Теплопеленгатор - RU162322U1

Чертежи

Описание

Полезная модель 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 большую 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 предполагаемой полезной модели 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 неприемлема для ТП защиты ЛА.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, 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.

На фиг. 1 приведена блок-схема полезной модели, 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 O-O и O₁ 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 O₁, 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^X 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.

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 O-O, 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 O₁. 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 O₁ 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

t₀ - время обзора зоны,

β - величина зоны обзора по углу места,

σ - угловой размер кадра.

При заданных величинах t₀ и β, являющихся одними из основных параметров ТП, из приведенного соотношения могут быть определены такие параметры, как кадровая частота опроса

Таким образом, использование совокупности признаков заявляемой полезной модели позволяет достичь технического результата, заключающегося в создании компактного быстродействующего теплопеленгатора с уменьшенными габаритными размерами, массой и энергопотреблением.

Реферат

1. Теплопеленгатор, содержащий последовательно расположенные обтекатель, двухкоординатную сканирующую систему, включающую сканирующий элемент, снабженный приводами с электродвигателями 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, отличающийся тем, что 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.2. Теплопеленгатор по п. 1, отличающийся тем, что в оптической системе между входным и выходным ее компонентами установлен элемент для излома оптической оси.

Формула