ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОР
HEAT LOCATOR

Изобретение относится к приборостроению, а именно к оптико-электронным приборам - теплопеленгаторам (ТП), предназначенным для обнаружения и определения координат теплоизлучающих объектов в полусферической зоне обзора. Такие приборы находят применение в системах индивидуальной защиты летательных аппаратов (ЛА) от ракетных атак.
Один из путей просмотра полусферической зоны пространства заключается в использовании широкопольного объектива типа «рыбий глаз» с угловым полем 180°, в фокальной плоскости которого размещено матричное фотоприемное устройство (МФПУ) (см. Обзорно-панорамные оптико-электронные системы // Известия вузов, Приборостроение. 2002. Т. 45. №2. С. 37-45). Преимуществом «смотрящей» системы является отсутствие подвижных деталей, но вместе с тем она обладает пониженной разрешающей способностью и недостаточной дальностью обнаружения, что обусловлено ограниченными размерами матриц разработанных к настоящему времени фотоприемников.
Второй путь просмотра полусферы, позволяющий улучшить обнаружительные характеристики системы, состоит в использовании сканирующего элемента в сочетании с многоэлементным фотоприемником. Сканирующие ТП обеспечивают высокую разрешающую способность при определении направления на источник инфракрасного излучения и  чувствительность, чем смотрящие.
Известно сканирующее устройство кругового обзора (см. патент на изобретение РФ №2271553, МПК G01S 17/66, опубл. 10.03.2006 г.), позволяющее осуществлять просмотр полусферической зоны пространства. Устройство содержит два сканирующих зеркала, установленных на платформе, вращающейся вокруг вертикальной оси с помощью привода. Кроме того, первое по ходу лучей зеркало может поворачиваться вокруг горизонтальной оси с помощью механической передачи от второго привода. За счет вращения обоих зеркал вокруг вертикальной оси и одного - вокруг горизонтальной оси осуществляется сканирование полусферической зоны пространства. Одним из недостатков устройства применительно к его использованию в ТП для защиты ЛА являются увеличенные размеры головной части, выступающей в воздушный поток. Второй недостаток заключается в невозможности применения монолитного сферического обтекателя из-за недопустимых аберраций, возникающих вследствие децентрировки входящего пучка лучей относительно вертикальной оси вращения, на которой должен находиться центр обтекателя.
Известно устройство с круговой зоной обзора (см. Оптико-электронная система кругового обзора // Оптический журнал. 2014. Т. 81. №9. С. 15-22, рис. 3), содержащая сферический обтекатель, двухкоординатный сканирующий элемент в виде прямоугольной призмы, снабженный приводами и датчиками углового положения, фокусирующую систему и МФПУ. Матрица чувствительных элементов фотоприемника и оптическая система в целом формируют в пространстве объектов поле зрения (кадр), перемещающийся в зоне обзора за счет непрерывного вращения прямоугольной призмы в азимутальном направлении и скачкообразного перехода с одной строки на другую по угломестной координате. Между фокусирующей системой, представляющей собой короткофокусный объектив, и сканирующей призмой размещены линзовый телескоп с ломающими зеркалами, компенсатор поворота изображения в виде призмы Дове и вращающиеся оптические клинья. Призма Дове и оптические клинья снабжены своими приводами и датчиками углового положения. Таким образом, устройство содержит пять приводов и пять датчиков углового положения, включая приводы и датчики сканирующей призмы. Встроенная в МФПУ охлаждаемая диафрагма служит апертурной диафрагмой оптической системы, и ее промежуточное изображение, создаваемое в обратном ходе лучей фокусирующей системой, находится вблизи ее входного объектива. Далее это промежуточное изображение переносится телескопом в плоскость оси качания сканирующего элемента. Такой перенос возможно выполнить при условии, если расстояние от телескопа до сканирующего элемента не менее фокусного расстояния его входного объектива. С учетом обеспечения прохождения наклонных пучков лучей это приводит к значительному возрастанию диаметра линз телескопа, следовательно, к увеличению размеров как оптической системы, так и всего устройства. Его недостатками являются увеличенные массогабаритные параметры, а также увеличенное энергопотребление, обусловленное наличием пяти приводов и пяти датчиков углового положения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является теплопеленгатор (см. Оптико-электронная система кругового обзора // Оптический журнал. 