ПАССИВНАЯ ДВУХСПЕКТРАЛЬНАЯ ГОЛОВКА САМОНАВЕДЕНИЯ ДЛЯ ЗЕНИТНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ РАКЕТ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Предлагаемая полезная модель относится к области зенитных управляемых ракет с пассивными головками самонаведения (далее - ГСН).
Уровень техники.
В настоящее время, происходящие в разных точках мира военные конфликты показывают, что при стрельбе по воздушным целям, особенно на небольшие дальности, наиболее эффективными зенитными средствами являются управляемые ракеты с пассивными ГСН (выстрелил и забыл).
Такие зенитные ракетные комплексы наиболее подвижны (могут использоваться в том числе и в переносном варианте) и потому проще по устройству и в эксплуатации, чем зенитные комплексы с активными головками самонаведения, которые значительно сложней по устройству и с которыми все армии мира уже научились эффективно бороться.
Известны зенитные ракетные комплексы с пассивной ГСН (ПЗРК «Стингер», США, «Мистраль-1» Франция, «Игла-1» СССР), в которых для управления ракетой использован инфракрасный диапазон излучения цели.
Недостатком данного типа пассивных ГСН являлось их большая зависимость от метеорологических условий, т.к. при дожде, снеге или тумане тепловое излучении цели в используемом диапазоне волн рассеивается и эффективность наведения ракеты на цель значительно ухудшается.
Известен зенитный ракетный комплекс с пассивной ГСН (ЗУР 9М31 советского ЗРК ближнего действия «Стрела-1»), в которой для управления ракетой использован оптический (фотоконтрастный) диапазон излучения цели (Зенитые ракетные комплексы ПВО СВ «Техника и вооружение» №5-6,99 г.).
Недостатками данного типа пассивных ГСН являлось (также как и вышеуказанных тепловых) их большая зависимость от метеорологических условий, а также усложнение конструкции в связи с необходимостью проведения предпускового охлаждения оптического канала.
Известны зенитные ракетные комплексы с пассивной системой наведения, например «Стрела-10СВ» - СССР, (Зенитые ракетные комплексы ПВО СВ «Техника и вооружение» №5-6,99 г.) и «93» - Япония, в которых для управления ракетой использована двухспектральная ГСН, использующая для выработки сигнала управления зенитной ракетой как инфракрасное, так и световое излучение цели, что позволяет уменьшить зависимость точности наведения данного типа зенитной ракеты от метеоусловий и расширить диапазон боевого применения ракеты.
Недостатком данного типа ГСН является невозможность выделения сигнала от цели при постановке ею организованных оптических помех.
Данная отечественная пассивная двухспектральная ГСН (техническое описание и инструкция по эксплуатации. Издательство МОП. 1980 г.) взята авторами в качестве прототипа предлагаемой, как наиболее близкая по технической сути, так и по техническому результату при использовании.
Раскрытие полезной модели.
Задачей, которую решали авторы разрабатывая предлагаемую двухспектральную пассивную ГСН, являлось расширение диапазона боевого использования и повышение вероятности наведения на цель в том числе и в условиях постановки целью организованных оптических помех без увеличения весогабаритных и энергетических характеристик ГСН.
