ПАССИВНАЯ ИНФРАКРАСНАЯ МИРА С СИСТЕМОЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
PASSIVE INFRARED TARGET ROD WITH SYSTEM OF AUTOMATIC CONTROL

Область техники
Изобретение относится к технической физике, более конкретно к фотометрии, и может быть использовано в конструкции тест-объектов открытых испытательных полигонов, предназначенных для исследования и контроля характеристик инфракрасных систем дистанционного наблюдения различного назначения.
Уровень техники
В известных тест-объектах, предназначенных для исследования и контроля характеристик инфракрасных систем наблюдения, использовали излучающие поверхности, имеющие одинаковые коэффициенты излучения, но разные температуры (см. A.M.Дубиновский, Э.Д.Панков. Стендовые испытания и регулировка оптико-электронных приборов. Ленинград: Машиностроение; 1996 г.; патент N 5041735, США, МКИ G01J 1/00 от февраля 1990 г.; патенты 5097139, США, МКИ G01J 1/100 от апреля 1991 г.).
Разность потоков излучения (тепловой контраст) между элементами такого тест-объекта и фоном создавалась за счет принудительного нагрева его элементов. Известно, что плотность потока излучения R определяется законом Стефана-Больцмана и зависит как от температуры Т, так и от коэффициента излучения ε поверхности объекта.
4
R=ε*σ*T
где σ - постоянная Стефана-Больцмана.
В качестве источников нагрева использовали установки с электрическим подогревом или кюветы с проточной водой. Способ создания теплового контраста с применением специальных источников энергии для теплового нагрева элементов тест-объекта получил название активный.
Конструктивное исполнение активных тест-объектов ограничивает возможности их эксплуатация в изменяющихся погодных условиях открытых испытательных полигонов (особенно в зимних условиях), а значительные энергетические затраты для теплового нагрева элементов и прокачки воды практически исключают возможности их мобильного применения.
Многие из недостатков активных мир устранены в инфракрасных тест-объектах пассивного типа, тепловой контраст которых создается за счет использования материалов с разными коэффициентами излучения (отражения) поверхности.
Пассивная инфракрасная разрешающая мишень (см. патент США N 4058734, МПК G01J 1/100, 1977 г.), предназначенная для измерения разрешающей способности инфракрасных разведывательных систем, включает подложку из однородного материала, сохраняющего тепло, и размещенные на ней в виде стандартной мишенной конфигурации штриховые элементы.
Температура такой подложки, размещаемой на земной поверхности, превышает среднюю температуру окружающего фона земной поверхности. Установленные на подложке штриховые элементы выполнены в виде экранирующих (отражающих) перфорированных алюминиевых пластин, в которых сделаны отверстия с равномерным шагом (перфорация), суммарная площадь которых составляет 50…80% от общей площади пластины.
Устанавливая на подложке экранирующие пластины с необходимым коэффициентом (процентом) перфорации, добиваются требуемого теплового контраста между подкладкой и штриховыми элементами миры.
Однако дискретный характер регулирования теплового контраста ограничивает инструментальные возможности такой миры, а значительные затраты времени на установление нового (требуемого) температурного контраста миры путем замены одного набора экранирующих перфорированных пластин на другой не обеспечивает необходимой производительности измерений в изменяющихся внешних условиях (особенно при сильной переменной облачности).
Известны простые типы отражателей, которые используются в пассивной регулируемой мире, такие как:
- двухгранный уголковый отражатель с управляемым двухгранным углом (см., например, патент РФ №2105956 по МПК G01J 1/4 от 28.12.1994 г.);
- цилиндрический (трубчатый) поворотный отражатель с покрытием части его поверхности поглощающим материалом патенты РФ №2112948 от 06.10.95 г. и №2112949 от 01.12.95 г.).
Однако известные отражатели не отвечают требованиям точности измерений в максимально возможном динамическом диапазоне в любое время года при различных внешних условиях.
Улучшение как инструментальных, так и эксплуатационных параметров инфракрасных мир реализовано в конструкции пассивной регулируемой миры, рассмотренной в патенте РФ №2105956. В патенте описана конструкция пассивной инфракрасной миры с непрерывно регулируемым тепловым контрастом.
