4. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЛИУ

Первые лазерные измерительные устройства были предназначены для определения дальности до неподвижных или малоподвижных объектов и их наведение осуществлялось вручную с помощью оптического визирного устройства. Для определения координат подвижных объектов ЛИУ должно иметь систему управления, задачей которой является непрерывное совмещение оптических осей приемной и передающей систем с направлением на объект, с целью получения информации об изменении его координат. Таким образом, задачи систем управления аналогичны задачам систем автоматического сопровождения радиодиапазона. Однако обеспечение обнаружения и устойчивого автоматического сопровождения объектов представляет наиболее трудную задачу при создании ЛИУ, что объясняется спецификой работы. Стремление к увеличению дальности действия лазерных локаторов в наземных условиях вынуждает использовать передающие системы с малой расходимостью лазерного луча и малой частотой повторения. Малая частота повторения практически исключает возможность обзора в большом секторе, что приводит к тому, что основное преимущество — узкий луч обращается в один из недостатков при работе в режиме обзора.

Задача обнаружения, если позволяют условия распространения, как например в космосе, может быть решена временным увеличением расходимости луча. Для этого в оптическую систему вводятся элементы для изменения расходимости луча. При работе в условиях земной атмосферы, если не прибегать к визуальным наблюдениям, обнаружение с помощью только лазерной системы осуществлять затруднительно.

При рассмотрении вопроса автосопровождения целей следует учитывать, что лазерный локатор имеет гораздо более узкую линейную зону пеленгационной характеристики, а это способствует срыву слежения под действием шумов.

Для успешного осуществления автосопровождения точность наведения луча на объект должна по крайней мере на порядок превышать ширину луча.

Необходимость обеспечения высокой динамической точности наведения лазерного луча при больших скоростях линии визирования объекта вызывает определеннее трудности при реализации устройства управления. Прежде всего, применение электромеханических следящих систем, используемых в радиодиапазоне, может

быть недопустимо из-за их относительно низкой статической и динамической точности, которая может быть соизмерима с шириной диаграммы направленности. В связи с этим необходимо рассмотреть специальные оптические устройства для управления пространственным положением луча.

Устройства управления пространственным положением луча лазера. Появление лазеров и их использование в ЛИУ привело к развитию устройств управления лучом, которые бы сочетали высокую точность и быстродействие. Управление лучом может осуществиться с помощью оптических, электромеханических (пьезоэлектрических), электрооптических и акустических преобразователей. В качестве оптических преобразователей находят применение оптические клиновые компенсаторы, плоскопараллельная пластинка и другие оптические элементы.

Рис. XI. 14. Двухклиновой компенсатор: а и б — прохождение луча при различных положениях клиньев; в — конструктивное выполнение

Оптический двухклиновый компенсатор или двойная призма Рошона-Гершеля [7] представляет собой систему из двух вращающихся одинаковых призм (рис. XI. 14), у которых грани и параллельны. Ось вращения перпендикулярна параллельным граням. Когда отверстия преломляющих углов С и обращены в одну сторону, выходящий луч отклоняется на угол (рис. XI. 14, а). Когда отверстия преломляющих углов С и направлены в противоположную сторону, угол отклонения луча имеет то же абсолютное значение, но другой знак (рис. XI. 14, б).

В промежуточных положениях призм угол отклонения луча изменяется в пределах от до Если при вращении призм плоскости их главных сечений образуют с некоторой начальной плоскостью равные углы противоположных знаков, то падающий и преломленный лучи остаются в одной плоскости.

Конструктивно двухклиновой компенсатор (рис. XI. 14, в) состоит из двух клиньев, заключенных в оправу и приводимых во вращение таким образом, что клинья все время поворачиваются на равные углы противоположного знака. При этом луч, проходящий через клинья, будет отклоняться на угол в горизонтальной или вертикальной плоскости в зависимости от первоначального

положения вершин клиньев. Зависимость угла отклонения луча от угла поворота клиньев определяется как

где — угол отклонения луча;

— угол поворота клиньев;

А — угол при вершине клина;

— показатель преломления материала.

