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

странства в другой плоскости оси объективов смещены по вер­ тикали 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 — 30X 120°.

СПИРАЛЬНАЯ РАЗВЕРТКА

Изображение местности (пространства) может быть получе­ но также при сканировании (обзоре) оптической системы по спи­ рали. Наиболее просто спиральная развертка местности получа-

Рис. 9.16. Схема получения спиральной разверт­ ки:

/, 2—оптические клинья; 3— объектив; 4—развертка

ется вращением с разными скоростями двух соосно расположенных оптических клиньев (рис. 9.16). Один вращающийся клин позволяет производить сканирование по кругу постоянного диа­ метра. Эффективность сканирования повышается при использова­ нии мозаичных приемников. При применении приемников в виде

255

линейки одно сканирование сразу даст число строк, равное чис­ лу чувствительных элементов в линейке.

Спиральная развертка может быть получена также при ис­ пользовании оптико-механического устройства, показанного па рис. 9.17. В этом устройстве плоское зеркало 1 укреплено на ва­ лу электродвигателя 5 так, что может наряду с вращением со­ вершать 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 сканирова­ ние по спиральной траектории.

Для отсчета координат служат магнитные датчики б, распо­ ложенные в плоскости зеркала под утлом 90°. При вращении металлического зеркала в обмотках магнитных датчиков возни­ кают напряжения, которые используются для отсчета координат.

§9.3. ИК-ПРНБОРЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Впрактике очень часто требуется не только обнаружить ка­ кой-либо объект, определить его координаты, по также и наве­ сти на него прибор наблюдения. Так, при астрофизических ис­ следованиях очень часто встречается потребность в автоматиче­ ском наведении телескопа на какую-либо звезду; при космиче­ ских полетах спутник Земли или космический корабль автома­ тически ориентируется с помощью прибора управления, называе­ мого 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 вы­ ше координаторов.

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

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

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

256

тепловое излучение целей или тепловой контраст их по отноше­ нию к окружающему фону, называются инфракрасными (тепло­ выми) системами самонаведения. В практике тепловые системы самонаведения очень часто называют просто тепловыми голов­ ками самонаведения или сокращенно ТГС *.

1. Структурная схема объекта управления

Системой автоматического регулирования называется дина­ мическая замкнутая система, которая может сохранять с доста­ точной точностью заданные соотношения между некоторыми ве­ личинами, определяющими ее поведение, при помощи их срав­ нения, и использовать получающиеся при этом сигналы для уп­ равления объектом. На рис. 9.18 показана блок-схема системы автоматического регулирования.

Рис. 9.18. Блок-схема системы автоматического регули­ рования:

J—программное устройство; 2— чувствительный элемент регуля­ тора; 5—усилитель; 4— регулирующий орган; 5—объект регули­ рования ; 5—возмущающие силы; С—связь; АР—'автоматический регулятор

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

При отсутствии возмущающих сил регулируемый объект ра­ ботает по закону, заданному программным устройством 1, вы­ полняя, например, операцию х0. Под воздействием силы 6 объ­ ект отклоняется от заданной программы, это отклонение (возму­ щение) через связь С передается на чувствительный элемент 2 регулятора. Разностный сигнал между заданной программой и

* Иногда встречается название ТУСН — тепловое устройство самона­ ведения.

возмущающим воздействием поступает в усилитель, а затем че­ рез регулятор 4 управляет объектом, устраняя возмущающее воздействие.

Система самонаведения должна соответствовать по структу­ ре системе автоматического регулирования и обладать ее свой­ ствами. Поэтому при разработке инфракрасных (тепловых) си-

Рис. 9.19. Принципиальная схема системы управления снарядом:

стем самонаведения все расчеты ведут на основании общих за­ конов и методов теории автоматического регулирования.

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

Предположим, что надо попасть реактивным снарядом 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) ф, отсчитываемый от заданного направления, например от вертикали.

