ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ ПРИЦЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ELECTRO-OPTICAL SIGHTING SYSTEM

Изобретение относится к области приборостроения, а точнее, к оптико-электронным приборам, и предназначено для поиска объектов по их инфракрасному излучению, сопровождения обнаруженных объектов, получения информации, используемой для прицеливания различных типоп вооружения и может найти применение в авиации, тренажеростроении и других областях техники.
Известная система поиска и сопровождения цели с приемником ИК излучения цели и лазерным дальномером, описанная в патенте США № 3644043 от 22.02.72 г., кл. 356-5. Эта система содержит подвижное зеркало с приводами и датчиками углов, установленными на взаимно перпендикулярных осях, теплопеленгационной канал, состоящий из оптической системы в виде двух сферических зеркал, образующих телескоп, и ИК приемника, отражатель и лазерный канал, а также дихроический фильтр, предназначенный для отделения ИК энергии от лазерного излучения.
Недостатком данной системы является применение сложных технологических процессов из-за невозможности раздельного производства и эксплуатации каналов, т.к. обработка отраженного от цели сигнала, состоящего из ИК и лазерного излучения, осуществляется общими элементами - фокусирующими зеркалами и спектральным фильтром.
Также известна оптико-электронная система поиска и сопровождения цели по патенту РФ № 2155323, G01C 3/08, G01B 11/26, F416G 3/06, опубликованному 27.08.00. Данная система содержит обтекатель, блок сканирования, включающий подвижное зеркало с приводами по азимуту и углу места и датчиками углов, спектроделительный фильтр, установленный по ходу оптического луча за подвижным зеркалом под углом к оптической оси системы, пеленгационный (теплопеленгационный) канал, формирующий сигнал рассогласования между оптической осью системы и направлением на цель, состоящий из приемного объектива в виде сферического зеркала, выполненного с возможностью компенсации разворота изображения, сканирующего зеркала с функциями модулятора, объектива и фотоприемника, лазерный дальномер, включающий оптическое устройство, оптически сопряженные через призму передающий и приемный лазерные каналы, соответственно снабженные излучателем и фотоприемником, а также информационно-вычислительный блок.
Наличие общего подвижного сканирующего зеркала позволяет оптически совместить визирную линию всех каналов в пространстве предметов. Спектр принимаемого излучения в оптической системе изделия разделяется на самостоятельные каналы, обеспечивая модульное выполнение каждого из них. Однако данное устройство не обеспечивает возросших требований к характеристикам полей обзора и объему, выдаваемым в режимах обзора и сопровождения информации для эффективного решения обзорных и прицельных задач.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является авиационная оптико-электронная прицельная система (см. патент UA № 65393, F41G 7/26, опубликованный 15.03.2004 г.), которая содержит обтекатель, сканирующее зеркало с электромеханическими следящими приводами, включающими блок управления сканирующим зеркалом, и датчиками угла разворота сканирующего зеркала по азимуту и углу места, систему распределительных зеркал (или, например, дихроичное зеркало), направляющих часть энергетического потока в обзорно-следящий теплопеленгатор (теплопеленгационный канал), а другую часть в лазерный канал, состоящий из приемной и передающей частей. При выполнении распределительных зеркал в виде системы зеркало, направляющее энергетический поток в теплопеленгационный канал, выполняется с возможностью перемещения для коррекции непараллельности оптических осей теплопеленгационного и лазерного каналов. При этом теплопеленгационный канал включает оптическую систему с фотоприемным устройством, подключенным к блоку обработки видеоизображения, соединенному с вычислительным блоком и блоком управления сканирующим зеркалом, а лазерный канал с оптической системой включает компонент, оптически сопрягающий передающий и приемный лазерные каналы, снабженные соответственно излучателем и фотоприемным устройством, подключенными к лазерному блоку цифровой обработки, соединенному с вычислительным блоком. Кроме того, в состав авиационной оптико-электронной прицельной системы в виде самостоятельной единицы входит нашлемная система целеуказания и индикации, определяющая, выдающая в комплекс бортовой информационно-измерительной системы угловые координаты линии визирования в системе координат летательного аппарата и формирующая в поле зрения летчика прицельную информацию.
К недостаткам данного технического решения следует отнести то, что хотя в режиме обзора и осуществляется просмотр поля обзора, а координаты всех обнаруженных целей передаются в информационную управляющую систему, но при переходе системы в режим сопровождения слежение осуществляется только за одной целью, причем в этом режиме поле зрения не превышает нескольких градусов. Дальнометрирование в таких устройствах возможно только в режиме сопровождения, т.к. отсутствует управление линией визирования лазерного дальномера (лазерного канала) в пределах мгновенного поля теплопеленгационного канала.
