Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Существующие оптико-локационные станции 10
1.1 Развитие функциональных возможностей авиационных оптико- локационных станций зарубежного и отечественного производства 10
1.2 Существующие зарубежные системы 13
1.3 Развитие отечественных оптико-локационных станций 17
1.4 Третье поколение систем прицеливания 21
1.5 Принципы построения оптической системы существующих современных оптико-локационных станций 38
Глава 2 Основные принципы построения оптического тракта ОЛС нового поколения 49
2.1 Принципы построения оптической схемы ОЛС нового поколения 49
2.2 Концепция построения системы наведения лазерного излучения на основе маркерного источника 56
2.3 Анализ вариантов установки и управления зеркалом прецизионного наведения 63
2.4 Использование маркерного источника в различных режимах работы ОЛС 71
Глава 3 Обоснование выбора ИК фотоприемника для построения пеленгационного кагнала и определение необходимого уровня мощности маркерного источника 76
3.1 Технические параметры основных оптических элементов и датчиков, составляющих основу построения ОЛС 76
3.2 Определение дальности обнаружения точечной цели на основе матричных фотоприемников среднего ИК диапазона 78
3.2.1 Расчетные соотношения для определения дальности обнаружения 79
3.2.2 Расчет уровня полезного сигнала 80
3.2.3 Расчет уровня фона 81
3.2.4 Расчет уровня шума 82
3.2.5 Основное энергетическое уравнение 84
3.2.6 Параметры матриц и исходные данные для сравнительного анализа 84
3.2.7 Расчет вероятности обнаружения полезного сигнала на фоне шумов 85
3.2.8 Результаты сравнительного анализа ФПУ 89
3.2.9 Выбор типа фотоприемника 101
3.3 Определение необходимого уровня мощности маркерного источника для его устойчивого обнаружения в пеленгационных каналах среднего и ближнего ИК диапазонов длин волн 103
Глава 4 Экспериментальная проверка системы динамической стабилизации оптической оси системы на основе маркерного источника107
4.1 Математическое и экспериментальное моделирование процесса определения энергетического центра пятна с субпиксельной точностью 107
4.2 Принцип работы системы динамической стабилизации направления излучения твердотельного лазера и выбор конфигурации источника маркерного излучения 118
4.3 Рабочая оптическая схема построения ОЛС. Описание оптической схемы 130
4.4 Экспериментальные подтверждения применения маркерного источника в системе динамической стабилизации оптической оси системы. 136
Выводы к главе 4 146
Основные результаты и выводы 147
Список литературы 151
- Существующие зарубежные системы
- Анализ вариантов установки и управления зеркалом прецизионного наведения
- Определение дальности обнаружения точечной цели на основе матричных фотоприемников среднего ИК диапазона
- Принцип работы системы динамической стабилизации направления излучения твердотельного лазера и выбор конфигурации источника маркерного излучения
Введение к работе
Анализ истории мировых войн и боевых действий, а также локальных конфликтов последних лет указывает на всевозрастающую роль бортовых прицельных систем. Оснащение самолетов оптико-электронными прицельными системами резко увеличило эффективность поражения целей при бомбометании, стрельбе из пушек и применении ракет с лазерными головками самонаведения.
Актуальность работы
В 60...70 годах прошлого века советскими инженерами, впервые в мире, были разработаны бортовые оптико-локационные станции для пилотируемых летательных аппаратов. Модификации этих станций, встроенные внутрь фюзеляжа носителя, находятся на вооружении и устанавливаются на самолетах семейства МиГ и Су отечественного производства. Эти оптико-локационные системы имеют точность определения координат цели и точность целеуказания порядка нескольких десятков угловых минут. Для повышения эффективности стрельбы по цели на сегодня требуются уже минутные или субминутные точности удержания линии визирования и выдачи угловых координат цели. В связи с этим разработка новой высокоточной системы является актуальной. Самолеты семейства МиГ и Су находятся в эксплуатации, поэтому новая ОЛС взамен предыдущей должна разрабатываться с учетом конструктивных особенностей носителя, что накладывает определенные ограничения на реализацию новых принципов построения.
