось зеркала составляет с продольной осью координатора угол а. При вращении зеркала его оптическая ось описывает окружность. Если угол рассогласо­ вания между оптической осью зеркала и направлением на объ­ ект равен нулю, то изображение объекта в фокальной плоскости зеркала (в плоскости приемника) при его вращении перемеща­ ется по окружности, симметричной относительно всех элементов приемника. В этом случае (рис. 9.11, б) изображение 4 пересе­ кает все элементы приемника 1—IV через равные промежутки времени; выходной сигнал, поступающий с приемника Uc, пред­ ставляет собой последовательность импульсов, отстоящих друг от друга на одинаковом расстоянии. При появлении рассогласова­ ния изображение объекта 5 в фокальной плоскости зеркала сме­ щается относительно центра креста (уголка) приемника. Теперьуже при вращении зеркала временные интервалы между пересе­ чениями изображением 2 соседних элементов приемника I—IV становятся не одинаковыми, так как центр окружности враще­ ния сместился относительно центра приемника. Путем сравнения интервалов времени М с опорными импульсами ОИ, снимаемыми с коммутатора 3, определяют угловые координаты объекта фрас.

Изучив методы определения координат и принципы построе­ ния 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 конструк­ ции и характеристикам от обзорных устройств и широко приме­ няется в системах автоматического регулирования. Устройство этих приборов будет рассмотрено в § 9.3.

Обзорные теплопеленгаторы предназначены для решения бо­ лее простой задачи: поиска и обнаружения теплоизлучающих объектов и определения направления на них. Положение обна­ руженных объектов может или визуально наблюдаться на экра­ не электроннолучевого индикатора, или фиксироваться в виде электрических сигналов, пропорциональных угловым координа­ там.

Обзорные теплопеленгаторы могут применяться в астрофизи­ ческих и космических исследованиях, в аппаратуре тепловой раз­ ведки местности, обнаружения воздушных и наземных целей.

Для обнаружения теплоизлучающего объекта необходимо получить тепловое изображение местности (пространства). Теп­ ловое изображение местности, называемое тепловой картой, пред­ ставляет собой последовательную или одновременную запись сигналов, получаемых от фона (местности) и теплоизлучающих объектов (предметов). Тепловые излучения от фона и объектов

247

после преобразования их в электрические сигналы могут быть зафиксированы на фотопленке (см. § 8.2), записаны на магнит­ ную ленту пли самопишущее устройство. Сравнением этих запи­ сей с сигналами, проэталонпрованнымп по температуре, получа­ ют тепловые карты местности или отдельных объектов.

Таким образом, чтобы получить тепловое изображение мест­ ности, необходимо последовательно ее просмотреть, т. е. осуще­ ствить обзор. Имеется несколько методов обзора (сканирования) местности, из которых наибольшее применение получили механи­ ческий и оптический способы. Механический способ сканирова­ ния состоит в том, что оптическая система с приемником осу­ ществляет обзор (сканирование) за счет движения в двух плос­ костях. В движение система приводится с помощью электрических двигателей или гироскопа. Механические систе­ мы имеют ограниченные угловые скорости сканирования (обзо­ ра), достигающие 250 град/с. Эти скорости позволяют просмот­ реть за секунду поле зрения ~16х16 градусов. В современных

иметь угловые скорости в десять раз большие, чем у механиче­ ских 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 мест­ ность в определенном угле обзора наподобие антенны радиолока­ тора. В момент пересечения осью системы теплового излучения от объекта на выходе приемника появляется сигнал, определяю­ щий 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 пли телевизи­ онной развертки, по спирали или любому заданному закону. Закон движения оптической системы определяется кинематиче­ ской схемой системы поиска.

В авиационных и космических теплопеленгаторах, предназна­ ченных для снятия тепловых карт Земли и обнаружения назем­ ных и воздушных объектов, наибольшее применение нашел ме­

помощью теплопеленгатора, оптическая система которого показа­ на на рис. 9.12, а. Оптическая система состоит из вращающегося зеркала 1 и объектива 2, направляющего отраженное от зерка­ ла / излучение на приемник 3.

248