2014. Т. 81. №9. С. 15-22, рис. 1), содержащий обтекатель, двухкоординатный сканирующий элемент, оптическую систему и МФПУ с охлаждаемой диафрагмой. Сканирующий элемент выполнен в виде призмы, установленной на горизонтальной платформе, вращающейся с помощью привода вокруг вертикальной оси и снабженной датчиком ее углового положения. На этой же платформе размещены второй привод, с помощью которого призма поворачивается вокруг горизонтальной оси, и второй датчик углового положения. Матрица чувствительных элементов фотоприемника и оптическая система в целом формируют в пространстве объектов поле зрения (кадр), перемещающийся в зоне обзора за счет непрерывного вращения призмы в азимутальном направлении и скачкообразного перехода с одной строки на другую по угломестной координате. Оптическая система содержит входной компонент в виде вращающегося телескопа со встроенным трехзеркальным компенсатором поворота изображения, снабженного приводом и датчиком углового положения, и выходной компонент в виде фокусирующего объектива. Кроме того, между телескопом и фокусирующим объективом размещена пара вращающихся оптических клиньев со своими приводами и датчиками углового положения. С помощью указанных элементов осуществляется покадровый просмотр круговой зоны пространства, при котором сохраняется постоянная ориентация кадра относительно азимутальной плоскости, что обеспечивает оператору удобство наблюдения изображения контролируемой зоны пространства. Если устройство работает в автоматическом режиме без оператора, и к нему не предъявляется требование визуализации видеоизображения, то нет необходимости в компенсаторе поворота изображения и в оптических клиньях. Рассматриваемое устройство имеет ряд недостатков. Трехзеркальный компенсатор экранирует центральную часть входного зрачка оптической системы, что возмещается увеличением его диаметра, следовательно, и размеров сканирующего элемента и обтекателя, защищающего его от внешних воздействий. Обтекатель представляет собой конструкцию, составленную из плоских пластин, обработанных с высокой точностью во избежание двоения изображения. Изготовление такого обтекателя является весьма трудоемким. В процессе сканирования зоны обзора изменяются углы падения пучков лучей на пластины обтекателя, и при больших углах возникают дополнительные потери энергии, поступающей в оптическую систему. Кроме того, размещение на горизонтальной платформе второго привода, а также датчика углового положения призмы приводит к увеличению размеров и массы головной части устройства, выступающей в воздушный поток ЛА. Еще один недостаток - медленный темп обновления информации, зависящий от азимутальной угловой скорости вращения сканирующего элемента. В свою очередь, эта скорость при покадровой съемке зоны обзора ограничивается максимально возможной угловой скоростью вращения оптических клиньев (6000 об/мин). При фокусном расстоянии оптической системы 60 мм угловые размеры кадра составляют 7,3°×9,1°. При кадровой частоте опроса МФПУ 100 Гц, постоянной азимутальной скорости вращения сканирующего элемента и отсутствии пропусков при сканировании время обзора полусферы составляет 5 с. Такая величина времени обзора не приемлема для ТП защиты ЛА.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание компактного быстродействующего устройства для обнаружения теплоизлучающих объектов с уменьшенными габаритными размерами, массой и энергопотреблением.
Указанная задача решается тем, что в теплопеленгаторе, содержащем последовательно расположенные обтекатель, двухкоординатную сканирующую систему, включающую сканирующий элемент, снабженный приводами и датчиками углового положения, оптическую систему, содержащую входной и выходной компоненты, матричное фотоприемное устройство с охлаждаемой диафрагмой, подключенное к устройству вычисления и управления, при этом выходы датчиков углового положения подключены к соответствующим входам устройства вычисления и управления, управляющие выходы которого подключены к соответствующим входам приводов сканирующего элемента, входной компонент оптической системы является фокусирующим объективом и размещен в полости, образованной концентрически установленными пустотелыми подвижными блоками приводов, размещенными внутри полых роторов электродвигателей, установленных соосно, при этом роторы жестко связаны с соответствующими подвижными блоками приводов, а выходной компонент оптической системы является проекционным объективом.