Период бурного развития высоких технологий привел к возможности создания новых более совершенных высокоточных оптико-электронных прицельных систем. Применение новых технологий при разработке аппаратуры позволяет увеличить диапазон дальностей обнаружения целей, точность измерения угловых координат и скоростей цели, диапазон и точность измерения дальности, частоту измерений. А также позволяет:
4 выдавать оператору в реальном масштабе времени изображение цели и местности для обнаружения и последующего распознавания цели; производить дальнометрирование на длинах волн лазерного излучения в безопасной для глаз области спектра. Все эти новые свойства аппаратуры можно воплотить в весах и габаритах оптико-локационных станций предыдущих разработок.
Появление высокочувствительных большеформатных матричных фотодетекторов видимого и среднего ИК диапазонов длин волн обеспечило возможность создания телевизионных и тепловизионных систем, формирующих изображение с высоким разрешением в реальном времени.
Появление мощных стеков полупроводниковых лазерных линеек для накачки активного элемента лазера обеспечило возможность создания импульсных твердотельных лазеров с диодной накачкой. Современные твердотельные импульсные лазеры с диодной накачкой имеют сравнимую с лазерами на ламповой накачке выходную импульсную мощность при меньших весах и габаритах и, на порядок, меньшем энергопотреблении. Некоторые важные достоинства диодной накачки по сравнению с ламповой: большая, в 5 - 10 раз, частота следования импульсов, меньшая расходимость излучения при равных выходных апертурах пучка излучения.
Меньшая расходимость зондирующего лазерного излучения позволяет увеличить диапазон измерения дальностей, но при этом требуется более точная система наведения и удержания излучения на цели.
Бортовые оптико-электронные приборы должны обладать высокой стабильностью своих параметров в жестких условиях эксплуатации при воздействии внешних факторов: линейных и ударных ускорений, тряски, вибраций, температурных градиентов. Возникает проблема реализации в бортовой аппаратуре технических параметров, которые заложены в каждом из комплектующих в отдельности.
Настоящая диссертационная работа посвящена созданию оптического тракта новой многофункциональной моноапертурной оптико-локационной
5 станции, позволяющей реализовать более высокие технические параметры по обнаружению, точности наведения и удержания лазерного локационного импульса на цели, что является актуальной задачей улучшения тактико-технических характеристик самолета носителя.
Цель и задачи работы
Целью работы является выявление путей создания оптической системы оптико-локационной станции самолета, включающей в себя технологию динамической стабилизации оси. Для достижения этой цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
анализ существующих самолетных оптико-локационных станций;
формирование основных идей и принципов построения оптического тракта ОЛС нового поколения на основе технологии опорных маркерных пучков;
- создание методики оценки предельной дальности обнаружения
точечной цели с учетом ошибки, возникающей при обработке информации с
матрицы, фотоприемниками среднего ИК диапазона в различных фоновых
условиях;
- математическое моделирование и экспериментальное подтверждение
применения маркерного источника в системе динамической стабилизации
оптической оси аппаратуры;
- разработка методов создания оптического тракта с системой
динамической стабилизации оси на основе технологии опорных маркерных
пучков и их реализация в изделии, создаваемом предприятием по заказу.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы.
В первой главе рассматривается развитие и современное состояние самолетных оптико-локационных станций. На основе доступных источников и информации разработчиков оборудования описываются принципы
построения оптического тракта и состав датчиков некоторых современных ОЛС.
Во второй главе сформулированы основные принципы построения оптического тракта ОЛС нового поколения; введено понятие опорного маркерного пучка; представлена концепция построения системы наведения коллимированного лазерного излучения на основе маркерного источника; рассмотрена модель управляемого элемента адаптивной системы наведения; рассмотрены области применения технологии маркерных пучков.
Третья глава посвящена теоретическому анализу построения оптического тракта ОЛС и системы динамической стабилизации оси на основе технологии маркерного источника. Представлены технические параметры основных оптических элементов и датчиков, составляющих основу построения ОЛС. Предложена методика учета ошибки обработки кадра для оценки предельной дальности обнаружения точечной цели матричным фотоприемником. Представлены параметры матриц среднего ИК диапазона на основе PtSi и InSb на основе данных фирм-производителей. Представлены результаты сопоставительного анализа для двух типов матриц среднего ИК диапазона. Теоретически определен необходимый уровень мощности маркерного источника для его устойчивого обнаружения в пеленгационных каналах среднего и ближнего ИК диапазонов длин волн.