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

258

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

При повороте снаряда вокруг оси г на какой-то угол Дгр на этот же угол развернется и корпус потенциометра. Движок по­ тенциометра останется в прежнем положении, так как ротор гироскопа будет стремиться сохранить свое положение в простран­ стве неизменным. Следовательно, потенциометр развернется от­ носительно движка на угол Дт|5. Этот поворот нарушит равнове­ сие моста, вследствие чего на вход усилителя 8 поступит напря­ жение Uit пропорциональное углу Ai|>. В зависимости от знака напряжения Ui сигнал с усилителя поступает на одну из обмо­ ток wi или w2 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 от­ клонит рули 5. Отклонение рулей 5 вызовет изменение угла ата­ ки снаряда и соответственно изменит аэродинамические силы. Под воздействием этих сил снаряд возвратится в первоначальное положение. При этом установится равновесие электрического мо­ ста в потенциометре, напряжение Ui станет равным нулю, реле обесточится и сопло С займет нейтральное положение. Таким образом, воздействием рулей на снаряд замыкается цепь авто­ матического регулирования. Для уменьшения ошибок в систему вводится обратная отрицательная связь 7 между рулями и уси­ лителем.

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, ав­ томатически реагирующий на отклонение снаряда от направле­ ния на цель. С введением этого элемента схема управления становится самонаводящей. Элементом, чувствительным к переме­ щению цели относительно снаряда, служит головка самонаведе­ ния, в нашем случае тепловая. Тепловое излучение цели прини­ мается головкой и преобразуется в сигнал, пропорциональный углу между осью головки (снаряда) и направлением на цель. Этот сигнал в виде напряжения £/0 подается в усилитель авто­ пилота, где он суммируется с сигналами датчика 3 (гироскопа).

Теперь движение снаряда будет происходить следующим об­ разом (рис. 9.20). В первоначальном положении снаряд летит к цели под заданным углом г|)0 (см. рис. 9.20, а). Угол между осью головки (снаряда) и направлением на цель, который мы ранее назвали углом рассогласования ср, будет равен нулю. Предполо­ жим, что цель Ц за время t переместилась из точки А в точку Б на расстоянии АБ — vt, где v — скорость движения цели. В ре­ зультате этого перемещения появится угол рассогласования (р (см. рис. 9.20, б), не равный нулю. Если не изменить траекто-

ршо полета снаряда, он пролетит мимо цели, так как угол остался неизменным. В этот момент вступает в действие тепловая головка самонаведения. Сигнал с ТГС воздействует на рули, за­ ставляя их повернуться в соответствующую сторону на угол

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

Г

Рис. 9.20. К процессу движения снаряда к цели:

а —положение снаряда в момент пуска; б—положение снаряда н цели по проше­ ствии времени i\ в—схема регулирования

снова вызовет появление добавочного угла рассогласования Дер 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 Дер (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 по­ явлении даже незначительного рассогласования и автоматиче­ ски снизить его эффективность при уменьшении угла ср, т. е. при

260

подходе снаряда к направлению на цель. Такая работа системы достигается введением дополнительного сигнала, пропорциональ­

ного производной от угла рассогласования Ap/rf/ = cp пли угловой скорости движения линии «снаряд — цель».

При этом угол отклонения рулен зависит не только от ср, но и от скорости его изменения ср и равен

Физический смысл влияния величины ср можно пояснить сле­ дующим образом. Предположим, что угол рассогласования изме­

фективного противодействия возрастанию ср, а во втором — за­ медлить разворот снаряда для предотвращения перерегулирова­ ния. Обе эти цели достигаются добавлением сигнала, пропор­

ционального ср.

Теперь при возрастании ср (участок кривой ОА) к положи­

тельному сигналу йцр добавится еще величина /е2ф того же знака. Суммарное отклонение рулей будет несколько большим, чем тре­ буется в данный момент. Это превышение как бы предусматри­ вает дальнейшее возрастание ср. При уменьшении утла ср (уча­

сток кривой АБ) к сигналу ftjcp прибавится величина £2ф, но уже с обратным знаком, что замедлит разворот снаряда. Таким об­ разом, реагируя на скорость изменения ср, регулятор как бы чув­ ствует тенденцию дальнейшего его изменения. Отсюда возникает одно из основных требований к головке самонаведения — выда­ вать сигналы, пропорциональные скорости изменения угла ф, т. е. учитывать изменение угловых координат цели во времени. В этом заключается принципиальное отличие головки самонаведения от простого координатора и обзорного теплопеленгатора.

261