МНОГОКАНАЛЬНОЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО КОРАБЕЛЬНОГО ЗЕНИТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И СОПРОВОЖДЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ И НАДВОДНЫХ ЦЕЛЕЙ (ВАРИАНТЫ)
MULT-CHANNEL OPTOELECTRONIC DEVICE OF SHIP AIR DEFENSE SYSTEM FOR DETECTION AND TRACKING OF AIR AND SURFACE TARGETS (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к области специального приборостроения, а именно к оптико-электронным информационным каналам (ОЭИК) корабельных зенитных комплексов.
Уровень техники
Роль ОЭИК при решении задач противовоздушной и противоракетной обороны надводных кораблей становится все более важной как по причине уменьшения радиолокационной заметности типовых целей, так и из-за постоянно возрастающих требований к точности определения их траекторий.
Имеется множество публикаций в научно-технической литературе и в патентных источниках, посвященных проблемам совершенствования ОЭИК. Главные из этих проблем: увеличение дальности обнаружения целей и повышение точности измерения их угловых координат. В классических монографиях, излагающих фундаментальные основы теории ОЭИК [М.М.Мирошников, «Теоретические основы оптико-электронных приборов», Л., изд. «Машиностроение», 1977 г.], [Р.Хадсон, «Инфракрасные системы», М., изд. «Мир», 1972 г.], [М.Росс, «Лазерные приемники», М., изд. «Мир», 1969 г.], [Ж.Госсорг, «Инфракрасная термография», М., изд. «Мир», 1988 г.], изложены методы, позволяющие определить дальности и точности ОЭИК, если известны: 1) параметры цели; 2) атмосферные условия; 3) технические характеристики составных частей ОЭИК.
Авторы считают необходимым предварить последующее изложение обсуждением последнего из этих слагаемых. Пусть ОЭИК включает в себя три информационных средства: дневную телевизионную камеру на основе кремниевой ПЗС матрицы (ДТК), тепловизор, использующий матрицу на основе сурьмянистого индия (ТПВ), и лазерный дальномер на неодимовом лазере с λ=1,064 мкм (ЛД). Эти информационные средства установлены на гиростабилизированном двухосном карданном подвесе, имеющем горизонтальный и вертикальный приводы. Информационные средства и карданный подвес находятся в гермоотсеке, имеющем оптические окна. Корпус гермоотсека с встроенными оптическими окнами может быть выполнен в двух вариантах: 1) связанным с карданным подвесом, 2) развязанным от карданного подвеса и имеющим собственные приводы.
В качестве типовой цели примем малогабаритную противокорабельную ракету (ПКР) с диаметром корпуса около 300 мм и скоростью полета порядка 0,85 М. Математическое моделирование процесса перехвата такой цели корабельным зенитным комплексом показывает, что для обеспечения достаточной эффективности ее поражения необходимо обеспечить захват с последующим сопровождением с дальностей не менее 8…10 км. На таких дальностях угловой размер ПКР составит примерно 7 угловых секунд. Для сравнения: угловой размер диска Эри для входной апертуры 100 мм на длине волны λ=4 мкм равен 21 угловой секунде, а на длине волны 0,65 мкм соответственно 3,5 угл. сек. Лазерный дальномер, при условии разумных ограничений (из-за массогабаритных характеристик) уровня его средней мощности, должен иметь, для обеспечения достаточного локационного потенциала, угловые диаграммы на излучение и прием такого же порядка. Все эти соотношения наглядно демонстрируют как трудность обсуждаемой технической задачи, так и необходимость иметь в составе ОЭИК, предназначенных для ее решения, информационные средства, которые по своим техническим характеристикам близки к теоретическим физическим пределам. Для перспективных ОЭИК ситуация дополнительно усложняется тем, что ПКР следующих поколений будут иметь еще меньшие оптические сигнатуры, а также большую скорость полета. В качестве реального примера, иллюстрирующего технический уровень ОЭИК, необходимый для решения обсуждаемых задач, можно указать, что в реально созданном образце для обеспечения требуемой точности сопровождения целей используется двухкоординатный безредукторный привод с датчиками углов по каждой координате с ценой младшего разряда 5 угловых секунд, а также двухстепенной гироскоп, необходимый для парирования качек корабля, путем измерения скоростей движения по каждой координате и ввода в контур управления приводами соответствующих поправок, стабилизируя таким образом пространственное положение оптико-электронных информационных каналов, расположенных в герметичном корпусе.