Эта задача решена в разработанной пассивной двухспектральной ГСН, имеющей следующую совокупность существенных признаков:
- гирокоординатор,
имеющий оптическую систему и модулирующие растры инфракрасного и оптического каналов, установленные на роторе гироскопа, фотоприемники каналов, установленные на внутренней рамке карданова подвеса гироскопа, усилители сигналов, ключ переключения каналов оператором;
- узел селекции цели и формирования сигнала коррекции оси гироскопа, содержащий
цепь обработки видеосигнала от цели, включающую последовательно соединенные управляемый делитель видеосигнала, усилитель несущей частоты, блок стробирования видеосигнала от цели, детектор, ограничитель и усилитель огибающей, усилитель мощности, выход которого подключен к катушке коррекции положения оси гироскопа, размещенной на гирокоординаторе, а также блок формирования коэффициентов ослабления видеосигнала в управляемом делителе и ограничителе огибающей в функции измеряемой дальности до цели, подключенный к их вторым входам;
цепь формирования сигнала для стробирования видеосигнала от цели в зависимости от фазы вращения ротора, пеленга его оси относительно оси ракеты, подключенная через второй ключ оператора ко второму входу блока стробирования видеосигнала от цели, и включающая два соответствующих датчика, установленных на корпусе ГСН, подключенные к первому и второму входам блока формирования сигналов для стробирования видеосигнала от цели в зависимости от фазы вращения ротора и пеленга его оси относительно оси ракеты, а также блок формирования сигнала о типе организованных оптических помех, подключенный к третьему входу блока формирования сигнала для стробирования видеосигнала от цели;
цепь формирования сигнала для стробирования видеосигнала от цели в зависимости от наличия организованных оптических помех, выполненная в виде последовательно включенных усилителя, вход которого подключен к выходу фотоприемника оптического канала, детектора, блока формирования сигнала для стробирования видеосигнала от цели в зависимости от наличия организованных помех, выход которого через третий ключ оператора подключен к третьему входу блока стробирования видеосигнала от цели.
Новыми признаками в предложенной совокупности характеризующей пассивную двухспектральную ГСН являются:
- введение в состав узла селекции цели и формирования сигнала коррекции оси гироскопа цепи формирования сигнала для стробирования видеосигнала от цели в зависимости от наличия организованных оптических помех, выполненной в виде последовательно включенных усилителя, вход которого подключен к выходу фотоприемника оптического канала, детектора, блока формирования сигнала для стробирования видеосигнала от цели в зависимости от наличия организованных оптических помех, выход которого через третий ключ оператора подключен к третьему входу блока стробирования видеосигнала от цели;
- введение в состав цепи формирования сигнала для стробирования видеосигнала в зависимости от фазы вращения ротора и пеленга его оси относительно оси ракеты блока формирования сигнала о типе организованных оптических помех, выход которого подключен к третьему входу блока формирования сигнала для стробирования видеосигнала вышеуказанной цепи, который, в свою очередь, подключен к блоку стробирования видеосигнала через второй ключ оператора,
- подсоединение вторых входов управляемого делителя и ограничителя огибающей цепи обработки видеосигнала к блоку формирования коэффициентов ослабления видеосигнала в функции измеряемой дальности до цели.
По мнению авторов, несмотря на известность использования для обеспечения защиты от организованных оптических помех В активных и полуактивных системах самонаведения ракет ГСН метода стробирования сигнала помехи на основе спектрального метода селекции, в предложенной пассивной двухспектральной ГСН, это позволило кроме расширения диапазона боевого использования ГСН повысить вероятность наведения на цель, в том числе и в условиях постановки целью организованных оптических помех, без увеличения весогабаритных и энергетических характеристик ГСН, что позволяет считать вышеуказанные новые признаки существенными для приведенной совокупности.
Краткое описание чертежей
Разработанная полезная модель представлена на прилагаемых чертежах, где,
- на фиг.1 представлена общая схема разработанной пассивной ГСН;
- на фиг 2. - схема усилителей (блоки 11, 12, 29);
- на фиг.3 - схема переключателя каналов (блок 13);
- на фиг.4 - схема управляемого делителя (блок 15);
- на фиг.5 - схема усилителя несущей частоты (блок 16);
- на фиг.6 - схема блока стробирования видеосигнала цели (блок 17);
- на фиг.7 - схема детектора огибающей (блок 18, 30);
- на фиг.8 - схема ограничителя огибающей (блок 19);
- на фиг.9 - схема усилителя «огибающей» (блок 20);
- на фиг.10 - схема катушки коррекции (блок 23);
- на фиг.11 - схема блока 25 формирования сигнала для стробирования видеосигнала цели в зависимости от фазы вращения ротора гироскопа и пеленга его оси, схема датчика фазы вращения ротора гироскопа (блок 26), схема датчика пеленга оси гироскопа относительно оси ракеты (блок 27) и второй ключ оператора (блок 35) для подключения цепи 21 и блока 28;.
- на фиг.12 - схема блока формирования сигнала о типе оптической организованной помехи (блок 28);
- на фиг.13 - схема блока формирования сигнала стробирования видеосигнала от цели в функции от сигнала организованной оптической помехи (блок 31);
- на фиг.14 - схема блока формирования коэффициента уменьшения видеосигнала пропорционально дальности до цели (блок 33).
