Системы навигации по оптическому изображению подстилающей поверхности.
В основе систем лежат цифровые либо оптические корреляторы.
Функциональная схема типичного оптического коррелятора выглядит следующим образом.
Входной 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
Входное 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%.
Достоинстваоптическихакселерометров:
– 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 = ne- no= 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:
Dp – 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 ne. 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.
Лазерные гироскопы
Приборы, предназначенные для угловых скоростей и перемещений.
Достоинства:
– отсутствие механических вращающихся частей (низкие массо-габаритные
показатели, отсутствие погрешности за счет кориолисовых и центробежных
ускорений);
– малое время выхода на рабочий режим (десятки мс);
– высокая точность и широкий диапазон измерений;
– частотная форма выходного сигнала;
Лазерныйгироскоп – кольцевой лазер, работающий на эффекте Саньяка.
ЭффектСаньяка – во вращающейся системе координат время прохождения по контуру
двух встречных волн отличается от этого времени для неподвижной системы координат.
2) Временные датчики – основаны на основе временного запаздывания двух
встречных волн. (не используются).
3) Фазовые датчики – измеряют разность фаз (применяются в волоконно-оптических
гироскопах).
4) Частотные датчики – измеряют разность частоты.
Пример: если L=10 см, l=0,628 мкм, то Df»160 кГц на каждый рад/с.
Гирокомпасировение
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|