Оптико-электронное устройство кругового обзора

Оптико-электронное устройство кругового обзора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области приборостроения, измерительной и информационной техники, точнее к оптико-электронным приборам, обнаруживающим и измеряющим координаты воздушных объектов по их инфракрасному (далее ИК) излучению, а также обнаруживающим наличие облучения лазерным излучением с определением направления в азимутальной плоскости, и может быть использовано для решения задач защиты от поражения наземных объектов авиационными управляемыми ракетами.

К оптико-электронным устройствам кругового обзора, работающим в пассивном режиме с обеспечением скрытности функционирования, предъявляются следующие требования:

- обеспечение достаточно широкого угла оперативного систематического обзора по вертикали;

- достаточно высокая точность определения координат источника излучения;

- достаточно короткое время обнаружения объекта.

В современной технике ИК-систем кругового обзора пространства, обеспечивающих автоматическое обнаружение, сопровождение, распознавание и выдачу координат различных объектов, известны устройства, состоящие из оптико-электронного блока, включающего ИК-оптическую приемную систему с объективом и ФПУ, установленную с возможностью азимутального вращения, коммутатора, коллектора, пульта управления и отображения информации с электронно-вычислительной машиной (далее ЭВМ) и блока питания (см. «Оптико-электронная станция «ФЕНИКС», материалы МФПГ «Оборонительные системы», 5-ая Международная выставка вооружений «Айдекс - 2001», E-mail: defencys@defencys.ru, патент США №4221966, кл. G01J 1/00, публ. 09.09.1980).

Недостатком известных устройств является ограниченное поле обзора по вертикали, определяемое полем зрения ИК-системы кругового обзора, т.е. размером реально существующих линеек чувствительных элементов приемников ИК-излучения, что снижает эффективность наблюдения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и по выполняемым задачам является выбранная в качестве ближайшего аналога (прототипа) «Широкопольная инфракрасная система кругового обзора» (см. патент RU №2189049, кл. 7 G01S 3/78, публ. 10.09.2002 г. Бюл. №25).

Известная широкопольная ИК-система кругового обзора содержит блок приема ИК-излучения, состоящий из сканера, коллектора и коммутатора, и электронный блок формирования информационного сигнала с каналом передачи информации. Сканер блока приема ИК-излучения установлен на платформе, вращающейся вокруг вертикальной оси, соединенной с приводом и датчиком угла. Сканер состоит из двух идентичных оптических ИК-систем (измерительных ИК-каналов), каждая из которых включает ИК-объектив с соответствующим плоским зеркалом, снабженным приводом и датчиком угла их разворота, которые оптическим переключателем поочередно сопрягаются с общим N-элементным приемником ИК-излучения, последовательно соединенным с N-канальным блоком предварительных усилителей, N-канальным аналого-цифровым преобразователем и через коммутатор блока приема ИК-излучения с электронным блоком формирования информационного сигнала.

Данное техническое решение несколько повышает эффективность наблюдения ИК-системы кругового обзора по сравнению с одноканальными системами типа «Феникс» за счет быстрого изменения угла обзора по вертикали при сохранении темпа обновления информации, но все равно в каждый момент времени работает только один приемный канал. В результате известное устройство (прототип) имеет низкую информативность.

Коэффициент использования каналов равен 0,5. Это очень большая плата за то, чтобы иметь возможность изменить угол обзора в вертикальной плоскости.

Кроме того, из-за необходимости разворота элементов оптической системы такое решение требует сложной и громоздкой конструкции, что отрицательно сказывается на технических, эксплуатационных и экономических характеристиках системы.

Задачей данного изобретения является создание оптико-электронного устройства кругового обзора, обеспечивающего эффективное наблюдение и обнаружение как воздушных объектов по их тепловому излучению, так и факта и направления облучения защищаемого объекта лазерным излучением.

Техническим результатом изобретения является повышение информативности устройства при наблюдении и обнаружении ИК и лазерного излучения при одновременном упрощении конструкции.