Возможные технические решения проблем создания собственно информационных оптико-электронных устройств с техническими параметрами, близкими к указанным, не являются предметом настоящего патента, а потому далее обсуждаться не будут. Технические решения, которые авторы выносят на рассмотрение, касаются проблем комплексирования отдельных устройств в составе ОЭИК и обеспечения их совместного функционирования в процессе эксплуатации.
Первое предлагаемое техническое решение относится к проблеме контроля углового положения фотооптических осей и углового разрешения ДТК и ТПВ в процессе эксплуатации ОЭИК. Как было показано выше, требуемое угловое разрешение ДТК и ТПВ находится в диапазоне от единиц до десятков угловых секунд. Такое разрешение в процессе эксплуатации ОЭИК может ухудшиться, например, из-за термооптических аберраций или релаксации внутренних напряжений в элементах его конструкции. Даже при наличии в составе ДТК и ТПВ системы автофокусировки, необходимо иметь для ее функционирования тест-объект, удовлетворяющий ряду требований как по интенсивности, так и по угловой конфигурации. Для корабельных ОЭИК характерно отсутствие в пространстве предметов естественных объектов, пригодных для использования в качестве тестовых.
Для оперативной проверки указанных параметров предложен ряд технических решений. Так, в патенте РФ RU 2138003 описана специальная двухканальная система, обеспечивающая контроль за угловым положением линий визирования и значениями угловых диаграмм ОЭИК. Решение поставленной задачи достигается введением двух дополнительных плоских зеркал, каждое из которых снабжено приводами, и световозвращателя, перекрывающего зрачки информационных средств. Таким образом, задача решается лишь путем введения дополнительного устройства, сравнимого по своей сложности со штатными информационными средствами, требующего для своего размещения дополнительного пространства в гермоотсеке и создающего дополнительную нагрузку на приводы гиростабилизированного приводного контура.
Сходное техническое решение предложено в патенте США USP №4386848, где используется специальная контрольная конфигурация, создаваемая поворотом подвижного зеркала, а контрольный пучок формируется призменным элементом, обеспечивающим засветку лишь малой части входной апертуры, что влечет за собой очевидные недостатки. Следует отметить, что авторы упомянутого патента, подчеркивая важность оптических окон, входящих в состав герметичного корпуса системы, рассматривают их лишь как защитные элементы.
Весьма интересный вариант технического решения предложен в патенте США USP №5054917. Несмотря на его кажущуюся внешнюю несхожесть, авторы полагают, что по своей технической сути это решение можно считать прототипом. Рассмотрим его наиболее важные особенности. Основой устройства является зеркальный коллиматор по схеме Кассегрена с весьма широким рабочим спектральным диапазоном, перекрывающим спектральные диапазоны всех входящих информационных средств. Необходимость в таком коллиматоре - очевидный недостаток прототипа. Однако используется коллиматор, в том числе и в автоколлимацианной схеме, реализованной путем расположения в его фокальной плоскости оригинального световозвращающего компонента. Таким образом, создается общий, для всех информационных средств, автоколлимационный референтный элемент, что на наш взгляд, является важной предпосылкой для перехода к еще более эффективным техническим решениям.
Сущность изобретения
Предлагаемое авторами техническое решение заключается в следующем.