А также тем, что в оптической системе между входным и выходным ее компонентами установлен элемент для излома оптической оси.
1
1
X
На фиг. 1 приведена блок-схема теплопеленгатора, содержащая сферический обтекатель 1, установленный на неподвижном корпусе (на схеме не показан), двухкоординатную сканирующую систему, включающую сканирующий элемент в виде прямоугольной призмы 2, оптическую систему, содержащую входной 3 и выходной 4 компоненты, и МФПУ 5 с охлаждаемой диафрагмой 6. Призма 2 установлена с возможностью вращения относительно двух взаимно перпендикулярных осей О-О и O с помощью приводов, в качестве которых служат два установленных соосно бесконтактных моментных электродвигателя, например 2ДБМ-70-0,16-3-2, с полыми роторами 7 и 8 соответственно, имеющими общую ось вращения, и пазовыми статорами 9 и 10 соответственно, закрепленными неподвижно на корпусе устройства. С роторами 7 и 8 жестко связаны пустотелые подвижные блоки 11 и 12 соответственно, расположенные внутри цилиндрических отверстий роторов (см. патент РФ №2470325 МПК G01S 17/66, опубл. 20.12.2012 г.). На блоке 11 закреплены опоры оси вращения О, связанной с блоком 12 зубчатым сектором 13. На блоках 11 и 12 закреплены кольца датчиков углового положения 14 и 15, считывающие головки которых (на схеме не показаны) установлены неподвижно на корпусе устройства. Первый по ходу лучей от объекта входной компонент 3 оптической системы, являющийся фокусирующим объективом, размещен в полости, образованной концентрически установленными пустотелыми подвижными блоками 11, 12 приводов, и создает промежуточное изображение пространства объектов, которое затем переносится выходным компонентом 4, являющимся проекционным объективом, на фоточувствительную поверхность МФПУ 5. Охлаждаемая диафрагма 6, встроенная в МФПУ 5, является апертурной диафрагмой оптической системы. Ее изображение в обратном ходе лучей при определенных соотношениях фокусного расстояния входного 3 и увеличения выходного 4 компонентов оптической системы находится на одинаковых расстояниях от призмы 2 и входного компонента 3. Этим обеспечивается оптимальное соотношение между размерами призмы 2 и диаметрами линз компонента 3. Например, при фокусном расстоянии входного компонента 3 26,8 мм и увеличении выходного компонента 4 -0,7 диаметр линз компонента 3 составляет 20 мм, а размер катета призмы 2, обеспечивающей прохождение пучков лучей без виньетирования в пределах полусферической зоны обзора, составляет 26 мм. При этом наружный диаметр обтекателя 82 мм. Уменьшение размеров призмы 2, следовательно, и размеров обтекателя 1, выступающего в воздушный поток, благоприятно с точки зрения уменьшения аэродинамического сопротивления при установке устройства на борту ЛА. С другой стороны, от диаметров линз компонента 3 зависят размеры и масса выбранных электродвигателей и датчиков углового положения 14, 15. Сферический обтекатель по сравнению с обтекателем, составленным из плоских пластин и имеющим вид усеченной пирамиды, обладает рядом преимуществ. Его размеры примерно на 30% меньше, чем у пирамидального обтекателя. Кроме того, он не вносит экранирование лучистого потока в местах стыка пластин, а его действие на проходящий пучок лучей одинаково в пределах всей зоны обзора. Предлагаемое компоновочное решение о размещении компонента 3 оптической системы в полости концентрических подвижных блоков 11, 12 приводов, расположенных внутри полых роторов 7, 8 установленных соосно электродвигателей сканирующей системы, а также выбор места положения изображения апертурной диафрагмы оптической системы позволяют уменьшить массогабаритные параметры устройства. Вместе с тем уменьшение размеров и массы подвижных частей позволяют сократить его энергопотребление и повысить быстродействие. Для обеспечения более компактной конструкции устройства между компонентами 3 и 4 оптической системы может быть установлен элемент для излома оптической оси, например призма 16.