В четвертой главе излагаются результаты исследования возможности построения системы динамической стабилизации оси на основе маркерного источника. Проведено математическое моделирование определения направления маркерного источника на матричном фотоприемнике. Получены выражения определения энергетического центра пятна на матричном фотоприемнике с субпиксельной точностью по значениям энергии от маркера, приходящимся на фоточувствительные элементы матрицы. Приведены результаты экспериментальной проверки определения направления излучения по изображению пятна от источника, снятому телевизионной камерой. На основе полученных результатов представлена
7 окончательная конфигурация построения маркерного источника, необходимая для функционирования системы динамической стабилизации оси. Представлена типовая оптическая схема ОЛС. Проведено описание состава элементов оптического тракта изделия. Приведены прописи спектроделительных покрытий, использованных в интегрированной ОЛС. Приведено экспериментальное подтверждение применения маркерного источника для привязки всех пеленгационных каналов и функционирования системы динамической стабилизации оси изделия. Результаты оценки уровней мощности маркерного источника на пеленгационных матрицах сведены в таблицы. Показана необходимость защиты от пробоя фотоэлементов телевизионных камер мощным лазерным излучением и определены параметры оптических элементов защиты. Проведена экспериментальная проверка применения защитных элементов.
Научная новизна работы
В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
Разработаны основные принципы построения оптического тракта многофункциональной моноапертурной ОЛС с системой динамической стабилизации оси.
Впервые предложено построение системы на основе опорного маркерного пучка и обоснована целесообразность применения технологии маркерных пучков для динамического согласования оптических осей разноспектральных каналов ОЛС.
Впервые разработана методика теоретической оценки предельной дальности обнаружения точечной цели матричным фотоприемником с учетом ошибки вычитания фона.
Впервые разработана оптическая схема оптико-локационной станции с системой динамической стабилизации оси.
8 5.Проведено математическое и экспериментальное определение
энергетического центра направления излучения маркерного источника при
помощи матричного фотоприемника.
6. Экспериментально подтверждена возможность функционирования
маркерного источника в системе динамической стабилизации оси.
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
Принципы построения оптического тракта ОЛС с адаптивной системой наведения на основе маркерного источника.
Методика теоретического определения предельной дальности обнаружения точечной цели матричным фотоприемником с учетом ошибки вычитания фона.
3. Структура оптического тракта летного образца оптико-локационной
станции.
Практическая ценность работы и ее реализация
Принципы построения адаптивной системы динамической стабилизации, изложенные в настоящей диссертационной работе, могут быть использованы при разработке высокоточных контуров систем наведения абонентов.
Приведенная в диссертационной работе методика теоретического определения предельной дальности обнаружения нагретой неразрешаемой цели матричным фотоприемником может использоваться для расчетов технических параметров разрабатываемой аппаратуры по дальности обнаружения целей в различных фоновых условиях.
Материалы данной работы были применены при разработке и последующем создании летного образца оптико-локационной станции для самолета семейства МиГ-29. В 2006 году проведены летные испытания ОЛС разработки ФГУП НИИПП на борту самолета МиГ-29 (борт номер 154).
9 Апробация работы
Материалы, вошедшие в диссертационную работу, обсуждались и докладывались на следующих конференциях:
Юбилейная научно-техническая конференция ГосНИИАС, молодежная секция, апрель 2006, г. Москва;
Юбилейная научно-техническая конференция ГосНИИАС «Авиационные системы в XXI веке», апрель 2006, г. Москва.
Список публикаций по теме диссертации
1. Васильев В.П., Сумерин В.В., Червонкин А.П. и соавт. Аппаратура для
оптической линии связи повышенной скрытности.// Радиотехника, 2002. №12.
2. Червонкин А.П., Набокин П.И., Хюппенен А.П. Малогабаритное
двухкоординатное устройство наведения пучка излучения для атмосферной
оптической линии связи между подвижными объектами.// Оптический
журнал, 2004. № 5.
3. Сумерин В.В., Хюппенен А.П., Червонкин А.П. Оптико-локационная
станция для самолетов МИГ-29, основанная на современных принципах
построения аппаратуры.// Материалы конференции «Авиационные системы в
XXI веке». Москва, 2006.
4. Червонкин А.П. Сравнительный анализ матричных ФПУ на основе PtSi
(силицид платины) и InSb (антимонид индия).// Материалы молодежной
секции юбилейной конференции ГосНИИАС. Москва, 2006.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа содержит 157 страниц машинописного текста, включая 64 рисунка, 10 таблиц. Список литературы содержит 96 наименований. Нумерация формул и рисунков производится внутри каждой главы.