Непрерывное изменение теплового контраста достигается тем, что штриховые элементы пассивной инфракрасной миры, размещаемые на однородной подстилающей поверхности, выполнены в виде прямоугольных рам с установленными в них поворотными экранирующими пластинами, пластины снабжены механизмом ручного перемещения, при этом пластины в закрытом состоянии перекрывают все сечение рамы. Поворотные экранирующие пластины попарно связаны между собой с помощью шарнира и образуют двухгранные уголковые отражатели, угловые положения пластин которых с помощью механизма перемещения могут синхронно и непрерывно изменяться в диапазоне 5…175 градусов. Такая конструкция миры позволяет установить требуемое значение радиационного контраста штриховых элементов с подстилающей поверхностью (окружающим фоном) в пределах рабочего диапазона регулирования.
Поворотные экранирующие пластины в данной конструкции миры обеспечивают параметры регулирования, эквивалентные параметрам пассивной миры с дискретным регулированием, использующим бесконечный набор экранирующих пластин, относительный коэффициент перфорации которых изменяется в диапазоне 5…95%.
При этом механизм непрерывного ручного управления, применяемый для установки любого заданного значения теплового контраста миры, требует меньших затрат времени, чем в конструкции с дискретным изменением.
Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение, изложенное в патенте РФ №2105956 по МКИ G01J 1/4 от 28.12.1994 года, которое принято в качестве прототипа.
С экспериментальными образцами пассивной ИК миры, изготовленными по схеме указанного патента, нами выполнены натурные исследования их параметров с оценкой имеющихся ограничений, которые сводятся к следующему:
- мира обеспечивает установку и поддержание заданного значения разности ΔТзад только в стационарных внешних условиях и имеет значительные погрешности в условиях переменной облачности;
- индикатриса излучения (отражения) штрихового элемента миры в вертикальной плоскости, совпадающей с продольным направлением штрихового элемента, имеет значительную модуляцию, что не обеспечивает адекватности результатов текущего контроля радиационной температуры штрихового элемента с использованием наземного радиометра с результатами съемки, полученными авиационной ИК системой дистанционного зондирования;
- при пролете на малых высотах строго над ИК мирой имеет место экранирование отраженной составляющей холодного небосвода конструкцией фюзеляжа самолета, что приводит к скачкообразному изменению интегрального значения радиационной температуры миры в момент пролета над мирой по сравнению с контрольным значением температуры, измеренным наземным радиометром.
Сущность изобретения
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение достоверности заданного значения разности температур между окружающим фоном (подстилающей поверхностью) и штриховыми элементами миры при поддержании его в максимально возможном динамическом диапазоне в любое время года, различных внешних условиях, включая переменную облачность для оценки параметров ИК систем в условиях открытых полигонов.
Кроме того, предлагаемое изобретение направлено на обеспечение:
- максимально возможного диапазона регулирования разности температур между окружающим фоном и штриховым элементом, как положительного, так и отрицательного контраста;
- однозначной и линейной регулировочной характеристики зависимости радиационной температуры штриховых элементов во всем динамическом диапазоне, что является принципиальным для работы в режиме автоматического регулирования;
- более равномерной индикатрисы излучения в плоскости, параллельной продольному направлению рамы штрихового элемента;
- минимизации влияния окружающих предметов (объектов) на величину установленного значения разности температур между окружающим фоном и штриховыми элементами;
- исключения экранирования холодного небосвода конструкцией носителя во время летного эксперимента при полетах на относительно малых высотах за счет небольшого угла наклона (5…10 градусов) пластин штриховых элементов;
- исключения влияния измерительного радиометра на параметры рабочих штриховых элементов в процессе контроля текущего значения разности температур за счет включения в состав миры отдельного измерительного штрихового элемента;
- уменьшения погрешности измерения разности температур между окружающим фоном и штриховыми элементами за счет использования радиометра дифференциального типа, формирующего управляющий сигнал для системы автоматического регулирования в реальном масштабе времени;
- автоматического регулирования разности температур всего набора штриховых элементов миры при использовании одного дифференциального радиометра за счет применения двухконтурной схемы автоматического регулирования.