Выход МФПУ 5 и выходы кольцевых датчиков углового положения 14 и 15 подключены к устройству вычисления и управления (УВУ) 17. Управляющие выходы УВУ 17 подключены к соответствующим входам статоров 9 и 10 приводов сканирования призмы 2. Один из входов и один из выходов УВУ 17 подключены к бортовому устройству управления ЛА. УВУ 17 выполнен на базе процессора с тактовой частотой 1 гГц с возможностью обработки сигналов МФПУ 5 и датчиков углового положения 14, 15, на основании которых осуществляются процедуры обнаружения цели и вычисления ее координат, а затем передача информации в бортовое устройство управления ЛА.
1
1
Теплопеленгатор работает в автоматическом режиме без визуализации видеоизображения. Процесс обзора требуемой зоны пространства начинается после подачи команд от УВУ 17 на статоры 9 и 10 электродвигателей. При этом блоки 11 и 12, жестко связанные с роторами 7 и 8 электродвигателей, вращаются вокруг общей оси О-О, причем блок 11 вращается с постоянной угловой скоростью, а блок 12 - с переменной скоростью в соответствии с командами, поступающими от УВУ 17. За счет разности угловых скоростей подвижных блоков 11 и 12 призма 2 совершает колебательное движение относительно оси O. На матрице МФПУ 5 с периодичностью, соответствующей его кадровой частоте опроса, отображается область пространства - кадр. В результате сложения двух движений призмы 2 кадр перемещается в зоне обзора по винтовой линии и поворачивается относительно своего центра. Амплитуда колебаний призмы 2 вокруг оси вращения O и угловые размеры кадра определяют величину зоны обзора по углу места, которая может составлять 90° и даже более. После завершения однократного просмотра зоны обзора призма 2 возвращается в исходную точку. Считываемая с МФПУ 5 информация поступает в УВУ 17. Как только в процессе сканирования в кадр попадает цель - теплоизлучающий объект, и МФПУ 5 принимает от него достаточное количество энергии, вырабатывается сигнал, в соответствии с которым в УВУ 17 принимается решение, что цель обнаружена. По информации, поступающей от датчиков углового положения 14, 15 и от МФПУ 5 о положении засвеченного пиксела в координатах матрицы, в УВУ 17 однозначно определяются угловые координаты точечной цели по азимуту и углу места. Затем информация об обнаруженной цели и ее угловых координатах из УВУ 17 поступает в бортовое устройство управления ЛА.
При отсутствии пропусков в процессе просмотра зоны обзора и с учетом поворота кадров при сканировании по азимуту оптимальное соотношение между временем обзора зоны, величиной зоны обзора по углу места, угловым размером кадра и кадровой частотой опроса МФПУ выполняется при условии
, где
o
t - время обзора зоны,
β - величина зоны обзора по углу места,
- кадровая частота опроса МФПУ,
σ - угловой размер кадра.
o
o
При заданных величинах t и β, являющихся одними из основных параметров ТП, из приведенного соотношения могут быть определены такие параметры, как кадровая частота опроса  и минимальный угловой размер кадра σ. Так, например, при t=0,5 с и β=90°,  и σ=24°, что вполне реализуемо при использовании в качестве элементной базы электродвигателей 2ДБМ-70-0,16-3-2 и МФПУ формата 256×256 пикселов с шагом 30 мкм, диафрагменным числом f/2 и Δλ=3,7-4,8 мкм.
Таким образом, использование совокупности признаков заявляемого устройства позволяет достичь технического результата, заключающегося в создании компактного быстродействующего теплопеленгатора с уменьшенными габаритными размерами, массой и энергопотреблением.