Очевидно, что в режиме обзора при неполной информации о целях (только координаты без дальности) невозможно определить более опасную цель для передачи ее на сопровождение.
Задачей заявляемого устройства является создание оптико-электронной прицельной системы, обеспечивающей сочетание режима обзора и режима двухконтурного сопровождения, при котором возможно получать не только полную информацию (угловые координаты и дальность) о всех целях в любом поле обзора, но и достигать увеличение дистанции дальнометрирования.
Технический результат такого устройства выражается в повышении объема получаемой информации, эффективности обнаружения ИК объектов, выявлении из всех целей в большом поле обзора наиболее опасных (близких), наведении управляемого оружия на несколько целей одновременно, в увеличении максимальной дистанции определения дальности до объекта и в повышении надежности ее определения.
Указанный технический эффект достигается тем, что в оптико-электронной прицельной системе, содержащей обтекатель, сканирующее зеркало с датчиками угла и приводами, связанными с блоком управления сканирующим зеркалом, и дихроичное зеркало, теплопеленгационный канал, включающий оптическую систему с фотоприемным устройством и связанный с ним блок обработки видеоизображения, лазерный канал с оптической системой, включающий компонент, оптически сопрягающий передающий и приемный лазерные каналы, снабженные соответственно излучателем и фотоприемным устройством, соединенными с блоком цифровой обработки, а также вычислительный блок, оптические системы теплопеленгационного и лазерного каналов выполнены в виде двух звеньев и снабжены дефлектором, каждый из которых соединен с блоком управления их зеркалами, подсоединенным к блоку управления сканирующим зеркалом и вычислительному блоку, при этом зеркало дефлектора теплопеленгационного канала установлено в плоскости сопряжения выходного зрачка первого звена и входного зрачка второго звена его оптической системы, а зеркало дефлектора лазерного канала установлено в плоскости выходного зрачка первого звена его оптической системы.
Причинно-следственная связь между достигаемым техническим результатом и совокупностью существенных признаков обусловлена введением новых конструктивных элементов, их расположением и взаимосвязью. Благодаря указанным признакам осуществляется синхронизированное управление сканирующим зеркалом и зеркалами дефлекторов, при котором:
- сканирующее зеркало формирует направление линии визирования, совершая круговое или возвратно-поступательное движение (в режиме обзора);
- зеркало дефлектора теплопеленгационного канала смещает линию визирования в двух взаимно перпендикулярных направлениях с малыми углами отклонения, компенсируя как смещение изображения вдоль направления сканирования, так и разворот изображения синхронно с разворотом сканирующего зеркала вокруг оси Y, обеспечивая тем самым требуемое время экспозиции;
- зеркало дефлектора лазерного канала компенсирует динамическую ошибку, превышающую расходимость луча лазерного дальномера, которая возникает в процессе сопровождения объекта, путем смещения зеркала дефлектора лазерного канала в направлении сопровождаемого объекта.
Кроме того, малая инерционность зеркала дефлектора позволяет осуществлять его переброс с целью последовательного обхода и дальнометрирования нескольких целей, находящихся в поле зрения теплопеленгатора.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами:
на фиг.1 схематически изображена функциональная схема предлагаемого изобретения;
на фиг.2 представлен пример 1 выполнения оптической системы теплопеленгационного канала;
на фиг.3 представлен пример 2 выполнения оптической системы теплопеленгационного канала;
на фиг.4 показан пример 3 выполнения оптической системы лазерного канала;
на фиг. 5 показан пример 4 выполнения оптической системы лазерного канала.
Оптико-электронная прицельная система (фиг.1) содержит: обтекатель 1 - прозрачный для теплового и лазерного излучения, сканирующее зеркало 2, установленное в двухосном карданном подвесе, снабженном датчиками углов разворота сканирующего зеркала 2 в азимутальной и угломестной плоскостях 3-3' и электромеханическими следящими (азимутальным и угломестным) приводами 4-4', электрически соединенными с блоком управления 5 сканирующим зеркалом 2, а также дихроичное зеркало 6, работающее на пропускание и отражение, теплопеленгационный канал 7, приемно-передающий лазерный канал 8 и блок управления 9 дефлекторными зеркалами каналов 7, 8, подключенный к вычислительному блоку 10, осуществляющему сбор, обработку и выдачу информации обо всех запеленгованных целях, управление составными частями устройства во всех режимах, соединенному с блоком управления 5 сканирующим зеркалом 2.
