Устройство для управления процессом сканирования лазерным лучом

Изобретение относится к области управления перемещением лазерного луча в пространстве, способам сканирования и слежения и может быть использовано для навигации космических аппаратов (КА).

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2506547, заявка 2012140350/28 МПК G01J 1/44, 2012 год «Приемник импульсных оптических сигналов» (Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Почтарев В.Л., Рябокуль Б.К.). Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами. Приемник импульсных оптических сигналов, содержащий фотоприемник с источником смещения и нагрузкой, подключенной к усилителю, усилитель выполнен в виде двух транзисторных повторителей с общей нагрузкой, вход одного из повторителей подключен к нагрузке фотоприемника, а вход второго повторителя имеет возможность подключения к внешнему источнику сигнала, причем параллельно входам транзисторных повторителей введены ключи, связанные с коммутатором, управляющим их замыканием и размыканием в противофазе. Технический результат заключается в повышении точности временной привязки принятого сигнала и, соответственно, высокой точности измерений с помощью приборов, в которых используется такой приемник. Недостатком изобретения является невозможность его использования при больших расстояниях между космическими аппаратами, поскольку регистрируются отраженные сигналы лазерного излучения.

Известно заявленное изобретение - аналог: патент №2619168, от 12.05.2017, заявка №2015152105, МПК B64G 3/00, 2015 год, «Способ определения направления на активный объект, преднамеренно сближающийся с космическим аппаратом» (Яковлев М.В., Яковлева Т.М., Яковлев Д.М.), согласно которому принимают сигналы, излучаемые приближающимся активным объектом, измеряют амплитуду и выполняют обработку принимаемых сигналов. Для приема сигналов применяют детекторы плоской формы. Детекторы располагают на поверхности сферической оболочки ортогонально радиус-вектору из центра сферической оболочки к точке касания с детектором. Внутри сферической оболочки помещают материал - поглотитель излучения. Направление на активный приближающийся объект определяют по радиус-вектору, направленному на детектор с максимальной амплитудой регистрируемого сигнала. Недостатком способа является отсутствие излучающих элементов, что исключает возможность его использования в качестве сканирующего устройства.

Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2369887, МПК G02B 26/10, 2008 год «Лазерное сканирующее устройство» (Калюжный Д.М.), согласно которому предложено лазерное сканирующее устройство, которое включает направленный источник излучения, установленный напротив зеркала, закрепленного на четырехлучевой крестовине, и систему управления зеркалом, собранные в корпусе, причем система отклонения луча дополнительно снабжена четырьмя направляющими стержнями, закрепленными по одному на каждой из четырех оконечностей крестовины. Каждый направляющий стержень соединен с крестовиной при помощи шарнира, имеющего четыре степени свободы. Направляющие стержни имеют на своей внешней поверхности винтовую нарезку, с помощью которой закреплены в неподвижных резьбовых втулках с аналогичной внутренней нарезкой и имеют возможность перемещаться возвратно-поступательно при вращении в ту или иную сторону. А в качестве управляющих элементов используются электродвигатели, вращающие направляющие стержни. Технический результат - повышение точности и изменение функциональных возможностей для получения сложных траекторий перемещения лазерного луча. Недостатком изобретения является низкая скорость перемещения лазерного луча, что связано с необходимостью механического перемещения крестовины с зеркалом, отражающим лазерное излучение.

Известно защищенное патентом изобретение - прототип: патент №2639609, МПК G02B 26/10, G05D 1/00, 2017 год «Способ управления лазерным лучом» (Яковлев М.В., Яковлева Т.М., Яковлев Д.М.), согласно которому в магнитное поле помещают платформу с зеркалом на одной стороне, проводником электрического тока и поворотным механизмом на противоположной стороне, причем проводник электрического тока выполняют в виде кольцевых витков, расположенных по периметру платформы, поворотный механизм устанавливают в центре тяжести платформы, магнитное поле формируют системой электромагнитов, ток кольцевых витков и электромагнитов регулируют из условия отражения лазерного луча от зеркала в заданном направлении. Недостаток изобретения заключается в том, что оно не позволяет осуществлять управление лазерным лучом в пределах больших телесных углов (более 2π стерадиан).

Целью изобретения является повышение точности и изменение функциональных возможностей для получения сложных траекторий перемещения лазерного луча в телесных углах более 2π.

Указанная задача решается следующим образом: лазерное сканирующее устройство содержит платформу, на внешней поверхности которой установлено зеркало, имеющее поворотный механизм, проводник электрического тока, выполненный в виде кольцевых витков, расположенных по периметру платформы, систему электромагнитов, размещенных на внутренней поверхности платформы. Дополнительно на внешней поверхности платформы размещена система отклонения луча, состоящая из зеркала, закрепленного на конце стержня цилиндрической формы с помощью шарового шарнирного механизма позволяющего перемещаться зеркалу относительно своей вертикальной оси в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, вращаться вокруг своей оси и двигаться возвратно-поступательно вдоль вертикальной оси в известных пределах за счет наличия на другом конце внешней поверхности стержня винтовой нарезки, при помощи которой он ввернут в неподвижную резьбовую втулку, закрепленную на платформе напротив поворотного механизма. Стержень закреплен на валу электродвигателя, используемого в качестве управляющего элемента в системе отклонения луча.

Положение источника излучения относительно зеркала, а также угол наклона зеркала относительно системы отклонения луча могут быть различными в зависимости от назначения и конструкции устройства в целом.

Устройство работает следующим образом. В исходном положении луч лазера направлен на зеркало, расположенное на поворотном механизме на основе проводника с током и системы управляющих электромагнитов, осуществляя сканирование в полусфере в телесных углах менее 2π. Для достижения высокой точности ориентировки отраженного луча в сочетании с большими углами отклонения, используют систему отклонения луча с дополнительным зеркалом, расположенным на цилиндрическом стержне. При этом сканирование лазерным лучом переносится в другую область пространства, и тем самым расширяются пределы регулировки направления лазерного луча при сохранении высокой оперативности перемещения лазерного луча в телесном угле, соответствующем исходному положению устройства.

Возможную конструкцию шарового шарнирного элемента, позволяющего зеркалу качаться одновременно в двух плоскостях можно описать следующим образом. Верхняя оконечность стержня выполнена в виде шара. На зеркале закреплен корпус шарнирного элемента, имеющего полость, соответствующую шаровой оконечности направляющего стержня. Стержень смонтирован на соответствующем валу двигателя с помощью соединения, допускающего его взаимное осевое перемещение, например шлицевого, шпоночного или др.

Управление стержнем возможно также с использованием катушки электромагнита, для чего стержень изготавливают из ферримагнитного материала, для перемещения при подачи напряжения питания определенной величины на электромагнит, при этом стержень втягивается внутрь электромагнита или выталкивается.

Вариант реализации устройства с использованием электродвигателей позволяет добиться высокой точности ориентировки отраженного луча в сочетании с большими углами отклонения. При использовании электромагнита для перемещения стержня устройство может работать в частотном режиме.

Таким образом, техническая возможность реализации заявляемого устройства сканирования лазерным лучом не вызывает сомнений.