Цифровой регистратор углового смещения света в атмосфере

(19 О 01 Б 21/41 АНИЕ РЕТЕН свидетел 1 Н 21/41 видетельс 1 Б 21/41ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(72) А.Т.Коровин и И.Я.Шапиро (71) Специальное конструкторское бюро научного приборостроения "Оптика" Сибирского отделения АН СССР (53) 535.241(088.8)(56) 1. Авторское ьство СССР Р 830849, кл. О 0 1981.2. Авторское с тво СССР 9 739384, кл, а 0 1980 (прототип).(54)(57) ЦИФРОВОЙ РЕГИСТРАТОР УГЛОВОГО СМЕЩЕНИЯ СВЕТА В АТМОСФЕРЕ, содержащий последователвно расположенные на оптической оси источник света, клиновый компенсатор, приемный объектив и координатный фотоприемник, узел компенсации флуктуаций интенсивности, узел компенсации углового отклонения,один выход которого подключен к ре. гистрирующему прибору, а другой - к клиновому компенсатору, о т Ли ч аю щ и й с я тем, .что, с целью повышения точности измерений и повышения надежности устройства, узел компенсации флуктуаций интенсивности выполнен в виде двух компараторов, двух масштабных усилителей и инвертора, причем опорный выход координатного фотоприемника соединен с входом первого масштабного усилителя и через инвертор с входом второго масштабного усилителя, выходы масштабных усилителей соединены с первыми входами компараторов, вторые входы которых соединены с координатным выходом координатного фотоприемника, а выходы компараторов - с соответствующими входами узла компенсации углового отклонения.Изобретение относится к атмосферной оптике, в частности к фотоэлектрическим измерительным устройствам,и может быть использовано при изучении распространения авета в атмосфере (в геофизике, геодезии) при5определении координат излучающихобъектов.Известны фотоэлектрические устройства, предназначенные для измерения угловых смещений света в атмосфере исодержащие источник светового излучения, клиновый компаратор, приемныйобъектив, анализатор положения светового пучка, узел компенсации углового отклонения ( 1 3. 15Известные устройства не обладаютдостаточной точностью, так как придлительных (например, суточных)измерениях в атмосфере изменениепрозрачности среды может привести к 20перепадам интенсивности зондирующего светового потока на. два порядкаи более, при этом составляющая помехи в сигнале значительно превосходит1по величине полезный сигнал, несущий информацию об угловом смещениисвета. Погрешность вносит и нестабильность интенсивности на выходеисточника излученияНаиболее близким по технической 30сущности к изобретению является цифровой регистратор угловых смещенийсвета в атмосфере, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник света, клиновыйкомпенсатор, приемный объектив икоординатный фотоприемник, узел компенсации флуктуаций интенсивности,узел компенсации углового отклонения, один выход которого подключенк регистрирующему прибору, а второйвыход - к клиновому компенсатору (2,Диапазон линейности авторегулиронания в такого рода усилителях непревосходит величину в один порядок,; то время как реальные переп,ды45интенсивности могут составлять трипорядка, Это приводит к тому, чтозначительные перепацы интенсивностисвета воспринимаются устройствомкак угловые смещения, т.е. как полезный сигнал. Помеха становитсянеконтролируемой, Низка и помехоустойчивость аналоговых усилителейс автоматической регулировкойусиления (АРУ), что в свою очередь 55снижает точность измерения угловыхсмещений света,Применение аналоговой схемы измерения случайной составляющей рефлекции света и аналогового усилителя с 60 АРУ не только приводит к неконтролируемой погрешности при измерениях, но и значительно усложняет конструкцию устройства, что снижает его надежность. Кроме того, в процессе 65 работы требуется частая и тщательйаякалибровка уровня отрицательной обратной связи усилителя с АРУ, чтотакже снижает надежность измерений.Цель изобретения - повышениеточности измерений и повышениенадежности устройства,Поставленная цель достигаетсятем, что в цифровом регистратореуглового смещения света в атмосфере,содержащем последовательно расположенные на оптической оси источниксвета, клиновый компенсатор, приемныйобъектив и координатный фотоприемник, узел компенсации флуктуацийинтенсивности, узел компенсацииуглового отклонения, один выход которого подключен к регистрирующемуприбору, а другой - к клиновому компенсатору, узел компенсации флуктуаций интенсивности выполнен в видедвух компараторов, двух масштабныхусилителей и инвертора, причем опорный выход координатного фотоприемника соединен с входом первого масштабного усилителя и через инвертор свходом второго масштабного усилителя, выходы масштабных усилителейсоединены с первыми входами соответствующих компараторов, вторые входыкоторых соединены с координатнымвыходом координатного фотоприемника,а выходы компараторов - с соответствующими входами узла комп нсацииуглового отклонения.Угловые смещения света в атмосфере измеряются по смещению фокальногоиэображения источника света по чувствительной площадке координатного фотоприемника,На чертеже показана блок-схемацифрового регистратора угловых смещений света в атмосфере, поясняющаяструктуру одного из двух идентичныхканалов, например канала измеряющегосмещение по координате Х,Устройстно содержит последовательно расположенные на оптической осиисточник 1 света, клиновый компенсатор 2, приемный объектив 3 и координатный фотоприемник 4, узел 5 компенсации флуктуаций интенсивности,.узелб компенсации углового отклонения,один выход которого подключен к регистрирующему прибору 7, а второйвыход - к клиновому компенсатору 2,причем узел компенсации флуктуацийинтенсивности 5 выполнен в виде двухкомпараторов 8 и 9, двух масштабныхусилителей 10 и 11 и инвертора 12.