Для оперативного контроля положения фотооптических осей и углового разрешения информационных средств, входящих в состав ОЭИК, предлагается использовать автоколлимационные изображения от защитных окон гермоотсека ОЭИК, имеющих угол клиновидности, величина которого обеспечивает угловое разнесение двух автоколлимационных бликов на величину, сравнимую с угловым разрешением информационного средства. Для этого в состав информационных средств вводятся элементы, обеспечивающие автоколлимационный режим, например светоделительные кубики с сопряженными тест-источниками оптического излучения;
- дополнительно предлагается использовать указанные изображения для оперативного контроля пороговой чувствительности т.к. из-за френелевского отражения на поверхностях окон, яркости изображений от первой (по ходу светового пучка) и от второй поверхности будут отличаться на известную малую величину;
- дополнительно предлагается ориентировать направление клиновидности углов окон таким образом, чтобы минимизировать угловой параллакс между информационными средствами ОЭИК в пределах заданного интервала дальностей до цели;
- дополнительно в случае гермокорпуса с оптическими окнами, имеющего независимые от основного кардана приводы, предлагается использовать динамически перемещающиеся автоколлимационные изображения для тестирования параметров приводного контура сопровождения целей.
На фиг.1 показан ОЭИК со связанным гермокорпусом, включающим
телевизионную камеру 1,
лазерный дальномер 2,
тепловизор 3,
корпус гермоотсека 4,
оптическое окно 5
основание 6.
На фиг.2 показан ОЭИК с гермокорпусом, имеющим собственные приводы и включающий
телевизионную камеру 1,
лазерный дальномер 2,
тепловизор 3,
корпус гермоотсека 4,
двухосную рамку полезной нагрузки 7,
сегментированное оптическое окно 8,
привод 9 корпуса гермоотсека 4.
На фиг.3 представлено оптическое окно, где показаны
0
0
пàдающий пучок 10 (угловое направление α, интенсивность J),
1
1
пучок 11, отраженный от первой поверхности окна (угловое направление α интенсивность J),
2
2
пучок 12, отраженный от второй поверхности окна (угловое направление α, интенсивность J),
φ - угол клиновидности оптического окна.
Отдельной сложной проблемой, возникающей при комплексировании ОЭИК, является привязка оси диаграммы излучения ЛД к другим, входящим в состав ОЭИК, информационным средствам, например ДТК. Трудность заключается в том, что типичные величины энергии в импульсе ЛД на восемь, десять порядков превышают типичный уровень чувствительности ДТК. Чтобы избежать указанной трудности, в состав ЛД часто вводят специальный контрольный излучатель, который на удобном для использования уровне мощности задает ось диаграммы излучения ЛД. Однако такое техническое решение создает новую проблему: сохранение союстировки между контрольным излучателем и основной диаграммой ЛД в процессе эксплуатации. Поэтому лучшим решением будет все-таки непосредственная привязка к основной диаграмме ЛД при условии получения нужного ослабления излучения при всех условиях эксплуатации. Кроме получения требуемого ослабления, необходимо обеспечить минимальные потери энергии, излучаемой ЛД на цель, и выполнить условие инвариантности элемента, отводящего контрольный пучок, к угловым разъюстировкам. Очевидно, что простейшие типы светоделителей: дихроичное зеркало, кубик со светоделительными покрытиями, нанесенными на гипотенузу и т.п. не могут обеспечить выполнение всей совокупности вышеуказанных технических требований.
На фиг.4 показано использование оптического ответвителя/ослабителя, где показаны
пàдающий 10 и отраженный 11 пучки, отраженный пучок 14, выходящий пучок 15, оптический клин 16 и монолитный стеклянный уголковый отражатель 17.