Поставленная задача решается, а указанный технический результат достигается за счет того, что в известное оптико-электронное устройство кругового обзора, содержащее блок приема ИК-излучения, включающий сканер, коллектор, коммутатор и электронный блок формирования информационного сигнала, причем сканер выполнен с возможностью вращения в азимутальной плоскости приводом с датчиком угла и состоит из двух идентичных измерительных ИК-каналов, каждый из которых снабжен объективом, плоским зеркалом, фотоприемным устройством (далее ФПУ) и блоком обработки сигнала, дополнительно введен блок приема лазерного излучения, содержащий оптический узел, входной компонент которого выполнен панорамирующим, ФПУ и формирователь сигнала наличия лазерного излучения и его направления в азимутальной плоскости, при этом в сканер введен третий измерительный ИК-канал, идентичный вышеуказанным, а оси объективов всех измерительных ИК-каналов равномерно развернуты в азимутальной плоскости и наклонены к ней по вертикали под разными углами так, что угловое расстояние между осями не превышает величину поля обзора одного канала.

Кроме того, в данном устройстве угол наклона оси объектива каждого измерительного ИК-канала с азимутальной плоскостью соответственно составляет: α₁=1/2α, α₂=3/2α, α₃=5/2α,

где α - угловое поле одного измерительного ИК-канала;

α₁, α₂, α₃ - угол наклона оси объектива соответствующего измерительного ИК-канала. Общий угол обзора в вертикальной плоскости при этом составляет 3α.

Для обнаружения объекта излучения за 1 секунду с высокой вероятностью частота вращения сканера выбрана исходя из условия f≥2N,

где f - частота вращения сканера;

N - количество сигналов от одного источника за один оборот сканера.

Чувствительные элементы ФПУ блока приема лазерного излучения выполнены в виде секторно-кольцевой многоплощадочной структуры.

Авторами не обнаружено технического решения, характеризующегося вышеизложенной совокупностью признаков изобретения.

Сущность изобретения заключается в:

- введении в оптико-электронное устройство кругового обзора блока приема лазерного излучения с оптическим узлом, входной компонент которого выполнен панорамирующим, а объектив оптически сопряжен с многоплощадочным ФПУ с секторно-кольцевой структурой, т.е. обеспечивается получение дополнительной информации;

- выполнении сканера в виде трех идентичных измерительных каналов, оси объективов которых симметрично развернуты в азимутальной плоскости на угол 120° и наклонены к ней по вертикали под разными углами, соответствующими α₁=1/2α, α₂=3/2α, α₃=5/2α, где α - угловое поле одного канала, что позволило сформировать по вертикали единую зону обзора с углом 3α, не перемещая поле зрения ИК-каналов, исключить разворот оптических элементов и повысить эффективность наблюдения, просматривая всю панорамную зону обзора за 1 оборот сканера, упростило конструкцию и, как следствие, позволило получить максимальный коэффициент использования основных функциональных элементов оптико-электронного устройства. Кроме того, повышается информативность устройства при обнаружении ИК-излучения.

Для пояснения сущности заявляемого технического решения предлагаются схемы, на которых показаны:

на фиг.1 - функциональная схема оптико-электронного устройства кругового обзора;

на фиг.2 - схема расположения объективов в блоке приема ИК-излучения в горизонтальной плоскости (вид по А-А);

на фиг.3 - схема расположения осей объективов в блоке приема ИК-излучения в вертикальной плоскости (вид по Б-Б).

