Аберрационный расчет зеркально-линзового теплопеленгатора

Введение



В настоящее время, в связи с прогрессивными темпами развития ракетной техники, встает вопрос о своевременном обнаружении ракет и военной техники вероятного противника.

Различают три основных метода автоматической пеленгации: активный, полуактивный, пассивный.

Пассивный метод пеленгации основан на приеме собственного излучения цели, которое может быть вызвано:

нагревом поверхности цели и окружающей ее среды благодаря работе расположенных в ней энергетических установок (двигателей, турбин, котлов и т.д.);

нагревом поверхности цели при ее движении в воздухе (аэродинамический нагрев).

К собственному излучению цели может прибавляться отраженная ею солнечная энергия. В суммарном балансе излучения военных и промышленных объектов (самолетов, ракет, танков, кораблей и т.д.) доля отраженной энергии солнца, как правило, незначительна.

На данный момент большое распространение в пеленгационных средствах имеют радиолокационные станции и системы. Главным достоинством данных систем является их высокая дальность действия. Однако радиолокационные системы имеют ряд существенных недостатков. Существенным недостатком данных средств пеленгации является их активный режим работы. Т.е. работы по отраженному от цели сигналу, выпущенному из станции. Тем самым данные системы незамедлительно обнаруживают себя и могут быть уничтожены вероятным противником, что неприемлемо. Есть и ряд других недостатков. Из-за работы радиолокационных систем в длинноволновом диапазоне длин волн, ухудшается точность определения координат цели , где

-- угловая разрешающая способность системы;

- - рабочая длина волны системы;

- - размер предполагаемой цели.

Для улучшения данного показателя обычно ничего не остается, как увеличивать размер активной антенны, что приводит к увеличению габаритов, массы, а так же увеличению материальных и финансовых затрат.

Наряду с радиолокационными системами в настоящее время так же используются оптические тепловые пеленгационные системы. Данные системы являются наиболее актуальными в настоящее время.

Главным преимуществом таких систем является их пассивный режим работы, т.е. работы по принятому тепловому сигналу от цели. Теплопеленгационные станции не излучают никаких сигналов (за исключением систем с активной подсветкой), что позволяет им оставаться незамеченными при регистрации цели. Еще одним весомым преимуществом является более высокая, по сравнению с радиолокационными, точность пеленгации. Т. к. диапазон длин волн используемый в теплопеленгаторах на несколько порядков меньше радиоволн. А так же данный метод пеленгации обладает высокой помехозащищенностью.

Однако у теплопеленгационных систем есть и существенный недостаток. Их ограниченное применение в сложных метеорологических условиях (дождь, снег, облачность и т. п.) из-за сильного поглощения теплового излучения атмосферой, особенно на больших расстояниях.

Поэтому основной задачей при разработке таких систем является борьба за дальность обнаружения.

Задачи, выполняемые с помощью теплопеленгационных приборов, весьма актуальны в настоящее время. Они с успехом применяется в морской, воздушной и космической навигации, в военном деле для обнаружения самолётов, судов, танков и т. п. объектов по излучению выхлопных газов их двигателей и нагретых частей.




1. Теоретическая часть



1.1 Оптическая схема



Данный прибор имеет возможность работать в узкопольном и широкопольном режимах работы.

При широкопольном режиме работы тепловой поток от цели поступает на сканирующее зеркало, затем на отражающее зеркало ШП и через широкопольный объектив проецируется на ПИ.

Входной зрачок такой системы - ;

угловое увеличение -;

угловое поле обзора -;

фокусное расстояние - ,

где аэ – размер элемента матрицы,

δw – угловой размер элемента матрицы.

При узкопольном режиме работы, поток в виде кольцевой зоны через систему зеркал поступает в узкопольный зеркально-линзовый объектив,обеспечивающий угловое увеличение 3х.

В тепловизионной технике зеркально-линзовая телескопическая система имеет ряд преимуществ по сравнению с линзовой. Линзы сделанные из германия имеют небольшой коэффициент пропускания, а для системы такого класса необходим телескоп минимум из 6 линз. По выходу из такого телескопа тепловой поток будет слишком мал для четкой его регистрации. Так же линзы обладают большими аберрациями по сравнению с зеркалами. При использовании зеркально-линзовой телескопической системы тепловой поток не проходит через стекло зеркал, а отражается от их поверхности, что с одной стороны уменьшает потери на поглощении, но с другой лишает нас одного параметра оптимизации.

Входной зрачок системы в узкопольном режиме - ;

угловое увеличение -;

угловое поле обзора -;

фокусное расстояние - .

где аэ – размер элемента матрицы,

δw – угловой размер элемента матрицы.