Опорный выход координатного фотоприемника 4 соединен с входом первогомасштабного усилителя 10 и черезинвертор 12 с входом второго масштабного усилителя 11, выходы масштабныхусилителей 10 и 11 соединены с первыми входами соответствующих компараторов 8 и 9, вторые входы которыхсоединены с координатным выходомкоординатного фотоприемника 4,а выходы компараторон 8 и 9 соединены с соответствующими входами узла 6компенсации углового отклонения,который, например, может быть выполнен н виде схемы 13 управления,выход которой соединен с входамишагового двигателя 14, соединенногос.клиновым компенсатором 2, и схемы15 счета числа дискретон, выход которой соединен с регистрирующимприбором 7. Координатный фотоприемник 4 может быть выполнен, например,в виде детектора 16, трех сумматоров 1517-19 и дифференциального усилителя20, выход которого является координатным выходом координатного фотоприемника 4, опорным выходом которого является выход первого сумматора 2017, входы которого соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 20 и выходами другихсумматоров 18 и 19 нходы которыхсоединены с выходами детектора 16,например четырехквадрантного.Устройство работает следующимобразом.Пучок света, проходя от источника 1 излучения через клиновыйкомпенсатор 2 и приемный объектив 3,поступает н координатный фотоприемник 4, находящийся н фокальной плоскости приемного объектива 3. Приналичии некоторого углоного смещения центра тяжести светового пятнаотносительно геометрического центрадетектора 16 на выходах сумматоров 18и 19 будут действовать разные повеличине сигналы 0Б г,а на ныходе дифференциального усилителя 20(координатный выход, - сигнал разности этих напряжений ДБ =Б -0с с сгДОИ, где Д 0 - напряжение, линейнозавйсящее от углового смещения пятна,45коэффициент, связанный сфлуктуацией интенсивности пятна. ЗнакДП зависит от положения центра тяжессти светового пятна относительнонулевой координаты.Сумматор 17 предназначен для полу чения опоРного сигнала 0 О=Пс +0оп с сггде П - величина ойорйого сигнала при отсутствии флуктуаций интенсивности. Опорный сигнал зависиттолько от Флуктуаций интенсивности и 55не зависит от углового смещения пятна.Сигналы с обоих выходов координатного фотоприемника 4 поступают в узел5 компенсации флуктуаций интенсивности. Опорный сигнал преобразуетсяинвертором 12 и масштабными усилителями 10 и 11 н дна симметричных относительно нуля пороговых напряженияоп пг оп65-в р Ц, где п - коэффициент передачимасштабных усилителей 10 и 11.Компараторы 8 и 9 осуществляютсраннение разностного напряженияДПс= Вд Бк, ДействУюЩего на кооРДинатном выходе с пороговыми напряжениямии Ппг, В связи с тем, что в каждой паре сравниваемых сигналов навходах компараторов 8 и 9 содержитсясинфазная составляющая, обусловленная флуктуацией коэффициента интенсивности р, то компараторы 8 и 9оказываются к ней не чувствительными, реагируя лишь на дифференциальный сигнал1 прП- Р.д П =Р(й П- ДПК)(1)Из формулы (1) нидно, что компаратор изменяет свое состояние вмомент, когда ЬП=Дик с, - - п И.Для повышения точйостй удержаниясветового пятна н рабочей зоне детек.тора 16 значения пороговых напряжений должны быть не менее величинынапряжения ДП, образующегося навыходе дифференциального усилителя20 при повороте клинового компенсатора 2 на один дискрет, т,е,д 0 фкцбд Пк ПоВ этом лучпри наличии регулярной составляющейуглового отклонения центр тяжестипятна после каждого дискрета клинового компенсатора 2 будет возвращаться в область рабочей зоны детектора 16.Необходимое пороговое напряжениеустанавливается соответствующим выбоРом коэффициента передачи в масштабныхусилителей 10 и 11 щ = ЬПкмакс/"опТак как значениЯ дПк с и Поппостоянны, то коэффициент передачикустанавливается один раз и н процес-,се работы дополнительной калибровкине требуется.Таким образом, при появлениирегулярной составляющей угловогоотклонения светового пучка и выходецентра пучка за пределы рабочейзоны, один из компараторон 8 и 9(в зависимости от направления отклонения светового пятна) изменит своесостояние. В этом случае схема 13управления начнет выдавать на шаговый двигатель 14 управляющие сигналы. При этом шаговый двигатель 14с помощью клинового компенсатора 2осуществляет компенсацию угловогоотклонения пучка, заставляя последнийвернуться в область рабочей зоныфотодетектора.Количество тактов, выработанныхсхемой 13 управления и посчитанныхсхемой 15 цчета числа дискретовхарактеризует в цифровом виде величину смещения центра тяжести изображения источника излучейия по площадке детектора .16. Цифровая инфорТираж 823 Заказ 936/36 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР .по делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 мация поступает на регистрирующий прибор 7, В регистрирующем приборе осуществляется вычисление углового смещения светового пучка в атмосфере по формуле.у = 2 1 с в(ц - 1) здй, где э - угол смещения;- число шагов, ф - угол при вершине клинового компенсатора; д - показатель преломления, Ю - коэффициент передачи 10 редуктора (не показан) между шаговым двигателем и клиновым компенсатором;- угловая величина шага газового двигателя.Например, при Ы= 5;.Ч= 315 д = 1,5 у И = 0,01 и К =1 угловой смещение составляет 0,18 ф ., а диапазон до 300" , причем точность измерения 0,18 ф сохраняется постоянной во всем диапазоне измерений. Реальные угловые смещения в атмосфере не превышают величину 300 ц,.Изобретение позволяет полностью компенсировать погрешность измерений, возникающую за счет флуктуаций интенсивности света, и увеличить надежность измерений эа счет совмещения измерительных каналов случайной и Регулярной составляющих рефракции в одном канале, выполненном в основном на элементах, работающих в релейном режиме.