i/j. л, ,ение

Рис. 5.5. Структурная схема системы слежения лазерного локатора ONERA:

i координатор; 2 - вычислитель; 3 - приводы

Рис. 5.6. Оптическая схема приемного канала лазерного локатора ONERA:

/ - приемный телескоп; 2 - объектив с переменным фокусным расстоянием; 3 - призма координатора; 4 - ФЭУ

Рассмотрим сначала основные составные части.лазерного локатора ONERA. В качестве передатчика применен лазер на рубине с модуляцией добротности и частотой повторения импульсов 10 Гц. Лазерный передатчик вместе с приемным телескопом смонтирован на поворотной платформе со степенями свободы по углу места и азимуту. Помимо измерения угловых координат лазерный локатор мог измерять дальность до цели измерением временного интервала между моментом излучения зондирующего импульса и моментом прихода отрал<енного импульса.

Структурная схема системы слежения лазерного локатора показана на рис. 5.5. Отраженное от цели лазерное излучение преобразуется в координаторе 1 в электрические сигналы, определяющие отклонение оси оптической системы локатора от линии визирования цели. Эти сигналы поступают в вычислитель 2, где они преобразуются в сигналы управления приводами поворотной платформы, на которой размещена оптическая система. В результате формируется замкнутая система слежения, задачей которой является совмещение оптической оси локатора с линией визирования цели.

Оптическая схема приемного канала лазерного локатора показана на рис. 5.6, а на рис. 5.7 показан вид на призму координатора со стороны приемного телескопа. Отраженное от цели излучение принимается приемным телескопом 7 и с помощью вспомогательных динз фокусируется на призму координатора 3. В оптический тракт введен объектив с переменным фокусным расстоянием 2 для изменения угла поля зрения системы. Собственно координатор состоит из призмы • координатора 3 и пяти ФЭУ {4). Цент-

ральная часть призмы координатора пропускает падающее на нее излучение, а боковые грани отражают его. Та-КИМ образом, поле зрения лазерного " "«У" локатора оказывается разделенным на

Рис. 5.7. Призма координатора. Область / работает на пропускание, области 2 ... 5 - на отражение

Угод места

пять областей, в каждой из которых излучение регистрируется одним из пяти ФЭУ.

В ходе экспериментов приходилось иметь дело со слабыми от-раженнььми сигналами, поэтому существовала отличная от нуля вероятность того, что сигнал на выходе любого из пяти ФЭУ обусловлен не отраженным от цели лазерным излучением, а шумом. Это обстоятельство приводило к неоднозначности измерения угла рассогласования между линией визирования и оптической осью системы. Проанализируем оптимальный алгоритм управления, который был заложен в лазерный локатор ONERA.

Рассмотрим управление по какой-либо одной координате, предполагая, что управление по обеим координатам - углу места и азимуту-происходит взаимно независимо. В предположении, что цель движется равномерно в поле зрения локатора, временная зависимость координаты ф имеет вид

=?W = ?o + y,

где фо - начальное значение координаты; v - проекция скорости цели на выбранную координатную ось.

Обозначим угол отклонения оптической оси локатора по выбранной координате через р (/). Тогда угол рассогласования е, измеряемый координатором, равен

Передаточную функцию привода можно представить в виде kjp{p + a). Тогда дифференциальное уравнение для угла поворота оптической оси локатора р следующее:

где « - управляющее воздействие, подаваемое на привод, которое и требуется определить. Введя фазовые координаты по формулам

легко получить вместо одного дифференциального уравнения второго порядка систему из двух уравнений первого порядка [91]:

Ej = £2; -azArav - ku.

При построении управляющего алгоритма предполагалось, что в течение интервала времени Т между двумя последовательными импульсами лазера управляющее воздействие и постоянно и для л-го импульса равно и(п). Тогда его оптимальное значение, обеспечивающее нулевое е к концу интервала Т, находится решением системы уравнений

и (й) = {- [п (й) + Oi г., (й)]/а2 -f V) a!k, где ai = [l -ехр(-аГ)]/а; а2=\\-аТ - ех-р{-аТ)]1а; f.\{n) и егСй)-значения фазовых координат, полученных после п-то лазерного импульса. Легко видеть, что и{п) имеет две состав-

Таблица 5.1

Правило оценки углов рассогласования

Угоп места

ляющих. Первая составляющая- {а1к)\ъ\{п)-\-a\Zi[n)\lai представляет собой оптимальную коррекцию имеющейся ошибки ei с учетом скорости ее изменения ъ%. Вторая составляющая {alk)v есть не что иное, как управляющее воздействие, необходимое для формирования экстраполированного значения координаты с учетом рав-ломерного движения цели.

Для формирования указанного управляющего воздействия необходимо знать параметры г\{п), %%{п) и v. Скоростные параметры &г{п) и V можно определить, еслиизвестны ei(«) для всех предыдущих значений п, т. е. во все предыдущие моменты времени. Оценку параметра ei(n) дает координатор. Для этого прежде всего вычислительное устройство определяет, в какой из пяти областей координатора имеется сигнал. Сигнал может быть обусловлен как отраженным от цели лазерным излучением, так и шумом. Наконец, сигнал может отсутствовать вообще во всех пяти областях координатора. Устройство обработки сигналов с выходов ФЭУ было выполнено таким образом, что оно не измеряло амплитуду этих сигналов, а только регистрировало факт наличия или отсутствия сигнала. Если сигнал присутствовал, то данной области координатора приписывался индекс «1», если сигнал отсутствовал - приписывался индекс «О». Таким образом, всего могло быть 32 различных ситуации, включая полное отсутствие сигналов во всех пяти областях координатора. Каждой из этих ситуаций приписывался код (число) в соответствии с табл. 5.1. Например, если сработал только элемент № 1, то такой ситуации приписывался код 1, если сработали одновременно элементы № 1 и № 2, то ситуации приписывался код 3 и т. д. Если срабатывал только один элемент, то в качестве оценки угла рассогласования выбирался фиксированный угол, соответствующий, например, середине сработавшего элемента. Если срабатывали одновременно два или более элементов, то начинал работать алгоритм проверки на достоверность, который определял ту область, которая с максимальной вероятностью соответствовала -инстпнному сигналу (т. е. не шумовому). При этом наиболее вероятным считалось значение еь ближайшее к экстраполированному зна-

