ИНФРАКРАСНАЯ СИСТЕМА КРУГОВОГО ОБЗОРА

Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, а точнее к инфракрасным системам кругового обзора, представляющим собой специализированный класс приборов, предназначенных для получения информации об объектах наблюдения и окружающей обстановке по их собственному тепловому излучению. Обзор в таких системах осуществляется, как правило, в кольцевой зоне, размеры которой по углу места могут составлять десятки градусов.
При сканировании пространства системой кругового обзора на базе матричного фотоприемного устройства (МФПУ) изображение смещается по поверхности светочувствительной матрицы. Для получения качественного изображения необходимо обеспечить стабилизацию изображения на матрице. Для этой цели обычно используются устройства оптической компенсации сдвига изображения [ГОСТ Р 51833-2001. Фотограмметрия. Термины и определения. Дата введения 01.07.2002].
Известно устройство кругового обзора, содержащее азимутальную платформу, снабженную приводом и блоком управления приводом, с установленными на ней оптической системой и МФПУ, размещенным в фокальной плоскости оптической системы [Патент RU №2445644, дата приор. 19.04.2010, опубл.20.03.2012, Бюлл. №8]. Перед МФПУ на поворотной платформе, связанной с датчиком угла поворота, установлен оптический компенсатор, выполненный в виде преломляющей призмы с четным числом граней. Устройство также включает блок формирования синхроимпульсов (БФСИ), связанный с датчиком угла и со входом кадровой синхронизации МФПУ, а также мультипликатор, соединяющий ось поворотной платформы с осью сканирующей азимутальной платформы. Эти узлы устройства осуществляют синхронизацию работы МФПУ и оптического компенсатора. В результате система кругового обзора обеспечивает получение изображения сканируемой зоны пространства непрерывным образом без остановок азимутальной платформы.
Недостатком данного устройства является малое время стабилизации изображения на светочувствительной поверхности МФПУ, в течение которого осуществляется экспонирование. Небольшое время экспонирования относительно длительности кадра приводит к низкому качеству изображения, фиксируемому МФПУ, особенно в условиях недостаточной освещенности и малого контраста объектов наблюдения. Использование преломляющей призмы в качестве оптического компенсатора обеспечивает фиксацию изображения на фоточувствительной поверхности МФПУ в небольшом диапазоне рабочих углов от минус 15° до плюс 15° между нормалью к плоскости призмы и визирной осью оптической системы.
Если сравнить время поворота призмы в пределах диапазона рабочих углов с периодом кадровой развертки МФПУ, то оно составляет небольшую часть периода (к примеру, лишь одну треть для четырехгранной призмы, угловой период которой равен 90°). В остальное время кадра осуществляется переход призмы в следующее положение рабочих углов.
Наиболее близким устройством того же назначения, что и заявляемое, по совокупности существенных признаков, является теплопеленгатор [Патент RU №2458356, дата приор. 15.04.2011, опубл. 10.08.2012, Бюлл. №22]. С точки зрения режимов работы данный теплопеленгатор можно рассматривать, в том числе, как инфракрасную систему кругового обзора. В п. 4 формулы изобретения по патенту RU №2458356 приведен вариант реализации теплопеленгатора для систем со сравнительно малым размером зоны обзора по угломестной координате (до 40°) и малым размером входного зрачка (до 30 мм).
Общими узлами для известного и заявляемого устройства являются последовательно расположенные на оптической оси оптически сопряженные угломестное подвижное плоское зеркало, размещенное на горизонтальной платформе под углом к горизонтальной оси, снабженное датчиком положения и приводом вращения, выполненное с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, два оптических клина, снабженные датчиками положения и приводами вращения, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях, объектив, МФПУ, электронные блоки управления и обработки информации, связанные с МФПУ, блок управления узлами устройства.
