Амплитудно-фазовые анализаторы

Очень распространены на практике амплитудно-фазовые анализаторы, которые в результате сканирования изображения создают сигнал с амплитудой и фазой, меняющимися в зависимости от параметров изображения, чаще всего в зависимости от координат изображения в плоскости анализа.

Примером простейшего анализатора такого типа является вращающийся полудиск (рис. 7.4). При вращении полудиска 2 вокруг оптической оси объектива 1 происходит периодическое изменение амплитуды сигнала, поступающего на приемник излучения 3.

Рис. 7.4. Схема ОЭП с амплитудно-фазовым анализатором — полудиском

При смещении изображения, например, как это показано на рис. 7.5, в виде круга с центрально-симметричным распределением освещенности, с центра полудиска будут меняться форма сигнала и амплитуда первой гармонической составляющей (положения I... IV на рис. 7.5). При изменении фазового угла изображения j (угла между начальным положением j=0 ребра полудиска и положением ребра при пересечении центра изображения) меняется фаза сигнала. На рис. 7.5 фаза сигнала изменилась от j=p/2 (положения II... IV) до j=3p/4 (положение V). Если с валом двигателя 8, вращающего полудиск 2, жестко связать генератор опорного напряжения 7 (см. рис. 7.4), вырабатывающий сигнал U₀, фаза которого постоянна, то, сравнивая фазы электрических сигналов U_c (на выходе усилителя 4, помещенного после приемника и настроенного на частоту первой гармонической составляющей) и U₀ в специальном электронном блоке 5 (фазочувствительном детекторе), на выходе (индикатор 6) можно получить информацию о фазовом угле изображения визирной марки. С помощью фазочувствительных детекторов легко разложить полученный сигнал рассогласования на составляющие, пропорциональные смещению изображения по осям x и y.

Если смещение Dr изображения — круга радиуса r — невелико (Dr/r£0,25), то с погрешностью в доли процента статическая характеристика DF =f(Dr) описывается выражением

где F — полный поток, образующий изображение, т.е. относительная чувствительность такого анализатора K_а=2/p

Рис. 7.5. Сигналы в системе с анализатором-полудиском:

а — положение изображения; б — сигналы после анализатора; в — сигналы после усилителя и генератора опорного напряжения.

Если изображение представляет собой дифракционный кружок Эри (см. § 5.2), то линейность статической характеристики сохраняется при Dr/r_д£0,3, где r_д=1,22 lf¢/D [см. формулу (5.1)], а относительная чувствительность K_а»1,1.

Другим примером является оптическая система, схематично изображенная на рис. 7.6, a. При вращении вокруг оптической оси системы Кассегрена наклонного контррефлектора 1 изображение излучателя совершает круговое движение в плоскости анализа, где размещен простейший растр — круглая диафрагма 2. За диафрагмой установлен приемник излучения 3. Таким образом, здесь осуществляется последовательный просмотр поля — сканирование в пространстве объектов.

Если излучатель находится на оптической оси, то его изображение будет двигаться по периферии растра (рис. 7.6, б). При осесимметричном распределении освещенности в изображении амплитуда сигнала на выходе растра постоянна (рис. 7.6, в, положение I). При смещении излучателя с оптической оси траектория движения становится эксцентричной по отношению к растру-диафрагме (траектории II...IV). Появляется переменная составляющая сигнала (сигналы F_II—F_IV на рис. 7.6, в). Амплитуда и фаза этой составляющей меняются в зависимости от положения излучателя в угловом поле прибора. В зоне небольших угловых рассогласований, не превышающих размер изображения, характер изменения амплитуды в зависимости от смещения изображения (рис. 7.6, г) часто считают линейным. Выделение фазы сигнала, т.е. угла рассогласования в полярной системе координат, в такой системе возможно осуществить точно так же, как и в предыдущем примере, т.е. с помощью генератора опорного напряжения и фазочувствительного детектора.

Рис. 7.6. Оптическая система с переносом изображения по растру:

а — оптическая схема; б — траектория изображения; в — сигналы после анализатора; г — статическая характеристика

Основными источниками погрешностей, свойственных анализаторам описанного типа, являются погрешности:

- - обусловленные нестабильностью амплитуды сигнала;

- - эксцентриситетом оси вращения анализатора или изображения (биения оси вращения);

- - изменением частоты вращения полудиска или изображения.

Амплитуду сигнала в качестве носителя полезной информации, как правило, не выбирают по ряду причин:

- - нестабильность освещенности в изображении,

- - наличие в угловом поле прибора помимо визирной марки излучателей помех,

- - влияние неоднородности чувствительного слоя приемника и др.)

Применение оптических компенсаторов в ОЭП с этими анализаторами заметно ослабляет влияние нестабильности амплитуды сигнала на точность измерения или слежения, но приводит к дополнительным и порой значительным потерям потока и усложнению конструкции всего ОЭП.

Еще одной конструктивной разновидностью амплитудно-фазовых анализаторов являются виброщелевые анализаторы, основным узлом которых служит щелевая диафрагма, совершающая в плоскости изображений колебания относительно оптической оси объектива. Иногда вместо щели используется колеблющаяся нить. Как и в предыдущем случае, можно также осуществлять колебания изображения относительно неподвижной щели или нити. Принцип действия виброщелевого анализатора иллюстрирует рис. 7.7.

Если происходит колебание щели относительно изображения (или наоборот), то при расположении изображения на оси системы (оптической оси, совпадающей с центром колебаний) временной интервал t=t₁-t₂=0. При появлении рассогласования, т.е. смещении изображения на величину x по оси, вдоль которой совершаются колебания, измерив t=t₁-t₂¹0, можно определить x, например, заполняя интервал времени t импульсами высокой частоты и подсчитывая их число.

Амплитуда выходного сигнала используется в качестве информативного параметра в тех случаях, когда амплитуда колебаний щели и ее ширина В сопоставимы с размером изображения, т.е. А ненамного превышает размер изображения по оси x.

Рис. 7.7. Принцип работы виброщелевого анализатора (t₁+t₂=T)

При оптимальном соотношении и размере изображения, гораздо меньшем В, линейность статической характеристики такого анализатора сохраняется при Dх/В£0,15. Здесь Dx — смещение изображения относительно центра сканирования. Относительная чувствительность при синусоидальном характере изменения скорости колебания щели K_a=2/p. Максимальная крутизна статической характеристики при этих условиях достигается при равенстве ширины изображения размеру щели В.

При равномерной скорости колебания щели или прямоугольного изображения относительно щели часто для получения высокой чувствительности стремятся обеспечить соотношение А =В.

Для виброщелевых анализаторов так же, как и для вращающихся анализаторов, основными являются погрешности, возникающие вследствие изменения амплитуды входного сигнала (потока), в том числе в результате изменения распределения освещенности в изображении, а также из-за нестабильности положения центра и скорости колебаний [З].