Для достижения указанного технического результата в пассивной инфракрасной мире с системой автоматического регулирования, содержащей рабочие штриховые элементы различных типоразмеров (РШЭ), размещенные из условия обеспечения требований эксперимента на однородной подстилающей поверхности в виде двух одинаковых групповых наборов m различных типоразмеров из n штриховых элементов в каждом, выполненных в виде прямоугольных рам с установленными в них подвижными модулями, снабженными электромеханическими исполнительными устройствами (ИУ) перемещения, отдельно установлен один измерительный штриховой элемент (ИШЭ), не входящий в состав групповых наборов РШЭ. Введены измеритель разности радиационных температур - двухканальный дифференциальный инфракрасный радиометр (ДДИР), установленный на высоте над поверхностью ИШЭ, выполненный с возможностью эффективного усреднения результатов измерений радиационных температур на поверхности ИШЭ и подстилающей поверхности, система автоматического регулирования с поддержанием заданного значения разности радиационных температур всех РШЭ миры в заданных пределах.
При этом каждый штриховой элемент выполнен в виде жесткой прямоугольной рамы, включающей подвижные модули, по всей длине которых установлены под небольшим углом 5-10 градусов к горизонтальной поверхности параллельно друг другу узкие прямоугольные пластины, с чередованием их из одинаковых двух наборов, имеющих соответственно максимальные и минимальные значения коэффициентов излучения, выполненные с возможностью формирования периодической структуры с регулируемым интегральным коэффициентом излучения при линейном перемещении подвижного модуля на подшипниках качения относительно неподвижной рамы. Подвижный модуль перемещают на ширину пластины. При начальном крайнем положении подвижного модуля всю поверхность штрихового элемента перекрывает без разрывов набор пластин неподвижной рамы, при конечном крайнем положении модуля - набор пластин подвижного модуля.
Подвижные модули штриховых элементов снабжены датчиками положения (ДП), связанными с неподвижной рамой и электромеханическими ИУ перемещения, которые у РШЭ управляются по сигналам, пропорциональным разности сигналов ДП измерительного и рабочих штриховых элементов, а в ИШЭ по сигналу, пропорциональному разности значений между заданным и измеренным ДДИР значениями разностей температур ИШЭ и подстилающей поверхности. Для реализации коэффициента излучения пластин ≅1 используют алюминиевые пластины, окрашенные специальной краской, которые устанавливают в рамы неподвижно, а для реализации коэффициентом излучения ≅0 используют неокрашенные алюминиевые пластины, которые устанавливают в подвижные модули рам.
Кроме того, система автоматического регулирования миры выполнена в виде двухконтурной системы замкнутого типа с возможностью того, что первый контур обеспечивает установку заданного значения разности кажущейся радиационной температуры между ИШЭ и подстилающей поверхностью по сигналу управления, пропорциональному отклонению измеренного ДДИР значения этой разности от ее заданного значения, а второй контур системы автоматического регулирования обеспечивает синхронное управление положением подвижных модулей всех РШЭ по сигналам управления, пропорциональным разностям сигналов, формируемых соответствующими ДП измерительного и рабочих штриховых элементов.
При этом в первый контур системы автоматического регулирования включены микропроцессорное устройство управления (МПУО), связанное по стандартному интерфейсу с ПЭВМ для обработки, отображения и документирования результатов функционирования миры и оценки ее параметров в процессе эксплуатации в реальном масштабе времени, взаимосвязанные с МПУОО, ДДИР, формирователем сигнала датчика положения (ФСДП) подвижного модуля ИШЭ, формирователем заданной разности температур (ФЗРТ) между заданным значением разности и значением разности, измеренной ДДИР, между ИШЭ и подстилающей поверхностью, исполнительным устройством ИШЭ первого контура управления системы автоматического регулирования. Во второй контур введены 2 m независимых каналов управления по числу РШЭ миры, каждый из которых включает вычислители управляющего сигнала (ВУС), ДП подвижных модулей РШЭ миры, ИУ РШЭ миры. При этом вход ФЗРТ связан с выходом ДДИР, выход ФЗРТ соединен с входом ИУ перемещения подвижного модуля ИШЭ, ДП подвижного модуля подключен через МПУОО своим выходом к входу ФСДП, выходы которого подключены ко всем входам ВУС, связанным с выходами ДП РШЭ миры второго контура регулирования, а выходы ВУС соединены с входами ИУ РШЭ.