Пара оптических клиньев, выполненных с возможностью вращения вокруг вертикальных осей с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях, применены в устройстве-прототипе для оптической компенсации сдвига изображения. При вращении клиньев с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях изображение движется в плоскости фокальной матрицы с переменной скоростью. Когда оптические клинья составляют практически плоскопараллельную пластинку, скорость смещения изображения равна или близка к нулю. В этот момент осуществляется экспонирование МФПУ, которое занимает лишь долю длительности кадра. В оставшееся время кадра осуществляется считывание сигналов с выходов МФПУ. К моменту экспозиции следующего кадра оптические клинья завершают полный оборот и осуществляют фиксирование изображения в следующем фрагменте контролируемой зоны.
К недостаткам устройства относится небольшое время стабилизации изображения на фоточувствительной поверхности МФПУ, обеспечиваемое при функционировании устройства. В результате время экспонирования матрицы, в течение которого осуществляется накопление сигнала, по сравнению с общей длительностью кадра будет сравнительно небольшим. Особенно непродуктивна работа такого устройства при использовании МФПУ, работающих в режиме IWR (Integrate-While-Read- накопление сигнала при считывании), так как возможности матрицы не будут использоваться в должной мере.
Оценки, приведенные в описании патента RU №2458356, показывают, что при кадровой частоте МФПУ fк=T00 Гц и шаге сканирования по азимутальной координате в 512 пикселей, можно зафиксировать изображение на время до 0,2Т, где Т - длительность экспозиции кадра, равная T=1/fк, что при fк=100 Гц с учетом временных затрат на считывание сигналов ограничивает время накопления величиной не более (1,5÷1,7) мс.
Кроме того, описанное в патенте RU №2458356 устройство является достаточно сложным, что обусловлено его многофукциональностью, а также необходимостью обеспечения высоких динамических характеристик оптико-механических узлов. Такая сложность устройства ограничивает его возможности по достижению ряда технических характеристик при выполнении более простых задач сканирования пространства, когда, к примеру, не требуется быстрого переброса оптической оси с объекта на объект при сопровождении группы объектов. Наиболее существенным для конструкции с небольшим размером входного зрачка является ограничение по дальности работы системы.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Полезная модель направлена на решение задачи создания инфракрасной системы кругового обзора, характеризующейся большим временем стабилизации изображения на фоточувствительной поверхности МФПУ и увеличением дальности работы системы при простоте ее конструкции.
Технический результат заключается в обеспечении инфракрасной системой кругового обзора большего времени стабилизации изображения на фоточувствительной поверхности МФПУ и увеличения дальности работы при простоте конструкции системы.
Указанный выше технический результат достигается тем, что в инфракрасной системе кругового обзора, содержащей последовательно расположенные на оптической оси оптически сопряженные угломестное подвижное плоское зеркало, размещенное на горизонтальной платформе под углом к горизонтальной оси, снабженное датчиком положения и приводом вращения, выполненное с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси по командам от блока управления, два оптических клина, выполненные с возможностью вращения с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях, объектив, матричное фотоприемное устройство, связанное с блоком управления и обработки сигналов матричного фотоприемного устройства, соединенным с блоком управления, в соответствии с заявляемым техническим решением каждый из оптических клиньев выполнен в виде сектора диска, при этом толщина сектора диска изменяется вдоль его радиуса в соответствии с углом клина, к каждому из оптических клиньев дополнительно прикреплены идентичные ему оптические клинья, устанавливаемые так, что каждая сборка образует соответствующий составной диск из оптических клиньев, при этом каждая сборка закреплена в корпусе системы, снабжена датчиком положения и приводом вращения, обеспечивающих вращение каждой сборки вокруг вертикальных осей с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях по командам от блока управления, а вертикальные оси, вокруг которых вращаются сборки из оптических клиньев, проходят через геометрические центры соответствующих составных дисков, расположены в одной плоскости с оптической осью системы и удалены от оптической оси системы на расстояние, равное половине разности диаметра составного диска и светового диаметра объектива, угломестное подвижное плоское зеркало, горизонтальная платформа, объектив и фотоприемное устройство закреплены в корпусе системы, при этом корпус системы имеет плоское оптическое окно, оптически сопряженное с угломестным подвижным плоским зеркалом, корпус системы снабжен датчиком положения и приводом вращения и выполнен с возможностью вращения вокруг вертикальной оси по командам от блока управления, блок управления соединен с датчиками положения и приводами вращения угломестного зеркала, сборок оптических клиньев, корпуса системы и выполнен с возможностью управления работой этих узлов и блока управления и обработки сигналов матричного фотоприемного устройства.