Теплопеленгационный канал 7 состоит из оптической системы, выполненной из двух звеньев 11-12 (или 11 и 12-12', если устройство будет функционировать в широком спектральном диапазоне), между которыми размещено зеркало дефлектора 13, установленное, например, в независимой торсионной подвеске, которое разворачивают магнитные катушки, или в двухосном карданном подвесе с датчиками угла 14-14' и приводами 15-15', соединенными с блоком управления 9 дефлекторными зеркалами, фотоприемного устройства 16 (или 16-16') и блока обработки видеоизображения 17, соединенного с блоком управления 5 сканирующим зеркалом и вычислительным блоком 10. Кроме того, в состав теплопеленгационного канала 7 входит конструктивный элемент - спектроделительное зеркало 18 (или спектроделительное зеркало 18 и конструктивное зеркало 18').
экв
Приемно-передающий лазерный канал 8 имеет две части: приемную и передающую, в состав которых входит оптическая система, выполненная в виде двух звеньев. При этом первое звено (телескопическая насадка) 19 является общим для приемной и передающей частей, второе звено 20, принадлежащее приемному каналу, представляет собой фокусирующий объектив 20, в фокальной плоскости которого установлено фотоприемное устройство (ФПУ) 21. Фокусирующий объектив 20 в паре с телескопической насадкой 19 обеспечивает эквивалентное фокусное расстояние приемного канала ƒ', равное:
где Г - увеличение телескопической насадки 19;
- фокусное расстояние фокусирующего объектива (приемного объектива) 20.
пред
пред
лазер
19
22
лазер
19
22
Второе звено 22 передающего канала, выполненное в виде телескопической насадки, установленной перед излучателем 23, в паре с телескопической насадкой 19 обеспечивает заданную расходимость лазерного пучка ψ в пространстве предметов, излучаемого излучателем 23, управляемым блоком цифровой обработки 24, подключенным к вычислительному блоку 10. ψ=ψ/Г·Г, где ψ - расходимость лазера, Г- увеличение телескопической насадки 19, а Г - увеличение телескопической насадки 22.
Кроме первого звена 19 общими в оптической системе приемно-передающего канала являются: оптический элемент 25, работающий на отражение по приемному каналу и на проход лучей излучателя 23 через его центральное отверстие, и зеркало дефлектора 26 лазерного канала с датчиками угла 27-27' и приводами 28-28', подключенными к блоку управления дефлекторами 9. Такое построение оптической схемы позволяет практически идеально синхронизировать излучающие и приемные пучки (сигналы), которые объединяются на сканирующем зеркале дефлектора 26, разворачивающем пучки на заданные углы, повышая тем самым качество дальнометрирования.
На фиг.2 и 3 показаны примеры выполнения оптической системы теплопеленгационного канала 7. 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 13 и сканирующего зеркала 2. При этом надо иметь в виду, что уменьшение габаритных размеров зеркала дефлектора 13 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 13 и его размерами.
2зв.т
2зв.т.
телеоб.т.
На примере 1 (см. фиг.2) показана оптическая система теплопеленгационного канала 7, где первое звено 11 представляет собой телеобъектив с фокусным расстоянием  а второе звено 12 (или 12-12') - проекционный объектив с увеличением β. В этом случае эквивалентное фокусное расстояние всей оптической системы теплопеленгационного канала  равно: =β, а коэффициент передачи М равен
где  - расстояние от оси сканирующего зеркала дефлектора теплопеленгационного канала до фокуса первого звена теплопеленгационного канала
1зв.т.
На примере 2 (см. фиг.3) показана оптическая система теплопеленгационного канала 7, где первое звено 11 выполнено в виде телескопа с увеличением Г, а второе 12 (12-12') - в виде одного или нескольких фокусирующих объективов (в зависимости от заданных спектральных диапазонов) с соответствующим фокусным расстоянием  тогда эквивалентное фокусное расстояние всей оптической системы пеленгационного канал  равно
телескоп.т.
1зв.т.
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 (два ФПУ и два самостоятельных вторых звена) 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 Кеплера, при этом 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.
На примерах 3. 4 (см. фиг.4, 5) показана оптическая система приемно-передающего лазерного канала 8, где первое звено 19 - телескопическая насадка, которая служит для уменьшения габаритных размеров зеркала дефлектора лазерного канала 26 и согласования коэффициента передачи между сканирующим зеркалом 2 и зеркалом дефлектора 26.
В зависимости от заданных углов обзора, которые должны обеспечиваться зеркалом дефлектора 26, возможно выполнение двух вариантов телескопической насадки 19.
При малых углах обзора (~1°÷2°) в пространстве предметов целесообразно телескопическую насадку выполнять по схеме Галилея (см. фиг.4). При углах обзора более 2° телескопическую насадку следует выполнять по схеме Кеплера (см. фиг.5), т.к. при больших углах обзора в схеме Галилея будет резко увеличиваться диаметр первого компонента первого звена 19, а при ограничении диаметра резко возрастет виньетирование.