Более того, ДДИР выполнен с возможностью управления как размером, так и геометрическим положением измерительных пятен (ИП) путем соответствующих установок его высоты и углового положения по отношению к ИШЭ по визуальной информации о положении центров ИП, подсвеченных встроенным в ДДИР лазерным целеуказателем. При этом установленный размер ИП должен в несколько раз превышать линейный размер периода регулируемой структуры ИШЭ для повышения быстродействия и уменьшения погрешности первого контура системы автоматического регулирования миры.
Для формирования кажущейся температуры штрихового элемента миры ниже температуры подстилающей поверхности используют свойство эффективного отражения излучения холодного небосвода плоским металлическим отражателем, а для формирования температуры штрихового элемента выше температуры подстилающей поверхности используют свойство эффективного поглощения излучений плоским отражателем, окрашенным специальной краской.
Для реализации коэффициента излучения пластин ≅1 используют алюминиевые пластины, окрашенные специальной краской, которые устанавливают в рамы неподвижно, а для реализации коэффициента излучения ≅0 используют неокрашенные алюминиевые пластины, которые устанавливают в подвижные модули рам.
Все промежуточные значения параметров отражения штриховых элементов в диапазоне от ≅0,0 до ≅1,0 реализуют путем частичного перекрытия наборов неподвижных окрашенных металлических пластин неподвижной рамы с соответствующим набором неокрашенных пластин подвижного модуля за счет относительного линейного плоскопараллельного перемещения (под углом, соответствующим углу установки пластин 5…10 градусов) подвижного модуля относительно неподвижной рамы на максимальную величину, не превышающую ширины пластины.
Из известных типов отражателей плоская металлическая пластина позволяет реализовать максимальную эффективность отражения.
Теоретическим обоснованием этого факта могут служить оценки эффективных площадей поверхностного рассеяния (отражения), приведенные, например, в книге "Современная радиолокация", под ред. Ю.Б.Кобзарева, изд. «Советское радио», 1969.
Для случая больших характеристических размеров отражателей и учета отражения излучения небосвода в пределах верхней полусферы имеют место оценки:
- для плоской поверхности произвольной формы площадью А
пп
2
2
σ=4πА/λ,
- для двухгранного уголкового отражателя с двухгранным углом 90° и площадью апертуры, эквивалентной площади А плоской пластины
уо
2
2
σ=2πА/λ,
- для протяженного цилиндра (трубки) длиной L, радиусом r и максимальной площадью сечения 2r*L, эквивалентной площади А плоской пластины,
цп
3
2
2
σ=πА/4λ,
где:
пп
уо
цп
σ, σ, σ - эффективная площадь излучения (отражения);
λ - длина волны излучения (отражения).
2
Приведенные соотношения показывают, что плоская пластина отражает в 2 раза эффективнее по сравнению с двухгранным уголковым отражателем и в (4/π) раз по сравнению с цилиндрическим отражателем.
Другим важным преимуществом плоского отражателя как перед двухгранным отражателем с переменным углом, так и перед цилиндрическим отражателем является высокая избирательность направления отражения. Применение плоского отражателя в конструкции пассивной регулируемой миры обеспечивает естественную защиту от влияния дополнительных отражений от местных предметов или объектов, находящихся в непосредственной близости от штриховых элементов (в частности, минимизирует влияние оператора, обеспечивающего эксплуатацию миры).
Для реализации требуемой погрешности измерения линейного положения подвижного модуля относительно неподвижной рамы не хуже 1% используют индукционные датчики линейного перемещения, а для обеспечения работы миры в условиях полигона от автономного источника электропитания (аккумулятора) исполнительные устройства выполнены на основе электродвигателей постоянного тока небольшой мощности с дополнительным механическим редуктором с большим коэффициентом редукции.
Таким образом, предлагаемая пассивная инфракрасная мира с системой автоматического регулирования обеспечивает повышение достоверности в максимально возможном динамическом диапазоне регулирования разности температур между окружающим фоном и штриховым элементом в любое время года при различных внешних условиях, включая переменную облачность оценки параметров ИК систем в условиях открытых полигонов.
