ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО КРУГОВОГО ОБЗОРА

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.