Существующие зарубежные системы
Предшественником современного лазера-целеуказателя, используемого в контейнерах, был «AN/AVQ-9/9A Paveway» - бортовой лазерный целеуказатель (ALD). Он был разработан совместно фирмами Martin Marietta и Texas Instruments для ранних версий бомб Paveway с лазерным наведением. ALD не являлся подвесным контейнером. Система была закреплена внутри кабины самолета F-4, и оператор использовал для наведения телескопический визир, механически соединенный с лазером. ALD мог применяться только с одной стороны самолета F-4. Это делало его использование сложным или просто невозможным для прицеливания и запуска, переносимых на своем борту, бомб с лазерным наведением. Таким образом, ALD использовался строго как подсветчик для обозначения цели другому самолету. Первые испытания ALD проходили на грузовом самолете С-119 Boxcar в начале 1960 годов.
На основе системы ALD был создан первый подвесной контейнер с лазерным целеуказателем - «AN/AVG-10 Pave Knife», разработки фирмы FORD Aerospace. Этот контейнер весил 550 кг, имел форму банана и мог переноситься истребителями-штурмовиками F-4 и А-6. Оператор наблюдал изображение цели на мониторе, установленном внутри кабины, используя малоформатную телевизионную камеру Sony, и управлял положением телевизионной камеры и лазера при помощи пульта управления. Pave Knife был более совершенной системой, чем ALD, в частности, он был снабжен возможностью целеуказания для оружия самолета, на котором был установлен. В начале 1970 годов лазерный контейнер также был разработан для самолета Rockwell OV-10A.Военно-морской флот США вошел в процесс производства и применения контейнеров прицеливания иным путем. В сражениях 1967 года применялся контейнер "Trails-Roads Interdiction Multisensor (TRIM)". Контейнер TRIM предназначался дня наблюдения перемещений противника на земле ночью и в сложных метеорологических условиях и включал в себя телевизионную камеру с внешним усилением светового потока и тепловизионную систему переднего обзора (FLIR).
TRIM был первоначально приспособлен для самолета Lockheed АР-2Н, а позднее для А-6, где был интегрирован в навигационную систему самолета. В 1972 году система TRIM была значительно модернизирована. Модернизация включала в себя обновление FLIR и замену телевизионной системы на лазер - целеуказатель.
Другие истребители-штурмовики этого времени были также оснащены лазерными устройствами подсвета цели. Например, Harrier GR-3 -реактивный самолёт с вертикальным взлётом и посадкой - мог нести контейнер, называемый «Laser Ranger & Marked Target Seeker» (LRMTS), разработки фирмы Ferranti. Этот контейнер включал в свой состав лазерный дальномер. Контейнер LRMTS фирмы Ferranti был приспособлен также для некоторых версий шведского самолета SAAB 35, находящегося на вооружении Дании.
Самолет А-10 ВВС США оснащался лазерной системой подсвета цели в виде контейнера, названного «Pave Penny». Он устанавливался на кронштейне ниже кабины (рис. 1.1). Контейнер «Pave Penny» не имел лазерного дальномера. Одним из первых наиболее широко распространенных контейнеров прицеливания был «AN/ASQ-153 Pave Spike» разработки фирмы Westinghouse. Между 1974 и 1979 годами ВВС США получили в эксплуатацию 156 контейнеров для самолетов F-4. Pave Spike был более совершенным контейнером, чем Pave Knife, он был меньше и легче. Pave Spike мог использоваться для дальнометрирования и загрузки координат объекта прицеливания в бортовой компьютер самолета F-4 для более точного бомбометания.