Перечень фигур
На фиг.1 представлена структурная схема пассивной инфракрасной миры с системой автоматического регулирования в соответствии с техническими решениями, предложенными в патенте, где:
1 - подстилающая поверхность, на которой размещена пассивная инфракрасная мира с системой автоматического регулирования;
2 - рабочий штриховой элемент (РШЭ);
3 - измерительный штриховой элемент (ИШЭ);
6 - неокрашенные металлические пластины подвижных модулей;
7 - окрашенные металлические пластины неподвижных рам;
8 - периодическая структура с регулируемым интегральным коэффициентом излучения;
9 - датчик положения (ДП);
10 - исполнительное устройство (ИУ);
11 - двухканальный дифференциальный инфракрасный радиометр (ДДИР);
12 - микропроцессорное устройство обработки и отображения (МПУОО);
13 - формирователь заданного значения разности температур (ФЗЗРТ);
14 - вычислитель управляющего сигнала (ВУС);
15 - формирователь сигнала датчика положения (ФСДП);
16 - Notebook;
17 - измерительное пятно на поверхности измерительного штрихового элемента (ИП);
18 - измерительное пятно на подстилающей поверхности.
На фиг.2 представлена функциональная схема системы автоматического регулирования пассивной инфракрасной миры, где:
2 - рабочий штриховой элемент;
3 - измерительный штриховой элемент;
9 - датчик положения;
10 - исполнительное устройство;
11 - двухканальный дифференциальный инфракрасный радиометр;
12 - микропроцессорное устройство обработки и отображения;
13 - формирователь заданного значения разности температур;
14 - вычислитель управляющего сигнала;
15 - формирователь сигнала датчика положения;
16 - Notebook;
17 - измерительное пятно на поверхности измерительного штрихового элемента;
18 - измерительное пятно на подстилающей поверхности.
На фиг.3 представлена электродинамическая схема формирования интегрального регулируемого коэффициента излучения пассивной инфракрасной миры с системой автоматического регулирования, где:
3а - схематическое изображение неподвижной рамы штрихового элемента (вид сбоку);
3б - схематическое изображение подвижного модуля штрихового элемента (вид сбоку);
3в - схематическое изображение штрихового элемента в сборе (виде сбоку);
3г - схематическое изображение неподвижной рамы штрихового элемента (вид сверху);
4 - жесткая прямоугольная рама;
5 - подвижный модуль;
6 - неокрашенные металлические пластины подвижных модулей;
7 - окрашенные металлические пластины неподвижных рам;
8 - периодическая структура с регулируемым интегральным коэффициентом излучения;
19 - подшипник качения.
На фиг.4 представлена схема функционирования штрихового элемента в режиме регулирования эффективной радиационной температуры для различных значений относительного положения подвижного модуля, где:
4а - схематическое изображение штрихового элемента (вид сбоку) и его фотографическое изображение (вид сверху) в положении, при котором периодическая структура формируется в основном неокрашенными металлическими пластинами подвижного модуля;
4б - схематическое изображение штрихового элемента (вид сбоку) и его фотографическое изображение (вид сверху) в положении, при котором периодическая структура формируется в основном окрашенными металлическими пластинами неподвижной рамы;
4в - внешний вид макета измерительного штрихового элемента 3 на однородной подстилающей поверхности 1;
1 - подстилающая поверхность, на которой размещен измерительный штриховой элемент;
3 - измерительный штриховой элемент;
4 - жесткая прямоугольная рама;
5 - подвижный модуль;
6 - неокрашенные металлические пластины подвижных модулей;
7 - окрашенные металлические пластины неподвижных рам;
8 - периодическая структура с регулируемым интегральным коэффициентом излучения.
На фиг.5 представлена схема взаимодействия элементов пассивной инфракрасной миры в рабочем положении в условиях полигона, где:
1 - подстилающая поверхность, на которой размещен измерительный штриховой элемент;
2 - рабочий штриховой элемент;
3 - измерительный штриховой элемент;
9 - датчик положения;
10 - исполнительное устройство;
11 - двухканальный дифференциальный инфракрасный радиометр;
12 - микропроцессорное устройство обработки и отображения;
13 - формирователь заданного значения разности температур;
14 - вычислитель управляющего сигнала;
15 - формирователь сигнала датчика положения;
16 - Notebook;
17 - измерительное пятно на поверхности измерительного штрихового элемента;
18 - измерительное пятно на подстилающей поверхности.
На фиг.6 представлена схема формирования отраженной составляющей излучения плоским металлическим листом, находящимся в поле излучения холодного небосвода.
На фиг.7 представлены экспериментальные данные о характерных значениях кажущейся температуры открытого небосвода, плоского металлического отражателя и поверхности с высоким коэффициентом излучения.