Осуществление полезной модели.
Пассивная двухспектральная ГСН содержит гирокоординатор 1 и узел 2 селекции цели и формирования сигнала коррекции оси гироскопа.
Гирокоординатор 1 предназначен для приема оптических сигналов от цели, помех и фона, преобразования их в электрические сигналы для обработки в узле 2, где производится селекция цели и формирование сигнала коррекции оси гироскопа, для осуществления сближения ракеты с целью по методу пропорционального наведения.
Гирокоординатор 1 содержит гироскоп 10, на роторе 3 которого размещена оптическая система 4 и модулирующие диски 5 и 6 инфракрасного и оптического каналов, размещенные в фокальной плоскости оптической системы 4, фотоприемники 8, 9 каналов, установленные на внутренней рамке 7 карданного подвеса гироскопа 10. усилители сигналов 11, 12, через ключ 13 переключения каналов подключенные к узлу 2 селекции цели и формирования сигнала коррекции оси гироскопа.
Узел 2 селекции цели и формирования сигнала коррекции оси гироскопа содержит цепь 14 обработки видеосигнала от цели, включающую последовательно соединенные управляемый делитель 15 видеосигнала, усилитель 16 несущей частоты, блок стробирования видеосигнала цели 17, детектор 18, ограничитель 19 и усилитель 20 огибающей, выход которого подключен к катушке коррекции положения оси гироскопа 23, размещенной на корпусе 24 ГСН, а также блок 33 формирования коэффициентов ослабления видеосигнала управляемого делителя 15 и ограничителя огибающей 19 в функции измеряемой дальности до цели, подключенный к их вторым входам.
Кроме вышеуказанного, в состав узла 2 входит цепь 21 формирования управляющего сигнала для стробирования видеосигнала цели в зависимости от фазы вращения ротора гироскопа, пеленга его оси относительно оси ракеты, включающая датчики 26 и 27 фазы вращения ротора гироскопа и пеленга его оси относительно оси ракеты, установленные на корпусе 24 ГСН и подключенные к первому и второму входам блока 25 формирования сигналов для стробирования видеосигнала от цели в зависимости от фазы вращения ротора и пеленга его оси относительно оси ракеты, и блок 28 формирования сигнала о типе организованных оптических помех, подключенный к третьему входу блока 25, выход которого, в свою очередь через второй ключ оператора 35 подключен к блоку 17 стробирования видеосигнала.
В состав узла 2, кроме того, входит цепь 22 формирования управляющего сигнала для стробирования видеосигнала цели от организованной оптической помехи, подключенная к выходу фотоприемника 9 оптического канала и содержащая последовательно включенные усилитель 29, детектор огибающей помехи 30, блок формирования управляющего сигнала для стробирования видеосигнала цели от организованной оптической помехи 31 и третий ключ оператора 32 для подключения к третьему входу блока 17 для стробирования видеосигнала цели.
Работа пассивной двухспектральной ГСН осуществляется следующим образом.
Перед пуском ракеты оператор должен обнаружить цель и прицелиться.
Обнаружение цели производится с помощью наземной аппаратуры, входящей в состав зенитного комплекса. После того, как цель обнаружена, ее координаты передаются автоматически в прицел наземной аппаратуры запуска ракеты, и на экране прицельного дисплея появляется отметка обнаруженной цели.
Оператор разворачивает пусковую установку ракеты на цель и совмещает перекрестье прицела (ось ракеты) с отметкой цели и нажимает кнопку «захват». Аппаратура запуска в полуавтоматическом режиме производит оценку параметров движения цели (дальность, высоту, скорость, ракурс и т.д) и разарретирует ГСН.
Излучение от цели через оптическую систему 4 (фиг.1) попадает на модулирующие растры 5 и 6, а затем на фотоприемники 8 (фотодиод на антимониде индия) и 9 (кремниевый фотодиод), которые преобразуют промодулированное растрами 5, 6 излучение в электрические видеосигналы.
Эти сигналы поступают соответственно на усилители 11 и 12, реализованные, например, на микросхеме DA1 (544УД1), (фиг.2).