Оптико-электронное устройство кругового обзора содержит блок приема лазерного излучения 1, блок приема ИК-излучения 2 и электронный блок формирования информационного сигнала 3, который обрабатывает информационные сигналы с блоков 1, 2, управляет всеми процессами внутреннего функционирования устройства и передает и принимает команды из системы защиты. Корпус 4 блока приема ИК-излучения 2 снабжен входным окном 5, состоящим из плоскопараллельных пластин, образующих усеченную пирамиду. Входное окно 5 в нерабочем режиме защищено от внешних воздействий подвижной защитной шторкой 6. Корпус 4 основанием 7 установлен на защищаемом объекте. Внутри корпуса 4 размещен сканер 8, вращающийся вокруг вертикальной оси. В азимутальной плоскости вращение осуществляется приводом 9, текущий угол измеряется датчиком угла поворота 10. Сканер 8, установленный в подшипниках, содержит три измерительных ИК-канала 11₁, 11₂, 11₃, каждый из которых включает соответственно объектив 12₁, 12₂, 12₃, плоское зеркало 13₁, 13₂, 13₃, ломающее оптическую ось, далее ФПУ 14₁, 14₂, 14₃ и блок обработки сигнала 15₁, 15₂, 15₃. Блок приема ИК-излучения 2, кроме сканера 8, содержит вращающийся коллектор 16 и коммутатор 17. Через коллектор 16 на сканер 8 подается питание, а вся информация со сканера 8 через коммутатор 17 передается на электронный блок формирования информационного сигнала 3. Блок приема лазерного излучения 1 состоит из оптического узла 18, входное окно которого в нерабочем режиме защищено шторкой 19. Оптический узел 18 включает первый оптический компонент 20, обеспечивающий панорамный обзор, объектив переноса изображения 21 и ФПУ 22. В блок приема лазерного излучения 1 входит также формирователь сигналов 23, имеющий аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер (на схеме не показаны), подключенный к электронному блоку 3, снабженному вычислительными средствами.

Оптико-электронное устройство кругового обзора, выдающее информацию о наличии в поле обзора средства поражения (управляемого ракетного оружия), а также об облучении лазерным излучением, работает следующим образом. По командам с электронного блока 3 блоки приема лазерного излучения 1 и ИК-излучения 2 переводятся в рабочий режим. Защитные шторки открывают входные окна блоков 1, 2. Привод 9 через редуктор 9' приводит во вращение сканер 8, установленный в подшипниках, и датчик угла 10, соединенный с осью вращения сканера, который фиксирует каждое мгновенное положение поля зрения. Сканирование поля обзора обеспечивается тремя измерительными ИК-каналами 11₁, 11₂, 11₃ угловым полем одного измерительного ИК-канала α, оси объективов 12₁, 12₂, 12₃ которых симметрично развернуты в азимутальной плоскости на угол 120°, а в вертикальной плоскости установлены под углами α₁, α₂ и α₃ так, что угол обзора в вертикальной плоскости равен сумме углов обзора трех измерительных ИК-каналов 3α, а углы установки осей объективов равны: α₁=1/2α; α₂=3/2α; α₃=5/2α. Таким образом, за счет вращения сканера вокруг вертикальной оси с частотой f и использования трех ИК-каналов с осями объективов 12₁, 12₂, 12₃, установленных вышеуказанным способом, производится просмотр всей панорамы в размере 360°×3α. За одну секунду поле обзора каждого объектива просматривается f раз. Для обеспечения высокой вероятности обнаружения необходимо подтверждение первоначального сигнала, принятого за сигнал о цели. В противном случае он исключается как случайный. Для использования этого алгоритма скорость вращения должна обеспечивать f≥2N.

Излучение целей и фонов из зоны обзора воспринимается ФПУ 14₁, 14₂, 14₃, где преобразуется в электрические сигналы, которые усиливаются и поступают затем в соответствующие блоки обработки сигнала 15₁, 15₂, 15₃, осуществляющие предварительные операции. После идентификации сигналов все значения амплитуд и координат обнаруженных источников передаются в блок 3 через коммутатор 16, выполненный в виде оптико-электронного или электромеханического вращающегося узла.

Одновременно и независимо от работы блока приема ИК-излучения 2 работает блок приема лазерного излучения 1. Лазерное излучение, пройдя через панорамирующий элемент 20, затем с помощью объектива 21 фокусируется в плоскости ФПУ 22. Оптический узел 18 совместно с ФПУ 22, чувствительные элементы которого выполнены в виде разделенного на N секторов кольца, образует поле зрения 360°×β°, где угол в вертикальной плоскости β равен углу 3α в ИК-канале.

