Системы навигации по оптическому изображению подстилающей поверхности.

В основе систем лежат цифровые либо оптические корреляторы.

Функциональная схема типичного оптического коррелятора выглядит следующим образом.

В ходной транспорант 1, на котором записывается анализирующее изображение, освещается параллельным пучком света. В фокальной плоскости Фурье-обьектива 2 обрабатывается изображение пространственного сканера, на которое накладывается некоторая анализирующая функция пропускания согласованного фильтра 3. В фокальной плоскости отображающего 5 МПИ обьектива 4 в одном из дифракционных порядков обрабатывается и анализируется дифракционным полем.

Функциональная схема корреляционного координатора

В ходное изображение с помощью объектива 1 строится в плоскости оптического управляемого транспаранта3. Параллельный пучок лазерного излучения, формируемый с помощью лазера 8, оптической системы 9, полупрозрачного зеркала2, освещает транспарант 3. На выходе 3 образуется когерентное изображение подстилающей поверхности. Голографическая линзовая матрица 4 представляет пластинку на которую записаны несколько голограмм, действующих как линзы. Каждая такая голограмма является Фурье-обьективом и формирует пространственный спектр входного изображения в заданной точке фильтра 5. На фильтре 5 записаны пространственные спектры эталонных изображений (10ģ10). Объектив 6 формирует в плоскости МПИ 7 изображение корреляционных функций входного транспаранта со всеми эталонными изображениями. Сигнал с МПИ 7 анализируется в БЭВМ, в результате чего определяется какое эталонное изображение соответствует входному. Размерность МПИ 7 должна быть больше эталонных изображений.

Системы инерциальной навигации Оптические акселерометры

Акселерометр – устройство, предназначенное для измерения ускорений приобретаемых

подвижными объектами под воздействием сил негравитационного происхождения.

Требования к акселерометрам баллистических ракет:

– диапазон измерения ускорения 10g;

– точность порядка 0,01 мкм/с²;

– дрейф нуля порядка 0,1 мм/с²;

– относительная погрешность измерений не более 10^-3%.

Достоинства оптических акселерометров:

– широкий динамический диапазон;

– возможность получения выходного сигнала в частотной форме;

– большой масштабный коэффициент.

Акселерометры делятся на два класса:

1) Баллистические;

2) Силовые

Баллистические акселерометры основаны на измерении деформации траекторий

движения свободных тел, потоков частиц, струй газов, жидкостей и т.д.

Недостатки баллистических методов: сложность обеспечения равномерного истечения

рабочего тела.

Силовые акселерометры основаны на измерении смещения опорных тел кинематически

связанных с подвижными объектами.

Оптические акселерометры основаны на измерении изменений оптических свойств

сред под воздействием ускорения. Среды могут быть в любом агрегатном состоянии.

Наибольшее распространение получили акселерометры, использующие явление

фотоупругости. Явление, сопровождающееся двулучепреломлением под воздействием

механической деформации.

Δn n_en_okn³o U (1)

k – коэффициент, зависящий от характеристик материала;

nо – показатель преломления для обыкновенного луча;

U – одномерная механическая деформация

На чувствительный элемент, представляющий собой фазовую пластинку с оптической

осью О′О′, воздействует сейсмическая масса m. В зависимости от направления вектора

ускорения a сейсмическая масса сжимает либо растягивает фотоупругий элемент. При этом

в нем возникает механическое напряжение:

(2)

m – масса;

a – модуль ускорения;

S – площадь контакта сейсмической массы с фотоупругим элементом.

Если на фотоупругий элемент падает излучение, то на выходе формируются два

ортогонально поляризованных излучения (Ее и Ео^),причем разность фаз этих излучений

определяется по формуле:

где: d – длинна хода излучения (геометрическая) в фотоупругом элементе.

В случае изотропной среды формула 3 запишется в следующем виде:

 – разностный пьезооптический коэффициент материала.

На выходе системы установлен поляризатор, после которого обыкновенный и

необыкновенный лучи интерферируют.

Интенсивность проинтерферировавшего излучения:

где Iо – интенсивность естественного падающего света.

Достоинства: простота реализации.

Недостатки: аналоговая форма выходного сигнала, что снижает точность измерений.

Для существенного повышения точности измерения способа, основанного на

использовании фотоупругих сред, применяют лазеры. Для этого в резонатор лазера

устанавливают чувствительный элемент.

Чувствительный элемент 3 расположен таким образом, что плоскость поляризации

необыкновенного луча совпадает с направлением поляризации излучения резонатора. При

воздействии ускорения на сейсмическую массу за счет двулучепреломления изменяется

величина показателя преломления n_e. При этом изменяется оптическая длина

чувствительного элемента и, соответственно, оптическая длинна резонатора. В результате

изменяется частота лазерного излучения. Это изменение выделяется в блоке 7 путем

сравнения с излучением лазера 9, а затем измеряется в блоке 8.

Такая схема обеспечивает высокую точность, но сложна из-за необходимости

применения гетеродина.

Если обеспечить условия, при которых в резонаторе распространяются обе

ортогонально–поляризованные волны (обыкновенный и необыкновенный лучи), то можно в

качестве гетеродинного сигнала использовать обыкновенное излучение, для которого

показатель преломления не изменяется. Для этого зеркала располагаются перпендикулярно

оптической оси. В такой системе будет наблюдаться «конкуренция» волн, которая

проявляется во взаимной синхронизации волн, с мало отличающимися частотами колебаний.

Чтобы этого не произошло, вводится начальный разнос частот за счет фазового сдвига,

обеспечиваемого фазовой пластинкой 4.

Преимущества: точность.

Недостатки: относительно невысокий диапазон измеряемых величин.

Этот недостаток устранен в следующей схеме.

В данной схеме каналы I и III образуют измерительные ветви акселерометра, а канал II

обеспечивает опорный сигнал.

Ускорение измеряется за счет изменения оптической длинны кюветы. Оптическая

длина газонаполненной кюветы определяется показателем преломления газа. В случае

приложения к кювете ускорения газ работает как пружина и сжимается у одного торца и

разреживается у противоположного. Это вызывает появление градиента показателя

преломления газа вдоль направления действия ускорения.

Изменение оптической длинны кюветы, вызванное изменением длинны резонатора и,

соответственно, изменение частоты лазерного излучения, описывается формулой:

Δω ka

k – коэффициент пропорциональности, определяется параметрами газа и кюветы.

а – ускорение.

При длине кюветы 10 мм (излучение распространяется вдоль кюветы) k=5*10⁵Гц/g.

При этом обеспечивается чувствительность акселерометра ≈0,1 мкм/с².

Достоинство: отсутствие гистерезисных явлений и очень широкий диапазон

измеряемых величин.

Недостатки: недостаточная чувствительность.