Некоторое количество упрощенных версий Pave Spike под обозначением AN/AVQ-23E, было поставлено ВВС Великобритании для истребителей-штурмовиков Buccaneer. Контейнеры прицеливания показали свои достоинства во время войны в Персидском заливе, обеспечивая попадание бомб с лазерным наведением в цель с предельной точностью.Эволюция семейства контейнеров Pave Knife привела к появлению другого большого лазерного контейнера прицеливания «AN/AVQ-26 Pave Tack». Он включал в себя лазер и тепловизионную систему переднего обзора. Pave Tack был первым контейнером, используемым на самолетах FB-111 во время авиационных налетов против Ливии в 1986 г. Позднее он с огромным успехом применялся на FB-111 во время войны в персидском заливе для стрельбы по танкам.ВМФ США также усовершенствовал свои системы лазерного целеуказания. К 1978 году глубокая модернизация контейнера TRIM привела к появлению систем второго поколения под обозначением «AN/AAS-33 Target Recognition and Attack Multisensor (TRAM)». Эти контейнеры устанавливались на палубный истребитель-штурмовик Grumman А-6Е. TRAM фактически не являлся контейнером. Он был смонтирован внутри самолета А-6Е так, что видна только маленькая турельная установка под носом самолета, которая содержала FLIR и лазер. TRAM был встроен в систему управления оружием самолета А-6Е и мог использоваться как лазерный дальномер для наведения неуправляемых бомб. TRAM первоначально был применен на самолетах А-6Е, участвовавших в авиационных налетах против Ливии, а также широко применялся в войне в Персидском заливе. Самолеты А-6Е были, главным образом, снабжены
Анализ вариантов установки и управления зеркалом прецизионного наведения
Управляемый элемент контура прецизионного наведения представляет собой зеркало, расположенное под углом 45 градусов относительно направления падающего излучения. Зеркало управляется по двум осям в пределах диапазона в несколько угловых минут. Возможны три варианта построения контура, то есть расположения осей вращения зеркала относительно поверхности зеркала и направления падающего излучения.На рис. 2.4 представлены возможные варианты конструктивного расположения осей вращения относительно поверхности зеркала и направления падающего излучения.
Введем правую декартову систему координат [31, 32, 58], как показано на рис.2.4Направление падения пучка на управляемое зеркало происходит вдоль оси ОХ и описывается в системе координат XYZ радиус-вектором с координатами г=( 1,0,0). Найдем зависимость между направлением падающего пучка излучения и его координатами после отражения от поворотного управляемого зеркала в системе координат XYZ. Из законов отражения, очевидно, что при повороте зеркала на угол у относительно оси OY пучок отклоняется от своего начального положения на угол 2у. Это вращение существует во всех трех представленных вариантах. Рассмотрим, что будет происходить при повороте зеркала по другой оси для трех возможных вариантов построения контура управления, изображенных на рис. 2.4.
Расчет проведем матричным методом [92]. Порядок проведения расчета контура по схеме рис. 2.4.а. 1) Зададим координаты падающего пучка; 2) Осуществим переход в систему координат, повернутую относительно оси OZ на угол у; 3) Произведем отражение пучка излучения от зеркала расположенного под углом 45 градусов относительно падающего излучения; 4) Осуществим переход обратно в начальную систему координат; Получим закон перемещения пятна излучения в системе координат XYZ в зависимости от угла поворота у относительно оси OZ. Порядок проведения расчета контура по схеме рис. 2.4.6. 1) Зададим координаты падающего пучка; 2) Осуществим переход в систему координат, повернутую относительно оси ОХ на угол у; 3) Произведем отражение пучка излучения от зеркала расположенного под углом 45 градусов относительно падающего излучения; 4) Осуществим переход обратно в начальную систему координат; 5) Получим закон перемещения пятна излучения в системе координат XYZ в зависимости от угла поворота у относительно оси ОХ. Порядок проведения расчета контура по схеме рис. 2.4.в. 1) Зададим координаты падающего пучка; 2) Осуществим переход в систему координат, повернутую относительно оси OY на угол 45 градусов; 3) Осуществим переход в систему координат, повернутую относительно оси OZ на угол у; 4) Произведем отражение пучка излучения от зеркала расположенного под углом относительно нормали; 5) Осуществим переход обратно в систему координат, повернутую относительно оси OY на угол 45 градусов; 6) Осуществим переход обратно в начальную систему координат; 7) Получим закон перемещения пятна излучения в системе координат XYZ в зависимости от угла поворота у. Вариант 2.4.а Для получения зависимости направления вектора г от угла поворота зеркала перейдем в новую систему координат xl, yl, zl, повернутую по часовой стрелке относительно системы координат х, у, z на угол у вокруг оси oz. плоскости xlyl можно описать при помощи оператора О (оператора А поворота на 90 градусов): rl3= О rl. В формуле (2.3) показаны направляющие косинусы вектора г3 в системе координат x,y,z после отражения от зеркала. Таким образом, получена связь между направляющими косинусами вектора г3, углом поворота зеркала вокруг оси oz и изменениями координат после отражения от зеркала. Вариант 2.4.6 Для получения зависимости направления вектора г от угла поворота зеркала перейдем в новую систему координат xl, yl, zl, повернутую по часовой стрелке относительно системы координат х, у, z на угол у вокруг оси ох. Соответствующий оператор перехода А между системами координат развернутыми относительно оси Ох. Соответствующие направляющие косинусы вектора г в повернутой системе координат xl,yl,zl: Отражение от зеркала, расположенного под углом 45 градусов к л плоскости xlyl можно описать при помощи оператора О (оператор поворота на 90 градусов): rl3= 6 rl. В формуле (2.6) показаны направляющие косинусы вектора г3 в системе координат x,y,z после отражения от зеркала. Таким образом, получена связь между направляющими косинусами вектора г3, углом поворота зеркала вокруг оси oz и изменениями координат после отражения от зеркала. Вариант 2.4.в Для получения зависимости направления вектора г от угла поворота зеркала перейдем в новую систему координат xl, yl, zl, повернутую по часовой стрелке относительно системы координат х, у, z на угол 45 градусов вокруг оси oY.