Спектральные чувствительности оптических компонентов инфракрасной системы кругового обзора и МФПУ согласованы и лежат в одном спектральном диапазоне.
На Фиг. 1 представлена структурная схема устройства, где 1 - угломестное подвижное плоское зеркало, размещенное на горизонтальной платформе, 2 - датчик углового положения угломестного зеркала 1, 3 - привод вращения угломестного зеркала 1 вокруг горизонтальной оси, 4 - горизонтальная платформа, 5,6 - сборки из оптических клиньев, вращающиеся в противоположных направлениях с одинаковой угловой скоростью, 7,8 - приводы вращения сборок оптических клиньев 5,6, соответственно, 9,10 - датчики углового положения сборок оптических клиньев 5,6, соответственно, 11-объектив, 12 - МФПУ, 13 - блок управления и обработки сигналов МФПУ, 14 - блок управления, 15- корпус, 16- плоское оптическое окно, 17,18 - единичные оптические клинья, выполненные в виде секторов дисков, толщина которых меняется вдоль радиуса диска, α - угол клина сектора диска, 19- привод вращения корпуса 15, 20- датчик углового положения корпуса 15, 21- осевой узел вращения, OO'-оптическая ось системы, АА' и ББ'- вертикальные оси, вокруг которых вращаются сборки оптических клиньев 5,6, соответственно.
Устройство работает следующим образом.
Вращение угломестного зеркала 1, размещенного на горизонтальной платформе 4, осуществляемое благодаря вращению корпуса 15, с которым соединена горизонтальная платформа 4, вокруг вертикальной оси, обеспечивает сканирование системой кругового обзора пространства по азимутальной координате. Вращение угломестного зеркала 1 вокруг горизонтальной оси, формируемое приводом вращения 3 по командам от блока управления 14, обеспечивает сканирование системой кругового обзора пространства по угломестной координате.
В процессе поиска тепловое излучение объектов, проходящее через плоское оптическое окно 16, отражается от угломестного зеркала 1 и через отверстие в горизонтальной платформе 4 поступает на вращающиеся в противоположных направлениях оптические клинья, входящие в состав сборок оптических клиньев 5,6. Сборки оптических клиньев 5,6 снабжены приводами 7,8 и датчиками углового положения 9,10, соответственно. С выхода оптических клиньев световой пучок фокусируется объективом 11 на фоточувствительную поверхность МФПУ 12. МФПУ 12 связан с блоком 13 управления и обработки сигналов МФПУ. Блок 13 управляет режимами работы МФПУ 12, а также выполняет обработку данных, поступающих из МФПУ, и передает их в блок управления 14. Блок управления 14 осуществляет задания режимов работы блока 13 управления и обработки сигналов МФПУ, отображает текущую информацию о фоноцелевой обстановке и выявленных объектах с указанием их угловых координат. Блок управления 14 выполнен также с возможностью управления работой вращающихся узлов системы, включая обработку показаний датчиков углового положения и формирование сигналов управления приводами вращающихся узлов - угломестного зеркала 1, сборок оптических клиньев 5,6 и корпуса 15 в соответствии с заданными траекториями. Командно-информационный обмен между узлами системы и блоком управления 14 осуществляется через осевой узел вращения 21.
Блок управления 14 может быть выполнен с обеспечением обмена информацией с внешними устройствами.
В оптическую схему системы вместо пары оптических клиньев введены сборки оптических клиньев 5 и 6 так, что каждая сборка образует соответствующий составной диск из идентичных оптических клиньев. Сборки 5,6 вращаются в противоположных направлениях с одинаковой угловой скоростью вокруг вертикальных осей, которые проходят через геометрические центры соответствующих составных дисков, расположены в одной плоскости с оптической осью системы и удалены от оптической оси системы на расстояние, равное половине разности диаметра составного диска и светового диаметра объектива. В результате увеличивается время, когда оптические клинья, входящие в состав сборок, составляют плоскопараллельную пластинку, соответственно, возрастает и время стабилизации изображения на фоточувствительной поверхности МФПУ.