Таким образом, применение оптических клиновых компенсаторов позволяет получить оптический редуктор с передаточным отношением

и уменьшить люфты и нелинейности привода по выходу луча в раз.

Рис. XI. 15. Блок-схема системы управления лучом лазера с применением оптического редуктора: ПУ — приемное устройство; ДО — детектор ошибки; УМ — усилитель мощности; СД — серводвигатель; МР — механический редуктор; OP — оптический редуктор

Структурная схема для одной координаты системы управления лучом лазера с применением оптического редуктора приведена на рис. XI. 15.

Передаточная функция системы в разомкнутом состоянии

где — передаточная функция приемного устройства;

— передаточная функция детектора ошибки;

- передаточная функция усилителя мощности;

— передаточная функция приводного электродвигателя;

— передаточное число механического редуктора;

— передаточное число оптического редуктора

Для управления лучом лазера в качестве электромеханического преобразователя может быть использовано зеркало, управляемое пьезоэлектрическим устройством. Наиболее пригодным для этого является пьезопреобразователь в виде биморфного элемента. Он представляет собой две пластины из пьезокерамики (например, типа ЦТС-19), которые соединены так, что электростатическая поляризация вызывает в каждой из пластин продольные деформации разных знаков, приводящие к изгибу биморфного элемента. Изгиб элемента вызывает поворот укрепленного на нем зеркала (рис. XI. 16).

При такой конструкции биморфный элемент является исполнительным элементом системы управления пространственным положением луча. Быстродействие такого исполнительного элемента определяется резонансной частотой и зависит от размеров зеркала, и конструкции.

Структурная схема системы управления луча лазера с применением пьезокерамического преобразователя в качестве исполнительного элемента приведена на рис. XI. 17.

Рис. XI. 16. Устройство электромеханического преобразователя: 1 — узел соединительной конструкции; 2 — пластины из пьезокерамики; 3 — склейка; 4 — зеркало

Рис. XI. 17. Блок-схема системы управления лучом лазера с применением пьезокерамического преобразователя: ПУ — приемное устройство; ДО - детектор ошибки; У — усилитель; И - интегратор; ПЭЗ — пьезоэлемент с зеркалом

Передаточная функция системы в разомкнутом состоянии

— передаточная функция приемного устройства;

— передаточная функция детектора ошибки;

передаточная функция усилителя;

передаточная функция интегратора;

передаточная функция пьезоэлемента;

— пьезоэлектромеханический коэффициент пьезоэлектрического преобразователя;

— электромеханическая постоянная времени;

— коэффициент демпфирования;

— постоянные времени корректирующих элементов интегратора.

Акустический преобразователь. Принцип действия акустического преобразователя состоит в изменении показателя преломления, вызванного акустической волной.

Рис. XI. 18. Акустический преобразователь: 1 — преобразователь; 2 — положения луча; ГН — генератор напряжения

Рис. XI. 19. Электрооптический преобразователь: 1 — поляризационный модулятор; 2 — двояко преломляющий дискриминатор; 3 — положения луча

Механические колебания от приложенного электрического напряжения передаются в оптически прозрачную среду и создают изменение ее плотности (рис. XI. 18). Изменение плотности вызывает изменение показателя преломления среды. При изменении показателя преломления среды пространственно когерентный световой луч будет отклоняться.

С помощью такого устройства получено максимальное отклонение 24 угловых минуты при управляющей мощности 700 вт.

Электрооптические преобразователи. В основе работы электро-оптических преобразователей лежит двойное лучепреломление (рис. XI.19).

В модуляторе поляризации луча происходит изменение направления поляризации светового луча, а в дискриминаторе изменение поляризации преобразуется в угловое смещение луча. На этом принципе построены устройства дискретного отклонения луча, в котором вид поляризации задается переключателем, а луч на

выходе дискриминатора занимает одно из двух возможных положений, соответствующих обыкновенному и необыкновенному лучам. При прохождении лучом лазера устройств такого типа на выходе можно получить дискретных положений луча.