Определение дальности обнаружения точечной цели на основе матричных фотоприемников среднего ИК диапазона
В данном разделе для фотоприемников среднего ИК диапазона определяется дальность обнаружения точечных тепловых объектов и соответствующие вероятности правильного обнаружения при заданной величине ложной тревоги. Для этого применена методика определения дальности обнаружения с вычитанием фона, в которой учтена ошибка вычитания.
Проведено сравнение дальностей обнаружения для фотоприемного устройства на основе силицида платины и антимонида индия для различных фоноцелевых условий и различных длительностей экспозиции. Обосновывается выбор InSb-матричного фотоприемника для построения теплопеленгационного канала ОЛС.
В настоящее время все большее применение находят и тепловизоры [57], работающие в средневолновом ИК диапазоне длин волн (3+5 мкм). Это связано с появлением доступных многоэлементных приемников излучения данного диапазона. Наиболее распространенными являются охлаждаемые [42] до температур 77+85 К матрицы на базе силицида платины PtSi и матрицы на базе антимонида индия InSb [11].
Достоинством PtSi-матриц, работающих в диапазоне 3+5 мкм, [87] является высокая ( 1%) однородность чувствительности элементов. Недостатками матриц из PtSi являются низкая квантовая эффективность ( 5х10 ) и низкий ( 30%) коэффициент заполнения элемента матрицы.
Достоинством InSb-матриц, работающих в диапазоне 3+5 мкм, являются высокая квантовая эффективность ( 80 %) и высокий коэффициент заполнения (— 100%) элемента матрицы. Неоднородность чувствительности элементов может достигать 10 %.
В России PtSi-матрицы средней размерности (число элементов 6,6-10 ) выпускаются ОАО "ЦНИИ Электрон". Разработка отечественных InSb-матриц находится в стадии отработки технологии массового производства, а пока выпускаются единичные опытные образцы (НПО «Орион») [91]. В то же время InSb - матрицы массово производятся зарубежными фирмами и широко применяются ведущими разработчиками оптико-электронных систем [2, 4, 10, 11]. InSb-матрицы ряда зарубежных фирм доступны на Российском рынке. Размерность доступных матриц достигает величины 1,3-106 элементов.
