ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОР
THERMAL DIRECTION FINDER

Изобретение относится к области приборостроения, а точнее - к оптико-электронным системам, в частности к инфракрасным (ИК) следящим системам, предназначенным для обнаружения и автосопровождения ИК источников излучения на небесном фоне или на фоне подстилающей поверхности. Оно может быть применено для обнаружения летательных аппаратов, судов, бронетанковой техники и т.п. объектов по их ИК излучению, а также для снятия тепловых карт местности.
Известны теплопеленгаторы, определяющие направление на объекты по их собственному тепловому излучению. В состав теплопеленгатора обычно входят: оптическая система, воспринимающая тепловое (инфракрасное) излучение и концентрирующая его на приемнике излучения; система сканирования, осуществляющая изменение положения оси оптической системы по определенному закону, т.е. обеспечивающая «просмотр» оптической системой воздушного, космического или наземного (водного) пространства; электронный блок, обрабатывающий сигналы, поступающие от приемника излучения, и индикаторный блок, определяющий угловые координаты пеленгуемого объекта (см. Усольцев И.О., Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники, М., 1974 г.; Интернет: http://bse.sci-lib.com/particle027913.html, «Теплопеленгатор», иллюстрация в БСЭ; патент: WO 0223122, публ. 21.03.2002).
Недостатком известных устройств этого назначения является низкая точность определения угловых координат в режиме обнаружения. Данный недостаток обусловлен тем, что угловые координаты определяются визуально, по положению метки цели на экране индикатора. Точность определения координат при этом зависит от зрительного восприятия оператора. Это приводит к возникновению дополнительной ошибки измерения угловых координат, обусловленной влиянием человеческого фактора. Переход к автоматическому определению угловых координат позволит исключить такую ошибку. Кроме этого, при переходе в режим сопровождения теплопеленгатор определяет угловые координаты только одной цели, что сужает его функциональные возможности.
Известны теплопеленгаторы с автоматическим определением угловых координат, описанные в патентах SU № 3644043, НКИ 356-5, публ. 22.02.1972; RU № 2306577, G01S 3/78, публ. 20.09.2007, а также системы, включающие тепловой канал, поиска, обнаружения и автоматического сопровождения цели (представляющий собой теплопеленгатор), такие как «Оптико-электронная система поиска и сопровождения цели», патент № 2155323, G01С 3/08, G01В 11/26, F41G 3/06, 7/26, публ. 27.08.2000 и «Авиационная оптико-электронная прицельная система», патент UA № 65393, F41G 7/26. Теплопеленгатор, описанный в украинском патенте UA № 65393, является более близким техническим решением к заявляемому и выбран в качестве прототипа. Указанный теплопеленгатор содержит сканирующее зеркало, управляемое следящей системой, включающей датчики углов, приводы и блок управления, которое осуществляет сканирование (обзор) по азимуту и углу места, объектив, оптически сопряженный со сканирующим зеркалом и многоплощадочным фотоприемным устройством, соединенным через блок обработки видеоинформации с электронным (вычислительным) устройством, подключенным к блоку управления сканирующим зеркалом.
Недостатками прототипа являются малые вероятность и дальность обнаружения объектов на сложном фоне, обусловленные ужесточением требований ко времени кадра увеличенной зоны обзора и необходимостью обеспечения соответствующего времени экспозиции для выполнения задаваемых характеристик по вероятности и дальности обнаружения.
Задача, стоявшая перед разработчиками заявляемого устройства, заключалась в создании теплопеленгатора с адаптивным принципом управления, обеспечивающего достоверное обнаружение на повышенных дальностях объекта по его тепловому излучению.
Технический результат заключается в повышении эффективности обнаружения ИК объектов путем увеличения времени экспозиции и повышении дальности их обнаружения в условиях расширения зоны обзора и ужесточения требований к времени кадра.