Далее сигналы подаются на переключатель каналов 13.
Оператор перед пуском ракеты должен переключателем каналов 13 подключить к цепи обработки видеосигнала 14 либо инфракрасный канал, если работа производится ночью, либо оптический канал, если работа производится в дневное время.
Переключатель каналов 13 выполнен по схеме, например, приведенной на фиг.3, которая реализована на микросхемах DA1 (590КН1) и DA2 (544УД1). Микросхема DA1 под воздействием сигнала от оператора подключает к входу операционного усилителя DA2, либо выход усилителя 11, либо выход усилителя 12.
Далее видеосигнал с выхода блока 13 подается на управляемый делитель 15, в котором обеспечивается ослабление видеосигнала.
Блок 15 цепи 14 может быть реализован, например, (фиг.4), на микросхемах D1 (1533ИР1), D2 (571ПА1) и DA3 (544УД1). В регистре D1 хранится коэффициент ослабления сигнала в данный момент времени.
Делитель Д2 выполнен на основе цифроаналогового преобразователя, для ослабления входного сигнала в расчетное число раз и согласующего усилителя - DA3, на выходе которого имеется ослабленный видеосигнал.
Коэффициент ослабления видеосигнала задается из блока 33 в зависимости от измеряемой дальности полета ракеты.
С выхода блока 15 видеосигнал поступает на усилитель несущей частоты 16, собранный, например, по схеме, показанной на фиг.5.
Блок 16 реализован на микросхеме DA1, на вход которой подключен полосовой фильтр (R1, R2, R3, C1, С2. С3). Усилитель избирательно усиливает видеосигнал на несущей чистоте и ослабляет его на других частотах.
Затем видеосигнал поступает на вход блока стробирования видеосигнала цели 17, (фиг.6), реализованного, например, на аналоговом ключе DA1(590KH1) и операционном усилителе DA2 (544УД1).
Под воздействием сигналов управления с блоков 25 или 31, собранных на логических элементах D1 (1533ЛА3) и D2 (1533ЛН1) ключ DA1 открывается, и видеосигнал, отстробированный от сигналов организованных оптических помех, проходит через операционный усилитель DA2 на вход детектора огибающей 18, реализованного, например, по схеме на фиг.7.
На детекторе огибающей 18 выделяется низкочастотная составляющая видеосигнала от цели, которая подается на вход блока 19, где производится ограничение огибающей по амплитуде. Пример реализации данного блока приведен на фиг.8.
Коэффициент ограничения видеосигнала цели задается блоком 33 и хранится на регистре D1(15533ИP1). Код, заданный на регистре, устанавливает соответствующее напряжение, которое вычитается из видеосигнала на операционном усилителе DA4.
Затем «ограниченная» огибающая видеосигнала усиливается на усилителе огибающей 20, реализованном, например, по схеме на фиг.9.
К выходу усилителя огибающей 20 подключена катушка коррекции 23, размещенная в гирокоординаторе 1.
Под воздействием электромагнитного поля, создаваемого катушкой 23, ротор 3 гироскопа 10 отклоняется от оси ракеты в зависимости от величины амплитуды и фазы тока коррекции, возникающего в катушке коррекции 23.
Формирование сигнала для стробирования видеосигнала цели в зависимости от фазы вращения ротора и пеленга его оси относительно оси ракеты производится блоком 25, реализованным, например, на базе сигнального процессора DD1 (PIC16F876A) и трех компараторах DA1, DA2 и DA3 (521СА3), (фиг.11.).
Датчик 26 фазы вращения ротора 3 гироскопа своими обмотками подключен к DD1 через компараторы DA1 и DA2.
Датчик 27 пеленга положения оси гироскопа относительно оси ракеты своей обмоткой через компаратор DA3 подключен к DD1. Сигнальный процессор DD1 по записанной в него программе вычисляет параметры стробов в зависимости от типа наблюдаемой помехи, сигнал о которой формируется блоком 28 схема которого приведена на фиг.12.
Второй ключ оператора 35 реализован, например, на триггере D3.
Формирование сигнала управления для стробирования видеосигнала цели в зависимости от наличия сигнала оптической помехи производится путем запрета на прохождение сигнала оптической помехи на выход.