С точки зрения лазерного излучения схема Галилея предпочтительнее, т.к. отсутствует фокусировка лазерного излучения. В схеме же Кеплера имеет место промежуточное изображение (фокусировка лазерного излучения), поэтому в такой схеме необходимо предусмотреть защиту пространства вокруг плоскости промежуточного изображения (например, некоторую кювету).
Работает заявляемое устройство следующим образом. В режиме обзора заявляемая система с помощью сканирующего зеркала 2 осуществляет непрерывный просмотр заданного пространства. Энергетический поток от объектов, излучающих в инфракрасном диапазоне длин волн, через защитный обтекатель 1, предотвращающий воздействие внешних факторов на внутренние части прибора, попадает на сканирующее зеркало 2, отразившись от которого, попадает на дихроичное зеркало 6, разделяющее его (энергетический поток) на пучки требуемых спектров. Один из энергетических пучков поступает в теплопеленгационный канал. Его излучение проходит через первое звено 11, выполненное по одной из схем, описанных ранее, за которым размещается зеркало дефлектора 13. Зеркало дефлектора 13 смещает пучок в двух взаимно перпендикулярных направлениях, компенсируя сдвиг изображения синхронно с движением сканирующего зеркала 2 вокруг оси Y, и перемещает ЛВ в направлении, противоположном напрвлению сканирования, обеспечивая тем самым требуемое время экспозиции. Отразившись от дефлектора 13, излучение с помощью оптического элемента 18 (и 18' при многоспектральной схеме) поступает на второе оптическое звено 12 (и 12'), которые фокусируют энергетический поток в плоскости чувствительных площадок ФПУ 16 (и 16'). Сигнал с ФПУ 16 (и 16') передается в блок обработки видеосигнала 17 для коррекции и фильтрации с целью выделения объекта в кадре и определения его координат. Работа блока обработки видеоизображения 17 синхронизируется по командам блока управления 5 (блока управления линией визирования) сканирующим зеркалом 2. Из блока обработки видеоизображения 17 информация о координатах обнаруженного объекта передается в вычислительный блок 10, в этот же блок приходит информация о текущем положении линии визирования из блока управления сканирующим зеркалом 5. На основании этой информации в вычислительном блоке 10 определяется угловое положение обнаруженного объекта. Полученные координаты передаются во внешнюю центральную вычислительную систему (вЦВС).
Работа блока управления зеркалами дефлекторов 9 синхронизирована с блоком управления линией визирования 5, который вырабатывает необходимые углы отклонения зеркал дефлекторов. Информация об отработке этих углов поступает обратно в блок 5.
Как уже было сказано, оптическая система лазерного канала 8 обеспечивает работу приемного и передающего каналов. В передающем канале оптическая система формирует пучок с требуемой расходимостью лазерного излучения излучателя 23, работающего по командам из блока цифровой обработки 24, вторым оптическим звеном 22, который затем проходит через центральное отверстие в оптическом элементе 25, отражается от зеркала двухкоординатного дефлектора 26, осуществляющего управление визирной осью лазерного локатора при обнаружении теплопеленгатором цели, проходит через первое оптическое звено 19, дихроичное зеркало 6 и, отразившись от сканирующего зеркала 2, выходит через обтекатель 1 во внешнее пространство. Далее энергетический лазерный поток, отразившись от объекта и пройдя по оптическому тракту: обтекатель 1 - сканирующее зеркало 2 - оптическое звено 19 - дефлектор 26, отражаясь от оптического элемента 25, фокусируется вторым оптическим звеном 20 в плоскости чувствительных площадок фотоприемного устройства 21.
При реализации заявляемого изобретения предлагается:
- сканирующее зеркало выполнять из композитного материала Skeleton - D;
- в качестве исполнительного двигателя использовать двигатель ДМ 10, датчика угла - датчик типа БВТВ-60-С30;
- для изготовления оптических элементов целесообразно для лазерного канала использовать стекло К-8, а для теплового - ZnSe, ZnS, германий и кремний;
- для регистрации теплового излучения могут быть использованы, например, ИК приемники фирмы SOFRADIR, а для лазерного канала, например, ФПУ «Лазурь».
Таким образом, заявляемое изделие по сравнению с прототипом:
- обеспечивает большее поле обзора;
- позволяет получать полную информацию (угловые координаты и дальность о всех целях в большом поле обзора;
- позволяет выявлять из всех объектов в большом поле обзора наиболее опасные;
- решает задачу наведения управляемого оружия на несколько целей одновременно;
- обеспечивает наведение визирной оси лазерного локатора на объект при непрерывном обзоре с заданной точностью;
- значительно увеличивается максимальное расстояние дальнометрирования.