На фиг.8 приведена экспериментальная зависимость изменения разности кажущейся температуры между штриховым элементом экспериментального образца пассивной инфракрасной миры и окружающим фоном от времени в условиях сильной переменной облачности при фиксированном положении органов регулирования.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Пассивная инфракрасная мира с системой автоматического регулирования содержит один ИШЭ 3 и 2*m*n РШЭ 2, размещенных на однородной подстилающей поверхности 1 в виде стандартной мишенной конфигурации. В качестве подстилающей поверхности 1 можно использовать ровную площадку на поверхности земли однородной структуры (см. фиг.1).
РШЭ 2 размещены на подстилающей поверхности 1 в виде двух одинаковых m групповых наборов различных типоразмеров из n штриховых элементов в каждом. При этом половина групповых наборов ориентирована вдоль заданного направления полета самолета с испытуемой инфракрасной системой, а другая половина - поперек направления полета. ИШЭ 3 размещен отдельно и не входит в состав рабочих групповых наборов. Ширина РШЭ 2 внутри каждого типоразмера постоянна и равна расстоянию между ними. Количество групповых наборов - 2*m, число РШЭ в группе - n, размеры элементов и относительное расположение групп выбираются из условия обеспечения требований эксперимента.
Каждый штриховой элемент миры, согласно изобретению, содержит жесткую раму 4 и подвижный модуль 5, в которых под одинаковыми углами 5…10 градусов к их горизонтальным поверхностям установлены одинаковые наборы узких прямоугольных полосок 6 и 7, имеющих соответственно минимальные и максимальные значения коэффициентов отражения, с чередованием их из одинаковых двух наборов, которые выполнены с возможностью линейного плоскопараллельного перемещения подвижного модуля 5 под соответствующим углом (равным углу установки пластин) относительно неподвижной рамы 4, формируя периодическую структуру с регулируемым интегральным коэффициентом излучения, см. фиг.3г. При первом крайнем положении модуля перекрывают без разрывов всю поверхность штрихового элемента набором пластин неподвижной рамы 7, при втором крайнем положении модуля 5 перекрывают - набором пластин подвижной рамы 6. Для реализации коэффициента излучения пластин ≅1 алюминиевые пластины 7 выполнены с покрытием специальной краской, которые устанавливают в рамы неподвижно, а для реализации коэффициентом излучения ≅0 используют неокрашенные алюминиевые пластины 6, которые устанавливают в подвижные модули 5 неподвижных рам 4, см. фиг.4.
Подвижные модули 5 штриховых элементов снабжены ДП 9, связаны с неподвижной рамой 4 и электромеханическим ИУ 10. Подвижный модуль 5 соединен через подшипник 19 с ИУ перемещения 10. Подшипники установлены в боковых стенках неподвижной рамы в направляющих качения подшипников, см. фиг 3а, б, в.
Для поддержания заданного значения разности кажущейся температуры между большим числом РШЭ миры и подстилающей поверхностью 1 используют двухконтурную систему автоматического регулирования, обеспечивающую необходимые параметры регулирования при использовании одного ДДИР 11, измеряющего фактическое значение разности температур между ИШЭ 3 и подстилающей поверхностью 1.
В состав первого контура системы автоматического регулирования входят ИУ перемещения 10 и ДП 9, связанные с подвижными модулями рабочих и измерительного штриховых элементов миры, а также ДДИР 11, сопряженные с МПУОО 12.
МПУОО 12 включает в свой состав ФЗРТ 13, ФСДП 15 и связано по стандартному интерфейсу RS-232 с ПЭВМ типа «Notebook» 16 для первого контура регулирования.
ПЭВМ предназначена для задания режимов работы, обработки результатов функционирования миры и оценки ее параметров в процессе эксплуатации с документированием результатов в реальном масштабе времени.
В состав второго контура системы автоматического регулирования входят 2*m независимых каналов управления по числу рабочих штриховых элементов миры, каждый из которых включает ВУС 14, ИУ перемещения 10 и ДП 9, связанные с неподвижными рамами 2 и подвижными модулями 3 РШЭ миры.