Стробирование производится, когда в качестве рабочего канала оператор выбирает инфракрасный канал.
В этом случае сигнал оптического канала, идущий на несущей частоте, усиливается блоком 29, реализованном, например, на базе микросхемы DА1(544УД1) фиг.2, затем обрабатывается детектором огибающей 30, (фиг.7), а далее в блоке 31 (фиг.13), формируется управляющий сигнал для стробирования сигнала цели в зависимости от наличия сигнала помехи.
Схема блока 31 может быть реализована, например, на компараторе DA1 (микросхема 521СА3), а ключ 32 - на триггере D3 (микросхема 1533ТМ3).
Блок 33 формирования коэффициента уменьшения видеосигнала пропорционально дальности до цели также реализован на сигнальном процессоре PIC16F876A (DD), фиг.14.
К DD1 подключен счетчик времени полета D1 (1533ИЕ7), запускаемый оператором командой «пуск».
Далее рассмотрим четыре варианта работы ГСН в зависимости от условий пуска и помеховой обстановки.
1 вариант.
Если пуск ракеты происходит днем и помех нет, то оператор до пуска ракеты переключателем 13 подключает усилитель 11 оптического канала к цепи обработки видеосигнала от цели 14 и одновременно устанавливает ключи 32 и 35 в положение «отключено».
Кроме того, до пуска ракеты в катушку коррекции 23, расположенную на корпусе 24 гирокоординатора 1, подается сигнал с внешней обмотки арретира.
Ток, протекающий через катушку коррекции 23, создает электромагнитное поле, взаимодействующее с ротором 3 гироскопа, в результате чего ось гироскопа устанавливается вдоль оси ракеты - это режим арретира. Оператор совмещает ось ракеты с направлением на цель и выдает команду «захват» в наземную аппаратуру подготовки пуска.
Оптический сигнал от цели объективом 4 фокусируется на вращающийся модулирующий растр 5 и попадает на фотоприемник 9.
Фотоприемником 9 оптический сигнал из области видимого спектра излучения преобразуется в электрический видеосигнал, который без изменений проходит через блок 15 (делитель) и усиливается в блоке 16.
В блоке 17, видеосигнал проходит без изменений, так как ключи 35 и 32 отключены. Затем на детекторе 18 выделяется огибающая видеосигнала, которая ограничивается в блоке 19 и усиливается в блоке 20.
Далее сигнал огибающей ограниченного видеосигнала подается на катушку коррекции 23.
Ток, протекающий через катушку коррекции 23, создает электромагнитное поле, взаимодействующее с ротором 3, в результате чего гироскоп разворачивается в соответствующем направлении на величину пропорциональную амплитуде тока коррекции. Модулирующий растр 5 установлен относительно полюсов ротора 3 так, чтобы направление разворота оси гироскопа соответствовало направлению на цель.
Наземная аппаратура подготовки пуска информирует оператора звуковым сигналом о том, что оптический сигнал от цели принимается ГСН.
Далее производится пуск ракеты нажатием кнопки «пуск» в блоке 33.
Блок 33 программно, пропорционально времени полета ракеты изменяет величину коэффициента ослабления видеосигнала в блоке 15 и увеличивает порог ограничения огибающей видеосигнала в блоке 19.
2 вариант.
Если пуск ракеты происходит ночью и помех нет, то оператор до пуска ракеты переключателем 13 подключает усилитель 12 инфракрасного канала к цепи 14 обработки видеосигнала (блоки 15-23) и одновременно устанавливает ключи 32 и 35 в положение «отключено». Как и ранее оператор в режиме «арретир» совмещает ось ракеты с направлением на цель и выдает команду «захват» в наземную аппаратуру подготовки пуска.
Оптический сигнал от цели объективом 4 фокусируется на вращающийся модулирующий растр 6 и попадает на фотоприемник 8, где оптический сигнал из области инфракрасного спектра излучения преобразуется в электрический видеосигнал. Далее работа цепи 14 обработки видеосигнала происходит аналогично вышеописанному дневному режиму.
3 вариант.