Основные этапы расчета [95]: 1) определение уровня полезного сигнала на фоточувствительном элементе; 2) определение уровня фоновой засветки на фоточувствительном элементе; 3) определение уровня шумов или порога срабатывания фотоприемника; 4) составление основного энергетического уравнения, устанавливающего соотношение между полезным сигналом и шумом ёс/ёш П, необходимое для получения приемлемых (или заданных) вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги; 5) выбор или расчет величины П, определяемой как отношение сигнал/шум и входящей в основное энергетическое уравнение; 6) решение основного энергетического уравнения относительно одного из входящих в него параметров оптико-электронной системы. 3. На дальностях обнаружения, когда объект не разрешается оптической системой (угловой размер объекта меньше углового размера пикселя: фц фэл), излучение от объекта собирается на одной ячейке. Мощность полезного сигнала от объекта [95] на ячейке матрицы Ря [Вт] составляет: J [Вт/стер]- сила света источника полезного сигнала в спектральном диапазоне = 3...5 мкм; Ттр - пропускание атмосферы в данном диапазоне длин волн; SBX [м ] - приемная апертура фотоприемного устройства (ФПУ); топт - пропускание оптического тракта ФПУ; Наиболее сложным и часто встречающимся на практике является обнаружение объекта в условиях большой фоновой засветки, существенно превышающей величину полезного сигнала. Специальные методы обработки информации, полученной на матричном фотоприемнике, позволяют выделять (с определенной мерой достоверности и ложной тревоги) сигнал, существенно меньший фона: ёс « ёф. Методика обработки информации, полученной на матрице, включает выравнивание чувствительности и усиления по пикселям, учет «битых» пикселей, вычитание среднего уровня фона др. приемы. Рассмотрение этой методики выходит за рамки диссертационной работы. Важно то, что практически реализованная методика позволяет выделять полезный сигнал ёс 0,01ёф [93]. Для определения дальности обнаружения достаточно ограничиться рассмотрением вычитания фона. Физически процесс вычитания фона ограничен дисперсией фона. Реально осуществляемый процесс вычитания фона вносит свою «инструментальную» ошибку. При значительном превышении ошибки вычитания над дисперсией фона и внутренними шумами фотоприемника именно ошибка вычитания фона ограничивает чувствительность ФПУ. Поэтому при написании основного энергетического уравнения по обнаружению тепловой цели в расчетную формулу вводится компонент, отвечающий за ошибку вычитания фона - 8ёф. В общем случае с учетом параметров ФПУ на одном из пикселей присутствуют полезный сигнал (ёс), фон (ёф) и шум фотодетектора (ёш), на всех остальных - только фон и шум [33, 41, 84]. При обработке изображения разность сигналов можно довести до уровня (8ёф) +(ёш) . Первое слагаемое представляет собой ошибку вычитания фона, второе - дисперсию шума. Величина мощности шума Рш [Вт], приведенная к входу ФПУ, определяется пороговой мощностью фотодетектора и мощностью фоновой засветки:Pf [Вт/Гц1/2] - спектральная мощность шума ФПУ,to [с] - длительность экспозиции кадра, Величина шума в фотоэлектронах в соответствии с (3.3) равна: Поскольку в общем случае коэффициент заполнения ячейки матрицы меньше единицы (в частности, коэффициент заполнения у PtSi-матриц имеет величину 0,35), чтобы не пропустить сигнал от цели, его необходимо подать на несколько пикселей, как минимум на четыре. Впоследствии сигналы с четырех пикселей суммируются, и производится вычитание суммарного по четырем пикселям уровня фона. В этом случае полезный сигнал ёс надо сравнивать с суммарной величиной шума, равной es = [(54ёф) +(2ёш) ] . Таким образом, соотношение между полезным сигналом и шумом определяется выражением:
Принцип работы системы динамической стабилизации направления излучения твердотельного лазера и выбор конфигурации источника маркерного излучения
Твердотельный лазер дальномера излучает световые импульсы с частотой следования порядка 10 Гц, длительность светового импульса порядка 10 не. Таким образом, контроль направления излучения можно вести по испущенному импульсу с частотой не более 10 Гц. При работе изделия в условиях вибрации с высокими частотами возмущений (более 10 Гц) становится проблематичным знать направление излучения твердотельного лазера в реальном масштабе времени.
Рассмотрим достоинства и недостатки различных способов решения данной задачи:Способ 1. Расширить диаграмму направленности источника излучения таким образом, чтобы конструкционные изменения его положения сказывались на направлении излучения в меньшей степени.
Данный способ наиболее простой в исполнении, однако увеличение расходимости излучения источника пагубно сказывается на энергопотенциале системы дальнометрирования, так как плотность мощности излучения на объекте обратно пропорционально телесному углу излучения.Способ 2. Создать динамическую систему измерения и стабилизации возможных уходов направления излучения импульсного источника в реальном масштабе времени.
При использовании второго способа необходимы дополнительные аппаратные возможности и программные модули. Однако его воплощение позволяет постоянно контролировать и стабилизировать направление излучения импульсного лазера.
Рассмотрим схему определения направления излучения импульсного твердотельного лазера при помощи внешнего источника опорного излучения и телевизионной камеры юстировки. В качестве элемента, задающего направление излучения импульсного лазера, используется реперное зеркало. Схема эксперимента изображена на рис.4.11.Состав элементов:
Маркерный источник излучения (1), расположенный в фокальной плоскости объектива (2); поворотное зеркало (3); полупрозрачное зеркало (4); поворотное зеркало (6); реперное зеркало лазера (7); уголковый отражатель (5) для получения на телевизионной камере опорного направления; телевизионная камера (9), в фокальной плоскости объектива (8) использовалась в качестве измерительного прибора.