Благодаря разделению кольца ФПУ 22 на N элементов обеспечивается возможность определения азимутального направления лазерного излучения с точностью, зависящей от величины N и алгоритма межканальной обработки.

Таким образом, азимутальное направление на объект ИК-излучения определяется по показаниям датчика угла в момент обнаружения сигнала, а направление лазерного излучения определяется по номеру засвеченного чувствительного элемента ФПУ в блоке приема лазерного излучения.

Сигнал с ФПУ 22 после идентификации обнаружения в формирователе сигналов 23 поступает в электронный блок 3 и далее в систему защиты.

Устройство по предлагаемому техническому решению представляет собой вертикальную блочную конструкцию, состоящую из блоков приема ИК-излучения и лазерного излучения, размещенных в двух отсеках, связанных между собой ребрами жесткости, форма и расположение которых не отражаются на чувствительности устройства, и размещенный в собственном корпусе электронный блок, расположенный отдельно. Для его реализации могут быть использованы следующие стандартные изделия:

привод сканера - ДПР-52-Н-04 с редуктором;

датчик угла - ПФ-ДЭ-16-50-Лн-К-Дн-ПР-1;

ФПУ блока приема лазерного излучения - М2105-128-2Л;

ФПУ блока приема ИК-излучения - АПУ-РЛМ-415;

электронный блок формирования информационного сигнала и блоки обработки сигнала могут быть выполнены на базе микропроцессора типа «Багет-83», решающего функциональные задачи по алгоритмам, описанным соответствующими формульными зависимостями, реализуемыми указанными элементами.

Для изготовления рассчитанных оптических элементов целесообразно использовать оптические материалы ТФ10, К8, CaF₂ и т.п.

Таким образом, изобретение позволяет создать оптико-электронное устройство кругового обзора, обеспечивающее не только обнаружение воздушных объектов по их тепловому излучению за очень короткое время, но и:

- повышение эффективности наблюдения и вероятности правильного обнаружения за счет увеличения поля систематического обзора пространства по углу места и использования обновления информации за короткое время;

- возможность обнаружения факта и направления облучения защищаемого объекта лазерным излучением;

- снижение технологической трудоемкости изделия путем блочного исполнения устройства, что позволяет производить параллельную сборку, отработку и юстировку, а также упростить техническое обслуживание.

1. Оптико-электронное устройство кругового обзора, содержащее блок приема инфракрасного (ИК) излучения, включающий сканер, коллектор и коммутатор, соединенные с электронным блоком формирования информационного сигнала, причем сканер выполнен с возможностью вращения в азимутальной плоскости приводом с датчиком угла и содержит два идентичных измерительных ИК-канала, каждый из которых имеет последовательно установленные объектив, плоское зеркало и фотоприемное устройство (ФПУ), соединенное с блоком обработки сигнала, отличающееся тем, что сканер блока приема ИК излучения снабжен дополнительным измерительным ИК-каналом, аналогичным первому и второму, оси объективов всех трех измерительных ИК-каналов развернуты в азимутальной плоскости на угол 120° и наклонены к ней по вертикали под различными углами, соответствующими α₁=1/2α, α₂=3/2α, α₃=5/2α, где α - угловое поле зрения одного ИК-канала, при этом угловое расстояние между осями не превышает величину поля обзора одного ИК-канала, и введен подключенный к электронному блоку формирования информационного сигнала блок приема лазерного излучения, содержащий последовательно соединенные оптический узел, ФПУ и формирователь сигнала наличия лазерного излучения и его направления в азимутальной плоскости, при этом оптический узел образует поле зрения 360°×β°, где угол в вертикальной плоскости β равен углу 3α в ИК-канале.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что частота вращения сканера, состоящего из трех измерительных ИК-каналов, выбрана исходя из условия: f≥2N, где f - частота вращения сканера; N - количество сигналов от одного источника за один оборот сканера.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной компонент оптического узла выполнен панорамным.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что чувствительные элементы ФПУ блока приема лазерного излучения выполнены в виде секторно-кольцевой многоплощадочной структуры.