В обоих контурах системы автоматического регулирования используют одинаковые датчики положения 9 и исполнительные устройства 10, при этом для реализации требуемой погрешности измерения линейного положения подвижного модуля 5 относительно неподвижной рамы 4 не хуже 1% применяются индукционные датчики линейного перемещения, а для обеспечения работы миры в условиях полигона от автономного источника электропитания (аккумулятора) электромеханические ИУ перемещения 10 выполнены на основе электродвигателей постоянного тока небольшой мощности с дополнительным механическим редуктором с большим коэффициентом редукции.
При этом вход ФЗРТ 13 связан с выходом ДДИР 11, а выход 13 соединен с входом ИУ перемещения 10 ИШЭ 3. МПУОО 12 взаимосвязан с ФЗРТ 13 и ФСДП 15, ДП 9 ИШЭ подключен своим выходом через 12 к входу ФСДП 15 и ПЭВМ типа «Notebook» 16, выходы ФСДП 15 подключены ко всем входам ВУС 14, связанным с выходами ДП 9 РШЭ 2 миры второго контура регулирования, а выходы ВУС соединены с входами ИУ перемещения 10 РШЭ 2.
Сделаем несколько предварительных замечаний о важных для изложения сущности предлагаемых технических решений физических особенностях формирования излучения объектов, находящихся в поле воздействия других излучателей и добавляющих к собственному излучению объекта отраженную составляющую «подсвечивающих» излучателей (см. А.Г.Николаев, С.В.Перцов. Радиотеплолокация. М.: Советское радио, 1964).
Для характеристики полного излучения объекта с учетом отраженной составляющей используем введенное в монографии понятие «кажущейся» температуры как эквивалентной температуры абсолютно черного тела (АЧТ), создающего излучение той же плотности, что и данный реальный излучатель.
На фиг.6 показана схема формирования отраженной составляющей излучения плоским металлическим листом 20, находящимся в поле излучения холодного небосвода, а на фиг.7 представлены экспериментальные данные о характерных значениях кажущейся температуры открытого небосвода 21, плоского металлического отражателя 22 и поверхности с высоким коэффициентом излучения 23 (подстилающая поверхность) для диапазона волн 7…14 мкм.
Приведенные данные показывают, что кажущаяся температура объектов с высоким коэффициентом отражения определяется в основном излучением сторонних источников излучения, а материалы, обладающие хорошей излучательной способностью (малым значением коэффициента отражения), имеют радиационную температуру, близкую к термодинамической.
На отраженную составляющую кажущейся температуры плоского металлического отражателя оказывают влияние изменение атмосферного давления и влажности верхних слоев атмосферы, а также наличие облачности в рабочей области небосвода.
Для иллюстрации на фиг.8 приведена экспериментальная зависимость изменения разности кажущейся температуры между штриховым элементом экспериментального образца пассивной инфракрасной миры и окружающим фоном от времени в условиях сильной переменной облачности 24 при фиксированном положении органов регулирования пассивной ИК миры, где
25 - разность температур полос миры,
26 - время эксперимента.
Приведенная зависимость показывает, что для эффективного поддержания заданного значения разности температур в условиях переменной облачности необходима система регулирования, обеспечивающая управление значением кажущейся температуры штрихового элемента с быстродействием не менее 5°/с.
Указанные параметры регулирования одновременно для большого числа штриховых элементов миры могут быть реализованы только при использовании автоматической системы регулирования.
Системы дистанционного зондирования Земли просматривают наблюдаемую поверхность пятном разрешения конечных размеров и реагируют на полное (интегральное) излучение поверхности, соответствующее ее кажущейся температуре, усредненной по площади пятна разрешения с весом, пропорциональным значению двумерной аппаратной функции ИК системы.
Предлагаемая конструкция регулируемых тест-объектов пассивного типа для оценки параметров ИК систем в условиях открытых полигонов основана на рассмотренных особенностях формирования полного излучения объектов, находящихся в поле воздействия других излучателей (открытого небосвода), и свойстве усреднения излучений приемником ИК системы дистанционного наблюдения по площади его элемента разрешения.
Пассивная инфракрасная мира с системой автоматического регулирования функционирует следующим образом.
ДДИР 11 устанавливают на такой высоте над поверхностью ИШЭ 3, при которой размеры измерительных пятен на его поверхности 17 и на подстилающей поверхности 18 позволяют эффективно усреднять результаты измерений их радиационных температур (см. фиг.3).