Рассмотрим принцип работы схемы представленной на рис. 4.11.Объектив (2) с фокусным расстоянием 30,6 мм и расположенным в фокальной плоскости, источником маркерного излучения (1) 0 50 мкм формируют бесконечно удаленный источник расходимости 5,6 угл. мин. Излучение маркерного источника отражается от двух плоскопараллельных пластин (3, 4) и уголкового отражателя (5), проходит через плоскопараллельную пластину (4), и формирует на телевизионной камере пятно, соответствующее опорному направлению излучения заданного бесконечно удаленным источником. Телевизионная камера представляет собой сборку на основе фоточувствительной матрицы (9) из 640x480 элементов с линейным размером элемента 10 мкм и объектива с фокусным расстоянием 30,6 мм. Часть излучения, пропущенная плоскопараллельной пластиной (4) отводится в направлении реперного зеркала. Излучение, последовательно отражаясь от поворотного зеркала (6), реперного зеркала лазера (7), поворотного зеркала (6), плоскопараллельной пластины (4), формирует на телевизионной камере второе автоколлимационное пятно, соответствующее положению реперного зеркала. Положение информационного автоколлимационного пятна относительно опорного на матричном фотоприемнике указывает на угловое рассогласование положения реперного зеркала лазера относительно опорного направления заданного бесконечно удаленным опорным источником излучения.
Если пучок информационной части маркерного излучения падает по нормали к поверхности реперного зеркала, то излучение отражается обратно в том же направлении. При этом опорное и информационное пятна на матричном фотоприемнике совпадают. Если положение нормали к поверхности реперного зеркала несогласованно с направлением падающего излучения на некий угол, то отраженный от зеркала пучок излучения в плоскости телевизионной камеры сместится на двукратный угол относительно опорного направления заданного источником. Измеряемые рассогласования между направлениями по двум координатам подаются для отработки в точный контур наведения, который должен быть расположен на месте поворотного зеркала (6) рис.4.11.
При проведении эксперимента в таком виде возникли некоторые затруднения. Процесс совмещения двух пятен в одно («пятно в пятно») связан с большими техническими трудностями в силу фундаментальных физических законов [35, 56, 64, 67, 80] в части разрешения оптической системой двух удаленных источников излучения, находящихся на небольшом угловом расстоянии. По критерию Релея, если два источника имеют одинаковую интенсивность и форму, то различить эти источники можно, если минимум между линиями составляет около 80 % от соседних максимумов, как это показано на рисунке ниже.
При суждении о возможности разрешения двух источников с сильно различающимися интенсивностями (такой случай имеет место в нашем случае - см. рис. 4.16), приходится исходить из ряда факторов характеризующих каждый конкретный случай. Критерий Релея имеет несколько условный характер, ему нельзя приписать какой-либо специальный физический смысл и при хорошей воспроизводимости измерений и малых флуктуациях интенсивности можно зарегистрировать провал в суммарной картине значительно меньшей величины, соответствующей этому критерию. Весь вопрос сводится к тому, какой объем информации несут в себе такие измерения. Существуют работы, в которых исследуется возможность превзойти релеевский предел разрешения оптической системы. Это связано с применением для решения поставленной задачи методов теории информации [31,65, 75, 88]. Если точно известен вид пятен и хорошо измерена интенсивность во всех точках суммарной картины, возникающей в результате наложения источников, то можно разложить наблюдаемую картину на составляющие и тем самым определить 5(р, хотя никакого провала на ней не будет. Такое разложение производится с использованием вычислительной техники [46]. Математически задача сводится к восстановлению некоторой функции F(x ), которая входит в интегральное уравнение, образуя вместе с аппаратной функцией f(x-x ) так называемую свертку, дающую функцию Ф(х), описывающую измеряемую суммарную картину. Операцию нахождения F(x ) называют решением обратной задачи:
Из этих данных следует, что никакими способами по изменению расходимости излучения маркерного источника и разрешения оптической системы телевизионной камеры не удается совместить два бесконечно удаленных источника с большой точностью, так как всегда возникает физический предел сближения, при котором изображения источников уже не различаются оптической системой.
В связи с изложенным, для определения максимально возможной точности совмещения энергетических центров пятен разных источников возникает необходимость в разнесении сравниваемых источников: по