В пучок, излучаемый ЛД, помещается оптический элемент, представляющий собой монолитный уголковый отражатель, изготовленный из оптического стекла, к одной из гипотенузных граней которого на оптическом контакте прикреплен клин, изготовленный также из оптического стекла, но другой марки с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления материала уголкового отражателя на небольшую величину. Пучок лазерного излучения, вошедший во входную грань уголкового отражателя, достигнет границы раздела между уголковым отражателем и клином. На границе раздела пучок расщепится на две ветви - отраженную и проходящую. Относительная интенсивность отраженного пучка определяется френелевской составляющей, которая приблизительно равна
D
D
-8
Пусть уголковый отражатель изготовлен из оптического стекла марки ТК14 с показателем преломления n=1,6130, а клин - из оптического стекла марки ТК16 с показателем преломления n=1,6126. В этом случае, по формуле (1), получаем R=1,5×10. Указанное выше условие о связи уголкового отражателя и клина оптическим контактом является принципиальным, т.к. слой оптического клея внесет дестабилизирующие интерференционные эффекты. Отраженная ветвь пучка, в силу общеизвестных свойств уголкового отражателя, строго инвариантна к угловым разъюстировкам последнего. Не так проста ситуация с проходящей ветвью. Проведенное авторами математическое моделирование привело к следующим выводам:
- правильным выбором угла клина можно обеспечить сохранение углового направления проходящего светового пучка с погрешностью в доли угловой секунды;
- отличие в показателях преломления материалов уголкового отражателя и клина приводит к тому, что в конфигурации, сохраняющей направление пучка, входная грань уголкового отражателя и выходная грань клина не являются параллельными;
- следствием предыдущего пункта является неполная инвариантность углового направления выходящего пучка к разъюстировкам системы «уголковый отражатель + клин»;
- авторами установлено, что коэффициент редукции
К=α/β, где α - угол поворота системы;
β - угол отклонения выходящего пучка,
для типичных случаев превышает 100, что для практических приложений можно считать вполне достаточным.
Дополнительным преимуществом предлагаемого технического решения является практически полное отсутствие потерь мощности проходящего пучка, что позволяет производить его полноапертурное расщепление без уширения дифракционной расходимости.
Последнее предлагаемое авторами техническое решение относится к проблеме фотометрической калибровки ДТК. Проблема оперативной фотометрической калибровки ДТК важна в тех случаях, когда величина сигнала от цели используется при алгоритмической обработке изображения, а положение цели в пределах углового поля зрения ДТК априори не известно.
Классическое уравнение для освещенности изображения, формируемого идеальной оптической системой [М.М.Русинов, «Техническая оптика», М., Л., изд. «Машгиз», 1961 г.]
4
Ф=К·cos(β), где К - коэффициент;
β - угол поля зрения,
в случае реальных оптических систем описывает функцию освещенности лишь приблизительно. Причины этого неполного соответствия многочисленны, но основные из них: виньетирование (в том числе и аберрационное), изменение эффективности просветляющих покрытий на оптических элементах для различных углов падения световых лучей. Кроме того, на амплитуду сигнала влияют временные изменения вольт/ваттной чувствительности фоточувствительных каналов. Все это и приводит к необходимости периодической фотометрической калибровки.
Существует несколько процедур, обеспечивающих проведение такой калибровки [М.И.Эпштейн, «Измерения оптического излучения в электронике», М., изд. «Энергия», 1975 г.].
Одной из лучших считается методика, основанная на применении фотометрического шара - шара Ульбрихта (Ulbricht), которая в общих чертах сводится к следующему.
Источник излучения помещается внутрь шара, имеющего диффузно отражающую внутреннюю поверхность. Световое излучение от источника, упавшее на нее, отражается по закону Ламберта и снова попадает на внутреннюю отражающую поверхность. Математически доказано, что такой асимптотический процесс многократного переотражения создает внутри фотометрического шара изотропное световое поле, интенсивность которого пропорциональна мощности источника.
Конфигурации гермокорпусов ОЭИК чаще всего имеют форму, близкую к шаровой. Это объясняется, с одной стороны, стремлением минимизировать массу корпуса при заданной величине внутреннего объема, с другой стороны - желанием уменьшить возмущающие аэродинамические моменты, возникающие при обдуве корпуса ветром, что особенно важно при работе с подвижных носителей. Авторы предлагают использовать это обстоятельство и осуществлять оперативную калибровку приемных информационных каналов ОЭИК, используя излучение активных каналов и диффузно отражающую поверхность гермокорпуса как приблизительного аналога фотометрического шара. Например, используя излучение ЛД с λ=1,064 мкм, возможна калибровка ДТК с кремниевой ПЗС матрицей, имеющей на этой длине волны достаточную, для проведения калибровки, чувствительность. Разумеется, что при проведении процедуры калибровки отверстие с оптическим окном, имеющееся в гермокорпусе, закрывается крышкой, внутренняя поверхность которой является ламбертовским отражателем.