При регистрации излучения объекта эффективная площадь объекта  определяется проекцией элемента матрицы приемника излучения в плоскость объекта







 - фокусное расстояние объектива.

 - площадь элемента матрицы.

 - дальность до объекта.

Таким образом получаем







Тогда спектральная плотность потока, попадающего от объекта в объектив с диаметром , будет иметь вид










1.2 Приемник излучения



В качестве приемника излучения используется ПЗС матрица на основе InSb. Ее основные характеристики:

-спектральный рабочий диапазон Δλ= 3..5 мкм

- число элементов MxN=300х400

- размер элемента =30 мкм

- пороговый поток Фпор=10ˉ¹² ВТ (для Т=500 К)

- частота кадров .

Приемник излучения состоит из: 1- ПЗС матрица на основе InSb,

2- система охлаждения, 7-вспомогательный штатив, 8- защитный хомут,

9- защитная крышка.

Матрицы данного типа работают при температуре 77К, для этого в приемнике присутствует система охлаждения.

Так же приемник содержит собственную электронную плату управления и питания.

Габариты приемника излучения следующие: 140х70х65 мм.

Отношение сигнал/шум:







Где  - эффективный спектральный поток теплового излучения через оптическую систему;

 - пороговый поток приемника излучения;

 - спектральный поток теплового излучения через оптическую систему;

 - спектральная чувствительность приемника излучения.

Для качественной работы системы отношение сигнал/шум должно быть не хуже 6 при РПО≈1.







- дальность действия

 - сила излучения объекта.






2. Габаритный расчет оптической системы



2.1 Широкопольный режим работы



Проведем габаритный расчет данной системы в 2х режимах работы.

В широкопольном режиме работы имеются следующие характеристики оптической системы:

Фокусное расстояние ОС –



;



Угловое поле обзора - ;

Диаметр входного зрачка -

угловая разрешающая способность



.



Угловое увеличение - .



2.2Узкополный режим работы



В узкопольном режиме работы имеются следующие характеристики оптической системы:

Фокусное расстояние ОС - ;

Угловое поле обзора - ;

Диаметр входного зрачка - 

угловая разрешающая способность







Угловое увеличение - .






3 Аберрационный расчет



Зададим оптическую систему для ШП канала и проведем аберрационный расчет в программе ZEMAX, оценив таким образом качество системы.

Данная система состоит из 4х германиевых линз суммарная толщина которых составляет dΣ=18 мм.







Конструктивные параметры данной ОС приведены на рисунке ниже.










Графики геометрических и волновых аберраций для 3х длинн волн 3,4 и 5 мкм











Порядок геометрических аберраций 100 мкм, волновых 2λ.

В качестве ПИ используется ИК ПЗС матрица на основе InSb, спектральный диапазаон которой Δλ=3..5 мкм, а размер элемента аэ=30 мкм.

Для корректной работы пеленгатора, необходимо чтобы пятно рассеяния энергии,получившееся в плоскости изображения, имело диаметр примерно равный размеру элемента матрицы, тоесть 30 мкм(возьмем 40 мкм, т. к. расстояние между элементами матрицы 0.5 аэ).







Из графика видно, что при пятне рассеянея диаметром 40 мкм уровень энергии для осевого пучка составляет 0.8, а для внеосевых пучков 0.7, что удовлетворяет условиям качества.

Ниже приведена форма пятна рассеянея для соновного и крайних лучей и 3х длинн волн 3,4,5 мкм.










Графики кривизны поля и дисторсии







Аналогично зададим и проведем оценку качества узкопольного канала.

Данная ОС представляет из себя зеркальную систему Кассегрена с добавлением проецирующей и корректирующей линз. Суммарная толщина всех линз dΣ=10.5 мм.







Конструктивные параметры данной системы приведены ниже.







Графики геометрических и волновых аберраций для 3х длинн волн 3,4 и 5 мкм












Порядок геометрических аберраций 100 мкм, волновых 0.5λ

Анализ пятна рассеянея энергии будет таким же как и для ШП.







Из графика видно, что при пятне рассеянея диаметром 40 мкм уровень энергии для осевого всех пучков лучей составляет 0.65.

Ниже приведена форма пятна рассеянея для соновного и крайних лучей и 3х длинн волн 3,4,5 мкм.







Графики кривизны поля и дисторсии







Вывод: полученные оптические системы удовлетворяют показателям качества для ОС данных типов. Однако все еще велики аберрации кома, кривизна поля и дисторсия. Для снижения их величин можно задействовать дополнительные параметры оптимизации или ввести новые элементы в оптическую систему. Но следует помнить о том, что такое введение может отрицательно сказаться на других характеристиках ОС. Наиболее важным является концентрация энергии в диаметре пятна рассеяния 30-40мкм (70%).