Указанный технический эффект достигается тем, что в теплопеленгаторе, содержащем сканирующее зеркало с датчиками углов и приводами, блок управления сканирующим зеркалом и оптическую систему с фотоприемным устройством, подсоединенным через блок обработки видеосигнала и электронный блок с вычислителем к блоку управления сканирующим зеркалом, синхронизирующему работу подключенного к нему блока обработки видеосигнала, оптическая система выполнена в виде двух звеньев и снабжена дефлектором и блоком управления его зеркалом, которое установлено в плоскости сопряжения выходного зрачка первого звена и входного зрачка второго звена оптической системы, при этом один из входов блока управления зеркалом дефлектора соединен с выходом электронного блока с вычислителем, а другой - с выходом блока управления сканирующим зеркалом.
Причинно-следственная связь между достигаемым техническим результатом и совокупностью существенных признаков обусловлена введением в теплопеленгатор дефлектора с блоком управления его зеркалом, взаимосвязанным с блоком управления сканирующим зеркалом и выполнением оптической системы в виде двух звеньев. Введение новых конструктивных элементов, их выполнение и расположение, а также связи между ними обеспечивают повышенные характеристики устройства.
Благодаря указанным существенным признакам формируется двухконтурная система управления линией визирования (ЛВ), в которой осуществляется круговое или возвратно-поступательное движение сканирующего зеркала (грубое) и одновременно колебательное движение зеркала дефлектора (точное) с малыми углами отклонения. Это позволяет смещать линию визирования в пространстве предметов на время экспонирования со скоростью, равной заданной скорости сканирования сканирующего зеркала, и в противоходе с ним, останавливая тем самым мгновенное поле зрения многоплощадочного фотоприемного устройства (МФПУ) на время накопления сигнала в фиксированном положении, после чего возвращать ЛВ в исходное положение. В результате увеличивается время экспозиции МФПУ и, соответственно, накапливаемая им мощность сигнала, что в конечном счете повышает такие приоритетные характеристики прибора как вероятность и дальность обнаружения источника излучения.
Для пояснения сущности изобретения представлены следующие чертежи:
фиг.1, на которой изображена схема заявляемого устройства;
фиг.2, где приведен пример №1 выполнения оптической системы теплопеленгатора;
фиг.3, где приведен пример №2 выполнения оптической системы теплопеленгатора.
Как показано на фиг.1, в состав теплопеленгатора входят:
- сканирующее зеркало 1, обеспечивающее просмотр пространства предметов, которое установлено в двухосном карданном подвесе 2, снабженном соответствующими датчиками углов 3-3', фиксирующими положение сканирующего зеркала 1, и приводами сканирующего зеркала 4-4';
- блок управления сканирующим зеркалом (линией визирования) 5, соединенный с датчиками углов 3-3' и приводами 4-4';
- электронный блок с вычислителем 6, подключенный к блоку управления сканирующим зеркалом 5;
- оптическая система, состоящая из двух оптических звеньев 7-8 и дефлектора с зеркалом 9, размещенного между вышеуказанными оптическими звеньями. Зеркало дефлектора 9 может быть установлено, например, в независимом торсионном подвесе, которое отклоняется электромагнитным приводом, или в двухосном карданном подвесе с датчиками углов 10-10' и приводами 11-11'. Кроме того, оптическая система включает фотоприемное устройство 12 (ФПУ), а точнее матричное фотоприемное устройство (МФПУ);
- блок управления зеркалом дефлектора 13, соединенный с датчиками углов 10-10' и приводами 11-11', а также с блоком управления сканирующим зеркалом 5 и электронным блоком с вычислителем 6;
- блок обработки видеосигнала 14, подключенный к МФПУ 12, электронному блоку с вычислителем 6 и к блоку управления сканирующим зеркалом 5.
На фиг.2 и 3 показаны примеры выполнения оптической системы теплопеленгатора. Наличие в ней двух звеньев обусловлено тем, что дефлектор должен иметь минимальные габаритные размеры при реальных величинах коэффициента передачи М между угловыми перемещениями зеркала дефлектора 9 и сканирующего зеркала 1. Однако надо иметь ввиду, что уменьшение габаритных размеров зеркала дефлектора ведет к увеличению коэффициента передачи М, а при возрастании коэффициента передачи М возрастает скорость сканирования, что недопустимо, так как система становится неработоспособной. Поэтому необходимо обеспечить оптимальное соотношение между угловыми скоростными характеристиками зеркала дефлектора 9 и его размерами.