Выходной сигнал ДДИР 11, пропорциональный разности радиационных температур в измерительных каналах радиометра, поступает в ФЗРТ 13, сравнивается с заданным значением разности и в виде сигнала управления поступает в ИУ перемещения 10, которое перемещает подвижный модуль 5 до такого положения, при котором выходной сигнал ДДИР 11 становится равным сигналу ФЗРТ 13. При этом управляющий сигнал на выходе стремится к нулевому значению, а разность радиационных температур между ИШЭ 3 и подстилающей поверхностью 1 становится равной заданному значению.
Изменение внешних условий функционирования миры (время суток, облачность, ветер и т.п.) изменяет значение разности радиационных температур ДДИР 11, что приводит к нарушению термодинамического равновесия системы и соответствующему изменению значения уровня и знака сигнала, который, управляя ИУ 10 ИШЭ, перемещает его подвижный модуль 5 в новое положение, соответствующее заданному значению разности радиационных температур для изменившихся внешних условий.
Фактическое положение подвижного модуля 5 относительно неподвижной рамы 4 в процессе функционирования ИШЭ измеряется его датчиком положения ДП 9, выходной электрический сигнал которого через МПУОО 12, ФСДП 15 совместно с выходными сигналами датчиков положения ДП 9 РШЭ 2 поступает на ВУС 14, которые формируют управляющие сигналы для синхронного перемещения всех подвижных модулей РШЭ 2, что обеспечивает динамическое равенство их радиационных температур.
Таким образом, предлагаемая схема функционирования системы автоматического регулирования и взаимодействия ее элементов обеспечивает поддержание разности радиационных температур между РШЭ 2 и подстилающей поверхностью 1 в диапазоне Т зад ± Δt, где Т зад - значение разности радиационных температур, установленное в ФЗРТ 13, a Δt - погрешность системы автоматического управления в изменяющихся внешних условиях функционирования инфракрасной миры.
Для обеспечения измерений разрешающей способности инфракрасных сканирующих систем поступают следующим образом.
На выбранном для размещения ИК миры участке полигона с однородной подстилающей поверхностью размещают измерительный и рабочие штриховые элементы миры в соответствии с требованиями эксперимента, соединяют элементы между собой и источником питания.
Схема взаимодействия элементов пассивной инфракрасной миры в рабочем положении представлена на фиг.5, где показаны ИУ перемещения 10 и ДП 9, связаны с подвижным модулем ИШЭ 3 миры, и ИУ 10, ВУС 14, ДП 9 связаны с подвижным модулем РШЭ 2, а также ДДИР 11, сопряженными с МПУОО 12.
Включают систему в рабочее состояние, устанавливают в ФЗРТ 13 значение разности радиационных температур в соответствии с заданием на эксперимент. ДДИР 11 устанавливают на требуемой высоте, контролируя правильное положение его измерительного пятна (ИП) 17 на поверхности ИШЭ 3 и ИП 18 на подстилающей поверхности 1 по положению пятна лазерного указателя. Подключают к МПУОО 12 выходы датчиков положения ДП 9 ИШЭ 3 и входы ВУС 14 РШЭ 2.
Летательный аппарат с испытуемой ИК системой выполняет пролет над ИК мирой на одном из режимов, предусмотренных программой испытаний.
При необходимости проведения эксперимента с другим значением разности радиационных температур в ФЗРТ устанавливают новое значение и выполняют новый пролет над мирой.
Все текущие значения радиационных температур: подстилающей поверхности, измерительного штрихового элемента и их разности из МПУОО 12 поступают в ПЭВМ 16 и регистрируются в реальном масштабе времени с привязкой к текущему времени на жестком диске ПЭВМ 16.
После проведения экспериментов проводится обработка и документирование результатов, необходимые для дальнейшего совместного анализа с результатами ИК съемки.
Предлагаемая конструкция пассивной ИК миры обеспечивает автоматическое поддержание заданного значения разности радиационных температур в течение эксперимента при изменяющихся внешних условиях без участия оператора (вмешательство оператора необходимо только при задании нового значения разности радиационных температур), что существенно расширяет диапазон погодных условий проведения эксперимента, надежность и достоверность полученных результатов и существенно сокращает временные и финансовые затраты на летные испытания авиационных ИК систем дистанционного зондирования Земли.