Если пуск ракеты происходит днем и есть организованные оптические помехи, то оператор до пуска ракеты переключателем 13 подключает усилитель 11 оптического канала к цепочке 14 обработки видеосигнала и устанавливает ключ 32 в положение «отключено», а ключ 35 - в положение «включено»
Кроме того оператор в блоке 28 устанавливает тип помехи, одну из трех: «помеха внизу», «помеха сзади», «помеха вверху» и, как и ранее, в режиме «арретир» совмещает ось ракеты с направлением на цель и выдает команду «захват» в наземную аппаратуру подготовки пуска.
Оптический сигнал от цели объективом 4 фокусируется на вращающийся модулирующий растр 5 и попадает на фотоприемник 9. Далее фотоприемником 9 оптический сигнал из области видимого спектра излучения преобразуется в электрический видеосигнал, который без изменений проходит через блок 15 (делитель), и усиливается в блоке 16.
В блоке 17 производится стробирование видеосигнала цели от сигнала организованной оптической помехи с помощью сигнала управления, сформированного в блоке 25, на основе сигналов о фазе поворота ротора 3 гироскопа (блок 26) и пеленга оси гироскопа относительно оси ракеты (блок 27).
Затем на детекторе 18 выделяется огибающая видеосигнала от цели, которая ограничивается в блоке 19 и усиливается в блоке 20.
Огибающая ограниченного видеосигнала подается на усилитель мощности 21, к которому подключена катушка коррекции 23.
Ток, протекающий через катушку коррекции 23, создает электромагнитное поле, взаимодействующее с ротором 3, в результате чего гироскоп разворачивается в соответствующем направлении на величину пропорциональную амплитуде тока коррекции. Модулирующий растр 6 установлен относительно полюсов ротора 3 так, чтобы направление разворота оси гироскопа соответствовало направлению на цель.
Наземная аппаратура подготовки пуска информирует оператора звуковым сигналом о том, что оптический сигнал от цели принимается ГСН.
Далее производится пуск ракеты.
Блок 33 программно, пропорционально времени полета ракеты изменяет величину коэффициента ослабления видеосигнала в блоке 15 и увеличивает порог ограничения огибающей видеосигнала в блоке 19.
4 вариант.
Если пуск ракеты происходит ночью и есть организованные оптические помехи, то оператор до пуска ракеты переключателем 13 подключает усилитель 12 инфракрасного канала к цепочке блоков 15-23 обработки видеосигнала и одновременно устанавливает ключ 32 в положение «включено», а ключ 35 в положение «отключено». Как и ранее оператор в режиме «арретир» совмещает ось ракеты с направлением на цель и выдает команду «захват» в наземную аппаратуру подготовки пуска.
Оптический сигнал от цели объективом 4 фокусируется на вращающийся модулирующий растр 6 и попадает на фотоприемник 8, где оптический сигнал из области инфракрасного спектра излучения преобразуется в электрический видеосигнал.
Затем видеосигнал без изменений проходит через блок 15 (делитель), и усиливается в блоке 16. В блоке 17 производится стробирование видеосигнала от цели с помощью сигнала управления, сформированного в цепи 22(блоки 29-31), который в этом случае является сигналом помехи. После этого работа производится аналогично режиму, описанному в пункте 3.
Далее огибающая ограниченного видеосигнала подается на катушку коррекции 23. Ток, протекающий через нее, создает электромагнитное поле, взаимодействующее с ротором 3, в результате чего гироскоп разворачивается в соответствующем направлении на величину пропорциональную амплитуде тока коррекции. Модулирующий растр 6 установлен относительно полюсов ротора 3 так, чтобы направление разворота оси гироскопа соответствовало направлению на цель.
Наземная аппаратура подготовки пуска информирует оператора звуковым сигналом о том, что оптический сигнал от цели принимается ГСН.
Далее производится пуск ракеты. Блок 33 программно, пропорционально времени полета ракеты изменяет величину коэффициента ослабления видеосигнала в блоке 15 и увеличивает порог ограничения огибающей видеосигнала в блоке 19.
При изготовлении разработанной ГСН могут применяться известные в отрасли технологии и комплектующие.
В настоящее время предприятием заявителем проводится работа по промышленной реализации предложенной конструкции ГСН.