1зв.
2зв
экв.
На фиг.2 (пример № 1) показана оптическая система теплопеленгатора, где первое звено 7 представляет собой телеобъектив с фокусным расстоянием f', а второе звено 8 - проекционный объектив с увеличением β. В этом случае эквивалентное фокусное расстояние всей системы f' равно:
экв.
2зв.
1зв.
телеоб.
1зв
f'=β·f', а коэффициент передачи М=f'./S',
1зв.
где S' - расстояние от оси сканирования зеркала дефлектора до фокуса первого звена F'.
1зв.
2зв.
f'экв.
На фиг.3 (пример № 2) показана оптическая система теплопеленгатора, где первое звено 7 выполнено в виде телескопа с увеличением Г, а второе звено 8 может включать один или несколько фокусирующих объективов (в зависимости от числа заданных спектральных диапазонов) с соответствующим фокусным расстоянием f', тогда эквивалентное фокусное расстояние всей системы  равно
экв.
1зв.
2зв.
телескоп.
1зв.
f'=Г·f', а коэффициент передачи М=Г.
Конструктивное выполнение первого звена объектива определяется поставленными задачами. Схема с телеобъективом предпочтительнее схемы с телескопом с точки зрения габаритов и количества оптических элементов, поскольку телескоп должен быть выполнен по схеме Кеплера, исходя из минимальных поперечных габаритных размеров линз телескопа. При работе устройства в двух спектральных диапазонах на первое звено накладывается требование - обеспечение высокой оптической коррекции в широком спектральном диапазоне, а при имеющихся в наличии оптических материалах первое звено выполнить в виде телеобъектива с традиционными оптическими поверхностями практически невозможно. Поэтому в этом случае оптимальным является выполнение первого звена в виде телескопа по схеме Кеплера, причем его недостаток по пропусканию, из-за наличия значительного количества линз, можно устранить, используя в качестве объектива телескопа асферическое зеркало (см. фиг.3). Зеркало не имеет хроматической аберрации, а окуляр, имеющий небольшое фокусное расстояние, при наличии имеющихся материалов позволяет провести высокую степень хроматической коррекции в широком спектральном диапазоне.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Теплопеленгатор осуществляет непрерывный обзор заданного поля с помощью сканирующего зеркала 1. При этом тепловое излучение от объекта, пройдя через обтекатель (не показан), попадает на первое звено 7 оптической системы и далее поступает на зеркало дефлектора 9. Зеркало дефлектора 9 смещает линию визирования в двух взаимно перпендикулярных направлениях, компенсируя разворот изображения синхронно с разворотом сканирующего зеркала 1 в азимутальной плоскости и обеспечивая тем самым требуемое время экспозиции. При наличии в мгновенном поле зрения теплопеленгатора нескольких целей возможен их последовательный обход за счет быстрого переброса малоинерционного зеркала дефлектора 9. Энергетический поток, отразившись от зеркала дефлектора 9, пройдя через второе звено 8 оптической системы, фокусируется на МФПУ 12, электрический сигнал с которого с помощью электронных и вычислительных блоков (14, 6, 5, 13) преобразуется в сигнал формирования изображения. Данные блоки обеспечивают выделение цели и управление сканирующим зеркалом 1 для выполнения функциональных задач режимов сопровождения.
Указанные блоки выполнены по общеизвестным схемам, имеющимся в технической литературе, а их функциональное назначение такое же, как в аналогах и прототипе.
Таким образом, настоящее изобретение за счет увеличения времени экспозиции МФПУ при повышенной скорости сканирования и расширенной зоне обзора обеспечивает повышение эффективности и дальности обнаружения ИК объектов, способствует получению более полного объема информации не только о совокупности объектов, находящихся в поле зрения, но и об основных параметрах отдельных объектов (целей).