Непосредственное воздействие электрического поля на направление светового пучка позволяет исключить инерционность, которая ограничивает частотную характеристику электромеханических устройств и устройство отличается очень высоким быстродействием, но требует для своей работы высоких коммутирующих напряжений и угол отклонения луча измеряется секундами.

Все рассмотренные выше методы управления лучом могут применяться в широком диапазоне оптических волн, однако ни один из них не удовлетворяет полностью тем требованиям, которые предъявляются к системам точного наведения лазерного луча. Непрерывное развитие методов и устройств оптического отклонения позволяет надеяться в недалеком будущем как на совершенствование существующих методов, так и на появление новых более совершенных методов.

Большинство отражающих и преломляющих элементов рассмотренных выше устройств обладают нелинейностью и их характеристики зависят от температурных условий. Требование точного выдерживания функциональной зависимости угла отклонения от величины приложенного управляющего воздействия приводит к необходимости в ряде случаев использовать прецизионные датчики положения луча с включением их в общий контур системы автоматического наведения луча. Для определения пространственного положения луча используются оптические расщепители, при прохождении которых небольшая часть отклоненного луча заводится на прецизионный датчик. В качестве датчика может быть использован, например, диссектор.

Наибольшей точности наведения можно достичь при использовании двоякопреломляющих переключателей дискретного типа, которые характеризуются прямой функциональной связью угла отклонения и приложенного управляющего напряжения и высокой стабильностью характеристики. Однако для получения достаточной величины отклонения при требуемом разрешении требуется большое число переключателей, что приводит к большим световым потерям.

При сопровождении оптическим локатором объектов, имеющих высокие угловые скорости, получение высоких динамических точностей затруднено при применении сервосистем обычного типа.

Потенциально высокие точности могут быть получены при выполнении систем автосопровождения с астатизмом высокого порядка. Существующие системы автосопровождения радиодиапазона выполняются, как правило, с астатизмом первого порядка, так как повышение астатизма системы сопряжено с определенными техническими трудностями и ухудшением устойчивости систем.

Для обеспечения прецизионного сопровождения объектов лазерным лучом заслуживает внимания применение двухконтурных систем [10, 18]. При этом основная (грубая) система представляет собой управляемую платформу с размещенной на ней приемнопередающей аппаратурой, на которой смонтирована корректирующая (точная) система, через устройство управления которой проходит луч лазера.

Рис. XI.20. Блок-схема двухконтурной системы управления лучом лазера: ЭУ — электронный усилитель; И — интегратор; ПЭ — пьезоэлемент; П — лазер; УЗ — управляемое зеркало; УМ — усилитель мощности; ЭДв — электродвигатель; Р — редуктор.

В качестве устройства управления точной системы может быть применено одно из рассмотренных выше устройств.

Таким образом, с помощью более быстродействующей точной системы световой луч оказывается смещенным по углу относительно положения платформы, что позволяет получить высокую точность наведения лазерного луча (рис. XI. 20).

Особенностью системы является распределение функций между двумя независимыми приводами, угловые перемещения которых суммируются в пространстве. Угловое положение луча оптического локатора в пространстве определяется суммарным перемещением луча в пространстве, вызванным поворотом платформы и доворотом луча с помощью точной следящей системы. Динамическое разделение систем обеспечивает существенное улучшение параметров всей системы.

Определим передаточную функцию системы управления для упрощенной блок-схемы (рис. XI. 21).

Рис. XI.21. Упрощенная блок-схема двухконтурной системы управления лучом лазера

Передаточная функция замкнутой двухконтурной системы

где — передаточная функция разомкнутой точной системы;

— передаточная функция разомкнутой грубой системы.

Передаточная функция ошибки двухконтурной системы

В случае, если в двухконтурной системе грубая и точная системы являются системами с астатизмом первого порядка, двухконтурная система является системой с астатизмом второго порядка, у которой добротность по ускорению равна произведению добротностей по скорости точной и грубой систем.

Таким образом, применение двухконтурной системы дает значительное снижение динамических ошибок наведения луча на объект,