\---j- Азимут

1,0 г,ти

Рис. 5.8. График изменения наклонной дальности до цели в зависимости от времени

Рис. 5.9. Относительное движение цели в поле зрения координатора в течение 4 с

чению. Если сигнал не был зарегистрирован ни в одном элементе координатора, то в качестве 6i бралось значение, экстраполированное на данный момент времени по предыдущим значениям.

В ходе экспериментов было осуществлено 10 проводок самолетов и вертолетов, в том числе 3 проводки реактивных самолетов. На рис. 5.8 представлено изменение наклонной дальности до цели как функция времени при проводке самолета, летевшего на высоте 300 м со скоростью 300 км/ч. Как видно, в начале работы имели место два срыва автоматического сопровождения. В каждом из этих случаев оператор находил цель с помощью визирного телескопа и автоматическое сопровождение возобновлялось. Интересно отметить, что за 10 с до окончательной остановки автоматического сопровождения, оператор потерял цель из-за низкой облачности. Оставшиеся 10 с сопровождение происходило в условиях, когда шумовая составляющая сигнала значительно превосходила истинный сигнал [91].

На рис. 5.9 условно показано относительное движение цели в поле зрения координатора в процессе ее автосопровождения. Эти результаты были получены с помощью визуального наблюдения за целью. Начало автосопровождения показано кружком, конец - крестиком. Общее время автосопровождения от кружка до крестика составляет 4 с, а временной интервал между точками равен 0,1 с. Поле зрения телескопа составляло 0,3°. Среднее значение угловой скорости относительного движения цели в поле зрения телескопа равнялось 1 градус/с по азимуту и 0,2 градус/с по углу места. Всего из сорока отраженных сигналов, полученных за время 4 с, 24 находятся в центральной части координатора и 16 в боковых областях. Случайное блуждание цели в поле зрения координатора объясняется с одной стороны флуктуациями траектории движения цели, а с другой стороны - алгоритмом работы координатора.

в работе [91] приводятся результаты статистического анализа данных, полученных в ходе экспериментов. Так, было найдено, что распределение плотности вероятности угловых ошибок сопровождения хорошо аппроксимируется выражением

р(е,)=-±-ехр{-гУ2.&), у 2я о

где ei измеряется в сотых градуса. Следовательно, ошибку сопровождения еь можно считать гауссовской случайной величиной с нулевым средним значением. Среднее квадратичное значение ошибки сопровождения равно 0,06°. В [91] указывается, что соответствующий этому значению оптимальный угол поля зрения равен 0,24°.

Исследовались также корреляционные свойства ошибок сопровождения. Было найдено, что автокорреляционная функция случай-i ной переменной ei хорошо аппроксимируется формулой

(т) = [ехр (-3 г) + ехр (-Зг2)]/2,

где т измеряется в секундах.

Таким образом, значения еь разделенные интервалом времени т> 1 с, практически некоррелированы.

Эксперименты с лазерным локатором ONERA показали возможность и необходимость статистической оптимизации алгоритмов управления импульсными лазерными локаторами.

3. Лазерный локатор PATS [60]. Лазерный локатор PATS* фирмы Sylvania предназначен для автоматического сопровождения и определения координат целей, снабженных уголковыми отражателями. Общий вид лазерного локатора PATS, смонтированного на подвижном шасси, показан на рис. 5.10. Для того, чтобы перемещения оператора внутри кабины не влияли на точность измерений.

Рис. 5.10. Общий вид лазерного локатора PATS

* Precision Aircraft Tracking System.

o-*\i3

Рис. 5.11. Структурная схема лазерного локатора PATS:

/ - лазерный передачтки; 2 - резонатор; J - модулятор добротности; 4 - синхронизатор-

М -датчик; /5 - автоматический аттенюатор приемного канала; /6 -интерференционный фильтр; - пеленгатор; /Я - приемник дальномерного канала; /5 - устройство измерения ;,альности; 20 - переключатель каналов; 21 - накопитель на магнитной лейте

предусмотрена стабилизация шасси с помощью независимых опорных домкратов.

Описываемый лазерный локатор состоит из инфракрасного лазерного передатчика с длиной волны излучения 1,06 мкм, приемного устройства, инфракрасного телевизира с видеоконтрольным устройством, опорно-поворотного устройства и устройства обработки и регистрации результатов измерений (рис. 5.11).

Лазерный локатор PATS работает следующим образом. Вначале оператор с помощью видеоконтрольного устройства 11, сопряженного с телевизиром 8, производит поиск цели. Для этого ручкой управления 12 формируют сигналы управления приводами 13, которые, вращая зеркало 7, нужным образом ориентируют в пространстве оптическую ось системы. Когда отметка цели попадает в центр поля зрения телевизира 8, лазерный локатор переходит в режим автоматического сопровождения цели, одновременно измеряя угловое положение цели и дальность до нее. Автосопровождение пели осуществляется по сигналам пеленгатора /7, а дальность измеряется устройством 19 по времени задержки распространения лазерного импульса до цели и обратно. Для уменьшения влияния фонового излучения в приемный оптический тракт введен интерференционный фильтр 16. Измерение углового .положения цели производится дат-