В итоге время экспонирования МФПУ, которое занимало при паре клиньев незначительную долю длительности формирования кадра, может быть существенно повышено. Особенно эффективно использование конструкции из сборок клиньев для матриц фотоприемных устройств, работающих в режиме IWR, когда возможности матрицы будут использованы в полной мере. Время накопления сигнала при использовании сборок клиньев возрастет в этом случае в несколько раз.
На Фиг. 1 показан вариант реализации каждого из клиньев 17,18 в виде сектора диска, в котором изменение толщины сектора диска (уменьшение толщины), определяемое значением угла клина α, выполнено вдоль его радиуса от центра к внешнему краю. Из клиньев, идентичных клиньям 17,18, формируют сборки 5,6, соответственно. Возможен вариант исполнения сборок клиньев, формирующих составные диски, в которых толщины секторов составных дисков изменяются (уменьшаются) вдоль радиуса от внешнего края к центру диска в соответствии с углом клина α. Количество клиньев, в сборке формирующих составной диск, равно как и значение угла клина, выбирается исходя из оптимального соотношения ряда параметров, включая конструктивные габариты системы кругового обзора, световой диаметр входного зрачка объектива, возникающее угловое смещение оптической оси, характеристики МФПУ. К примеру, с одной стороны, увеличение числа оптических клиньев в сборке способствует увеличению времени накопления сигнала, с другой стороны, при постоянных габаритах системы приводит к уменьшению светового диаметра входного зрачка.
В сравнении с устройством-прототипом предложенное техническое решение позволяет отказаться от использования в оптической системе довольно сложных и дорогих в изготовлении блока компенсатора поворота изображения и телескопа переноса плоскости входного зрачка. Сложный и дорогой в изготовлении полусферический обтекатель, изготавливаемый, как правило, из цельного куска лейкосапфира (∅500×350 мм) и не имеющий качественного просветления, заменяется плоским оптическим окном из просветленного кремния. В целом, это способствует повышению пропускания оптической системы, что в совокупности с большим временем накопления сигнала позволяет увеличить предельную дальность работы системы кругового обзора при том же размере входного зрачка.
Работоспособность приведенной на Фиг. 1 схемы была проверена экспериментально при реализации образца инфракрасной системы кругового обзора с охватом круговой зоны шириной до 40° на базе МФПУ среднего ИК диапазона форматом 640*514 элементов (пикселов) с шагом 15 мкм, кадровой частотой 100 Гц и возможностью работы в режиме IWR. В системе были использованы сборки из 6 клиньев каждая. Клинья были выполнены в виде секторов дисков из кремния, толщина которых менялась вдоль радиусов дисков в соответствии с углом клина α=0,37°. Исходя из предпосылок, что за временной интервал накопления сигнала угловое смещение оптической оси (центра пятна рассеяния) не превысит половину углового размера пиксела МФПУ, были сделаны оценки, показавшие следующее. При использовании вместо единичных оптических клиньев сборок из шести оптических клиньев, изготовленных и установленных в соответствии с заявляемым техническим решением, время стабилизации изображения на фоточувствительной поверхности МФПУ, и, соответственно, время накопления сигнала увеличивается в 3,05 раза и имеет для fк=100 Гц значение 5,5 мс вместо 1,8 мс для единичных клиньев, что и было подтверждено экспериментально. Скорость вращения сборок из 6-ти клиньев уменьшается в 6 раз по сравнению с одинарными клиньями и при кадровой частоте МФПУ, равной 100 Гц, составляет 16,7 Гц, что является дополнительным положительным результатом, заключающимся в том, что снижаются требования к механическим деталям приводов клиньев. Достигнутое повышение коэффициента пропускания системы практически в 2 раза в совокупности с увеличенным временем накопления сигнала позволило увеличить предельную дальность работы системы кругового обзора при том же размере входного зрачка не менее чем в 2 раза.